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1、 学校代码： 10128学 号： 200720506048 本科毕业设计说明书题 目：60kt/a氯碱厂四效蒸发器设计学生姓名：学 院：化工学院系 别：过控系专 业：过程装备与控制工程班 级：过控07-2指导教师： 副教授 二 一 一 年 六 月摘 要氯碱工业是利用电解饱和食盐水溶液制取烧碱和氯气并副产氢气的生产过程。生产过程包括盐水精制、电解和产品精制等工序，而产品精制工序又包括碱液浓缩、氯气液化和氢气的处理，其中在碱液浓缩时，需要经过蒸发（一般采用三效或四效逆流强制循环蒸发器）。本设计为60kt/a氯碱厂效外加热强制循环蒸发器。该设备由加热室（管壳式换热器）、蒸发室、循环管和强制循环泵等组
2、成。循环管在蒸发室外部，从蒸发室锥形底下来的料液，通过循环管和强制循环泵，不断送入加热室后，再进入蒸发室蒸发并进行气液分离。在设计过程中，首先对加热室进行了强度设计计算、管板计算、膨胀节校核计算等。然后对蒸发室进行了强度设计计算。最后进行了塔体设计计算。采用效，增加了蒸汽利用率；采用外加热式，由于加热室与分离室分开，这样不仅便于清洗与更换，而且可以降低蒸发器的总高度；采用强制循环，利用外加动力（循环泵）使溶液沿一定方向作高速循环流动，而且循环速度的大小可通过调节泵的流量来控制，使得传热系数大，对于粘度较大或易结晶、结垢的物料，适应性较好。关键词：氯碱工业；蒸发器；换热器；强制循环；效Abstr
3、actChlor-alkali industry is a saturated salt solution by electrolysis of caustic soda and chlorine Preparation and production of hydrogen by-product. Production process, including salt refining, electrolytic refining processes and products, and refining processes and products, including lye concentr
4、ation, chlorine and hydrogen liquefaction processing, which in concentrated alkaline solution, the need to go through evaporation(Generally use the three-way or four-effect countercurrent forced circulation evaporator).This is designed to 60kt / a chlor-alkali plants outside four-effect forced circu
5、lation evaporator heating. The equipment consists of a heating chamber (shell and tube heat exchanger), evaporation chamber and the circulation pipe forced circulation pumps etc. Circular tube in the evaporation chamber outside, from the evaporation chamber to the liquid cone-shaped bottom, through
6、the circulation pipe and forced circulation pump continuously into the heating chamber, and then evaporating into the evaporation chamber and the gas-liquid separation.In the design process, the first heating chamber design calculations for the strength, tube sheet calculation, expansion joint check
7、ing calculation. Then the strength of the evaporation chamber design calculations. Finally, a tower design calculations.Use of four-effect external heating forced circulation evaporator, increasing the utilization of steam, the heating chamber and separation chamber separated, not only for easy clea
