1、南华大学机械工程学院毕业设计第 1 页 共 52 页年产 1.6 万吨蔗糖三效蒸发装置设计摘要:此次设计的生产装置为一种常见的、结构简单、于生产上应用广泛的中间循环式蒸发器。 、其属于固定管板式换热器。本次设计包含三效蒸发原理，蒸发器的设计。而蒸发器的设计又包含蒸发器类型的选取、热力的计算、部件的选取和计算、开孔和开孔补强、法兰、接管的选取、除沫器及支座等等的设计、计算和校核。此次设计的重点为蒸发器的设计。因为介质是食品类，所以对蒸发器壳体材料的选择、焊接及部件间的连接等等有较高的要求。因为蒸发器内压力与温度都不是太高，所以作为一类压力容器来设计
2、。而其中焊接，无损检测的要求较严格。设计难点是热力计算、蒸发器各部件的尺寸计算及材料选择等。关键词：蒸发器 ； 三效蒸发 ； 热力计算南华大学机械工程学院毕业设计第 2 页 共 52 页Abstract:the design of the production device is a common, simple structure, in the production of intermediate circulation evaporator widely. , which belongs to the fixed tube plate he
3、at exchanger. The design contains three effect evaporation principle, evaporator design. The design also includes an evaporator evaporator type selection, thermodynamic calculation, component selection and calculation, opening and opening reinforcement, flange, pipe selection, demister and support,
4、design, calculation and check.Design for the evaporator and the design keys. Because the media is food, so the evaporator shell material selection, welding and component is connected and so on have higher requirements. Because of the pressure and temperature in the evaporator is not too high, so as
5、the first class pressure vessel design. While welding, NDT requirements more stringent than. The design is difficult parts of thermodynamic calculation, the evaporator size calculation and material selection.Key words: Evaporator； Three-effect evaporation； Thermodynamic calculation1 概述11
6、 蒸发及蒸发流程蒸发是采用加热的方法，使得含有不挥发性的杂质（如盐）的溶液沸腾，去除其中被汽化单位的部分杂质，使溶液浓缩的单元操作过程。蒸发操作广泛使用于浓缩各种不挥发性的物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较常见的单元操作。化工生产中的蒸发主要用于如下几种目的：1、获得浓缩的溶液产品；2、将溶液蒸发增浓之后，冷却结晶而获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品；3、脱除杂质，获得纯净的溶剂或者半成品，如海水淡化。进行蒸发操作的设备就叫做蒸发器。蒸发器内部要有足够的加热面积，使溶液受热而沸腾。溶液在蒸发器内因南华大学机械工程学院毕业设计第 3 页 共 52
