说明书最终版毕业论文

1目录第一章 过程工艺设计 .41.1碳纤维生产过程总述 .41.1.1 生产合成氨与合成共聚单体 .41.1.2 PAN的生产 .41.1.3 纺丝 .41.1.4 预氧化、炭化及废气处理 .51.1.5 碳纤维的形成 .51.1.6 包装，收丝过程 .61.1.7 回收工程 .61.2 湿法纺丝的设备 .61.2.1 喷丝与凝固浴 .71.2.2 热水牵伸及其设备 .81.2.3 高压水蒸汽牵伸机 .81.2.4 水洗及设备 .81.2.5 上油剂工序及其设备 .91.2.6 干燥致密化与热定型 .91.3结束语 .9第二章 水洗换热器温度的控制 .102.1水洗换热器温度的控制的设计 .102.2换热器温度控制调节阀的选用 .112.2.1调节阀的类型及开关型式 .112.2.2 调节阀得正反作用 .112.2.3 调节阀的流量特性 .112.3换热器温度控制仪表的选型 .112.3.1 温度仪表 .112.3.2 流量仪表 .122.3.3液位仪表静压式液位计 .132.4换热器温度控制执行器的选用 .13第三章 装备工艺设计 .153.1 原始数据 .153.1.1 工艺条件 .153.1.2 生产能力 .153.2.1 定性温度的确定 .153.2.2饱和蒸汽和去离子水的其他物性参数: .153.2.3 质量流量 .153.2.4热负荷计算 .153.3 平均推动力 的计算 .15mt3.3.1 流体流动空间 .153.3.2 流体走向确定 .163.3.3 平均推动力计算 .163.4 估算传热面积 .1623.5 初步确定换热器结构参数 .163.5.1换热管的选择 .163.5.2 管内流速的确定 .163.5.3 管子数目与管长的确定 .163.5.4 壳体内径的估算 .163.5.5 布管图 .173.5.6 拉杆的直径、数量及定距管的确定 .173.5.7 折流板直径、数量及相关尺寸的确定 .173.6 计算实际传热面积 及总传热系数 .180S选 ）(OK3.7 校核传热 .183.7.1 壳程流体传热膜系数 .183.7.2 管程流体传热膜系数 .193.7.3 污垢热阻及管壁热阻 .193.8 压力降校核 .203.8.1 管程压力降 .203.8.2 壳程压力降 .21第四章 设备结构设计 .234.1 设计条件的确定 .234.1.1设计压力 .234.1.2 设计温度 .234.1.3 设计条件 .234.2 金属壁温的确定 .244.2.1 管程侧冷流体： .244.2.2 壳程热流体侧： .244.2.3 金属壁温 .244.3 接管设计 .244.3.1 管程侧接管的设计 .244.3.2 壳程侧的接管设计 .244.3.3 排液排气口的设计 .244.3.4 接管法兰的设计 .254.3.5 接管与壳体的连接形式 .274.4 管程的结构设计 .274.4.1 封头结构设计 .274.4.2 容器法兰的选取 .284.4.3 管箱结构设计 .314.4.4 管箱筒体短节与封头以及与容器法兰的连接 .324.5 管板结构设计 .334.5.1 管板的类型 .334.5.2 管板的尺寸初选及布管设计 .334.5.3 换热管规格尺寸 .344.5.4 管板与接管的连接形式 .344.5.5 管板与壳体的连接 .3534.6 管程侧结构设计 .354.6.1 壳体的结构设计 .354.6.2 壳程侧封头的设计 .354.6.3 折流板的设计 .354.6.4 拉杆定距管的设计 .374.6.5 滑道的设计 .384.7 附件设计 .394.7.1 保温层的设计 .394.7.2 支座设计 .41第五章 强度设计 .435.1 壁厚计算 .43第六章 技术条件的编制 .696.1 技术条件说明 .696.1.1 钢材 .696.1.3 焊接条件 .696.1.4 热处理 .696.1.5 无损探伤 .696.2总装配图的技术条件编制 .696.3 