《南京林業(yè)大學》word版.doc

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南京林業(yè)大學 本科畢業(yè)設計（論文） 題 目： 黑液預熱器的設計 學 院： 輕工科學與工程學院 專 業(yè)： 輕化工程（制漿造紙和裝備與控制） 學 號： 080202511 學生姓名： 沈 陽 指導教師： 王 晨 職 稱： 講 師 二O一二年 五月 摘 要 黑液是造紙工業(yè)中的主要污染源，采用堿回收工藝，即對黑液進行濃縮和燃燒，可以有效地解決這一問題，同時達到回收熱能和黑液中堿的目的。一般在黑液進入蒸發(fā)器進行蒸發(fā)前都要進行預熱，以縮小溫差來提高蒸發(fā)的效率。黑液的預熱通常采用固定管板式換熱器，其具有單位體積傳熱面積大、結(jié)構(gòu)緊湊、堅固、傳熱效果好、耐高溫高壓和生產(chǎn)能力大等特點。 本設計在充分了解黑液性質(zhì)，黑液預熱的過程以及固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)和性能的前提下，依據(jù)給定的設計條件，從工藝計算開始，對預熱器的傳熱及阻力性能進行了計算與校核；接著對預熱器的筒體、管箱、管板、法蘭等重要結(jié)構(gòu)部件進行了計算與校核，并對黑液輸送泵進行了選型；最后應用軟件對預熱器整體進行強度校核。整個設計過程可以為以后的設計和生產(chǎn)提供依據(jù)和參考。 關鍵詞：黑液預熱器 固定管板式換熱器 工藝計算 結(jié)構(gòu)設計 強度校核 Design of Black Liquor Preheater Abstract The black liquor is a major source of pollution in the paper industry. Using the alkali recovery process which is black liquor concentration and combustion can solve this problem effectively, and achieve the purpose of heat and black liquor alkali recovery. Before the black liquor going to the evaporator, it must be preheated to reduce the temperature difference and improve the efficiency of evaporation. The black liquor is usually preheated by the fixed tube sheet heat exchanger, which has many characteristics such as a large heat transfer area per unit volume, compact, sturdy, high heat transfer capacity, high temperature and pressure resistance and large capacity . In this design, based on fully understanding the characters of black liquor, preheating process, and the fixed tube sheet heat exchanger structure and performance, the process calculation is done first to calculate and check on the heat transfer and pressure drop performances of the preheater with the given design conditions. Then the cylinder, tube box, tube sheets, flanges of the preheater and other important structural components are calculated and checked. The black liquor transfer pump is also selected. The overall strength of the preheater is checked by using the application software SW6. This design can provide the basis and reference for future design and production Keywords :Black liquor preheater Fixed tube sheet heat exchanger Process calculation Structural design Strength check 目 錄 第一章 緒論 - 1 - 第二章 工藝計算 - 6 - 2.1 原始數(shù)據(jù) - 6 - 2.2 黑液性質(zhì) - 6 - 2.3 物料與熱量衡算 - 7 - 2.4 有效平均溫差 - 7 - 2.5 初算傳熱面積 - 8 - 2.6 管程和殼程的結(jié)構(gòu)設計 - 8 - 2.6.1 管程的結(jié)構(gòu)設計 - 8 - 2.6.2 殼程的結(jié)構(gòu)設計 - 9 - 2.7 換熱器傳熱系數(shù)和換熱面積的核算 - 13 - 2.7.1 傳熱系數(shù)的核算 - 13 - 2.7.2 傳熱面積的校核 - 14 - 2.8 管程壓力降 - 14 - 2.9 殼程壓降 - 15 - 第三章 結(jié)構(gòu)設計 - 16 - 3.1 筒體的厚度 - 16 - 3.2 管箱的厚度 - 17 - 3.3 封頭的厚度 - 17 - 3.4 開孔補強 - 18 - 3.5 管板的計算 - 21 - 3.6 法蘭的計算 - 35 - 3.6.1管箱法蘭的計算 - 35 - 3.6.2 管法蘭的計算 - 41 - 3.7 水壓試驗 - 41 - 3.8 黑液輸送泵的選型 - 42 - 第四章 強度校核 - 45 - 4.1設計計算條件 - 45 - 4.2前端管箱筒體計算 - 46 - 4.3前端管箱封頭計算 - 47 - 4.4后端管箱筒體計算 - 49 - 4.5后端管箱封頭計算 - 50 - 4.6殼體圓筒計算 - 52 - 4.7開孔補強的計算 - 53 - 4.8管板的計算 - 60 - 4.9管箱法蘭的計算 - 69 - 第五章 總結(jié) - 72 - 致 謝 - 73 - 參考文獻 - 74 - 附件 - 75 - 第一章 緒論 制漿造紙工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè)之一，但是在工業(yè)水污染中, 造紙黑液的污染卻占有了很大的比重。以前只有少數(shù)生產(chǎn)規(guī)模較大的堿法制漿工廠用黑液濃縮及燃燒的方法回收堿, 而許多年產(chǎn)量小于5000 t的堿法制漿工廠的黑液常常未加處理就直接排入江河, 引起大范圍污染[1] 。黑液是造紙工業(yè)最主要的污染源, 它含有50% 的木質(zhì)素[2]。黑液是堿回收的原料，它是纖維原料經(jīng)過硫酸鹽法或燒堿法蒸煮，粗漿經(jīng)過紙漿洗滌和黑液提取得到的廢液，因為其顏色很深稱為黑液。黑液是復雜的有機物和無機物的堿性溶液，它的化學成分是原料品種和蒸煮條件的函數(shù)。一般黑液固形物中有機物約占65%—70%，無機物占30%—35%。而木質(zhì)素又是有機物中的重要成分，木質(zhì)素具有很高的熱值, 可以作為生物燃料。 隨著造紙業(yè)的飛速發(fā)展，黑液的堿回收也被絕大多數(shù)的公司所運用。目前，木漿黑液的堿回收率可高達96%以上、熱回收率可達90%以上，再生的蒸煮液在不補充或少補充商品化學藥品的情況下循環(huán)用于蒸煮過程，回收熱能產(chǎn)生的蒸汽可以解決生產(chǎn)過程中許多地方的用汽需要。因此，在解決了黑液污染問題的同時，為生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟效益[3]。經(jīng)過比較和實踐檢驗，目前最為成熟和有效的方法仍然是傳統(tǒng)的燃燒法。其主要的工藝過程包括：稀黑液蒸發(fā)、濃黑液燃燒、綠液苛化和白泥回收[4]。 1． 稀黑液的蒸發(fā)，黑液蒸發(fā)的目的是提高黑液的濃度，以滿足堿回收爐燃燒的要求。黑液蒸發(fā)一般有兩種操作方式，一種是在蒸發(fā)工段一次就把稀黑液濃縮到入爐燃燒的濃度，這樣在燃燒工段可以取消直接接觸蒸發(fā)器，減少臭氣污染，這是目前傾向采用的一種方法；另外一種就是黑液的蒸發(fā)分為兩步完成。第一步是通過多效真空蒸發(fā)系統(tǒng)，利用蒸汽間接加熱蒸發(fā)的方法，去掉黑液中的大部分水分，使蒸發(fā)后黑液濃度不超過40%—55%；第二步是通過直接蒸發(fā)設備，利用堿回收爐尾部煙氣直接加熱增濃的方法，使黑液濃度達到進爐燃燒的要求，木漿黑液一般為60%—65%，草漿黑液一般為50%—55%。這樣操作的優(yōu)點是可減少間接蒸發(fā)的蒸汽消耗量，又大大減少了間接蒸發(fā)高濃度黑液時的困難，同時還可以吸附、凈化煙氣中的粉塵。但是利用煙氣直接蒸發(fā)黑液時，排入大氣的煙氣中硫化氫等有害氣體大為增加。受到環(huán)境保護條例的限制，這種方式將趨于淘汰。 2． 濃黑液的燃燒，黑液的燃燒雖然與其他燃料的燃燒有許多類似的地方，但在堿回收爐內(nèi)，工藝過程的化學反應比較復雜。除了一般劣質(zhì)燃料的元素如碳、氫、氧之外，黑液還含有相當多的堿（鈉和鉀）和硫。燃燒產(chǎn)物不僅有二氧化碳和水蒸氣，也包括回收的制漿蒸煮化學藥品，如碳酸鈉和硫化鈉。重要的化學反應包括硫酸鈉還原、煙霧粒子的形成、硫的釋放和回收反應。燃燒產(chǎn)生的熱量又可以供給其他車間使用. 3． 綠液的苛化,燃燒黑液產(chǎn)生的無機熔融物溶解于稀白液或水中，形成的溶液由于含有少量的氫氧化鐵而呈綠色，稱為綠液。將石灰加入綠液中，使綠液中的碳酸鈉轉(zhuǎn)化為氫氧化鈉的過程稱為苛化。 4． 白泥的回收，苛化后的白液經(jīng)過澄清后將白泥回收的以便再次利用。 一般稀黑液在進入蒸發(fā)系統(tǒng)前或黑液由后邊的蒸發(fā)效進入前邊的蒸發(fā)效之前要經(jīng)過黑液預熱器。原因有：①預熱進效前的黑液。由于制漿提取黑液的設備和工藝條件不同，稀黑液溫度差別很大。木漿廠黑液溫度一般不超過75~80℃，草類漿廠黑液可能更低一些。同時經(jīng)過一定儲存時間后，稀黑液溫度更有所降低。