蒸发器的设计

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。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ABSTRACTTHEDESIGNOFTHEPRODUCTIONDEVICEISACOMMON,SIMPLESTRUCTURE,INTHEPRODUCTIONOFINTERMEDIATECIRCULATIONEVAPORATORWIDELY,WHICHBELONGSTOTHEFIXEDTUBEPLATEHEATEXCHANGERTHEDESIGNCONTAINSTHREEEFFECTEVAPORATIONPRINCIPLE,EVAPORATORDESIGNTHEDESIGNALSOINCLUDESANEVAPORATOREVAPORATORTYPESELECTION,THERMODYNAMICCALCULATION,COMPONENTSELECTIONANDCALCULATION,OPENINGANDOPENINGREINFORCEMENT,FLANGE,PIPESELECTION,DEMISTERANDSUPPORT,DESIGN,CALCULATIONANDCHECKDESIGNFORTHEEVAPORATORANDTHEDESIGNKEYSBECAUSETHEMEDIAISFOOD,SOTHEEVAPORATORSHELLMATERIALSELECTION,WELDINGANDCOMPONENTISCONNECTEDANDSOONHAVEHIGHERREQUIREMENTSBECAUSEOFTHEPRESSUREANDTEMPERATUREINTHEEVAPORATORISNOTTOOHIGH,SOASTHEFIRSTCLASSPRESSUREVESSELDESIGNWHILEWELDING,NDTREQUIREMENTSMORESTRINGENTTHANTHEDESIGNISDIFFICULTPARTSOFTHERMODYNAMICCALCULATION,THEEVAPORATORSIZECALCULATIONANDMATERIALSELECTIONKEYWORDSEVAPORATOR；THREEEFFECTEVAPORATION；THERMODYNAMICCALCULATION目录1概述111蒸发及蒸发流程112蒸发操作的分类113蒸发操作的特点214蒸发设备22蒸发工艺设计计算421设计参数422部分设计参数符号423蒸浓液浓度计算624有效温度差的确定725蒸发器的传热面积的估算826温差的重新分配与传热面积的重新分配9261重新分配各效的有效温度差9262计算各效传热面积93蒸发器工艺尺寸计算1031加热管的选择和管数的初步估计1032循环管的选择1233接管尺寸的确定1334设计条件1435蒸发器结构设计参数的确定1536管板的选择尺寸及设计要求1637筒体设计1638连接18381管子与管板的连接18382管板与壳体的连接1939封头的选择、强度和厚度计算19310法兰的确定20311除沫器的选择、尺寸的确定21312人孔22313支座22314开孔补强设计244蒸发器的校核及设计要求2641校核所用部分参数符号2642筒体的校核2943管板的校核3044封头的校核365蒸发器设备的检验37参考文献38中英文翻译39谢辞521概述11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，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，中央循环管的截面积一般为其余加热管总截面积的40100；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0405M/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。2蒸发工艺设计计算21设计参数01，05；0X3X27；TC2055PA，014PA；1P53P510F22700KG/H；C419235XKJ/KG注（C此处表示为比热容）；3120W/M2K，1990W/M2K，1140W/M2K，各效传热面积相等。1K23178X622。X年生产要达到16万吨（按每年280工作日算），则蔗糖的质量流量71606/284MQKGS体积流量S。4SV22部分设计参数符号剩余符号正文有标明/22CMWKKGJHSGFHKGFDMDCKGJCB总传热系数，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WUVOMLKIBAVMKGNSPACWINAX/323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21并流多效蒸发淡糖浓缩工艺流程图所以由01，05，F22700KG/H0X3可得总蒸发量WF1/18160KG/H0X301，05，F22700KG/H03可得总蒸发量WF1/18160KG/H03并流加料蒸发中没有额外蒸汽的引出,可设WW2W3111121则W1/（11112）550303KG/H1WW11/（11112）605333KG/H2W12/（11112）660364KG/H3综合上述数据由F/FIX01W23I则可得F/F013211F/F0204202F/FW053X24有效温度差的确定将上得0132，0204，05代进178X622；12X32X则可得0343；0622；341。