7、 页为各处密度的差异而形成循环流动，被浓缩到规定的浓度后排出蒸发器外部。蒸发器内备要有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器用以除去液沫，排出的蒸汽若不再利用，应将其在冷凝器中冷凝。蒸发过程中经常使用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把用作热源的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液中蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。12 蒸发操作的分类蒸发操作按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上的大多数蒸发过程是连续稳定操作的过程。按二次蒸汽利用的情况可分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不利用，直接在冷凝器冷凝后排出，这种操作称之为单效蒸发。如把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸
8、发器作加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合来使用，这种操作称之为多效蒸发。在多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。蒸发操作按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有很多优点：（1） 、在低压操作下，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差值，减小蒸发器传热面积；（2） 、可以利用低压蒸气当作加热剂；（3） 、有利于热敏性物料的蒸发；（4） 、操作温度较低，热损失较小。在加压蒸发中得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气来利用。因此，单效蒸发多是真空蒸发；多效蒸发的前效是加压或常压操作，而后效则在真空下操作。13 蒸发操作的特点从上面对蒸发过程的简要介
9、绍可知，常见的蒸发壁两侧边分别为蒸气冷凝及液体沸腾的传热过程，蒸发器也即一种换热器。但和一般的传热过程相比，南华大学机械工程学院毕业设计第 4 页 共 52 页蒸发操作有如下特点:(1) 沸点升高 蒸发的溶液中含不挥发性溶质，在压力下溶液的蒸气压较同温下纯溶剂蒸气压要低，使溶液沸点高于纯溶液沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。在加热蒸气温度一定情况下，蒸发溶液的时候的传热温差必然小于加热溶剂的纯热温差，且溶液的浓度越高，这种影响就越显著。(2) 物料工艺特性 蒸发溶液本身具有一些特性，如有些物料在浓缩的时候可能析出晶体，或者易于结垢；有些则有较大的
10、黏度或者较强的腐蚀性等。怎样根据物料的特性和工艺的要求，选择适当的蒸发流程和设备是蒸发操作必须考虑的问题。(3) 节约能源 蒸发时汽化的溶剂量大，需要消耗大量的加热蒸气。怎样充分利用热量，提高加热蒸气利用率是蒸发操作要考虑在内的另一个关键点。14 蒸发设备蒸发设备的作用是使得进入蒸发器的原料液体被加热，部分会气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所带的液滴和雾沫分离。蒸发主体设备为蒸发器，它由加热室和蒸发室等组成。蒸发的辅助设备还包括：使液沫进一步分离的除沫器、使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需要真空装置。分述如下：由于生产要求不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用
11、的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：（1）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，蒸发器内溶液浓度大体相同，接近完成液浓度。操作稳定。这类蒸发器主要有a.中央循环管式蒸发器 ，b.悬筐式蒸发器c.外热式蒸发器 ，d.列文式蒸发器e.强制循环蒸发器 。a、b、c、d 四种为自然循环蒸发器 。（2）单程型蒸发器南华大学机械工程学院毕业设计第 5 页 共 52 页特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。优点：溶液停留时间短，所以尤其适用于热敏性物料的蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。缺点：设计或操作不