根據(jù)蒸發(fā)采用的黑液流程，如果進效黑夜溫度與該效黑液沸騰溫度相差太大時，特別對于升膜蒸發(fā)器來說，必須使用黑液預熱器。②預熱低溫效進入高溫效前的黑液。采用混流或逆流供液流程時為把黑液加熱至接近高溫效工作壓力下的沸點的溫度，黑液預熱器一般是必不可少的設備。黑液預熱器目前多采用列管式預熱器[5]。列管式黑液預熱器分為臥式和立式兩種，兩種形式中又有單程式和多程式之分。臥式預熱器的預熱效果較好，主要缺點是結(jié)構(gòu)不緊湊，熱損失大，占地面積較大，維修不便。立式預熱器一般多為多程式，這種預熱器基本上克服了臥式的缺點，中、小型廠多采用這種形式，加熱面積一般為20~55㎡。大型廠也有采用加熱面積為100㎡的[6]。 列管式換熱器主要有殼體、管板、管束、管箱和封頭等部件組成。管束平行裝于圓筒形的殼體內(nèi)，管束的兩端分別固定在管板上。換熱器在進行熱交換時，一種流體由管箱接管處進入，經(jīng)由管內(nèi)流動，稱為管程；另一種流體在管束和殼體間的空隙內(nèi)流動，稱為殼程。根據(jù)熱補償方式的不同，管板的形式不同，列管式換熱器可分為三種類型：固定管板式，浮頭式和U形管式。在設計過程中，應該根據(jù)具體的生產(chǎn)條件，如流體的溫度和壓力、管程和殼程的溫度差、換熱器的熱負荷、檢修清洗的要求等，對照以上各類換熱器的特點，確定選用哪一種類型的列管換熱器。本處選用固定管板式換熱器。 固定管板式換熱器的設計一般包括工藝設計和結(jié)構(gòu)設計等。工藝設計一般包括傳熱設計和壓降（流動）設計，傳熱設計尤為復雜。在換熱器的設計和選型中，工藝流體（被處理物料）的用量和進、出口溫度是由工藝要求所規(guī)定的，另一種流體即加熱劑或冷卻劑的進口溫度，一般由來源而定，但它的用量或出口溫度則由設計者選定。用量的大小，將直接影響加熱劑或冷卻劑的出口溫度以及換熱器傳熱面積的大小，因此需慎重選擇[7]。目前常用的工藝設計的方法有[8]：Kern法[9]（主要特點：講設計作為一個整體問題來處理。即除傳熱問題外，還同時考慮殼程-管程動態(tài)溫度分布、污垢及結(jié)構(gòu)等問題它還包括管程及殼程的冷凝和沸騰的內(nèi)容。）、Bell-Delaware法[10]（主要特點：是利用大量的實驗數(shù)據(jù),引入各流路的校正系數(shù),是一種半理論方法。）以及流路分析法[11]（主要特點：不僅可以計算出各流路條件發(fā)生變化時的殼程壓降,而且可以定量計算出各流路之間的流量分配,從而使設計者能夠更好地分析問題和采取合理措施。）并且我們在流體流徑的選擇過程中還應該遵循如下的原則：1.不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，因為管內(nèi)清洗比較方便。2.腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時受到腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。3.壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓，可節(jié)省殼體金屬消耗量。4.飽和蒸汽宜走管間，以便于及時排除冷凝液，且蒸汽較為潔凈，它對清洗無要求。5.有毒流體宜走管內(nèi)，使泄露機會較少。6.被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，增強冷卻效果。7.黏度大的液體或流量較小的流體宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動時，由于流速和流向的不斷變化，在低Re值（Re＞100）下即可達到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。8.對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，若兩流體的溫度差較大，對流傳熱系數(shù)較大者宜走管間，因壁面溫度與α大的流體溫度相近，可以減少熱應力[12]。在結(jié)構(gòu)設計中，材料的選用，流體流動阻力的計算，各部分強度的校核都必須按照相關規(guī)定嚴格進行 。 隨著人們對傳熱效率的不斷追求，各種強化傳熱的方法因運而生。所謂強化傳熱過程，就是指提高冷熱體間的傳熱效率。從傳熱速率方程不難看出，增大總傳熱系數(shù)、傳熱面積和平均溫度差都可提高傳熱速率。在換熱器的設計和生產(chǎn)操作中，或在換熱器的改進開發(fā)中，大多數(shù)從這三方面來考慮強化傳熱過程的途徑。 1) 增大平均溫度差 平均溫度差的大小取決于兩流體的溫度條件和兩流體在換熱器中的流動形式。一般來說流體的溫度由生產(chǎn)工藝條件所規(guī)定，因此可變動的范圍是有限的。但是在某些場合采用加熱或冷卻介質(zhì)，這時因所選介質(zhì)的不同，它們的溫度可以有很大的差別。例如，在化工廠中常用的飽和水蒸氣，若提高蒸汽的壓強就可以提高蒸汽的溫度，從而增大平均溫差。 2） 增大傳熱面積 增大傳熱面積，可以提高換熱器的傳熱效率。但是增大傳熱面積不能依靠增大換熱器的尺寸來實現(xiàn)，從而改進設備的結(jié)構(gòu)入手，即提高單位體積的傳熱面積。工業(yè)上主要采用如下方法。 (1) 翅化面 用翅片來增大傳熱面積，并加劇流體的湍動，以提高傳熱速率。 (2) 異型便面 將傳熱面制造成各種凹凸形、波紋形、扁平狀等，板式換熱器屬于此類。 (3) 多孔物質(zhì)結(jié)構(gòu) 將細小的金屬顆粒涂結(jié)于傳熱表面，可增大傳熱面積。 (4) 采用小直徑傳熱管 在管殼式換熱器中采用小直徑管，可增加單位體積的傳熱面積。 3） 增大總傳熱系數(shù) 從總傳熱系數(shù)公式可見，欲提高換熱器的總傳熱系數(shù)，就須減小管壁兩側(cè)的對流傳熱熱阻、污垢熱阻和管壁熱阻。但因各項熱阻在總熱阻中所占比例不同，應設法減少對值影響較大的熱阻，才能有效地提高值。一般有如下方法： (1) 提高流體的流速 在管殼式換熱器中增加管程數(shù)和殼程的擋板數(shù)，可提高換熱器管程和殼程的流速。由于流速增大，加劇了流體的湍動程度，可減少傳熱邊界層中層流內(nèi)層的厚度，提高對流傳熱系數(shù)，減少對流傳熱熱阻。 (2) 增強流體的擾動 由于流體的擾動，使層流內(nèi)層減薄，可提高對流傳熱系數(shù)，減少對流傳熱熱阻。 (3) 在流體中加固體顆粒 固體顆粒的加入產(chǎn)生了擾動作用，對流傳熱系數(shù)增大，減少了對流傳熱熱阻。同時由于顆粒不斷地沖刷壁面，減輕了污垢的形成，使污垢熱阻降低。 (4) 采用短管換熱器 由于流動進口段對傳熱的影響，即在進口處附近層流內(nèi)層很薄，故采用短管可提高對流傳熱系數(shù)。 (5) 防止垢層形成和及時清除垢層 增加流體的速度和加劇流體的擾動，可防止垢層的形成；讓易結(jié)垢的流體在管程流動或采用可拆式換熱器結(jié)構(gòu)，便于清除垢層；采用機械或化學的方法，定期進行清垢。 應予指出，強化傳熱過程要權(quán)衡利弊，綜合考慮。如提高流速和增強流體擾 動，可強化傳熱，但都伴隨有流動阻力的增加，或使設備結(jié)構(gòu)復雜、清洗及檢修困難等。因此，對實際的傳熱過程，要對設備結(jié)構(gòu)、動力消耗、運行維修等方面予全面考慮，選用經(jīng)濟而合理的強化方法[12]。 第二章 工藝計算 2.1 原始數(shù)據(jù) 溫度：62℃→84℃ 濃度：9Be(15℃) 性質(zhì)：馬尾松（KP法） 處理量：1200（絕干物）固形物 24 蒸汽：飽和蒸汽1.8at（表壓） 2.2 黑液性質(zhì)[13] 1. 黑液的平均溫度：t==73℃ 2. 黑液的固形物含量：73℃的波美度Be(73)=Be(15)－0.052(t－15)=5.984 20℃的波美度Be(20)=8.74 C=1.51Be(15)－0.9=12.69 所以黑液固形物含量為12.69％ 3. 黑液的比熱：黑液的比熱隨黑液中固形物含量的增加而下降，在100℃范圍內(nèi) 黑液的比熱隨溫度變化很小。 Cp=Cp固C＋4.186(1－C)=3.91 (Cp固固形物的比熱容取2.016) 4. 黑液的密度：ρ黑液==1067.7 5. 黑液的傳熱系數(shù)1.73λ=0.82310-3T－1.9310-3S+0.321 得出 λ=0.206 6. 黑液的粘度：μ黑液=0.5310-3 2.3 物料與熱量衡算 黑液的總量：W==9456.3 Wh==394012.5 kg/s 處理黑液所需要的總熱量為Q1=WhCp(t2－t1)=9414.7 kJ/s 根據(jù)黑液的性質(zhì)和蒸汽的性質(zhì)，決定黑液走管程，蒸汽走殼程。 若熱損失取所需熱量的5% 即Q2=0.05Q1=470.7 kJ/s 則 所需的總熱量為：Q3=Q1+Q2=9885.4 kJ/s 1.8at表壓換算成絕對壓強為0.28Mpa 查《化工原理》P334 得蒸汽溫度為：132℃ 汽化熱：r=2173.1 kJ/kg 密度ρ蒸汽=1.543kg/m3 該溫度下水的密度為：ρ水=933.9kg/m3 若進口為飽和蒸汽，出口為飽和水，則蒸汽的用量：m3==4.55 kg/s 蒸汽的體積流量為：V3==2.95 m3/s 冷卻水的體積流量：=0.00487 m3/s 黑液的體積流量=0.1025 2.4 有效平均溫差 熱流體的進口溫度：T1=132℃ 熱流體的出口溫度：T2=132℃ 冷流體的進口溫度：t1=62℃ 冷流體的出口溫度：t2=84℃ 逆流方式的平均溫差 ： ==57.8℃ 對于錯流熱交換器：= =φ（R,P） 系數(shù)：R= =0 系數(shù)：P==0.32 根據(jù)公式[14]：φ = =1 所以得到： =57.8℃ 2.5 初算傳熱面積 根據(jù)殼程走蒸汽，管程走黑液初選總傳熱系數(shù)：K=700 則傳熱面積：A==244.3 2.6 管程和殼程的結(jié)構(gòu)設計 2.6.1 管程的結(jié)構(gòu)設計 管徑的確定：現(xiàn)有φ252.5mm,φ192mm等規(guī)格， 為了強化傳熱先取φ192mm的管子。 單程管數(shù)：n= 根據(jù)經(jīng)驗值管程流速?。?1.5 則n=386 根 管長的確定：L==10.6m 目前所采用的換熱管的長度和殼體的直徑之比，一般在4~25之間，通常為6~10，立式熱交換器，其值為4~6.GB151-99推薦的管子的長度為：1000、1500、2000、2500、3000、4500、6000、7500、9000、12000等。因此如果按上式計算，管長過長時，就應作多管程熱交換器[14]?，F(xiàn)取管長為3000mm。 則管程數(shù)：Z==3.6≈4 總管數(shù)為：=1584 根 2.6.2 殼程的結(jié)構(gòu)設計 1 管子在管板上的固定 管子在管板上的固定一般有焊接法和脹接法。