零部件图的技术条件编制 .706.3.1 管箱部件图的技术条件编制 .706.3.2 管束技术部件图的技术条件编制 .706.3.3 管板零件图的技术条件编制 .706.3.4 容器法兰零件图的技术条件编制 .706.3.5 折流板的技术条件编制 .706.3.6 滑道的技术条件编制 .706.3.7 垫片的技术条件编制 .716.3.8 带肩双头螺柱和拉杆的技术条件编制 .716.3.9 分程隔板的技术条件编制 .716.3.10支座的技术条件编制 .71致谢 .72参考文献 .734第一章 过程工艺设计 1.1 碳纤维生产过程总述碳纤维不仅属于多学科、多技术的高新技术产品，而且属于高能耗、高附加值的新产品。PAN 基碳纤维的流程如图所示。丙烯腈引发剂（AIBN）、共聚单体和溶剂属于石油化工产品；聚合物属于高分子；纺丝属于纺织工学；预 氧化、炭化属于碳素工学；表面处理电化学等。流程长、学科多、技术交叉，是技术密集型产品，回收未反应单 体 AN和溶剂聚合、纺丝必须配套环保设备。PAN 基碳纤维的生产流程如图 1-1原 油 蒸 馏 石 脑 油 分 解 丙 烷 合 成 ANAN聚 合 10PAN纺 丝 102PAN纤 维氧 气 、 炭 化103-表 面 处 理上 浆 剂碳 纤 维收 丝 .包 装碳 纤 维共 聚 单 体衣 康 酸引 发 济AIBN溶 剂DMC氨合 成 氨空 气合 成 油 剂 合 成 催 化 剂合 成 溶 剂合 成 共 聚单 体油 剂 PEO水 溶 剂氧 气 、 炭 化废 气电 解 质 溶 液碳 酸 氨燃 料 丙 烷燃 料 无 害 化制 膜 PE膜PE乙 烯 聚 合乙 烯10回 收 AN溶 剂 DMAC回 收 溶 剂102氢回 收 工 程合 成 上 浆 剂 合 成 碳 酸 氢 上 浆 剂 溶 液EP树 脂 纸 管制 造 纸 管 包 装 工 程 废 气 处 理 工 程图 1-1 PAN 基碳纤维的生产流程1.1.1 生产合成氨与合成共聚单体合成氨的生产的原料主要是空气和氢气，合成氨以备生产合成 AN时原料用。合成催化剂与溶剂 DMAC制得引发剂 AIBN，合成共聚单体与引发剂共同作用生成共聚单体衣康酸，以备与 AN生成聚合 1001时用。1.1.2 PAN 的生产以原油为原料，经过蒸馏得到石脑油，再将石脑油分解得到丙烷，丙烷分成俩部分，一部分与氨合成 AN，另外一部分供给到废气处理工程和包装工程。丙烷与合成工程来的氨合成 AN，AN 单体通过共聚单体衣康酸的作用，生成聚合的 AN长链，最后得到 PAN。1.1.3 纺丝纺丝过程是一个物理过程，也是一个相分离成纤过程。在这个过程中发生了纺丝液细流与凝固液细流之间的传质、传热、相平衡移动，导致 PAN沉淀形成凝胶结构的丝条。5湿法纺丝采用一步法，碳纤维对 PAN原丝的最基本要求是碱，碱土金属和铁等的含量愈少愈好，采用有机溶剂较好，金属杂质可控制在 100mg/kg以下。无机溶剂的代表是 NaSCN,残留在 PAN原丝中的钠高达 10-3级，如果要洗到 100mg/kg以下，必须消耗大量的能源，加大生产成本。溶剂不同，黏度不同，对 PAN树脂的溶解性能也不同，溶剂对 PAN树脂溶解能力的顺序如下：DMFDMAcDMSOECNaSCNHNO3ZnCl2合成油剂 PEO与 PAN长链在水做溶剂的情况下进行纺丝工艺，合成 PAN纤维。1.1.4 预氧化、炭化及废气处理如果说优质 PAN原丝是制取高性能碳纤维的前提，那么预氧化工序则是承前启后的桥梁。PAN 原丝的质量直接影响碳纤维的性能。预氧化的关键是预氧化炉。预氧化炉的效率是控制生产碳纤维周期的主要因素之一，也是直接影响碳纤维质量的关键所在。目前，预氧化时间大致为 60120min，炭化时间为几分钟到几十分钟，而石墨化时间则以秒计算。同样的预氧化设备，缩短预氧化时间是当前研究热点之一。预氧化分为外热循环式预氧化炉和内热式预氧化炉。所谓外热循环式预氧化炉是指加热空气的组件在预氧化炉的外部，此种预氧化炉具有自动控制循环鼓风机，热空气可循环使用，实现节电省能，降低生产成本。