再沸器机械设计说明书

再沸器机械设计说明书2005.7-1-前言第一节换热器的主要形式换热器是一种进行热交换操作的工艺设备，广泛应用于化工、炼油、动力、冶金、原子能、造船、食品、制冷、建筑、电子、航空等工业部门中。它不仅可以单独作为加热器、冷却器等使用，而且是一种化工单元操作的重要附属设备，因此在化工生产中占有重要的地位。通常在化工厂的建设中换热器投资比例为11%，在炼油厂中高达40%。随着化学工业的迅速发展及能源价格的提高，换热器的投资比例将进一步加大，因此，对换热器的研究备受重视，从换热器的设计、制造、结构改进到传热机理的研究一直十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。在化工生产中，换热器是主要的工艺设备之一。例如，在氮肥生产中，氮气与氢气的混和气体要在500℃左右的高温才能在催化剂的作用下合成氨，而氨与未反应的氮、氢气体的分离，则需要通过冷却与冷凝的办法以液体的形式分离出来。这一生产过程中的加热、冷却与冷凝就是通过换热器实现的。在酒精生产中，酒精精馏塔在操作时，原料液需预热，釜底液体需在再沸器中加热，塔顶产生的蒸汽需冷凝。这一生产过程中的预热、加热和冷凝也都是通过换热器实现的。换热器在化工行业中的应用是十分广泛的，各种化工生产工艺几乎都要用到它。在制冷工业中，以食品冷藏业常用的以氨为制冷剂的蒸汽压缩制冷装置为例，经过压缩机压缩后的气态氨在冷凝器中被冷凝为液体；液化后的高压液态氨在膨胀机或截流阀中绝热膨胀，使温度下降到远低于周围环境的温度；这种低温氨流体在流经蒸发器时（布置在冷藏室中）吸热蒸发而回复到原先进入压缩机时的氨气状态。然后，再重复新的循环。在其他各种制冷装置中，都存在着冷凝器和蒸发器等换热器。在火力发电厂中，装有空气预热器、燃油加热器、给水加热器、蒸汽冷凝器等一系列的换热器。其实，蒸汽锅炉本身也可以看作是一个大型复杂的换热器。燃料在炉膛中燃烧产生的热量，通过炉膛受热面、对流蒸发受热面、过热器及省煤气加热工质，使工质汽化、过热成为能输往蒸汽轮机的符合要求的过热蒸汽。在核电厂中，蒸汽发生器是一项很重要的的工艺设备。核燃料裂变所产生的大量的热量首先传给冷却剂，冷却剂在蒸汽发生器中再将热量传给水、使水汽化成蒸汽，由蒸汽来转动汽轮发电再沸器机械设计说明书2005.7-2-机发电。此外，在核电厂系统中还装有各种加热器、蒸汽冷凝器等换热器。在动力、化工、制冷等工业中，换热器不仅是不可缺少的工艺设备，而且在金属消耗和投资方面也占有较大的比例。在火力发电厂中，如果将锅炉也作为换热设备，则换热器的投资约占电厂总投资的70%左右。在一般石油化工企业中，换热器的投资约占总投资的40%～50%；在现代石油化工企业中约占30%～40%。在一般制冷机中，蒸发器的金属消耗量约占制冷机金属消耗总量的30%～40%。第二节再沸器的主要分类由于工业生产中作用换热器的目的和要求各不相同，换热设备的类型也多种多样。由于换热器的种类繁多，用途广泛，因此出现了多种分类方法，常见的有以下几种：1.按换热器的工作原理或传热方式分1)表面式换热器（又称间壁式换热器）在这类换热器中，冷热两种流体进入换热器后被固体壁面隔开，互不接触，热量由热流体通过壁面传给冷流体。表面式换热器的应用广泛，形式很多，各种管式换热器和板式结构换热器都属此类。2)直接接触式换热器（又称混合式换热器）在这类换热器中，冷热两种流体直接接触彼此混合彼此混合进行换热，如冷水塔、湿式混合冷凝器、空调工程中的喷淋室等。这种换热方式效果好，所用设备也较简单，但必须在工艺上允许两种流体混合的情况下才能使用。3)蓄热式换热器（又称回热式换热器）此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体的换热器。当高温流体流过蓄热体壁面时，热量由高温流体传给蓄热体，使蓄热体壁面温度升高。然后再让低温流体流过蓄热体的壁面，这时蓄热体把热量释放给低温流体，使低温流体的温度升高，如此周而复始。锅炉中的旋转式空气预热器就是一种蓄热式换热器。