焊接法在高溫下仍能保持緊密性，對管板孔的加工要求較低，同時比脹接法操作簡單。所以此處選擇焊接法。 2 管子在管板上的排列 一般管子的排列有正方形和正三角形排列，為了保證設備的體積緊湊，以便減少管板和殼體的直徑并使管外空間流通截面積減小，以便提高管外流體的流速，增加傳熱效率。此處排列方式選取等邊三角形排列。 按等邊三角形排列是，流體流動方向與三角形的一條邊垂直，最內(nèi)層六邊形的邊長等于s.通常在管板周邊與六邊形的邊之間的六個弓形部分不排列管子。但當層數(shù)a>6時，則在這些弓形部分也應排列管子，這時最外層管子的中心不應超出最大六邊形的外接圓。 3 管間距的確定 根據(jù)GB151 P24表12的規(guī)定 最小管間距為：S=25mm 分程隔板槽兩側(cè)管中心距：Sn=38mm 4 殼體內(nèi)直徑的確定： 其中：s為管間距根據(jù)管子的直徑一般管間距最小取s=25mm b為管束中心線上排管的管數(shù)：b==44根 =1.5do=28.5mm 所以 D1=1127mm 5 布管限定圓 根據(jù)GB151 P25規(guī)定布管限定圓直徑DL==1107mm 其中為最外層換熱管表面至殼體內(nèi)壁的最短距離。最小為10mm。 最終布管結(jié)果為1616根管子 6 分程隔板 在管箱內(nèi)安裝分程隔板是為了將熱交換器的管程分程若干流程。流程的組織應注意每一管程的管子數(shù)大致相等。分程隔板的形狀應力求簡單，并使密封長度盡可能短。根據(jù)GB151-99 的規(guī)定所采用的程數(shù)有1、2、4、6、8、10、12等七種管程數(shù)，下圖管程布置的一些例子。 圖2-1 分程隔板樣式 因為本換熱器是4管程，所以可選擇圖中4（丁字形）的排列方式。 7 管板 管板是管殼式換熱器的關鍵零件之一，常用的均為圓形平板。它的合理設計，對于節(jié)省材料和加工制造都有重要的意義。 管板和殼體的連接分為可拆和不可拆兩種。固定管板式熱交換器一般采用不可拆連接，兩端的管板直接焊于外殼上并延伸到殼體周圍之外兼作法蘭。如圖2-1。管板的受力情況比較復雜，影響管板的強度的因素很多，因而管板的分析和計算公式相當繁復。由于采用的簡化假定各不相同，與管板真實的受力情況有程度不同的差別，以致在同樣的條件下用各國規(guī)范計算公式得出的厚度差別也比較大。我國的計算方法，已在GB151-99中規(guī)定。 圖2-2 管板兼作法蘭 8 折流板 為提高流體的流速和湍流程度，強化殼程流體的傳熱，在管外空間常裝設縱向隔板或折流板。 折流板除了使流體橫過管束流動外，還有支持管束、防止管束振動和彎曲的作用。它的裝設不如縱向隔板那么困難，而且裝設后可使流體橫過管束流動，故此獲得普遍應用。 折流板的常用形式有：弓形折流板、盤環(huán)形折流板、扇形折流板、管孔形折流板等。如圖2-3所示： 圖2-3折流板 在弓形折流板中，流體流動中的死角較小，結(jié)構(gòu)也簡單，因而用的很多。弓形折流板在臥式換熱器中的排列分為缺口上下方向交替排列和缺口左右方向交替排列兩種。當殼程是氣液相共存時宜用缺口左右方向交替排列的形式。 弓形折流板的缺口和板間距的大小是影響傳熱效果和壓降的兩個重要的因素，缺口的大小是按切去的弓形弦高占殼體內(nèi)徑的百分比來確定的。缺口弦高一般為熱交換器公稱直徑的20%~25%，尤以25%用的最普遍。此換熱器取弦高25%。 弓形折流板的間接一般不應小于圓筒內(nèi)徑的1/5，且不小于10mm。最大不超過1500mm，且不超過圓筒內(nèi)徑。兩塊管板與端部兩塊折流板的距離通常大于中間一些折流板的距離，以便為殼程進出口提供額外空間。中間折流板，除有特殊要求外，一般在管子的有效長度上作等距布置。 根據(jù)GB151-99的規(guī)定，取折流板厚度為12mm。折流板間距為300mm，共8塊折流板，離管板距離為385mm。 9 拉桿 根據(jù)GB151-99 P77規(guī)定： 表2-1拉桿尺寸 得到拉桿直接為12mm，拉桿數(shù)量為12根。 10進出口管徑的確定 其中：V為體積流量 為接管中流體的流速 流體流速的經(jīng)驗值：對于液體一般在1.5~2.5 對于氣體一般在20~100 所以殼程進口d=0.25m 殼程出口d=0.056m 管程進口d=0.25m 管程出口d=025m 2.7 換熱器傳熱系數(shù)和換熱面積的核算 2.7.1 傳熱系數(shù)的核算[15] 一般規(guī)定傳熱面積以傳熱管外表面積為準： 1 殼程流體的傳熱膜系數(shù) 殼程雷諾數(shù) d=0.019mm =13.4m/s =1.543kg/m3 =0.1510-3pas 所以 Re=2618.9 蒸汽的參數(shù):Pr=0.85 當量直徑de=0.37m λ蒸汽=0.68℃ μw=0.2310-3pas 根據(jù)公式： =3395.7 2 根據(jù)《化工原理課程設計》P19表1-20查的： 管外側(cè)污垢熱阻：R0=0.0003 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻：Ri=0.0004 3 管程流體的傳熱膜系數(shù) 管程雷諾數(shù) d=0.015mm =1.44m/s =1067.7kg/m3 =0.5310-3pas 所以Re=43513.8 根據(jù)公式： 得=6828.82 根據(jù)上述結(jié)果得：K=748 2.7.2 傳熱面積的校核 所需的傳熱面積：=228.6 m2 實際傳熱面積：=289.2 m2 此設計的面積裕度為：100%=26.5% 符合要求。 