由（1/）/,1TIKIIT又为2055PA时1209，P501T为014PA时5143P3注由化工原理附录3，已知3120W/M2K，1990W/M2K，1140W/M2K；1K23则有（）661；TT3（1/）/（1/1/1/）1246；111231/（1/1/1/）1954；2TT2KK（1/）/（1/1/1/）3410。33123综上所得计算结果可得1209,10844，108097；1T1TT1T1TT108097,88557,87935；222T2T2,，328795T3358TTT33TT519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,101286/RKJG表21热量衡算表效数XT/I（/T/IKJG/RKJG00127113101321084445410809726908822364920204885573648793526574622866230553835225513925946625蒸发器的传热面积的估算由化工原理附录3可得,；109T1286/RKJGI0113KJ/KG,I1454KJ/KG,I2364KJ/KG,I3225KJ/KG；I1269088KJ/KG,I2265746KJ/KG,I3259466KJ/KG；R1223646KJ/KG,R2228662KJ/KG。由101WIIDFI1222RII33323IIRWIFI解得555143KG/H,608648KG/H,652209KG/H,921830KG/H1231D综上可得144,1DRAKT2M21289RAMKT2239RAMKT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新分配和计算。26温差的重新分配与传热面积的重新分配261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171,166,3215。1TT2ATT3ATT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1209,1038，1035，1T11TTT11TT1035,869，863，22222863,541，517333TT33T重新查附录得I0113KJ/KG,I1435KJ/KG,I2364KJ/KG,I3227KJ/KG；I12683KJ/KG,I22655KJ/KG,I32596KJ/KG；R12249KJ/KG,R22291KJ/KG；表22热量衡算表效数XT/I/KJ/KG/T/KGIJ）R/J）001027113101321038435103526832249202058693648632655229130305412275172596262计算各效传热面积将上述所得数据代入，1101WIIDRFI，2212II。133323IIRWIFI解得5623KG/H,6094KG/H,6488KG/H,9122KG/H253KG/S1W23W1D从而得出011FXW02125FXW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。2123053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15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。2T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1633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1317倍,但是阻力降会增加1725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1511999表10蒸发器的加热管通常选用3225的无缝钢管，加热管的长度一般为062M，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，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L2M，3225MM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，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（L001）M20119M则可得每根加热管截面积S80384；周长H012M2D）2D每根加热管管的换热面积为HL02012M若全部为加热管束，则估算单程管子数为619SN）（10LDV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5400201082S232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面积的40100。