（机械工程专业论文）外循环降膜蒸发器的改进与开发研究.pdf

：，t 1 、 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g t h e i m p r o v e m e n t a n d d e v e l o p e r f o rt h e e x t e r n a l - c i r c l ef r e e - f a l l i n g - f i l m b yw e i z u n f a s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a og u a n g y a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e mb e r2 0 0 7 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作暑签名：蘑h 也、 e t 期：夕年、1 月f 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 t h e i m p r o v e m e n t a n d d e v e l o p m e n t f o rt h e e x t e r n a l - c i r c l ef r e e - - f a l l i n ge v a p o r a t o r a bs t r a c t a l u m i n a , a sai n d u s t r i a lr a wm a t e r i a l ，i su s e dw i d e l yi ne l e c t r o n ，p e t r o l e u m ，c h e m i s t r y , p h a r m a c y , m a t e r i a l ，p a p e rm a k i n g ，m i l i t a r ya f a i r s ，s p a c e f l i g h ta n ds oo n i ti sa t t r a c t i n gm o r e a n dm o r ea t e n t i o no fr e s e a r c h e r sa l lo v e rt h ew o r l d t h e r ea r ef o u ri m p o r t a n tp r o c e d u r e s a l u m i n ap r o d u c t i o n ：d i g e s t i o n ，p r e c i p i t a t i o n ，e v a p o r a t i o n ，a n dc a l c i n a t i o n s t h ep r o c e d u r eo f e v a p o r a t i o nw h i c hd e c i d e da l u m i n ap r o d u c t i o nw a t e r , a l k a l ib a l a n c e i th a st h ef o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ：l o n gt e c h n i c s ，t i m e - c o n s u m i n g ，f r e q u e n t l ys c a r i n gi np i p e l i n ea n di n t e n s e c a u s t i c i t y , w h i c ha f e c tt h ec o n f i g u r i n ga n d c o n s u m i n gr e s o u r c e so fl a b o u r , m a t e r i a la n df m a n c e a n di m p a c to nt h ec o m p a n ye c o n o m i c b e n e f i t sa n dd e v e l o p m e n ts t e p b e a te v a p o r a t o rm a i nt e c h n o l o g ye c o n o m i ci n d i c a t o rt ob ei nt h ei n t e r n a t i o n a ll e a d i n g l e v