对于内热式预氧化炉，它分为四个炉膛，四个温区，横向温度控制在2，实际操作高达4，循环热风入口出的温度高，出口处温度低，从两边预氧丝颜色的深浅不均匀可以看出温差的影响。其特点是热风通道内安装热风分布装置，使预氧化炉内的热风均匀流动。炭化过程可分为低温炭化和高温炭化两个阶段。前者的温度一般为 3001000，后者为 11001600，但标志性炭化温度在 700左右。炭化主要释放气体氰化氢在700前有一个释放高峰，700之后又出现释放高峰，这可能是由两种类型的反应所导致。在高温区，主要释放 N2和 HCN。N 的脱除会留下残留分子级的微孔，导致碳纤维拉伸强度下降。加压炭化可抑制 N的释放。目前加压炭化用于工业生产还有许多工作要做，但研究思路指出：可调控 N的溢出，减少孔隙，实现致密化，有益于提高碳纤维的力学性能。表 1-1 在炭化过程中释放的废气废物温度区 HCN NH3 N2 H2O CO 与 CO2 焦油低温区 8 1 0 8 2 11高温区 4 0.1 14 1 1 0在碳纤维实际生产过程中，除释放废气外，也产生了相当量的焦油。焦油一旦沾污纤维，轻则变硬、发脆，重则断丝。不让废气在炉内冷凝成焦油和瞬时排除废气、焦油是稳定质量、稳定生产的重要因素之一。在炭化过程中释放的废气废物见表。在低温区释放出大量焦油，在高温区主要释放出的是 N2。如何使低温炭化炉内的热解废气不冷凝为焦油和瞬时排出炉外是一重要的技术课题。只有这样才能防止焦油对运行纤维的污染。废气处理是预氧化、炭化必须配套的环保设备。碳纤维增强热固性树脂（CFRP）和热塑性树脂（CFRTP）复合材料的废旧物处理已列入议事日程，特别是 CFRTP的再生利用引起人们的极大关注。掩埋废旧 CFRP、CFRTP 是下策，再生利用有待进一步试验。废气处理工程是通过石脑油分解段来的丙烷将氧化和炭化段产生的废气无害化。61.1.5 碳纤维的形成PAN原丝经整丝后送入 1#、2#预氧化炉制得预氧化碳纤维（俗称预氧丝）；预氧丝相继进入低温炭化炉，高温炭化炉制得碳纤维，碳纤维再经表面处理，上浆既得碳纤维产品。全过程连续进行，任何一工序出现问题都会影响稳定生产和碳纤维产品的质量。全过程流程长，工序多，是多学科多技术的集成。生产碳纤维的过程中的环境必须实现洁净化，防止空气中的尘埃对纤维表面造成污染。特别是纺丝车间，达到千级净化水平，关键部位达到百级。在预氧化过程中，保证匀质化的前提下，尽可能缩短预氧化时间，这是降低生产成本的方向性课题。碳纤维系统工程需从原丝的聚合单体开始，实现一条龙生产，应充分重视原丝的根本地位。原丝质量既决定碳纤维的性质，又制约其生产成本。高性能 PAN原丝是制造高性能碳纤维的前提，这是多年的经验总结。1.1.6 包装，收丝过程由分解段来的乙烯经聚合后得到 PE，在将 PE制膜得到 PE膜，与纸管共同将碳纤维收丝、包装后最终得到碳纤维成品。1.1.7 回收工程考虑到节省能源、资源，还应在工艺过程中设立回收工程。聚合过程挥手 AN单体。纺丝过程回收溶剂 DMAC。1.2 湿法纺丝的设备聚丙烯腈纤维的湿纺工艺流程的特点是先牵引后水洗，经过热牵和高压水蒸汽牵伸后使纤维直径变细，有利于水洗。同时，离浴（凝固浴丝条中喊有一定量的溶剂，也有利于牵伸。另一工艺流程是先水洗，后牵伸，丝条离浴后水洗）膨润状态水洗效果比较好。两种工艺路线各有利弊，应根据实际情况选择。由于干喷湿纺可纺出高分子量、高固含量及高黏度的纺丝液，因而纺丝设备应适应该工艺的要求。