12、当的时候不易成膜，热流量将会明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。这类蒸发器主要有a.升膜式蒸发器 ，b.降膜式蒸发器，c.刮板式蒸发器本次设计采用的是中央循环管式蒸发器 ：结构和原理：其下部的加热室由垂直管束组成，中间有根直径较大的中央循环管。当管内液体被加热沸腾的时候，中央循环管内的气液混合物的平均密度较大；而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，由加热管上升，做自然循环流动。溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数，强化了蒸发过程。这种蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用广泛，有“标准蒸发器”之称。为了使得溶液有良好的循环，中央
13、循环管的截面积一般为其余加热管总截面积的 40%100%；加热管的高度一般在 12m；加热管径在 2575mm 之间。而实际上，因为结构上的限制，其循环速度一般在0.40.5m/s 以下；蒸发器内的溶液浓度始终接近完成液浓度；清洗和维修也不太方便。南华大学机械工程学院毕业设计第 6 页 共 52 页2 蒸发工艺设计计算21 设计参数 =0.1 ， =0.5；0x3x=27 ；tC=2.055 Pa， =0.14 Pa ；1P53P510F=22700 kg/h ；C=4.19-2.35X kJ/(kg) 注：（C 此处表示为比热容） ；=3120
14、 w/m2k ， =1990 w/m2k ， =1140 w/m2k ，各效传热面积相等。1k23南华大学机械工程学院毕业设计第 7 页 共 52 页=1.78x+6.22 。2x年生产要达到 1.6 万吨（按每年 280 工作日算） ，则蔗糖的质量流量 71.60.6/284mqkgs体积流量 s。4sv22 部分设计参数符号剩余符号正文有标明南华大学机械工程学院毕业设计第 8 页 共 52 页)./(/)./(22CmWKkgJhsgfhkgFDmdCkgJcb总 传 热 系 数 ，
15、二 次 蒸 汽 的 焓 ，高 度 ，重 力 加 速 度 ，校 正 系 数 ， 无 因 次原 料 液 流 量 ，加 热 蒸 汽 消 耗 量 ，直 径 ，加 热 管 的 内 径 ，比 热 容 ，管 壁 厚 度 ，英 文 字 母饱 和 的秒污 垢 的压 力流 速 ，温 度 ，管 心 距 ，溶 液 的 温 度 （ 沸 点 ） ，传 热 面 积 ，污 垢 热 阻 ，气 话 潜 热 ，雷 诺 系 数 ， 无 因 次总 传 热 速 率 ，热 通 量 ，普 兰 特 准 数 ， 无 因 次绝 对 压 力 ，蒸 发 系 统 总 效 数 ，管 数 ，溶 液 质 量 ，子 周 边 上 的单 位 时 间 内 通 过 单
16、 位 管长 度 ，SspsmuCTtSWmRkgJrQqPPapnskgMLer/).(/)./(22误 差 ， 无 因 次温 度 损 失 ，对 流 川 热 系 数 ，希 腊 字 母 质 量 ，单 位 体 积 冷 却 水 的 蒸 汽 次溶 质 的 质 量 分 率 ， 无 因质 量 流 量 ，蒸 发 量 ，分 离 室 的 体 积 ，流 体 得 体 积 流 量 ，蒸 发 体 积 强 度 ，CmWkgXxhkgWmVsUS )./(/).(2333壁 面 的水 的体 积 的蒸 汽 的外 侧 的最 小 的最 大 的平 均 的液 体 的冷 凝 器 的内 侧 的沸 腾 的平 均 的下 标 水 流 收 缩
17、系 数 ， 无 因 次 因 次管 材 质 的 校 正 系 数 ， 无密 度 ，表 面 张 力 ，粘 度 ，导 热 系 数 ，热 利 用 系 数 ， 无 因 次wuvomLKiBavmkgNsPainax/.)./(3南华大学机械工程学院毕业设计第 9 页 共 52 页23 蒸浓液浓度计算多效蒸发工艺计算的主要依据是物料衡算和、热量衡算和传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸气（生蒸气）消耗量、各效溶剂蒸发量及各效传热面积。已知计算参数有：料液流量、温度、浓度，最终完成液浓度、加热蒸气压强和冷凝器中压强等。蒸发器的设计计算步骤：多效蒸发的计算一般使