e l ，o x i d i z e st h en e wh i g h l ye f f e c t i v ee q u i p m e n tw h i c ht h ea l u m i n u mm a n u f a c t u r e r e v a p o r a t e s ，m yf a c t o r yf r o m19 9 6e x p e r i m e n t s ，i n t r o d u c e st h i se q u i p m e n t ，h a sd e m o n s t r a t e d ， t h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n ，t h eh i g hp r o d u c t i o nh 1 j g es u p e r i o r i t yh i g h l ye f f e c t i v e b u ta l s o e x p o s e st h i se q u i p m e n tt h es h o r t c o m i n g ：t h eh i g ht e m p e r a t u r ee f f e c ts l a bi nh i g ht e m p e r a t u r e ， k g h - p r e s s u r e d ，u n d e rt h eh i g h l yc o n c e n t r a t e dl y ef u n c t i o nt h es e r v i c el i f ei ss h o r t ，t h e r e f o r e ， t h eb o a r ds t y l ee v a p o r a t o rw o r k i n gp r e s s u r eo n l yc a nc o n t r o lb e l o w0 3m p a m o v e s ，p r o d u c e s c a nt h ed i s p l a yr e c e i v e st h eq u i t eb i gl i m i t ；t h ec l o t hm e m b r a n es e a l j a m m i n gi ss e r i o u s ， c l e a n i n gu pd i f f i c u l t y ；e n de f f e c tt w os t e a mb e l ta l k a l i ；t h ew a t e rc o o l i n gv o l u m ei sh u g e u s e st h e8 0 0 h tp a t e n ta l l o ym a t e r i a lm a n u f a c t u r eh e a t e rs l a bt on e e da b o u t8 , 0 0 0 ，0 0 0y u a n ， 3 0 4 ，t h e316 ls t a i n l e s ss t e e lm a n u f a c t u r eh e a t e rs l a bn e e d sm o r et h a n3 8 0t e nt h o u s a n dy u a n ， m a i n t a i n st h ec o s to fo v e r h a u lt ob eh i g h ，h a sd i r e c t l ya f f e c t e dt h eb e n e f i tw h i c ht h ee n e r g y c o n s e r v a t i o nf a l l sc o n s u m e sp r o d u c e s i nb r i e f , t h eb o a r ds t y l ee v a p o r a t o rh i g ht e m p e r a t u r e e f f e c th e a t e rf a c t o r ye x p e n s ei sh i g h ，t h ep e r i o do fr e v o l u t i o nt o oi s s h o r t ，t h es o a r i n g m a i n t e n a n c ec o s t ，h a ss e r i o u s l yr e s t r i c t e dt h eb o a r ds t y