8、ning and replacement, and can reduce the total height of the evaporator, the evaporator while using external power (circulation pump) The solution for high speed along the circular flow of a certain direction, and the circulation rate by adjusting the size of the pump flow control, making the heat t
9、ransfer coefficient, viscosity or easy for crystallization fouling materials, good adaptability.Keywords: chlor-alkali industry; evaporator; heat exchanger; forced circulation; four-effect 目 录引言 1第一章 加热室设计计算 3符号说明 31.1 设计条件 91.2 结构尺寸及参数 91.3 材料选择 91.4 壳体圆筒计算 101.5 管箱圆筒计算 101.6 开孔补强 111.6.1 开孔所需补强面积
10、111.6.2 有效补强范围 111.6.2.1 有效宽度 111.6.2.2 有效高度 111.6.3 有效补强面积 121.6.3.1 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 121.6.3.2 接管多余金属面积 121.6.3.3 接管区焊缝面积 121.6.3.4 有效补强面积 121.7 水压试验 121.7.1 壳程 121.7.2 管程 121.8 管板计算 131.8.1 换热管稳定许用压力 131.8.2 管板应力校核 161.8.2.1 只有壳程设计压力，不计入膨胀变形差 161.8.2.2 只有壳程设计压力，计入膨胀变形差 181.8.2.3 只有管程设计压力，不计入膨胀
11、变形差 201.8.2.4 只有管程设计压力，计入膨胀变形差 221.9 膨胀节校核 241.9.1 膨胀节参数 241.9.2 膨胀节轴向刚度 251.9.3 校核计算 261.10 其他辅助设备 271.10.1 折流板 271.10.2 支座 271.10.3 电机 27第二章 蒸发室设计计算 29符号说明 292.1 设计条件 322.2 材料选择 322.3 筒体壁厚计算 322.4 上锥壳壁厚计算 322.5 设置加强圈 332.6 加强圈的设计计算 332.7 循环管壁厚计算 352.8 封头厚度计算 352.9 开孔补强 362.9.1 开孔所需面积 362.9.2 有效补强范
12、围 362.9.2.1 有效宽度 362.9.2.2 有效高度 362.9.3 有效补强面积 372.9.3.1 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 372.9.3.2 接管多余金属面积 372.9.3.3 接管区焊缝面积 372.9.3.4 有效补强面积 372.10 水压试验 37第三章 塔体设计计算 39符号说明 393.1 设计条件 403.2 设备质量载荷计算 403.3 风载荷与风弯矩计算 413.3.1 风载荷 413.3.2 自振周期 433.3.3 风弯矩计算 433.4 地震弯矩计算 433.5 各种载荷引起的轴向应力 443.6 塔体和裙座危险截面的强度与稳定性校核
13、453.6.1 塔体的最大组合轴向拉应力校核 453.6.2 塔体与裙座的稳定性校核 453.7 塔体水压试验和吊装时的应力校核 463.7.1 水压试验时各种载荷引起的应力 463.7.2 水压试验时应力校核 463.7.3 吊装时应力校核 473.8 基础环设计 473.8.1 基础环的尺寸 473.8.2 基础环的应力校核 473.8.3 基础环的厚度 473.9 地脚螺栓计算 483.9.1 地脚螺栓的最大拉应力 483.9.2 地脚螺栓螺纹根径 48结论 49参考文献 50谢辞 51引 言 蒸发就是用加热的方法，将含有不挥发性溶质的溶液加热至沸腾状况，使部分溶剂汽化并被移除，从而提高