18、用试算法。（1） 根据工艺要求和溶液性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸气压强及冷凝器压强） ，蒸发器的形式、流程和效数。（2） 根据生产经验的数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液浓度。（3） 根据经验假设蒸气通过各效压强降相等，估算个效溶液沸点和有效的总温差。（4） 根据蒸发器的焓衡算，求得各效的蒸发量和传热量。（5） 根据传热速率方程计算各效传热面积。若求得各效传热面积不相等，则应按下面介绍的方法重新分配有效温度差，重复步骤（3)到（5） ，直到所求得各效传热面积相等（或满足预先给出的精度要求）为止。图 2.1 并流多效蒸发淡糖浓缩工艺流程图所以由 =0.1 ， =0.5 ，F=22700
19、kg/h0x3可得总蒸发量 W=F(1- / )=18160 kg/h0x3=0.1 ， =0.5 ，F=22700 kg/h03可得总蒸发量 W=F(1- / )=18160 kg/h03南华大学机械工程学院毕业设计第 10 页 共 52 页并流加料蒸发中没有额外蒸汽的引出,可设 W :W2:W3=1:1.1:1.21则 = W1/（1+1.1+1.2）=5503.03 kg/h1w= W1.1/（1+1.1+1.2）=6053.33 kg/h 2= W1.2/（1+1.1+1.2）=6603.64 k
20、g/h3综合上述数据由 =F /(F- - - - )ix01w23i则可得 =F /(F- )=0.13211= F /(F- - )=0.204202= F /(F-W)=0.53x24 有效温度差的确定将上得 =0.132， =0.204， =0.5 代进 =1.78x+6.22 ；12x32x则可得 =0.343； =0.622； =3.41。由 =（1/ ）/ ,1tikiit又 为 2.055 Pa 时 =120.9，p501T为 0.14 Pa 时 =51.43P3注：由化工原理附录 3，已知 =3120 w/m2k ， =1990 w/m2k ， =1140 w/m2k；1k2
21、3则有 =（ - ）- =66.1；tT3= （1/ ）/（1/ +1/ +1/ ）=12.46；11123= (1/ )/（1/ +1/ +1/ ）=19.54；2tt2kk= （1/ ）/（1/ +1/ +1/ ）=34.10。33123综上所得计算结果可得： =120.9, = - =108.44， = - =108.097；1T1tT1t1Tt= =108.097, = - =88.557, = - =87.935；222t2t2南华大学机械工程学院毕业设计第 11 页 共 52 页, ， 3287.95T335.8tTt33Tt51.9
22、由此可得由热量衡算求加热蒸汽量和各效水分蒸发量，由附录差的有关五行数据： , .10.1286./rkJg表 2.1 热量衡算表效数 X t/ /)i（ /T/()IkJg/()rkJg0 0.1 27 1131 0.132 108.44 454 108.097 2690.88 2236.492 0.204 88.557 364 87.935 2657.46 2286.623 0.5 53.835 225 51.39 2594.6625 蒸发器的传热面积的估算由化工原理附录 3 可得:, ；10.9T1286./rkJgi0=113 kJ/kg, i1=454 kJ/kg, i2=364 kJ
23、/kg, i3=225 kJ/kg；I 1=2690.88 kJ/kg, I 2=2657.46 kJ/kg, I 3=2594.66 kJ/kg；r 1=2236.46 kJ/kg, r 2=2286.62 kJ/kg。由 101()()wIiDFi1222()rIi33323()()()iirwIFi解得 5551.43kg/h, =6086.48kg/h, = 6522.09kg/h, =9218.30kg/h.1231D综上可得：1DrAkt=144 , ,2m21289rAmkt2239rAmkt由于算出 3 个蒸发器传热面积相差甚大，所以上步中计算分配的有效温度差存在较大偏差需要重
24、新分配和计算。南华大学机械工程学院毕业设计第 12 页 共 52 页26 温差的重新分配与传热面积的重新分配重新分配各效的有效温度差由粗算中所得的数据可得：，2123105Atttm解得 =17.1, =16.6, =32.15。1tt 2Att3Att综上重算数据可得各效各效温度，二次蒸汽温度，加热蒸汽温度：=120.9, =103.8， =103.5，1T11tTt11Tt=103.5, =86.9， =86.3，22222=86.3, =54.1， =51.7333tt33t重新查附录得：i0=113 kJ/kg, i1=435 kJ/kg