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（40100）ND421S42IDD32802MMS0I507所以选取管子直径80010MM循环管管长与加热管管长相同为2M。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。根据国标1511999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03MM；中央循环1302C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31所示。图31同心圆布管根据国标1511999表12知32号管中心距为40MM，而换热管中心距一般不小于125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。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D80210MM；外径允许偏差MM厚度偏差1MM；材料64用0CR18NI9。（2）周边的加热管N540根，用3225MM，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15MM，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1C30为03MM；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6610S；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31中，设计是可作为参考表31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0815M/S008015M/S2030M/S1520M/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。为了方便起见，进出口可取统一管径。所以可设接管内流速U12M/S，那么接管0117M，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U20M/S，接管0143M，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U015M/S，则接管00376M，选用内径为50MM。14UVD34设计条件表32工艺参数壳程管程35蒸发器结构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）1209；所以壳程混合气体的定性温度为T121。冷流体进口温度（蔗糖溶液）27，出口温度1038；所以管程流体的定性温度为T65。271038查化工原理附录2可得壳程T121时，操作压力02055MPA；管程T1038时，操作压力0102MPA容器类别一类设计压力MPA031工作压力MPA0205508设计温度15090工作温度1209675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316L00CR17NI14MO2换热管TP3040CR18NI9管板1CR18NI9TI堆焊壳程圆筒1CR18NI9TI焊缝系数11液压试验压力MPA0616换热面积2M10536管板的选择尺寸及设计要求图32管板1由换热管的排列分布可知管板DN1800MM，根据GB1511999的规定换热器设计手册表1611（A）选取整体管板D1960MM，1915MM，D11876M，1797MM,1853MM，1800MM，1345DC185MM，27MM；2D螺栓规格M24有52个，70MM，B80MM；管孔按GB1511999表16级管束TB换热管外径32MM，管孔直径3235MM，允许偏差。022管板的设计要求管板所用1CR18NI9TI要按JB47262000IV级严格要求；管板加工后全表面及焊接破口，经磁粉检测，符合JB/T473042005I级进行300下的高温拉伸试验且高温屈服强度要符合JB47262000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D1800，170MPA，10（查过程设备设计得），设计压力ITP1MPA。壳体计算压力等于设计压力P加上液体静压力，因为C液柱静压力PGH1000982/1000196MP51MP005MP6所以这里的液柱静压力可忽略不计。所以计算压力P10MPCP再计算壁厚531MMCTP2ID1708得设计壁厚NCC21400531MM2对1CR18NI9TI，钢板负偏差C0，所以名义厚度531，因而可取1N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33的规定。