l ee v a p o r a t o rp r o m o t e du s e a c c o r d i n g t oe x p i r e st h ep r i m a r yc a u s ea n a l y s i st ot h eb o a r ds t y l ee v a p o r a t o rh e a t e rs l a bd e t o n a t i o n ，t h e b o a r ds t y l es t r u c t u r eh e a t e rd o e sn o ts u i tt h eu s eo nt h eh i g ht e m p e r a t u r ee f f e c te v a p o r a t o r ，t h e r e s e a r c hd e v e l o p e do n ek i n do fn e wh e a t e rt os a t i s f yt h ep r o d u c t i o nt h en e e d k e yw o r d s ：b o a r ds t y l ee v a p o r a t o r ；s l a b ；h e a t e r ；f i l m i e r ；s e p a r a t o r ；o p t i m i z a t i o n 备，我厂自1 9 9 6 试验、引进该设备，显示了高效、节能、高产的巨大优越性。但也暴 露出该型设备的缺点：高温效板片在高温、高压、高浓度碱液的作用下使用寿命较短， 因此，板式蒸发器工作压力只能控制在o 3m p a 以下运行，产能的发挥受到相当大的限 制；布膜器结疤堵塞严重，清理困难；末效二次汽带碱。采用8 0 0 h t 专利合金材料制 造加热器板片需要8 0 0 万元人民币左右，3 0 4 、3 1 6 l 不锈钢制造加热器板片需要3 8 0 多 万元人民币，维护检修费高，直接影响了节能降耗所产生的效益。 板式蒸发器高温效加热器制造费用高，使用时间太短，高昂的维护费用，严重制约了 板式蒸发器的推广使用。根据对板式蒸发器主要原因进行分析，研究开发了一种新型的 蒸发器满足生产的需要。 关键词：板式蒸发器；板片；加热器；布膜器；分离器；优化 东北大学硕士学位论文 独创性声明 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 项目的背景和意义 1 2 氧化铝生产蒸发器的现状 1 - 3 课题研究内容。3 第2 章结构分析与改进5 2 1 板式板式降膜蒸发器简介5 2 1 1 板式板式降膜蒸发器结构。5 2 1 2 板式降膜蒸发工艺5 2 2 加热器的研究7 2 2 1 加热器结构的研究7 2 2 2 板片接口及面积设计1 3 2 3 布膜器的研究：2 9 2 4 分离器31 2 5 蒸汽的再利用3 2 2 6 板面热交换能力和二次蒸汽交换流场的设计3 8 第3 章工业试验与应用3 9 3 1 工业试验3 9 3 1 1 工业试验过程3 9 3 1 2 工业试验结论4 2 3 2 开发后工业对比试验和应用。：4 5 3 2 1 工业对比试验4 5 3 2 2 工业应用4 6 查! ! 查堂塑主学位论文 目录 3 2 3 工业应用结论4 8 3 2 4 工业应用效果4 9 第4 章结论与展望5 1 参考文献5 3 致谢。5 5 ， v 东北大学硕士学位论文 1 1 项目的背景和意 铝从1 9 世纪末才开始工业生产，在此以前被认为是贵金属。2 0 世纪以来，铝的应 用领域日益广泛，目前，铝己是世界上常用金属，广泛用于军工、包装、交通、建筑、 航空航天、电力、机械、生活等领域，是国民经济中具有支撑作用和战略地位的金属原 材料【1 1 。氧化铝是铝冶炼的主要原料，氧化铝生产在我国经济建设中占有十分重要的地 位。 我国铝土矿资源较丰富，居世界第四位，具备发展铝工业的资源条件 2 1 。但我国铝 厂大部分都采用流程长、工艺复杂的混联法或烧结法生产，工厂的技术装备水平较低， 尤其是能耗方面与国外铝工业发达国家相比，还很落后，还有很长的路要走。这种差距 大大削弱了我国氧化铝生产厂家在当前国际市场竞争力。加上我国铝土矿资源难溶、高 硬的先天不足，以及工艺污染严重，因此，要消除氧化铝生产在能耗、成本、质量和劳 动生产率上与国外发达国家的差距【3 】，实现我国氧化铝提产提质、节能降耗、保护环境， 实现可持续发展，必须走新兴工业化道路，必须采用高新技术改造以提升氧化铝生产行 业，实现氧化铝生产行业的节能降耗，减污减排，走上可持续发展的对环境友好的线路。 