2.8 管程壓力降 管程壓力降，又下列三部分組成： 1 直管阻力 = 其中：λ為相對粗糙度 查《化工原理》上冊P49 表1-2得絕對粗糙度ε=0.2mm 則相對粗糙度=0.013 Re=43513.8 查《化工原理》上冊P54 圖1-27得： λ=0.04 所以 =8855.9 Pa 2 局部阻力 = 其中ζ為局部阻力系數(shù)，對于多管程ζ=3~4 取ζ=4 所以 =4428.0 Pa 3 流體通過進出口接管時的阻力 = 所以 =3203.1 Pa 管程的總壓降= 其中：Ft=1.4 Np-管程 Ns-殼程 得 =92327 Pa 2.9 殼程壓降[15] 這里采用埃索公司的計算式： = 其中： —流體橫過兩折流板之間的管束時的阻力降 —流體流過折流板缺口的阻力降 —殼程結(jié)構(gòu)阻力校正系數(shù)，對氣體=1.0 = = 其中：F—管子排列方式對壓降的校正系數(shù)，對于正三角形，F(xiàn)=0.5 —殼程摩擦因數(shù) 當Re＞500時 ==0.83 —折流板數(shù) =8 —管束中心線上管排的管數(shù) =b=44 —殼程流體通過折流板缺口時的流速 = 其中：—為流體通過折流板缺口時的流通面積，= =0.154 —折流板缺口的管子數(shù) =53 所以 =0.18 則 =16.39 綜上所述：=22766.1 Pa =4919.9 Pa 則 =27686 Pa 第三章 結(jié)構(gòu)設計 3.1 筒體的厚度 設計壓力=0.281.25=0.35MPa 設計溫度為132℃ 一般換熱器的殼體和管箱的公稱直徑大于400mm時，其筒體使用板材卷制。因為殼程走蒸汽，根據(jù)GB150 第四章對于材料的規(guī)定這里取筒體的材料為：Q235—B 圓筒的計算厚度：= 式中：為設計溫度下圓筒材料的許用應力 查GB150 P14表4-1得：=113MPa φ—焊接接頭系數(shù)[16] φ=1 = 1.74mm 腐蝕裕量對于介質(zhì)為壓縮空氣，水蒸氣或水的碳素鋼容器取1mm 根據(jù)GB151—99 P21 表8 碳素鋼和低合金鋼最小厚度應滿足下表3-1的規(guī)定： 表3-1筒體厚度 得固定管板式換熱器圓筒的最小厚度為10mm 則取筒壁的厚度為10mm 設計溫度下圓筒的計算應力按下式計算： ==19.89MPa＜φ=113MPa 合格 設計溫度下圓筒的最大允許工作壓力： ==1.99MPa＞0.28MPa 合格 3.2 管箱的厚度[17] 由于管程走黑液，且黑液具有一定的腐蝕性所以管箱的材料選擇:不銹鋼304(0Gr18Ni9) 管箱的計算厚度：= 式中：為設計溫度下管箱材料的許用應力 查GB150 P16表4-1得：=118MPa 得 =1.67mm 腐蝕裕量取3mm 根據(jù)GB151—99 P21 表3-2高合金鋼最小厚度應滿足下表的規(guī)定： 表3-2管箱厚度 根據(jù)上表的規(guī)定取管箱的厚度為12mm 設計溫度下管箱的計算應力按下式計算： ==19.89MPa＜118MPa 合格 設計溫度下管箱的最大允許工作壓力： ==2.07MPa＞0.28MPa 合格 3.3 封頭的厚度[17] 材料同管箱的材料用：不銹鋼304(0Gr18Ni9) 封頭的計算厚度：==1.74mm 根據(jù)上述表9的要求得封頭的厚度為12mm 設計溫度下封頭的計算應力按下式計算： ==19.89MPa＜118MPa 合格 設計溫度下管箱的最大允許工作壓力： ==2.07MPa＞0.28MPa 合格 3.4 開孔補強[16] 適用的開孔補強范圍 當其內(nèi)徑＜1500mm時，開孔最大直徑d＜0.5且d＜520mm 開孔補強結(jié)構(gòu)：補強圈補強 所以遵循下列規(guī)定：(1)鋼材的標準抗拉強度下限值≤540MPa (2)補強圈厚度小于或等于 (3)殼體名義厚度≤38mm 圓筒開孔所需補強面積按下式計算： 式中： δ—圓筒開孔處的計算厚度 d—開孔直徑，圓形孔取接管內(nèi)直徑加兩倍厚度附加量 —接管有效厚度 —強度削弱系數(shù)，等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比值 殼程接管：進口 外徑取273mm 公稱壁厚9mm 出口 外徑取76mm 公稱壁厚4mm 管程接管：進口 外徑取273mm 公稱壁厚9mm 出口 外徑取273mm 公稱壁厚9mm 材料皆為不銹鋼304. =＞1 所以=1[18] 1 殼程進口處 =475.02mm2 有效補強范圍：a.有效寬度B，取兩者中較大值 B=2b或B= 得 B=546 b.有效高度，分別取較小值 或 得 =49.6 或 得 =0 在有效補強范圍內(nèi)，可作為補強的截面積： —殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積 ==1981.98mm2 —接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積 ==720.2mm2 —焊縫金屬截面積 得：++＞A 所以殼程進口處不需要補強。 2 殼程出口處 =132.24mm2 有效補強范圍：a.有效寬度B，取兩者中較大值 B=2b或B= 得 B=152 b.有效高度，分別取較小值 或 得 =17.4mm 或 得 =0 ==551.76mm2 ==43.85mm2 得++＞ 所以殼程出口不需要補強。 