湿纺工艺流程图如下图 1-2：7制图 设计 校核 审图设计阶段 比例聚丙烯腈纤维 湿纺工艺流程图 不按比例208年3月涂林 涂林08.3太原理工大学化工过控042班工艺流程图设计项目 第 6张共 7张中科院山西煤化所去离子水25二甲基亚砜 AN单体 二甲基亚砜共聚单体引发剂AIBN 溶剂循环去反应釜 冷却蒸汽循环热水去水池V021 AV021 BV02T02V024R021 T02E023 BE023 AE02E021 CE021 BE021 AV025 AV025 BV025 C冷水自水池V021A、B过滤器纺丝液储罐V02混合器V023A、B入料配置釜V024过滤器V025A、B、C薄膜蒸发器T02精馏塔T02凝固浴换热器E021A、B、C预牵换热器E02水洗换热器E023A、BT021 热水R021聚合反应釜排水去界外 去离子水15去离子水20AN单体去冷凝精馏凝固一浴凝固二浴凝固三浴4 级串联热水牵伸 水蒸气牵引机水洗热水箱一水洗热水箱二上油剂槽收丝T021脱泡塔V026V026油剂储罐恒温热水自换热干燥高压蒸汽来自过滤027PI021TR021TRCA 021TRC LCT021TR024PI02102102FICFIC025RR026FICFIC023R027FICFIC024028FICTI024025TE02ICATICA023E026FIC029TICA024E027FIC021028TE025ICATICA026E029TICA027E021025PI021TE高压蒸汽自管网021MIC冷却水喷雾器循环水去水道TI0214E0217021TE0213ITI021TR023PI029028PI02025TI02LITI02021FILI021PI024023TI 023PITE02PE021I026023TE021I021TETI0202PIFIC021PI021021TIPI021TE021TI027PI021E021P021021PE024T0213PI026I阀门气动薄膜 处理两个参量相同控制室仪表 就地盘面蝶阀闸阀压力 图 例仪表功能代号 记录流量变送T检测调节 报警指示 液位温度参量代号 PIRACEFTL三通阀 安装仪表调节阀盘面安装仪表 不同功能的复式仪表TI021E02130214TE028ITI029E0215TI021E0216R比值器PW031-5LEPW032-10LE CW031-5LEC032-5L1E CW03-150LEPW03-5L1EP034-5L1E CW035-L1E CW036-20L1E PW0312-0L1ESC036-0L1ESW032-5L1EC036-10LESW03-5L1EPW037-10LEC034-10LESC031-5LE SC034-0L1ESW3-L1EPW031-0L1EV023 BV023 A PW035-20L1EDN25DN25DN25DN25PW0314-25L1EPW0315-2L1EPW0316-25L1ESC03-5L1ECW031-0L1ESC035-0L1EDN50DN50DN50DN50DN50DN50PW031-0L1EPW036-20L1EPW038-20L1EPW031-20L1EPW039-20L1E SC032-5L1E20-GK4-0图 1-2 湿纺工艺流程图1.2.1 喷丝与凝固浴凝固浴的流向应与丝条运行方向一致两者速度应基本相同，最好凝固浴流动速度较丝条运行速度大 1%3%。这样的流8动状态丝条运行没有阻力，不易产生毛丝或断丝。实践证明，PAN 原丝的毛丝或断丝的产生在喷丝和凝固体系。在纺丝过程中，以肉眼可以清楚看到丝条内溶剂向外扩散的波纹。实验证明，如果丝条周围凝固液面保持平静，丝条泛白现象十分严重。所以，凝固浴流动速度与丝条内溶剂向外扩散的速度成正比。凝固浴液面保持平稳干喷段的长度一般在 315mm范围内，大多采用 310mm。如此短的干喷段，要牵伸 1.13.5倍，单位长度（mm）的牵伸率是相当大的。这就要求凝固浴液面保持平稳，确保牵伸段长度保持定值，否则将加大牵伸的 CV值，也就是说加大了纤度的 CV值。为了保持凝固浴的平稳，纺丝线最好安装在楼的一层，安装凝固浴的地基应安装有防震设施。此外，凝固浴以及前后相关的动力设备也应注意有防震措施。干喷湿纺的导向辊由于干喷湿纺可纺高分子量，高固含量和高黏度的纺丝液，因而喷孔直径较大。在该条件下纺丝，出口膨大效应十分显著，因此喷丝板的喷孔间距也应比较大，这必然加大喷丝板的面积。