25、, i2=364 kJ/kg, i3=227 kJ/kg；I 1=2683 kJ/kg, I 2=2655 kJ/kg, I 3=2596 kJ/kg；r 1=2249 kJ/kg, r 2=2291 kJ/kg；表 2.2 热量衡算表效数 X t/ i/(kJ/kg) /T/(kgIJ） r/(J）0 0.10 27 1131 0.132 103.8 435 103.5 2683 22492 0.205 86.9 364 86.3 2655 22913 0.30 54.1 227 51.7 2596计算各效传热面积将上述所得数据代入 ，1101()()wIiDrFi，2212()Ii。133
26、323()()()iirwIFi南华大学机械工程学院毕业设计第 13 页 共 52 页解得： 5623kg/h, =6094kg/h, =6488kg/h, =9122kg/h=2.53kg/s.1w23w1D从而得出：; .011.FxW02125FxW由于算出的 与原来假设值相差不大，而 也与原来的变化不大，温度2,w,差损失仍按原值，各效有效温度差不变，可进行下一步运算。=104 ， ， 。1DrAkt2m21206rAmkt223105wrAmkt得知各效传热面积基本相同，取传热面积为：A= 。212305南华大学机械工程学院毕业设计第
27、 14 页 共 52 页3 蒸发器工艺尺寸计算蒸发器的主要结构尺寸（以下均以第一效为计算对象）选取中央循环管式蒸发器的计算方法如下。31 加热管的选择和管数的初步估计加热管是中央循环式蒸发器加热室的换热部件，也称为换热管。换热管是管壳式换热器的传热元件,采用高效传热元件是改进换热器传热性能最直接最有效的方法。国内已使用的换热管有以下几种：(1)螺纹管 螺纹管也称低翅片管,用光管轧制而成,适用于管外热阻为管内热阻1.5倍以上的单相流及渣油、蜡油等粘度大、腐蚀易结垢的物料的换热。(2)T形翅片管 用于管外沸腾时,可有效降低物料的泡核点,沸腾给热系数提高
28、1.63.3倍,是蒸发器、重沸器的理想用管。(3)表面多孔管 为光管表面形成1层多孔性的金属敷层,该敷层上密布小孔能形成很多汽化中心,强化沸腾和传热。(4)螺旋槽纹管 可强化管内物流间的传热,物料在管内靠近管壁部分的流体顺槽旋流,另一部分流体则呈轴向涡流,前者流动有利于减薄边界层,后者流动分离边界层并会增强流体扰动,传热系数提高1.31.7倍,但是阻力降会增加1.72.5倍。(5)波纹管 即通过挤压成形的不锈钢薄壁波纹管,管内、外都有强化传热的作用,但波纹管换热器承压能力较为不高,管心距大而排管少,壳程短路也不易控制。(6)直管 结构简单，传热性较好，但由于其内部没有形状突变，对流体的阻力会较
29、小，比较适用于容易结垢的介质。综上，本设计换热管选择直管形式；蔗糖走管程，蒸汽走壳程。根据国标 151-1999 表 10 蒸发器的加热管通常选用 322.5 的无缝钢管，加热管的长度一般为 0.62m，有时也选用 2m 以上的管子。管子长度的选择应根据溶液结垢后的难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑，南华大学机械工程学院毕业设计第 15 页 共 52 页易结垢和易起泡沫溶液就选用短管。根据我的设计任务和溶液性质，我选用以下的管子。可根据经验选取：L=2M， 322.5mm因加热管固定在管板上，而管板选择考虑到管板厚度所占有的传热面积，
30、以及因焊接所需要每端留出的剩余长度，则计算理论管子数 n 时的管长实际可按以下公式来计算：L=（L0-0.1 ）m=2-0.1=1.9 m则可得每根加热管截面积：S= =803.84 ；周长: H= =0.12m2d(） 2d每根加热管管的换热面积为： =HL=0.2012m若全部为加热管束，则估算单程管子数为：= =619sn）（ 1.0-LdV式中 V蒸发器的传热面积，由之前的工艺计算决定；d 加热管外径， m；0L0加热管长度，m。因为是采用的中央循环管式换热器，而若采用 540 根则换热面积:=5400.20=1082S232 循环管的选择中央循环管式蒸发器的循环管截面积可取加热管总截
31、面积的 40%-100%。加热管的总截面积可按 n 计算。循环管内径以 D1 表示，对于加热面积较小的s蒸发器，应该去较大的百分数，取加热管的面积 70%，则D =（40%100%）n d421s42iD = d = *32=802mms)0.(i50*%7所以选取管子直径 80010mm 循环管管长与加热管管长相同为 2m。南华大学机械工程学院毕业设计第 16 页 共 52 页按上式计算出 D1 后应从管规格表中选取管径相近的标准管，只需 n 和 n相差不大。循环管的规格一次确定。循环管的管长与加热管相等，循环管的表面积不计入传热面积之中。根据