14、溶剂中溶质浓度的单元操作。工业生产中应用蒸发操作有以下几种场合：1、浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再处理（如冷却结晶）制取固体产品，例如电解烧碱液的浓缩，食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等；2、同时浓缩溶液和回收溶剂，例如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯，中药生产中酒精浸出液的蒸发等；3、为了获得纯净的溶剂，例如海水淡化等。总之，在化学工业、食品工业、制药等工业中，蒸发操作被广泛应用。氯碱工业是基础化学工业之一。它的产品烧碱和氯气等涉及到国民经济及人民生活的各个领域。工程上，蒸发过程只是从溶液中分离出部分溶剂，而溶质仍留在溶液中，因此，蒸发操作即为一个使溶液中的挥发性溶剂与不挥发性溶质的分离过程。
15、由于溶剂的汽化速率取决于传热速率，故蒸发操作属传热过程，蒸发设备为传热设备，但是，蒸发操作与一般传热过程比较，有以下特点：1、溶液沸点升高由于溶液含有不挥发性溶质，因此，在相同温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的小，也就是说，在相同压力下，溶液的沸点比纯溶剂的高，溶液浓度越高，这种影响越显著。2、物料及工艺特性物料在浓缩过程中，溶质或杂质常在加热表面沉积、析出结晶而形成垢层，影响传热；有些溶质是热敏性的，在高温下停留时间过长易变质；有些物料具有较大的腐蚀性或较高的粘度等等。3、能量回收蒸发过程是溶剂汽化过程，由于溶剂汽化潜热很大，所以蒸发过程是一个大能耗单元操作。因此，节能是蒸发操作应予考虑的重要问
16、题。工业上的蒸发操作基本上皆是沸腾蒸发，即将溶液加热至沸点，使之在沸腾状态下蒸发。间接热源加热：容器间壁传给被蒸发的溶液，即在间壁式换热器中进行的传热过程。若蒸发产生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，称为单效蒸发。若将二次蒸汽作为下一效加热蒸汽，并将多个蒸发器串联，此蒸发过程即为多效蒸发。每千克加热蒸汽所能蒸发的水的千克数成为蒸汽经济程度，它表示在蒸发操作中，加热蒸汽所利用的经济程度，在多效蒸发操作中，由于二次蒸汽的多次被利用，因此随着效数的增加，蒸汽经济程度亦相应地增大。蒸发设备又称蒸发器。是通过加热使溶液浓缩或从溶液中析出晶粒的设备。主要由加热室和蒸发室两个部分组成。加热室是用蒸汽将溶液加热并使
17、之沸腾的部分，但有些设备则另有沸腾室。蒸发室又称分离室，是使气液分离的部分。加热室(或沸腾室)中沸腾所产生的蒸气带有大量的液沫，到了空间较大的分离室，液沫由于自身凝聚或室内的捕沫器等的作用而得以与蒸气分离。蒸气常用真空泵抽引到冷凝器进行凝缩，冷凝液由器底排出。循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作循环流动。根据造成液体循环的原理的不同，又可将其分为自然循环和强制循环两种类型。前者是借助在加热室不同位置上溶液的受热程度不同，使溶液产生密度差而引起的自然循环；后者是依靠外加动力使溶液进行强制循环。外热式蒸发器的结构特点是加热室与分离室分开，这样不仅便于清洗与更换，而且可以降低蒸发器的总高度。因其加热
18、管较长（管长与管径之比为50100），同时由于循环管内的溶液不被加热，故溶液的循环速度大，可达1.5m/s。强制循环型蒸发器，这种蒸发器是利用外加动力（循环泵）使溶液沿一定方向作高速循环流动。循环速度的大小可通过调节泵的流量来控制。一般循环速度在2.5m/s以上。这种蒸发器的优点是传热系数大，对于粘度较大或易结晶、结垢的物料，适应性较好，但其动力消耗较大。本设计为60kt/a氯碱厂效外加热强制循环蒸发器。第一章 加热室设计计算符号说明 A ：开孔削弱所需要的补强截面积, （开孔补强） B ：补强有效宽度，mm d ：开孔直径，mm ：强度削弱系数 ：接管外侧有效补强高度，mm ：接管内侧有效补
19、强高度，mm ：壳体开孔处的计算厚度，mm ：壳体开孔处的有效厚度，mm ：接管有效厚度，mm ：壳体开孔处的名义厚度，mm ：接管名义厚度，mm ： 接管计算厚度，mm ：试验压力，MPa （水压试验） ：设计压力，MPa ：容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa ：容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa ：试验压力下圆筒的应力，MPa ：圆筒内直径，mm ：筒体的有效厚度，mm ：圆筒材料试验温度下的屈服点，MPa ：圆筒的焊接接头系数 ：壳程圆筒内直径横截面积， （管板计算） ：隔板槽面积， ：管板开孔后面积， ：圆筒壳壁金属横截面积， ：管板布管区面积， a：换热管管壁金属的横