由于喷丝板比较大，吐出丝的幅度也比较宽，因而导向可采用具有一定曲率半径的特殊加工的导向辊，它可以起到集束作用，避免产生毛丝或断丝。凝固液的循环及流向凝固浴中凝固液的浓度，温度实现自动控制。凝固浴浓度可通过检测其折射率实现，也可通过检测密度实现。凝固液的流动则需依靠循环系统的精心设计实现。1.2.2 热水牵伸及其设备丝条牵伸在热水槽内进行，槽外冷牵不可取。一般牵伸槽为 35级串联，水温逐级升高。如四槽串级，14 槽的水温可分别为 60，70，80，90。相应的牵伸倍率分别为 1.1倍，1.2 倍，1.3 倍，1.4 倍。热水槽可以是自由辊，也可以是固定辊，视情况选择。1.2.3 高压水蒸汽牵伸机高压水蒸汽牵伸机是实现 PAN纤维高强化、致密化和细旦化的关键设备。特别是对高分子量的纺丝液，采用高压水蒸汽牵伸是必不可少的关键设备，也是当前国内对研制的高新技术设备。许多国家不进出口这类设备，说明了它的技术含量和重要性。进入压力蒸汽牵伸室的为稳定的饱和水蒸汽，严格控制饱和水蒸汽是压力和温度，消除牵伸室丝条出、入口的水滴或向外喷射蒸汽，这是十分重要的，也是高压水蒸汽牵伸机技术水平的体现。应当指出，普通水蒸汽均不适用，一定是饱和水蒸汽。此外，进入牵伸机的丝条含水量应在 0.5%（质量分数）以下，高于 0.5%达不到牵伸的目的。丝条中含水量少，预氧化丝条中的孔隙为空孔，有利于高压饱和水蒸汽渗入，塑化，实现高倍牵伸。牵伸张力应大约在 0.71.0g/d 范围内选择。低于0.7g/d，丝条松弛，随蒸汽流动而颤抖，易与入口摩擦产生毛丝或断丝；大于1.0g/d，易产生毛丝或断丝。1.2.4 水洗及设备离浴的凝固丝进入水洗设备，洗掉残留在丝条中的溶剂。要求丝条水洗后的残留溶剂在万分之三之下，最好在万分之一以下。纤维中残留有机溶剂较多时有以下弊端：a使纤维的单丝之间局部并丝，使整体丝束发僵硬，手感性差。b在预氧化加热条件下，DMSO 的塑化作用使预氧化单丝之间发生融并，影响预氧丝的质量。9c影响丝条的截面形状。d原丝，预氧丝的局部并丝并直接影响到碳纤维的质量。1.2.5 上油剂工序及其设备无论是湿法纺丝还是干喷湿纺，油剂质量和上油工序都直接影响 PAN原丝的质量，也对碳纤维性质有重大影响。不上油剂或上油欠佳，会导致单丝之间粘连，导致碳纤维拉伸强度下降。首选油剂为硅油，如二甲基硅氧烷（PDMS），特别是改进的 PDMS。由于 Si-O键耐热性好，分子间作用力小，表面张力低，铺展性好，抗氧化性好，200左右开始氧化，黏度系数很小，稳定性好。此外，它还有润滑性，摩擦，磨损小等特点。应当指出，选择油剂的耐热性应适中，不是愈耐高温愈好。在炭化，石墨化过程中残留的油剂可能转化为硅系陶瓷，如 SiO2,Si3N4或 SiC等。它们的主要性质见表2。这些硬而脆的陶瓷虽然是微量的，但它们存在于碳纤维表面或残留在辊上，会损伤表面，造成应力集中，导致碳纤维拉伸强度的下降。碳纤维中残留硅的量应严格控制，特别是表面残留量。表 1-2 硅系陶瓷的主要性质名称 莫氏硬度 模量/GPa 强度/MPaSiO2 7 7 1000Si3N4 9 130300 140490SiC 13 400 1703101.2.6 干燥致密化与热定型干燥致密化，顾名思义，是在该过程中膨润状态的丝条脱除溶剂水和自由水，使纤维干燥致密。干燥致密化的推动力是毛细管力，既微孔孔隙和低序区所含的水在毛细管力的推动下脱除而在孔隙内产生负压，导致孔壁塌陷，消除，并合，使纤维产生收缩达到致密化的效果。干燥致密化是从纤维表层逐步向芯部扩展，没有致密化的孔结构则为失透结构，出现泛白的失透现象。1.3 结束语有了制造 PAN基碳纤维的方法，也有了制造技术，所以制造高性能 PAN基碳纤维原丝质量又成为一个技术焦点。事实证明，谁掌握了制造高质量 PAN原丝的技术，谁就掌握了主动权。优胜劣汰是促进碳纤维工业发展的必然规律，也是市场经济的无情裁决。当前 PAN基碳纤维向两个方面发展：一是提高，二