32、国标 151-1999 附录 C，换热器用奥氏体不锈钢焊接接管，细管钢管外径允许偏差按表 ，有 mm 厚度允许偏差，按表 为 0.3mm；中央循环13.02C管外径允许偏差为 mm 厚度偏差为 1mm。64因为此处中央有一根直径较大的中央循环管，加热管在管板上的排列方式可选用同心圆布管，如图 3.1 所示。图 3.1 同心圆布管根据国标 151-1999 表 12 知 32 号管中心距为 40mm，而换热管中心距一般不小于 1.25 倍的换热管外径，所以可取中心距 50mm。因为循环管直径是802mm，则最里面的那圈换热管可取中心距 1000mm。 &
33、nbsp; 0Cr18Ni9 是得到最广泛应用的不锈钢、耐热钢。用于食品生产设备、昔通化工设备、核能等。故都采用 0Cr18Ni9,取加热管为 TP304 号管。 注：(加热管须采用整根钢管，不允许拼接的无缝钢管。加热管应每一批中做一根钢管的扩口试验。加热管的金相组织应具有铁素体-奥氏体两相组织)。综上：a.加热管的选型：直管形式。b.加热管参数与材料：（1）.中央循环管 1 根 d=80
34、210mm；外径允许偏差 mm 厚度偏差 1mm；材料6.4用 0Cr18Ni9。（2）.周边的加热管 n=540 根，用南华大学机械工程学院毕业设计第 17 页 共 52 页322.5mm，的无缝钢管。且要注意钢管应该采用不加填充金属的自动电弧焊或电阻焊的焊接方法来制造，交货状态为固溶处理和酸洗。若经光亮和固溶处理，则可以不经过酸洗。检查钢管的弯曲度不能大于 1.5mm，对于钢管还需进行洛氏硬度试验，洛氏硬度 HRB90.钢管应进行压扁和扩口试验，反向弯曲试验，进行涡流检测。钢管的外径允许偏差按表 mm 厚度允许偏差按表1C3.0为 0.3mm
35、； 2c.加热管布管：同心圆布管。33 接管尺寸的确定流体进出口接管内径按下式计算：14uVD式中 V流体的体积流量，/s；前面已求得 6.610 s；4u流体的适宜流速，m/s。流体的适宜流速列于下查于相关标准，如下表 3.1 中，设计是可作为参考表 3.1 流体的适宜流速强制流动的液体 自然流动的流体 饱和蒸汽 空气及其他气体0.8-15 m/s 0.08-0.15 m/s 20-30 m/s 15-20 m/s蒸发器有如下主要接管。（1）蔗糖的进出口 对于并流加料的三效蒸发，I 效溶液的流量最大，如各效设备采用统一尺寸，应根据 I 效溶液流量来确定接管。而溶液的适当流速按强制流动考虑。为
36、了方便起见，进出口可取统一管径。所以可设接管内流速南华大学机械工程学院毕业设计第 18 页 共 52 页u=12m/s，那么接管 =0.117m，查相关标准可选用接管内径 150mm。14uVD（2）加热蒸汽进口与二次蒸气出口 如果各效结构尺寸一致，则二次蒸汽体积流量应该取各效中的较大者。一般情况下，末效体积流量最大。设u=20m/s，接管 =0.143m，则查相关标准可选用接管内径 150mm。14uV（3）冷凝水出口 冷凝水的进出一般是属于自然流动(有泵抽出的情况除外)，接管直径应由各效加热蒸汽消耗量较大者来确定。设 u=0.15m/s，则接
37、管=0.0376m，选用内径为 50mm。14uVD34 设计条件 表 3.2 工艺参数壳程 管程容器类别 一类设计压力 MPa 0.3 1工作压力 MPa 0.2055 0.8设计温度 150 90工作温度 120.9 67.5物料名称 水蒸气 蔗糖溶液主要受压元件材质 壳程圆筒椭圆形封头316L(00Cr17Ni14Mo2)换热管 TP304(0Cr18Ni9)管板 1Cr18Ni9Ti+堆焊壳程圆筒 1Cr18Ni9Ti焊缝系数 1 1液压试验压力 MPa 0.6 1.6南华大学机械工程学院毕业设计第 19 页 共 52 页35 蒸发器结构
38、设计参数的确定因为三效蒸发器里的三个蒸发器的结构基本是一样的，所以只要设计一个蒸发器。下面对第一效蒸发器进行计算。热流体进口温度（水蒸汽）=出口温度（水）=120.9；所以壳程混合气体的定性温度为 T=121。冷流体进口温度（蔗糖溶液）=27，出口温度=103.8；所以管程流体的定性温度为 t= =65。27103.8查化工原理附录 2 可得：壳程 T=121时，操作压力=0.2055Mpa；管程 T=103.8时，操作压力=0.102Mpa.36 管板的选择尺寸及设计要求 换热面积 2m105南华大学机械工程学院毕业设计第 20 页 共 52