1 2 氧化铝生产蒸发器的现状 目前，我国氧化铝生产的蒸汽能耗有二分之一以上用在铝酸钠溶液的浓缩蒸发上1 4 引。其蒸发工序中使用的工艺流程如图1 1 所示。 所采用的主体设备有两种： 一种是六十年代从苏联引进的列管式外加热自然循环蒸发器( 下称列管式蒸发器) ， 般为三、四效作业，有的增加强制效排盐。 另一种是九十年代引进的法国凯斯特拉公司推出的管式内降膜蒸发器( 下称管式降 膜蒸发器) 【6 1 ，五效作业。两种蒸发器的性能指标对比见表1 1 。 生产中突出的问题是单位蒸水量的汽耗高( 汽水比高) ，结垢严重，清理困难，而 酸洗造成设备腐蚀损坏；列管式尤为突出，产能低，机组多，运行周期短，寿命周期短， 维修量大，运行成本高。相比较之下，管式内降膜蒸发器优于列管式蒸发器，主要体现 于汽水比、产能、运行率相对较好，其他并无优势，且为全套进口设备，投资大、维修 量大、管理难度高都降低了其节能所带来的效益，况且蒸发能力和传热系数仍处于不理 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 想的水平，不适合在恶劣工况条件下使用。 图1 1 列管式蒸发器工艺流程图 f i 9 1 1a r r a n g e si no r d e rt h es t a n d a r dv e r t i c a lt u b ee v a p o r a t o rf l o wc h a r t 管一板式降膜蒸发器是突破了国内外板式外降膜蒸发器不能用于氧化铝铝酸钠溶液 蒸发而研发的新技术装备。原芬兰奥斯龙生产的板式降膜蒸发器的显著特点是：蒸发能 力大、汽水比低，节能效果明显；但只能用于低浓度碱溶液的蒸发；板片强度低易破损 和布膜器结垢堵塞，不适应强结垢介质和不耐强碱腐蚀，该种板式降膜蒸发器至今在世 界上没有用于氧化铝生产的先例，目前主要用于造纸行业。1 9 9 6 年前，我公司多次技 术交流中奥斯龙的专家已否定板式降膜蒸发器能用于氧化铝生产。本研究开发首先立足 解决铝酸钠溶液蒸发中高能耗状况，进一步提高蒸发能力和提高传热系数，突破板式降 膜蒸发器板片强度低、产生应力腐蚀破损和布膜器结垢产生堵塞的技术难题【l 】，研发出 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 一种高效节能，适应性强和运行成本低，投资省的蒸发器。特别适应氧化铝生产的蒸发 器，并适应所有的工业应用。 表1 1 列管式与管式内降膜蒸发器的性能指标对比 t a b l e1 1r o w st u b u l a ra n dt u b u l a ri nf a l lt h em e m b r a n ee v a p o r a t o r t h ep e r f o r m a n c ei n d e xc o n t r a s t 项目名称列管式蒸发器管式内降膜蒸发器 蒸水量t h 4 0 1 7 0 蒸汽压力 m p a0 5 5o 3 8 蒸发面积 m 28 5 0 1 7 0 0 汽水比t 蒸汽爪水0 4 5 , - - 0 5 5 0 3 2 , , - 0 3 8 效数4 5 运行周期天 3 03 0 综合运行率 6 5 9 3 结垢情况严重 严重 清理难度很难困难 投资( 万元组) 1 0 5 66 8 1 3 1 3 课题研究内容 本课题的针对贵铝蒸发器生产中存在单位蒸水量的汽耗高，结垢严重，清理困难， 而酸洗造成设备腐蚀损坏，造成产能低、机组多、运行周期短、维修量大、运行成本高 等实际问题，对原蒸发器蒸进行技术改造与开发研究，实现具有高效、节能、环保、低 成本的蒸发器。本文主要研究工作是： ( 1 )分析并研究原加热器原理及失效原因，探讨结构改进： ( 2 )探讨材料选择及热处理环节等，以提高蒸发器使用寿命； ( 3 )研究合理化设计以改善传热效率； ( 4 )在布膜器方面，分析原板式布膜的不足点，实现提高流速和增大过留面 积等改进与开发； ( 5 )对分离器和蒸汽循环利用等方面进行研究与开发。实现了蒸发器蒸汽流 场更趋于合理； ( 6 )结合工业实验不断完善，实现更好地适于生产需要，节能效果显著。 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 4 蒸发，产生的二次蒸汽从板间自由逸出，向上汇集，经除沫器后排出。浓缩液则进入底 部液室。加热蒸汽从集汽箱进入每张加热板片腔，被冷凝成冷凝液后汇集到加热器下部 的液箱后排出。