表33筒体公称直径4007007001000100015001500200020002600浮头式，U型管式810121416固定管板式68101214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33所示。图33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，壳程设计压力不大于1MPA，且壳程介质为非易燃、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34的连接方式。图34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H450MM，此时K1焊接IHD2I接头系数085，厚度计算式为1806242751205CITCP封头选择00CR17NI14MO2的不锈钢材料，故C0,2封头的设计厚度624MM2D此处厚度负偏差因不大于02562460374，故取01C1封头的名义厚度624MM，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12MM；综上，椭圆形封头的有效厚度12MM。12ENC310法兰的确定图35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15945MM法兰DN150PN16RF数量5个DN150MMA159MMD285MMK240MML22MM161MMB6MMC24MM螺栓M20,N81B法兰质量761KG。（2）冷凝水出口接管法兰选用5735MM法兰DN50PN16RF数量1个DN50MMA57MMD165MMK125MML18MM59MMB5MMC18MM螺栓M16,N41B法兰质量277KG。311除沫器的选择、尺寸的确定图36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HGT216181998）。因为公称直径为1800，按DN1800，H150,选取材料为0CR18NI10TI，代号321GB4240如表34。表34除沫器的尺寸312人孔由HG2151595,公称直径DN450MM,选用回转盖板式平焊法兰人孔尺寸如下图图37人孔人孔同样选用不锈钢1CR18NI9TI313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。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38。2设计要求（引自JB472592）焊接采用电焊、炸条牌号应根据支座各部件的材料参照有关标准选用，焊接接头的型式和尺寸按GB985中的规定。耳式支座本体的焊接，采用双面连续填角焊。支座与容器壳体的焊接采用连续焊，焊缝腰高约等于07倍的较薄扳厚度，且不小于4MM。、后焊缝金属表面不得有裂纹、夹渣、焊瘤、烧穿、弧坑等缺陷。焊接区不应有飞溅物。、垫板应与容器壁贴合。局部最大间隙应不超过1MM。、支座螺栓孔的力工极限偏差与其它部分的制造公差分别按GB1804的第TT14级与TT16级精度。石文座所有组焊件周边粗糙度为RA50,UM。、若容器壳体有热处理要求时，支座垫板应在热处理前PT于容器壁上。图38B型耳式支座314开孔补强设计各种工艺和结构上的要求，容器上不可避免会开孔并安装接管。开孔的同时削弱了器壁强度外，而且破坏了容器的连续性，会造成局部应力过高，而是容器遭到破坏，设计时须要充分考虑开孔补强的问题。但是并不所有容器开孔后都需要补强，有的容器及接管实际壁厚S与强度所需要壁厚相比，都有裕量。所以开孔在某一范围时，可以不补强。在圆筒体、球壳、锥壳上，以及凸形封头中心80的内直径内开孔时，满足下述全部要求事可允许不另行补强（6）设计压力小于或等于25MPA；（7）两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；（8）接管公称外径小于或等于89MM；（9）接管最小壁厚满足下表的要求。如表35所示表35接管公称外径253238454857657689最小厚度35405060压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有A补强圈补强；B厚壁接管补强；C整锻件补强。其中补强圈补强一般用静载，常温，中低压，材料的标准抗拉强度低540MPA，补强圈厚度小于或等于15倍名义厚度，且名义厚度不大于38MM的场合。本设计中的搅拌罐属中低压容器，采用补强圈补强。补强准则用等面积补强即认为壳体因开孔被削弱承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内以等面积补偿。该方法是以双向受拉伸无限大平板开有小孔时孔边的应力集中作理论基础的，即仅考虑壳体中的拉伸应力，且以补强壳体的一次应力强度作设计准则，故对小直径的开孔安全、可靠。等面积补强计算1允许开孔的范围GB150对开孔最大直径作了如下限制圆筒上开孔的限制，当其内径DI1500MM时，开孔最大直径D1/2DI,且D520MM；当其内径1500MM时，开孔最大直径D1/3DI,且D1000MM；凸形封头或球壳上开孔最大直径D1/2DI；锥壳或锥形封头上开孔最大直径D1/3DI,DI为开孔中心处的锥壳内直径。