使用蓄热式换热器时，两种流体多少会有些混合，如果这种微量掺杂也不允许的话，则不能采用蓄热式换热器。4)中间载热体换热器此种换热器是把两个表面式换热器由在其中循环的载热体连接起来的换热器。载热体在高温流体换热器和低温流体换热器再沸器机械设计说明书2005.7-3-之间循环，在高温流体换热器接受热量，在低温流体换热器把能量释放给低温流体。属于这一类型的换热器有热管式换热器、液体（或气体）偶联的间接换热器等。虽然直接接触式和蓄热式换热设备具有结构简单，制造容易等特点，但由于在换热过程中，有高温流体和低温流体相互混合或部分混合，使其在应用上受到限制。因此工业上所用换热设备以间壁式换热器居多。间壁式换热器的类型也是多种多样，从其结构上大致可分为管式换热器和板式换热器。管式换热器主要包括蛇管、套管和列管式换热器；板式换热器主要包括型板式、螺旋板式和板壳式换热器。不同类型的换热器各有自己的优缺点和使用条件。一般来说，板式换热器单位体积的传热面积越大，设备紧凑（250～1500m²/m³）,材耗低（15㎏/m³），传热系数大，热损失小。但承压能力较低，工作介质的处理量较少，且制造加工较复杂，成本较高。而管式换热器虽然在传热性能和设备的紧凑型上不及板式换热器，但它具有结构较简单，加工制造比较容易，结构坚固，性能可靠，适应面广等突出优点，因此被广泛应用于化工生产中。特别是列管式换热器在现阶段的化工生产中应用最为广泛，而且设计资料和数据较为完善，技术上比较成熟。列管式换热器在化工生产中主要作为加热（冷却）器、蒸发器或再沸器及冷凝器使用。在这些不同的传热过程中，有些为无相变化传热，有些是由相变化传热，他们具有不同的传热机理，遵循不同的流体力学和传热规律，因此在设计方法上存在一些差别。本设计主要是针对其作为再沸器的列管式换热器进行的。2.按换热器的用途分按换热器在生产中的用途，可将其分为：加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸器、冷却器、深冷器、冷凝器。加热器是将无相变化的流体加热到需要的温度的换热器。预热器是将流体预先进行加热的换热器，这样可以提高后面操作中的效率。过热器是用于把流体（一般是气体）加热到过热状态的换热器。蒸发器是用于加热流体使其蒸发的换热器。再沸器是使装置中已经冷却了的液体再加热并使之气化的换热器。冷却器是用于把流体冷却到必要的温度的换热器。深冷器是用于把流体冷却到0℃以下很低温度的换热器。冷凝器是用于冷却凝结性气体，并使其凝结液化的换热器。再沸器机械设计说明书2005.7-4-3.按换热器传热面的形状和结构分这种分类方法主要是为了区分各种类型的表面式换热器。主要有以下几种：1)管式换热器这类换热器都是通过管壁传热的换热器。按传热管的结构形式可分为管壳式（列管式）、套管式、绕管式和蛇管式四种基本形式。2)板式结构换热器这类换热器都是通过板面传热的换热器。按传热板的结构形式可分为螺旋板式、板式、板肋式和板壳式四种基本形式。3)其它形式的换热器这类换热器是一些具有特殊结构的换热器，一般都是为了满足某些特殊要求而设计的，如离心式换热器、液体偶联间接换热器、湿式空气冷却器等。4.按换热器所用的材料分1)金属材料换热器，如铜、铝、碳钢、不锈钢、钛等制成的换热器。2)非金属材料换热器，如石墨、玻璃、氟塑料、陶瓷等制成的换热器。近几十年来，工业和科学技术的发展，一方面不断对换热器提出新的要求，同时也为换热器的发展提供了条件，因而使换热器也进入了一个飞速发展的时期。第三节换热在各工业生产中的重要作用近30年来，热管换热器在结构设计上虽然没有多大变化，但在传热管的结构、耐高温高压的能力和大型花灯方面都有了很大进展。随着强化传热技术的发展，各种型式的强化传热管相继出现。在管壳式换热器中，强化传热管已被广泛采用，在提高传热效率、提高紧凑型和降低材料消耗等方面均取得了显著效果。通过选用新型材料和对关键受力部件的改进，操作温度和压力都有了明显的提高。随着工艺和传热学的发展，板式结构换热器在设计和生产上遇到的问题逐步得到解决，在许多工业部门中得到广泛应用。