20、截面积， ：系数 ：系数 ：管板布管区的当量直径，mm ：换热管外径，mm ：壳体法兰材料的弹性模量，MPa ：管板材料弹性模量，MPa ：壳程圆筒材料的弹性模量，MPa ：换热管材料的弹性模量，MPa ：系数 ：系数 ：系数 ：系数 ：系数 ：换热管加强系数 ：壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数 ：管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数 ：旋转刚度参数 ：管板周边布管区无量宽度 ：换热管有效长度，mm ：换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm ：管板总弯矩系数 ：管板第一弯矩系数 ：管板第二弯矩系数 ：换热管根数 ：有效压力组合，MPa ：边界效应压力组合，MPa ：当量压力组合，MPa ：壳程设计压力，MP
21、a ：管程设计压力，MPa ：壳体不带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比 ：换热管与管板连接的拉脱力，MPa ：许用拉脱力，MPa ：换热管中心距，mm ：制造环境温度， ：沿长度平均的壳程圆筒金属温度， ：沿长度平均的换热管金属温度， ：管板边缘剪切系数 ：壳程圆筒材料线膨胀系数 ：换热管材料线膨胀系数 ：系数 ：换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差 ：管板计算厚度，mm ：壳程圆筒厚度，mm ：换热管壁厚，mm ：管板刚度削弱系数 ：系数 ：管板强度削弱系数 ：壳程圆筒轴向应力，MPa ：管板径向应力，MPa ：管板布管区周边处的径向应力，MPa ：管板径向应力系数 ：管板布管区周边处径向应力系
22、数 ：换热管轴向应力，MPa ：在设计温度时，壳程圆筒材料的许用应力，MPa ：换热管稳定许用应力，MPa ：在设计温度时，管板材料的许用应力，MPa ：在设计温度时，换热管材料的许用应力，MPa ：边界效应压力组合系数 ：管板边缘力矩系数 ：系数 ：管板布管区周边剪切应力系数 ：管板布管区周边剪切应力系数 ：系数 ：系数 ：腐蚀裕量 （膨胀节校核） ：系数 ：系数 ：系数 ：波纹管平均直径，mm ：波纹管直边段平均直径，mm ：波纹管直边段与波纹内径，mm ：直边段加强圈平均直径，mm ：容器圆筒外直径，mm ：室温下波纹管材料的弹性模量，MPa ：设计温度下波纹管材料的弹性模量，MPa ：
23、设计温度下加强圈材料的弹性模量，MPa ：容器壳体材料在设计温度下的弹性模量，MPa ：一个波的轴向位移，mm ：波纹管波高，mm ：系数 ：波纹管直边段长度，mm ：波纹管波的长度，mm ：直边段加强圈长度，mm ：波纹管长度，mm ：波纹管的层数 ：波纹管的波数 ：设计压力，MPa ：试验压力，MPa ：许用外力，MPa ：波纹管一层材料的名义厚度，mm ：波纹管第一层材料的有效厚度，mm ：直边段加强圈的有效厚度，mm ：考虑成形过程中厚度减薄时，波纹管一层材料的有效厚度mm ：容器圆筒名义厚度，mm ：容器圆筒有效厚度，mm ：内衬套名义厚度，mm ：内压引起直边段加强圈周向薄膜应力，
24、MPa ：内压引起波纹管直边段周向薄膜应力，MPa ：内压引起波纹管周向薄膜应力，MPa ：内压引起波纹管径向薄膜应力，MPa ：内压引起波纹管径向弯曲应力，MPa ：轴向位移引起波纹管径向薄膜应力，MPa ：轴向位移引起波纹管径向弯曲应力，MPa ：设计温度下波纹管材料的许用应力值，MPa ：设计温度下波纹管材料的屈服点，MPa1.1 设计条件设计条件管程壳程设计压力，MPa0.10.08操作压力，MPa-0.030.07设计温度，100135操作温度，80105壳程圆筒金属温度，160换热管金属温度，140介质碱液 水蒸汽腐蚀余量C2，mm22程数11焊接接头系数0.850.851.2 结
25、构尺寸及参数换热器公称直径DN2000，即 换热管规格 换热管排管根数 换热管为正三角形排列，管心距 换热管与管板的连接形式：强度焊加贴胀1.3 材料选择 以下数据查自GB150-1998壳体圆筒材料：16MnR查表4-1，170设计温度下许用应力 查表F5，160金属温度下弹性模量 查表F6，151金属温度下平均线膨胀系数 管箱圆筒材料：16MnR查表4-1，150设计温度下许用应力 查表F5,135金属温度下弹性模量 换热管材料：20查表4-3，160设计温度下许用应力 查表F1,160设计温度下屈服应力 查表F5，140设计温度下弹性模量 查表F6，140金属温度下平均线膨胀系数 管板材
26、料：16MnR查表4-1，常温下许用应力 查表F1，160设计温度下许用应力 查表F5，160金属温度下弹性模量 膨胀节材料：0Cr18Ni9查表4-1, 170设计温度下许用应力 查表F1, 170设计温度下屈服应力 查表F5，170设计温度下弹性模量 查表F6, 常温下弹性模量 1.4 壳体圆筒计算圆筒计算厚度 : 壳程设计压力，Mpa名义厚度 考虑开孔补强及结构设计要求，取 1.5 管箱圆筒计算圆筒计算厚度 ：管程设计压力，MPa名义厚度：考虑大开孔采用整体加厚补强，取 1.6 开孔补强计算最大开孔是否需要补强1.6.1 开孔所需补强面积 先计算强度削弱系数, 接管有效厚度 开孔直径 开