2所需最小补强面积A对受内压的圆筒或球壳，所需要补强面积AAD2ET1FR式中A开孔削弱所需补强面积，MMD开孔直径，MM壳体开孔处的计算厚度，MMET接管有效厚度，ETC，MMFR强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，大于1时，取FR1。补强材料与壳体材料相同，若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面积按照壳体材料与补强材料许用应力之比增加；若补强材料许用应力大于壳体材料许用应力，则所需补强面积不能减少。本设计中的补强材料与壳体材料相同补强圈如图39。图39补强圈开孔的补强面积直径大小由补强面积公式，可求得补强圈直径大小，整理原式后可得进出气孔D203MM,2150人孔D636MM,42冷凝水出口D71MM24蒸发器的校核及设计要求以下对蒸发器主要受力元件管板、筒体与封头是根据GB1501998分别对其进行校核注（必要参数都查自GB1501998本章）。41校核所用部分参数符号以下未注明的在正文中有说明A壳程圆筒内直径横截面积管板开孔后的面积1圆筒壳壁金属横截面积S管板布管区面积TA一根换热管管壁金属横截面积管箱法兰的宽度，80MM；FBFB管箱法兰的外直径FD壳体圆筒和管箱圆筒的内直径I管板布管区的当量直径TD换热管外径管箱圆筒材料弹性模量HEP管板材料弹性模量壳程圆筒材料弹性模量STE换热管材料弹性模量K换热管加强管系数；壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数FF壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数F旋转刚度参数旋转刚度无量纲参数AFKTK管束模数K管板周边不布管区无量纲宽度L换热管有效长度（两管板内测间距）L换热管与管板伸出高度AM管板边缘力矩系数边界效应压力组合系数BM管板总弯矩系数管板第一弯矩系数1管板第二弯矩系数2N换热管根数PA有效压力组合PB边界效应压力组合PC当量压力组合PS壳程设计压力PT管城设计压力Q壳体不带波形膨胀节时，热管束与圆筒刚度比Q换热管与管板连接的拉脱力【Q】焊接许用拉脱应力S换热管中心距0T制造环境温度沿长度平均的壳程圆筒金属温度ST沿长度平均的换热管圆筒金属温度V管板边缘剪切系数壳程圆筒材料线性膨胀系数ST换热管材料线性膨胀系数换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差管板计算厚度管板假设厚度N管箱圆筒厚度H管程圆筒厚度S换热管壁厚T管板刚度消弱系数系数官办强度小若系数管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比T壳程圆筒轴向应力C管程径向应力R管程布管区周边处的径向应力R管板径向应力系数R管板布管区周边处的径向应力系数R换热管轴向应力（位于管束周边出换热管轴向应力）T在设计温度时，壳程圆筒材料的许用应力TC换热管受压换稳当量长度RLI换热管的回转半径换热管稳定许用应力CR设计温度时，换热管材料的屈服点TS设计温度时，管板材料的许用应力TR设计温度时，换热管材料的许用应力T管板布管区周边剪切应力P管板布管区周边剪切应力系数壳程圆筒的装配环向焊缝系数42筒体的校核1压力试验前分离室应力校核68MPA090911371233MPAIETPDS02（）液压试验前应力校核合格；2设计温度下分离室筒体计算应力76MPA137MPACIE2TPT分离室筒体的计算应力校核合格；设计温度下圆筒的最大允许工作压力2252MPAP16MPAWPE2TID12708由于工作压力小于设计压力，故分离室名义厚度取12MM可确保安全。N3压力试验前加热室筒体应力校核27MPA090911371233MPAIE2TPS02（）加热室筒体液压试验前的应力校核合格。4设计温度下加热室筒体的计算应力76MPA137MPACIE2TPDT加热室筒体的计算应力校核合格；设计温度下圆筒的最大允许工作压力P16MPAWPE2TID1270268由于工作压力小于设计压力，故筒体名义厚度取12MM可确保安全。N43管板的校核1校验仅有壳程压力PS作用下的危险组合工况（PT），不计温差应力。由15，121，675；0TST12590TE1T则得0。0TTS由已知可得壳程设计压力PS02MPA；则PCPS02MPA。查相关资料可知044372（为一系数）；S061QS0029（为一系数）；NAAL54273；1897E05MPA；S180E10TSTTE由上可得PAPS572MPASTE由000618（为一系数，按和查【2】图25）；CSIDFI可得PBPS00003MPA由上面所得数据和0625（为一系数）代入；BMAP可得00002。BM则00002。查相关资料可得0001995，K64，AFK4FT12138ITPDENALM1/K4063（为管板边缘剪切系数）；F0075。M结合上得结果和04546按K和查【2】图27，1MAF1375按K和Q查【2】图28A或（B）；2则得管板总弯矩系数M005221V由上可知M0，则3M/K007035；EG005（按K和M查2图31（A）实线得）；LILI007035（取与两者中的比较大值）11ELIG注（、都是系数）。