与管式蒸发器相比，板式降膜蒸发器的主要特点是其具有一定的自清洗 功能。板式降膜蒸发器在正常工作状态下，由于蒸汽波动引起板片微量变形以及液膜的 冲刷作用，表面结垢会自行剥落，所以，它具有如下优点： ( 1 ) 传热系数高 ( 2 ) 清洗周期长 ( 3 ) 可以获得更高的产品浓度 t 图2 1 板式板式降膜蒸发器 f i g u r e2 1p l a t ef a l l i n gf i l me v a p o r a t o r 2 1 2 板式降膜蒸发工艺 2 1 2 1 工艺过程简述 5 - 东北大学硕士学位论文第2 章结构分析与改进 分解母液由泵送至蒸发原液槽，蒸发原液由泵送至第六效蒸发器，经6 5 4 3 2 1 效蒸发器逆流( 效间设蒸汽直接预热器) 逐级加热蒸发。一效蒸发器出料溶液蒸至n a o h 浓度为2 2 0 9 l 时，其出料经三级自蒸发，蒸发终液由泵送至四蒸发原液槽。蒸发原液槽底 流氢氧化铝浆液用泵送到就近的一组拜尔法种分槽的最后两个分解槽内。一效蒸发器用 表压为0 6 v i p a 的饱和蒸汽加热。一效至五效二次蒸汽分别用作下一效蒸发器和该效直 接预热器的热源，第六效( 末效) 蒸发器的二次蒸汽经水冷器降温、冷凝，其不凝气接入真 空泵。一、二、三级溶液自蒸发器的二次蒸汽依次用于加热二、三、四效直接预热器的 溶液。新蒸汽冷凝水经三级冷凝水槽闪蒸降温至1 0 0 以下用泵送至合格热水槽，其二 次蒸汽分别与一、二效蒸发器的二次蒸汽合并；二、三、四、五效蒸发器的冷凝水分别 经该效的冷凝水水封罐进入下一级冷凝水水封罐。每效冷凝水水封罐产生的二次蒸汽分 别汇入该效的加热蒸汽管。二、三、四、五效蒸发器的冷凝水逐级闪蒸后与五效的冷凝 水汇合，进入六效的冷凝水罐，用泵送到冷凝水槽，全部冷凝水经检测后，合格的送锅炉房， 不合格的送1 0 0m 2 赤泥过滤热水槽。板式降膜蒸发工艺流程见图2 2 。 直预器x 1 2 x 1 3 冷凝水罐x 3 1 x 3 6出料泵x 7 5循环泵循环客x 5 1 - x 5 6 过料象x 6 2 - 妊6 原始参数见表2 1 。 图2 2 板式降膜蒸发器工艺流程图 f i g 2 2f a l l i n g - f i l me v a p o r a t o rf l o wc h a r t 6 东北大学硕士学位论文 第2 章结构分析与改进 现阶段主要问题：加热器寿命低、成本高；布膜器极易结垢堵塞失效；末效二次汽 带碱 2 2 加热器的研究 2 2 1 加热器结构的研究 2 2 1 1 加热器失效原因分析 加热器失效原因分析：应力腐蚀、点状腐蚀、均匀腐蚀 应力腐蚀、均匀腐蚀发生于奥氏体不锈钢，均匀腐蚀发生于双相不锈钢，应力腐蚀、 点状腐蚀发生于低碳钢。 在开发高效节能蒸发器的前期准备工作中，针对板式蒸发器存在的不足进行了研 究，发现板式蒸发器加热器失效主要原因是加热器板片结构不合理，造成板片碱应力腐 蚀而爆炸失效。 发生应力腐蚀断裂主要有三大因素：一定的拉应力的存在( 近年有些作者认为压应 力在一定条件下也会发生应力腐蚀破裂) ；金属本身对应力腐蚀的敏感性；能引起金属 发生应力腐蚀的介质。除此之外，还有一些其它因素 7 】。 就应力腐蚀原理来讲，目前有多种理论，各种理论又有各自适应的组合情况，归结 为三个方面的理论。 ( 1 ) 环境因子方面的假设和理论。包括有： ( a ) 电化学腐蚀理论，该理论用来解释沿晶型应力腐蚀比较合适。该理论认为晶 界比晶粒内的晶面具有较高能量，形成阴极、阳极，组成了电化学腐蚀的原电池。 ( b ) 应力吸附理论，认为应力腐蚀断裂的产生是由于金属( 或合金) 表面吸附了 特殊离子，使其表面能降低，使材料破坏所需的应力降低。 ( c ) 表面膜破裂理论，顾名思义，该理论认为金属( 或合金) 表面的保护膜尤其 是晶界处在腐蚀过程中不断被破坏，而使腐蚀裂纹发展直至破坏。 7 - 东北大学硕士学位论文 第2 章结构分析与改进 ( d ) 腐蚀产物的楔入效果理论，认为金属( 或合金) 的腐蚀产物在扩展的裂纹尖 端的后面阴极区沉积，对裂纹起楔子作用，造成了应力【8 】；当沉积物造成的应力达到临 界值后使裂纹向前扩展；新产生的裂纹又吸入了电解质溶液，使裂纹尖端阳极腐蚀继续 进行，这就产生了更多的可溶性金属离子，这些离子扩散至阴极区并生成金属氧化物等 沉积下来，这又引起了裂纹向前扩展，如此反复，直至破裂。 ( 2 ) 金属因子方面的假设和理论。含有： ( a ) 位错理论，认为材料的应力腐蚀断裂敏感性与材料中的位错分布有关。 ( b ) 析出理论，要点为，在产生应力腐蚀的环境中，材料由于受应力或腐蚀反应 的结果，使得某些部位上产生了某种析出，该电位降低成为阳极，造成了腐蚀的敏感环 境。 ( c ) 滑移阶梯理论，材料产生应力腐蚀必须具有某种程度的塑性变形，从而使材 料的表面出现滑移阶梯，破坏金属表面保护膜，产生新的活性区。在介质中，这些活性 区与其他有完整保护膜的地方形成小阳极大阳极，加快了破坏进程。 ( d ) 隧洞腐蚀理论，认为在产生应力腐蚀的环境中，金属( 或合金) 沿某一定滑 移面上的一定方向生成腐蚀孔并延伸成隧洞状，在应力作应下，隧洞互相连接，使截面 减少，应力逐渐增高超过了屈服极限甚至强度极限直至破坏【9 一o 】。 ( 3 ) 应力因子方面的假设和理论。其要点为，在应力作用下，腐蚀反应生成的氢扩散 到正在扩展的裂纹的前缘，在该处形成与应力方向垂直的高活化的氢化物或氢一应变铁 素体( 或b 、a 马氏体) ，使该处金属脆变。随着应力腐蚀的进行，氢不断产生与 扩散至裂纹尖端，裂纹就持续向前扩展。即，金属的腐蚀断裂的引发与扩展，是沿着氢 在钢中扩散和反应所形成的敏感途径进行的。 至今，还没有建立起一个能够全面解释应力腐蚀断裂的所有现象和特征的统一理 论。如前所述，电化学腐蚀理论对于解释沿晶应力腐蚀断裂是比较合适的。目前，对于 穿晶应力腐蚀断裂的解释多数意见倾向于机械一电化学反应腐蚀理论。其认为引起应力 腐蚀断裂的条件是小应力的机械作用( 产生滑移台阶和阳极) ，而腐蚀的本质是电化学 作用，因此叫做机械一电化学反应腐蚀理论，实际上是电化学腐蚀理论【1 1 】、保护膜破坏 理论以及金属因子方面四个理论的综合。按照裂纹发展过程的电化学反应，可以把应力 腐蚀分为两个基本类别：阳极反应敏感型和阴极反应敏感型。 阳极反应敏感型应力腐蚀，是指这类应力腐蚀裂纹的形成和发展过程是以裂纹处金 属的阳极溶解为基础的，裂纹的成长速度也由金属阳极溶解速度决定。 阴极反应敏感型应力腐蚀，是指这类应反应过程中由于阴极吸氢而造成的脆性破 - 8 东北 坏， 征，可从四个方面说明 ( a ) 应力 产生应力俯视的应力主要是其中的静态部分，它可以是外加载荷或装配力( 例如拧 螺栓的力、胀接力等) 引起的应力，也可以是构件在加工、热处理、焊接等过程中产生 的内应力。不管来源如何，导致应力腐蚀开裂的应力必须有拉伸应力的成分，压缩应力 是不会引起应力腐蚀开裂的【1 2 】。此外，这种应力通常是比较轻微的。如果不是在腐蚀环 境中，这样小的应力是不会使构件发生机械性的破坏。构成破坏的应力值要根据材料、 腐蚀介质等具体情况来确定。 ( b ) 腐蚀介质 产生应力腐蚀的材料和介质并不是任意的，只有二者是某种组合时才会发生应力腐 蚀。引起普通钢应力腐蚀的腐蚀介质有：氢氧化物溶液；含有硝酸盐、碳酸盐、硫化氢 的水溶液；海水，硫酸硝酸混合液；融化的锌、锂；热的三氯化铁溶液；液氨。引起 奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质有：酸性和中性的氯化物溶液：海水；熔融氯化物；热的 氟化物溶液；热的氢氧化物溶液。 ( c ) 材料 一般认为极纯的金属不产生应力腐蚀破坏，只有在合金或含有杂质的金属中才会发 生。 ( d ) 破坏过程： a 孕育阶段。这是在应力腐蚀裂纹产生前的一段时间，为裂纹的成核作准备。 b 裂纹稳定扩展阶段。在应力和腐蚀介质的联合作用下，裂纹缓慢扩展 c 裂纹失稳扩展阶段。这是最后的机械性破坏。 综上，当由于各种条件下，金属发生了初步裂纹后，在该处发生了一定的应变，似 有一定程度上局部改善应力水平现象。但是，由于产生了裂纹，则会引起以下现象： ( i ) 保护膜不连续，产生局部活化区，形成大阴极小阳极； ( i i ) 裂纹尖端应力加剧； ( i i i ) 裂纹尖端p h 值急剧减小； ( i v ) 降低了临界应力腐蚀强度因子； ( v ) 由于裂纹逐渐扩展，使得金属有效承载面积相应减少。 应该注意的是，在实际应用中，往往是几种情况的组合，使得应力腐蚀不断地进行， 9 东北大学硕士学位论文 第2 章结构分析与改进 直至容器发生破裂失效。而且，在很多情况下，金属的残余应力是沿整个截面的，例如 焊接接头等，其应力水平随承载截面的逐渐减小而越来越高。 另外，金属材料的应力腐蚀破裂【1 3 】还有一个特点是金属的开裂与金属本身厚度无 关。常见的厚度大腐蚀也慢( 均匀腐蚀) 的情况在这里不适用。因此，靠增加金属厚度 来延缓应力腐蚀破裂几乎是无效的( 由工作应力导致的例外) 。 2 2 1 2 应力腐蚀的防止 ( 1 ) 使用不发生应力腐蚀的材料 对于氢氧化钠水溶液，银、镍、铸铁【1 4 】、双相不锈钢( 如2 0 0 5 、2 2 0 5 等) 都是耐应 力腐蚀的材料。 ( 2 ) 降低或消除应力【1 5 1 为消除应力，采用了去应力退火。消除应力用热处理的办法，去应力退火除有消除 应力的作用外，尚可使杂质的形态发生变化，由连续变为不连续，更加降低了裂纹的发 生几率。经过贵州铝厂几年的实际运用，证明热处理消除应力腐蚀的效果是好的。 ( 3 ) 物理隔离 理论上效果最好，但是目前难以找到理想的材料。 2 2 1 3 结构设计 解决应力腐蚀的关键条件，必须在大幅度降低应力水平的情况下才能实现【1 6 】。对板 式蒸发器加热器板片进行优化设计，使其退出应力腐蚀区 经分析研究，制定了采用管子结构来解决加热器的技术方案。由于管子类结构件的 受力状况优于板类结构件，选用管子类结构不但能够降低拉应力水平，而且还能减少大 量的焊缝，使加热器结构更加合理，受力状况明显改善。 其根本的依据是解决了发生应力腐蚀中三个组合条件应力值、温度、碱浓度的 搭配，使之退出应力腐蚀区域【1 7 1 。 根据爆裂发生在焊点处现状，管排式和板式的受力情况分析见图2 3 ，图2 4 ，使用 应力可按式( 2 1 ) 计算【1 8 1 。 9 6 ，2 仃一= 吾= 等 6 1 0 - ( 2 1 ) 东北大学硕士学位论文 式中：仉触最大应力； p 压强： b 受力宽度； i ，- 一长度； h 厚度。 图2 3 板式板片简图 f i g 2 3b o a r ds t y l es l a bd i a g r a m 计算得板式应力为： 计算得矩形管应力： 图2 4 矩形管板式板片简图 f i g2 4r e c t a n g u l a rp i p e sb e a t ss l a bd i a g r a m ! ：q ：! ：丝挈：1 2 ：1 5 0 胁 4 0 0 0 2 2 东北大学硕士学位论文第2 章结构分析与改进 ! ：q ：! ：q ：! ：1 0 5 m p a 4 书0 0 0 2 此应力值在我公司目前的生产条件下，处于安全区域【1 5 1 7 1 。碳素钢应力低于屈服强 度时，在我厂的生产条件下不会发生应力腐蚀( 焊缝部分例外) 【1 8 】。 为了使制造工艺简单可行，采用管子制成加热器排管、集汽( 液) 箱，工装简单， 联结密封焊缝可靠，密封性容易达到要求。同时，采用管子结构的排管，其刚性较低， 具有很好的柔性，这样，在加热器运行过程中，可发生适当的形变，加之运行振动，具 有良好的自洁效果。 2 2 1 4 材料选用 板式加热器一般采用的是s u s 3 0 4 、s u s 3 1 6 l 、蒙乃尔和i n c o l o y 8 0 0 ，均没有取得 理想的效果。 由于我厂对碳素钢的应力腐蚀发生规律研究较为深入，所以选用碳素钢。说明不够 充分材料导热系数( 见表2 2 ) 不同，不锈钢与碳素钢的导热系数比率在2 3 之间， 优先采用优质碳素钢制造加热器，传热效率最大化。 表2 2 几种材料性能( 0 1 0 0 * c ) t a b l 2 2s e v e r a lk i n do fm a t e r i a l sn a t u r e ( o 一10 0 ) 同时，结疤垢体的成份不同，导热系数和膨胀系数亦不同，充分利用导热系数和膨 胀系数的差异，在温度发生变化( 也可主动控制) 的过程中产生应力来使结疤垢体拉伸和 压缩产生裂纹，从而导致结疤脱落达到自结的作用；从表2 2 看出碳钢与c a c 0 3 之间的 导热、膨胀系数两个因素足以使板面的结疤产生龟裂( 图2 5 所示) ，达到脱落自洁的 条件。 1 2 东北大学硕士学位论文 捧管 结疤 图2 5 结垢脱落不慈图 f i g2 5 t h es c a l i n gf a l l so f ft h es c h e m a t i cd r a w i n g 采用优质碳素钢，既提高了导热系数，又降低了制造成本，并且以最简单的结构焊 接件制成管板式降膜蒸发器加热器；进行整体热处理消除焊接结构应力，降低了运行 中失效的概率2 们。保证了合理的使用寿命，使加热器的维护费用更加经济。 2 2 2 板片接口及面积设计 2 2 2 1 板蒸热平衡计算 ( 1 ) 物料平衡计算2 1 1 已知原料进料量为4 0 0 m 3 h ，原液n k 浓度为1 6 5 酊，温度6 4 c ；母液n k 浓度为 2 5 4 9 1 ，温度8 l ；返回母液温度8 0 ( 2 ，n k 浓度与母液n k 浓度相等；冷凝水回水温 度6 3 。其余参数见表2 3 、表2 4 、表2 5 、表2 6 、图2 6 。 