39、页图 3.2 管板(1)由换热管的排列分布可知管板 DN=1800mm，根据 GB151-1999 的规定换热器设计手册表 1-6-11（A）选取整体管板：D=1960mm， =1915mm， D1=1876m， =1797mm, =1853mm， =1800mm，1345DC=18.5mm， =27mm；2d螺栓规格 M24 有 52 个， =70mm，b=80mm；管孔按 GB151-1999 表 16级管束tb换热管外径 32mm，管孔直径 32.35mm，允许偏差 。0.2(2) 管板的设计要求：管板所用 1Cr18Ni9Ti 要按 JB4726-2000IV 级严格要求；
40、管板加工后全表面及焊接破口，经磁粉检测，符合 JB/T4730.4-2005 I 级进行 300下的高温拉伸试验且高温屈服强度要符合 JB4726-2000 表 A1 的要求。37 筒体设计换热器壳体采用圆柱形筒体结构的形式，因工作压力不高，所以采取单层式圆筒结构。内压圆筒的壁厚 （查过程设备设计得）：CPDict2式中： 为计算压力，MP； 为焊接接头系数； 为壁厚附加量，mm。cP考虑到介质具有腐蚀性，所以选择1Cr18Ni9Ti作为制造圆筒的材料，已知条件有：D =1800， =170Mpa， =1.0（查过程设备设计 得） ，设计压力itP=1Mpa。壳体计算压力 等于设计压力P加上液
41、体静压力，因为c液柱静压力：p=gh=1000*9.8*2/10 =0.0196MP5%*1MP=0.05MP 6所以这里的液柱静压力可忽略不计。南华大学机械工程学院毕业设计第 21 页 共 52 页所以计算压力 =P=1.0MPcP再计算壁厚：= =5.31mmctp-2iD1-708得设计壁厚： n= +C +C =2.14+0+0=5.31mm2对 1Cr18Ni9Ti，钢板负偏差 C =0，所以名义厚度 =5.31，因而可取1 n名义厚度为 6。而对低合金钢制的容器，规定不包括腐蚀余量的最小厚度应不小于 3，名义厚度至少要取 5mm，由钢
42、材标准规格取名义厚度为6mm。圆筒的厚度应按 GB1501998 第 5 章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒额最小厚度应不小于表 3.3 的规定。表 3.3 筒体公称直径 4007007001000100015001500200020002600浮头式，u型管式8 10 12 14 16固定管板式 6 8 10 12 14综上所述可得，圆筒的厚度应该为 12mm。即加热室和分离室壳体的壁厚均为 12mm。38 连接381 管子与管板的连接管子与管板的连接方式有：胀接、焊接和胀焊并用三种方法。其中胀接又可分为机械胀管、液压胀管和爆炸胀管三种方法。胀接结构简单，便于更换和修补管子，但是不适合在高温下工
43、作。而机械滚胀法操作简便，但容易使得胀接不匀，一旦管子-管板连接失效，再用胀管来修复就比较困难；液压胀管操作方便，且换热管不会产生“过胀” ，也不会产生“窜动”，所以连接区内应力分南华大学机械工程学院毕业设计第 22 页 共 52 页布很均匀，连接的可靠性较机械胀接要好些，但液压胀接对加工精度要求较严格，对于密布的接头，要保证百分之百胀接成功，也是有一定的困难，如果失效，再胀接修复也较为因难；爆炸胀管操作较为复杂，且难以控制，所以一般不采用。焊接连接是保证管子和管板连接处有可靠的紧密性与抗拉脱能力的工艺方法。焊接时焊缝不易出现裂纹、气孔及夹渣等缺
44、陷，接头有足够的强度、塑性和良好的密封性、耐蚀性，通常出现失效的几率很小。但管子和管板缝隙处则容易形成滞留液体，造成腐蚀破坏，且小直径的管子易被熔融了的金属堵塞住管口。综合上面的分析及本设计的实际情况，采用管子与管板的连接应采用液压胀接方式如图3.3所示。图 3.3 液压胀接382 管板与壳体的连接在固定管板式换热器中，管板与壳体的连接都是采用的焊接方法。因为管板有兼作法兰和不兼作法兰的区别，所以其各自的结构形式也有所不同。在本设计中采用固定管板、管板兼作法兰的结构，管板与壳体的焊接形式。管板与管箱采用螺栓连接，密封形式采取垫圈密封，其结构如下图。下图使用在壳体壁厚小于等于12mm，壳程设计压