1LIE因为3MM，D32MM；T所以得A2733；TTD2M又由于1800MM，14MM；IDS得7978306；ISSA）2综上计算结果将1916E05MPA，N540根代入Q；SETSENAA可得Q213；又因5368（系数，按K和查【2】图29）；2G2AF解得0002596。1R24Q查资料K0816结合上算数据代入；R23M14KQG可得0006491。R结合上算数据得003691。214PQG管板径向应力查资料得04，71MM；可得765MPA0时，3M/K006521，005，006521。1EGLIG10002322；000063；0027。RRP管板径向应力9763MPA0时3M/K006934；005；006934。1EGLIG10002541；0006352；003665。RRP管板径向应力1782MPA0时3M/K007342；005；007342。1EGLIG10000246；0000534；000354。RRP管板径向应力，1135MPA3354MPA2IRADPTR管板布管区周边处的径向应力4269MPA3354MPAR221AIRPKMTR管板布管区周边剪切应力3946MPA15177AIPPPDTRMPA换热管轴向应力,3612MPA3354MPA21TCAGQPT3612MPA118MPA2TCACR壳程圆筒轴向应力，5834MPA3354MPA21CASAPQGTC换热管与管板焊接的拉脱力，1256Q693MPATQDL综上所述管板名义厚度82MM校核通过。NNT44封头的校核根据MPA09091118106EITDP20812604S02（）2MPA；所以球形封头液压试验前的应力校核合格。设计温度椭圆形封头的计算应力MPA117MPA1802752TCIEPDT所以球形封头的计算应力校核合格。设计温度下球形封头的最大允许工作压力4TEWIPD41MPAP16MPA由于工作压力小于设计压力，故球形封头名义厚度取12MM可以确保安N全。5蒸发器设备的检验射线透照检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测等无损检测按照JB/T47302005的要求进行。无损探伤检测1焊接坡口表面、待堆焊表面按JB4730进行MT检测，级合格。2对焊接头无损检测所有A、B类对接街头菌须在焊后和热处理后进行100的射线检测，按GB/7473022005的级合格并100超声复验，按GB/7473032005的级合格，水压试验后，100MT检测，级合格。3角焊缝无损检测壳体上所有角焊缝热处理前、热处理后、水压试验后分别进行100MT检测，级合格；公称尺寸450级以上的接管与壳体角焊缝还应在热处理前、后分别进行100UT检测，级合格。反应管与管板的连接接头，应在焊前对坡口表面、焊后对面表层表面进行100的渗透检测，按GB/7473052005的级合格。管子与管板焊缝表面及层间，100PT检测，级合格。4堆焊层无损检测过渡层焊缝表面100PT检测，级合格；覆层焊接完毕后，焊缝表面100PT检测，级合格，堆焊层100UT检测，级合格。5其他部位无损检测接管、法兰机加工表面100MT检测，级合格。设备上临时焊接工装、吊耳等打磨处，100MT检测，级合格。参考文献1潘继红、田茂诚管壳式换热器的分析与计算M科学出版社，19962贾绍义、柴诚敬化工原理课程设计M天津大学出版社，20023王非化工压力容器的设计方法、问题和重点M北京化学工业出版社,20054压力容器实用技术丛书编写委员会压力容器用材料及热处理M京化学工业出版社,20045王威强、吴俊飞承压设备安全技术与监察管理M北京化学工业出版社,20086程代京、刘银河蒸汽凝结水的回收及利用M北京化学工业出版社,20067毕树明工程热力学M北京化学工业出版社20018唐增宝、何永然、刘安俊机械设计课程设计（第二版）M华中科技大学出版社20049王志魁化工原理（第二版）M北京化学工业出版社200310聂清德化工设备设计M北京化学工业出版社200211王志文化工容器设计M北京化学工业出版社198912杨善让、徐志明换热设备的污垢与对策M科学出版社出版198913贺匡国化工容器及设备简明设计手册M北京化学工业出版社，200214郑津洋、董其武桑芝富过程设备设计M北京化学工业出版社，200315秦叔、叶文邦化工设备设计全书（换热器）M北京化学工业出版社，200416卓震、张秉淑、刘湘臣化工压力容器设计取证指南M北京化学工业版社，199517许鸿、董其武过程装备与控制工程专业英语M北京化学工业出版社，200218王宽福、冯丽云焊接与化机焊接结构M浙江大学出版社，200319刘福顺、汤明无损检测基础M北京航空航天大学出版社，200520化学工业部设备设计技术中心站标准零部件M全国化工设备设计技术中心站，200321钱诵文换热器设计手册M北京化学工业出版社，200122GB216181998M北京全国化工工程建设标准编辑中心23GB1511999钢制管壳式换热器M北京中国标准出版社出版,200024GB1501998钢制压力容器M北京中国国家标准出版社,199825GB/T911291242000钢制管法兰M北京国家质量技术监督局，200026GB/T911291242000钢制管法兰M北京国家质量技