27、孔所需补强面积为： 1.6.2 有效补强范围 1.6.2.1 有效宽度 取二者中的大值，所以 1.6.2.2 有效高度 外侧有效高度 （实际外伸高度） 取小值，故 内侧有效高度 （实际内伸高度） 取小值： 1.6.3 有效补强面积 1.6.3.1 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 1.6.3.2 接管多余金属面积 1.6.3.3 接管区焊缝面积（焊脚取10.0mm） 1.6.3.4 有效补强面积 故无需补强1.7 水压试验1.7.1 壳程 试验压力 水压试验校核 合适1.7.2 管程 试验压力 水压试验校核 合适1.8 管板计算1.8.1 换热管稳定许用应力 查GB151-1999附录J
28、表，得换热管的回转半径 换热管受压失稳当量长度 系数 查GB151-1999，当 时 合格 壳程圆筒内直径横截面积 在布管区范围内设隔板和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积： 管板开孔后的面积： 系数 圆筒壳壁金属横截面积： 管板布管区面积： 一根换热管管壁金属的截面积，查GB151-1999附录J得 换热管管壁金属的总横截面积： 系数 布管区的当量直径 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内直径之比： 系数，按 和 查GB151-1999 图25和图26 ，无法兰，故 按 ， 查得 ， 管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数： 按 ， 查GB151-1999 图25得 壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数：
29、壳体带波形膨胀节时，换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差： 设定换热器制造环境温度 波形膨胀节刚度 壳体不带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比： 假定管板厚度 壳程腐蚀裕量 2 mm 管板有效厚度 换热管有效长度 壳体带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比： 系数 根据GB151-1999 表27因设置膨胀节，故： 系数 管板强度削弱系数 管板刚度削弱系数 换热管加强系数 管板周边不分布管区无量纲宽度： ，符合GB151-1999中5.7.3的规定 旋转刚度参数： 管束模数： 旋转刚度无量纲参数： 管板第一弯矩系数：按 和 查GB151-1999图27得 管板第二弯矩系数：按 和 查GB151-199
30、9图28（a）得 系数：按 和 查GB151-1999图29得 系数：按 和 查GB151-1999图30得 =0.00135 系数 1.8.2 管板应力校核 1.8.2.1 只有壳程设计压力，而管程设计压力 ，不计入膨胀变形差 ， 壳程设计压力 当量压力组合 有效压力组合 边界效应压力组合 边界效应压力组合系数： 管板边缘力矩系数： 管板边缘剪切系数： 管板总弯矩系数： 系数 系数，当 时，按K和m，查GB151-1999图31（a）实线， 知 ，故系数 管板布管区周边剪切应力系数： 管板径向应力系数： 管板布管区周边处径向应力系数： 管板径向应力： 合格 管板布管区周边处的径向应力： 合格
31、 管板布管区周边处剪切应力： 合格 换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力） 合格 1.8.2.2 只有壳程设计压力，而管程设计压力，计入膨胀变形差。 壳程设计压力 当量压力组合 有效压力组合 边界效应压力组合 边界效应压力组合系数 管板边缘力矩系数 管板边缘剪切系数 管板总弯矩系数 系数 系数 ，当 时，按 和 查GB151-1999图31(a)得 知 ，故系数 管板布管区周边剪应力系数： 管板径向应力系数： 管板布管区周边处径向应力系数： 管板径向应力： 合格 管板布管区周边处的径向应力： 合格 管板布管区周边处剪切应力： 合格 壳程圆筒轴向应力： 换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力） 合格 换热管与管板的焊脚高度按GB151-1999中5.8.3.2的规定，L=5mm 换热管与管板的拉脱力： 合格 1.8.2.3 只有管程设计压力 ，而壳程设计压力 ，不计入膨胀变形差 ， 管程设计压力 当量压力组合 有效压力组合 边界效应压力组合： 边界效应压力组合系数： 管板边缘力矩系数： 管板边缘剪切系数： 管板总弯矩系数： 系数: 系数 ，当