3 管程進出口處 =455.91mm2 有效補強范圍：a.有效寬度B，取兩者中較大值 B=2b或B= 得 B=546mm b.有效高度，分別取較小值 或 得 =49.6mm 或 得 =0 ==2001.1mm2 ==727.14mm2 得++＞ 所以管程進出口也不需要補強。 3.5 管板的計算[19] 設計條件：殼程設計壓力 ps=0.35MPa 管程設計壓力 pt=0.35MPa 殼程設計溫度 Ts=132℃ 管程設計溫度 Tt=84℃ 殼體平均溫度 ts=132℃ 換熱管平平均金屬溫度 tt=102.5℃ 管程四程，殼程單程 公稱直徑 DN=1127mm 殼體和管箱內(nèi)徑 Di=1127mm 殼體壁厚 δs=10mm 換熱管外徑 d0=19mm 換熱管壁厚 δt=2mm 換熱管根數(shù) n=1616 換熱管長度 L=3000mm 換熱管受壓失穩(wěn)當量長度Lcr=530mm 換熱管三角形排列，管間距 S=25mm 換熱管與管板連接采用焊接，焊縫高度3.5mm 管程腐蝕裕量 Ct=3mm 殼程腐蝕裕量 Cs=1mm 管程分程隔板槽深 H1=5mm 殼體材料 Q235—B 管箱材料 304 換熱管材料 304 管板材料 16Mn鍛件 管箱法蘭 16Mn鍛件 連接螺栓 35GrMoA 連接墊片 不銹鋼纏繞墊 固定管板式換熱器管板通常采用外伸至周圍兼作管板法蘭，形式如下圖3-1： 圖3-1管板法蘭 第一步：根據(jù)管板的最小厚度確定管板的有效厚度。 管箱法蘭厚度為50mm，換熱管與管板連接采用焊接，管板的最小厚度不小于12mm，假設管板有效厚度T=55mm。 第二步：根據(jù)管板的有效厚度和管板的結(jié)構(gòu)要求，以及管板的腐蝕裕量確定管板的公稱厚度Tn=55+3+1+5=64mm。管板設計溫度Tp=132℃ 16Mn鍛件，管板的許用應力=149MPa 第三步：計算各參數(shù)和系數(shù) 1 法蘭力矩 1)墊片 查墊片標準，不銹鋼纏繞墊片 墊片外徑=1167mm 墊片系數(shù)m=3.0 墊片內(nèi)徑=1127mm 墊片比壓力y=50MPa 墊片基本密封寬度b0==10mm 因為b0＞6.4mm 墊片有效密封寬度b==8mm[19] 墊片壓緊力作用中心圓直徑DG==1151m 2)螺栓載荷 螺栓個數(shù)及尺寸36個M20 螺栓材料35GrMoA 螺栓材料在常溫下許用應力 =210MPa 螺栓材料在132℃時許用應力 =188MPa 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷：Wa==1445656N 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷：Wp==424706.6N 3)螺栓面積 預緊狀態(tài)下所需螺栓面積 Aa==6884.1mm2 操作狀態(tài)下所需螺栓面積 Ap==2259.1mm2 所需螺栓面積Am取Aa 與Ap大值： Am=6884.1mm2 M20螺栓強度計算直徑d=17.3[19] 實際螺栓面積Ab=078517.3236=8457.9mm2 4)螺栓設計載荷 預緊狀態(tài)下螺栓設計載荷 ==1610910N 操作狀態(tài)下螺栓設計載荷 =Wp=424706.6N 5)法蘭力矩 管程壓力操作工況下法蘭力矩： Mp= FD==348967.5N Ft==15021.3N FG==60717.5N LD==39mm Lt==44mm LG==38 所以：Mp=16577932.5Nmm 基本法蘭力矩： Mm==54935118Nmm 殼體法蘭應力系數(shù)：Y=18.5（按 K==1.12 查圖9-57）[19] 2 換熱管穩(wěn)定許用壓力 換熱管回轉(zhuǎn)半徑： =6.052 mm 換熱管受壓失穩(wěn)當量長度： Lcr=530 mm 換熱管材料在設計溫度下的屈服點：=210 MPa 換熱管材料在換熱管平均金屬溫度下的彈性模量Et=206000MPa[19] 系數(shù)：Cr==139.1 因為 =87.5＜Cr 換熱管穩(wěn)定許用壓力 =72 MPa 3 參數(shù)和系數(shù)的計算 殼體圓筒內(nèi)徑面積： A==997051 mm2 殼體圓筒金屬橫截面積： As==35701.8 mm2 換熱管金屬橫截面積： na==172524.2 mm2 換熱管有效長度： L=3000－264=2872mm 換熱管材料在換熱管金屬溫度下的彈性模量： Et=206000 MPa 管束模數(shù)： Kt==10980 MPa 管板材料在管板設計溫度下的彈性模量： =196000 MPa 管板強度削弱系數(shù) η=0.4 換熱管加強系數(shù): K==6.764 沿隔板槽一側(cè)的排管根數(shù)：=44 隔板槽兩側(cè)相鄰管中心距：Sn=38mm 布管區(qū)內(nèi)未被換熱管支持的面積，對于三角形排列： Ad==11316.8 mm2 管板布管區(qū)面積：At==885976.8 mm2 管板布管區(qū)當量直徑：=1062.4 mm 系數(shù)：=0.9427 管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度： k==0.3876 法蘭外徑：Df=1267 mm 法蘭寬度：bf==70 mm 管箱法蘭厚度：=50 mm 