45、力不大于1MPa，且壳程介质为非易燃、南华大学机械工程学院毕业设计第 23 页 共 52 页非易爆、非挥发性及有毒。此处壳程走饱和蒸汽，均符合要求，故我们选用图3.4的连接方式。 图 3.4 管板与壳体的连接 39 封头的选择、强度和厚度计算封头形式主要有：球冠封头、椭圆形封头、碟形封头、半球形封头等，第一种的优点是制造方便，后面三种的优点是受力好。球冠封头是部分球面，它不经过过渡而与圆筒直接连接，因此球冠封头存在很大的不连续应力，但是其制造也更加方便。碟形封头是带折边的球面封头,由半径为R 的球面、半径为r的过渡环壳和短圆筒等三部分组成，由于曲
46、率存在突变，因此受力情况不佳，但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成型加工。其中受内压（凹面受压）的椭圆形封头，因为封头的椭球部分经线曲率变化较为平滑连续，故应力比较均匀，且椭圆形封头的深度较半球形小的多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。且根据GB1501998球形封头厚度计算公式，球形封头厚度可以减小到筒体的一半；且考虑本设备尺寸大，从经济性出发，选用椭圆型封头。(1)设计温度下椭圆型封头的计算厚度此处我们使用标准椭圆封头，由 =2 ，可得 h =450mm，此时 K=1 焊接ihD2i接头系数 =0.85，厚度计算式为：南华大学机械工程学院毕业设计第
47、24 页 共 52 页1806.2427.5120.5citcpD封头选择 00Cr17Ni14Mo2 的不锈钢材料，故 C =0,2封头的设计厚度： =6.24mm2d此处厚度负偏差 因不大于 0.256.246%=0.374， 故取 =0.1C1封头的名义厚度： = 6.24mm ，考虑开孔补强因素及冲压减薄；1nd向上圆整至钢材标准规格的厚度 12 mm；综上，椭圆形封头的有效厚度： =12mm。12()enC310 法兰的确定图 3.5 法兰 由于材料为奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9Ti，并采用板式平焊法兰，如左图所示。进出气口接管法兰选用 1594
48、.5mm法兰: D N150-PN1.6 RF 数量 5 个DN=150mm A=159mm D=285mm K=240mm L=22mm =161mm b=6mm C=24mm 螺栓:M20,n=81B法兰质量 7.61kg。（2）冷凝水出口南华大学机械工程学院毕业设计第 25 页 共 52 页接管法兰选用 573.5mm法兰: D N50-PN1.6 RF 数量 1 个DN=50mm A=57mm
49、 D=165mm K=125mm L=18mm =59mm b=5mm c=18mm 螺栓:M16 ,n=41B法兰质量 2.77kg。311 除沫器的选择、尺寸的确定图 3.6 上装式丝网除沫器根据设计要求，除沫器采用丝网除沫器作为气液分离装置,用上装式（根据HGT21618-1998） 。因为公称直径为 1800，按 DN=1800，H=150,选取材料为 0Cr18Ni10Ti，代号321 (GB4240).如表 3.4。表 3.4 除沫器的尺寸南华大学机械工程学院毕业设计第 26 页 共 52
50、 页312 人孔由 HG21515-95,公称直径 DN=450mm,选用回转盖板式平焊法兰人孔尺寸如下图：图 3.7 人孔 人孔同样选用不锈钢 1Cr18Ni9Ti.313 支座(1)支座简介及选择支 座 定 义 ： 用 以 支 承 容 器 或 设 备 的 重 量 ， 并 使 其 固 定 于 一 定 位 置 的 支 承部 件 ,并 需 要 承 受 操 作 时 的 振 动 与 地 震 载 荷 。 其 结 构 型 式 主 要 由 容 器 自 身 的型 式 和 支 座 的 形 状 来 决 定 ， 通 常 分 为 立 式 支 座 、 卧 式 支 座 和 球 形 容 器 支 座 三类 :a
51、.立 式 支 座 又 分 为 悬 挂 式 支 座 、 支 承 式 支 座 、 支 承 式 支 脚 ， 支 承 式支 腿 、 裙 式 支 座 等 ；b.卧 式 支 座 分 鞍 式 支 座 、 圈 座 和 支 腿 式 支 座 等 ；c.球 形 容 器 支 座 分 支 柱 式 、 裙 式 、 半 埋 式 和 V 形 支 承 等 。南华大学机械工程学院毕业设计第 27 页 共 52 页由 于 本 次 设 计 的 结 构 需 要 采 用 悬 挂 式 的 耳 式 支 座 ； 根 据 BZ002013059有 B 型 耳 式 支 座 如 图 3.8。(2)设 计 要 求 （ 引 自 JB4725-92） ：焊 接 采 用 电 焊 、 炸 条 牌 号 应 根 据 支 座 各 部 件 的 材 料 参 照 有