在压力较低、温度不高、流量不很大的若干场合，各种板式结构换热器以逐步取代管式换热器。传统的蓄热式换热器是固定的，以格子砖为蓄热体（在低温再沸器机械设计说明书2005.7-5-场合使用石头），体积庞大，效率很低。近年来，为了节约能源，许多国家对蓄热式换热器进行了大量的开发研究工作，使其在材料和结构方面都得到了很大的发展，其性能也有了显著的提高。为了解决强腐蚀介质的换热问题，用耐腐蚀的新型材料制造的换热器日渐增多。在非金属材料方面，用石磨和聚四氟乙烯塑料制造的换热器已获得广泛的应用。在稀有金属方面，钛制换热器已得到广泛的应用。新型材料的出现和使用，不仅给制造工艺而且对设备本身也带来了许多新的变化。例如，聚四氟乙烯换热器，由于管子是柔性的，因此可以将换热器制成各种特殊的形式，以适应各种不同场合的需要。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。近20年来，国际燃料价格上涨了3倍以上，能源费用在制造成本中的比率迅速增大。因此，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术，使燃料消耗指标一降再降。近几年来，我国在节能方面虽然已取得很大的成绩，但能源的供求矛盾仍然十分尖锐。能源不足已经成为当前国民经济发展的一个严重障碍。造成能源紧张的原因很多，其中一个重要的原因是能源的浪费仍然十分严重。我国能源的利用率很低，只有28%左右，还不到日本的一半（日本达57%），比西欧的40%也低得多。由此可见，我国在节能方面存在着很大的潜力。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些换热器的效率，显然可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收余热，可以显著地提高设备的热效率。工业余热数量大，分布广，各国均已把余热回收列为节能工作的一个重要方面。经验表明，换热器是最有效的余热回收设备。以锻造加热炉为例，普通加热炉每公斤锻件的能耗约为0.7公斤标准燃料，而装有换热器的加热炉每公斤锻件的能耗只有0.15公斤左右标准燃料。烧燃料的工业炉，约有60%～70%的热量由排出的烟气带走，被浪费掉了。早些年，国内曾偏重于用余热锅炉来回收烟气余热，而较少采用换热器。余热锅炉的热回收率虽然较高，但它无助于工业炉本身热效率的提高，因而无助于炉用高质燃料的节省。装设换热器利用烟气余热来预热工业炉的进风，可以使工业炉本身的热效率得到提高，因而可以节省炉用高质燃料。用普通换热器将空气预热至300～400℃，一般可节约燃料15%～25%，用高温换热器时可以取得更好的效果，节约燃料可达再沸器机械设计说明书2005.7-6-40%以上。烧低热值燃料的加热炉，将空气和煤气预热至300℃，可使升温速度提高1～2倍，可使产量提高20%～30%。对于烧油的炉子，预热空气有助于燃油雾化质量的改善，使燃料得到充分的燃烧。换热器的后面再装余热锅炉，可使燃料热量的利用率达到80%～90%。由此可见，工业炉烟气的余热回收，应首先满足炉内需要以节省炉用高质燃料；然后再考虑外部需要，争取得到更大的经济效益。对于其它余热的回收，也应遵循以节约燃料为中心进行综合利用的原则。由于工业余热分布广、形式各种各样，故节能方案也各不相同，但在各种节能方案中，换热器几乎是不可缺少的。第四节本工艺立式热虹吸再沸器选用标准本设计所采用的再沸器为立式热虹吸再沸器。之所以采用立式热虹吸再沸器，原因在于它具有传热系数高，结构紧凑，安装方便，釜液在加热段的停留时间短简，不易结垢，调节方便，占地面积小，设备及运行费用低等显著优点，而且不用设置动力装置，利用塔底单相釜液与换热器传热管内气液混合物的密度差形成推动力，构成工艺物流在精馏塔底与再沸器间的流动循环，因此，立式热虹吸再沸器工艺设计需将传热计算和流体力学计算相互关联采用试差的方法，并以出口气含率为试差变量进行计算。其工艺性能足以满足本塔设计的要求，故采用此种类型的再沸器。第五节设计所用的标准和规范本设计顺序以GB151为规范；再沸器机械设