法蘭頸部大端厚度：=22 mm 法蘭頸部小段厚度：=12 mm 管箱圓筒厚度：=12 mm 管箱法蘭材料在管板設計溫度下的彈性模量：=196000 MPa 根據(jù) =0.00887 =0.0444 查圖9-56[19]得：=0.00035 管箱旋轉(zhuǎn)剛度： =7.05 取殼體法蘭厚度：=50 mm 殼體厚度：=10 mm 殼體材料在平均金屬溫度下的彈性模量：Es=210000 MPa 根據(jù) =0.00887 =0.044 查圖9-56得：=0.00028 殼體的旋轉(zhuǎn)剛度：=5.31 旋轉(zhuǎn)剛度無量綱參數(shù)：=0.00038 管板開孔后面積：A1==539100.8 mm2 =0.541 Q==4.74 =0.32 6.77 =10.40 按K=6.764，0.00038 查圖9-58[19]得：m1=0.1 查圖9-59[24]得：G2=4.9 =38.9 M1==0.00077 按K=6.764，Q=4.74 查圖9-61[19]得：m2=0.1 查圖9-60[19]得：G3=4.9 =0.116 ==1.15 ==0.87 a.第一種工況(殼程壓力作用下無溫差的工況)Ps=0.35 MPa Pt=0 不計入熱膨脹差。即：=0 =0 當量組合壓力：Pc=Ps=0.35 MPa Pa==2.36 MPa 基本法蘭力矩：==0.04 管板邊緣力矩系數(shù)：==0.041 管板邊緣剪切系數(shù)：=1.6 管板總彎矩系數(shù)：m==1.8 G1e==0.319 G1=，當m＞0時，按K和m查圖9-62實線得G1i，若K＜1.3時 G1i==0.844 所以G1i＞G1e 則 G1=0.844 管板布管區(qū)周邊剪切應力系數(shù)：=0.07 管板徑向應力=0.057 管板布管周邊處徑向應力系數(shù)：=0.054 殼體法蘭力矩系數(shù)：0.004 (a)管板徑向應力：=76.3 MPa 管板材料在設計溫度下的許用應力=157 MPa ＜=235.5 MPa 合格 (b)管板布管區(qū)周邊外徑向應力： ==55.6 MPa ＜=235.5 MPa 合格 (c)管板布管區(qū)周邊剪切應力： ==4.3 MPa ≤0.5=78.5 MPa 合格 (d)殼體法蘭應力： ==38 MPa ≤1.5=235.5 MPa 合格 (e)殼體圓筒軸向應力： ==9.61 MPa ≤=96.05 MPa 合格 (f)換熱管軸向應力： ==3.1 MPa ≤1.0=137 MPa 合格 (g)換熱管與管板連接拉脫力： q==2.22 MPa q≤0.5=68.5 MPa 合格 結(jié)論：第一種計算工況全部應力合格。 b.第二種工況(殼程壓力作用下有溫差的工況)Ps=0.35 MPa Pt=0，計入熱膨脹差 設定換熱器組裝溫度為20℃ 換熱管在金屬溫度下的熱膨脹系數(shù)：at=1410-6 殼體在金屬溫度下的熱膨脹系數(shù)：as=10.610-6 換熱管與殼程殼體的熱膨脹變形差率： ==9.9210-5 當量組合壓力Pc==0.35 MPa 有效壓力組合：Pa==8.47 MPa 基本法蘭力矩系數(shù)：==0.01118 管板邊緣力矩系數(shù)：==0.01246 管板邊緣剪切系數(shù)：=0.4346 管板總彎矩系數(shù)：m==0.97 G1e==0.1857 G1=，當m＞0時，按K和m查圖9-62實線得G1i=0.08606， 所以G1i＜G1e 則 G1=0.1857 管板布管區(qū)周邊剪切應力系數(shù)：=0.0386 管板徑向應力=0.007168 管板布管周邊處徑向應力系數(shù)：=0.01792 殼體法蘭力矩系數(shù)：0.0005158 (a)管板徑向應力：=31.01 MPa 管板材料在設計溫度下的許用應力=157 MPa ＜=471 MPa 合格 (b)管板布管區(qū)周邊外徑向應力： ==51.99 MPa ＜=471 MPa 合格 (c)管板布管區(qū)周邊剪切應力： ==8.125 MPa ≤1.5=235.5 MPa 合格 (d)殼體法蘭應力： ==15.65 MPa ≤3.0=471 MPa 合格 (e)殼體圓筒軸向應力： ==19.76 MPa ≤3=288.2 MPa 合格 (f)換熱管軸向應力： ==-5.515 MPa ≤72 MPa 合格 (g)換熱管與管板連接拉脫力： q==3.29 MPa q≤0.5=68.5 MPa 合格 結(jié)論：第二種計算工況全部應力合格。 c.第三種工況(殼程壓力作用下無溫差的工況)Ps=0 Pt=0.35 MPa 不計入熱膨脹差。即：=0 =0 當量組合壓力：Pc==－0.46 MPa 有效壓力組合：Pa==2.36 MPa 基本法蘭力矩：==0.015 管板邊緣力矩系數(shù)：==0.015 管板邊緣剪切系數(shù)：=0.58 管板總彎矩系數(shù)：m==1.1 G1e==0.19 G1=，當m＞0時，按K和m查圖9-62實線得G1e＞ G1i 則 G1=0.19 管板布管區(qū)周邊剪切應力系數(shù)：=0.041 管板徑向應力=0.0068 管板布管周邊處徑向應力系數(shù)：=0.02 殼體法蘭力矩系數(shù)：0.00097 (a)管板徑向應力：=9.1 MPa 管板材料在設計溫度下的許用應力=157 MPa ＜=235.5 MPa 合格 (b)管板布管區(qū)周邊外徑向應力： ==17.9 MPa ＜=235.