图2 6 为n a o h 水溶液的杜林线图。图中每一条直线代表某一浓度下该溶液在不同 压力下的沸点与对应压力下水的沸点间的关系。由图2 6 可知，当溶液的浓度较低时， 各浓度下杜林直线的斜率几乎平行，这表明在任何压力下，n a o h 溶液的沸点升高基本 上是相同的。 - 1 3 表2 3 母液n l ( 浓度在8 0 。c 时质量百分比和比重 ! 垒! ! ! ：i 坚2 1 1 1 111 9 竺2 1 塑! ! 宝2 ：! 堡i 旦! ! 竺! i 翌! 旦竺呈! i 望p ! 堡曼翌! 堡! ! 竺垒2 翌p 2 垒1 2 翌 n a 2 0 n a 2 0 鲫 理论比重k g m 3实际比重k g m 3 1 4 1 6 1 1 6 51 1 6 5 1 2 8 0 2 0 3 3 52 5 4 1 2 5 0 1 4 0 9 表2 4 各效溶液的数据表 t a b l e2 4v a r i o u se f f e c ts o l u t i o nd a t a 名称 单位1 效 2 效3 效4 效 5 效6 效 一一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ - - - _ 。_ - _ 。_ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ - _ 一 比热 k j k g 。c 3 53 5 2 53 5 4 2 3 5 5 53 5 7 63 5 8 8 二次蒸汽 k j k g 2 7 2 02 6 9 52 6 6 8 2 6 5 5 62 6 4 4 92 6 2 6 4 冷凝水 k j k g 5 4 1 94 6 8 53 9 5 73 6 4 3 3 72 8 9 汽化潜热 k j k g 217 8 1 2 2 2 6 52 2 7 2 32 2 91 6 2 3 0 7 92 3 3 7 4 温度1 2 9 11 1 1 9 9 4 68 7 8 0 76 9 2 新蒸汽 k j k g 2 7 6 4 3 冷凝水 k j k g 6 9 6 9 汽化潜热 k j k g 2 0 6 7 4 温度 1 2 1 6 5 2 名称单位1 自2 自3 自4 自 原液 比热 k j k g * c 3 4 9 23 4 8 4 3 4 7 53 4 6 7 3 5 8 8 表2 5 测定参数平均值表 t a b l e2 5d e t e r m i n a t i o np a r a m e t e rm e a nv a l u et a b l e 1 效2 效3 效4 效 5 效6 效 溶液温度1 3 41 1 59 9 8 77 35 8 冷凝水温度1 3 91 2 31 0 69 3 7 76 3 溶液温度1 自2 自 3 自4 自原液 母液 冷凝水温度 1 2 01 0 5 9 38 18 08 0 一级直接预热器进料温度1 0 5 出料温度1 2 0 二级直接预热器进料温度8 0 出料温度1 0 5 - 1 4 2 0 0 u 、 鬟1 5 0 g 鹱 缝l 0 ，夕钐 t ： ， 髟 燃 _ i i - _ 一 一劭 妒 一静 篪 z d 影 磁缀 耀 1 沁 如 l l 弼 2 0 0 图2 6n a o h 水溶液的杜林线图 f i g 2 6 n a o ha q u e o u ss o l u t i o nd o o l i n gc h a r t ( 2 ) 、蒸水量的计算 总原液量f 蜃= v i r - - - 4 0 0 x 1 2 8 0 = 5 1 2 0 0 0k g h 总蒸水量w = 4 0 0 x 1 2 8 0 4 0 0 1 4 0 9 1 6 5 2 5 4 = 1 4 5 8 8 2k g h 总母液量f 母= w - fj = 3 6 6 1 1 8k g l l 返回母液量f 返= v 2 r = 8 0 x1 4 0 9 = l 1 2 7 2 0k g h ( 3 ) 、根据直接预热器热平衡求二次蒸汽消耗量( 热损r l = o 9 9 5 ) ( a ) 、二级直接预热器热平衡求二次蒸汽消耗量 热量收入f 返c 母t y lr l + 2 2 2 6 5 w y 2n + 4 1 8 7 ( 1 1 1 9 1 0 5 ) w y 2n 2 1 1 2 7 2 0 3 4 6 7 8 0 0 9 9 5 + 2 2 2 6 5 0 9 9 5 w y 2 + 4 18 7 ( 1 11 9 - 10 5 ) 0 9 9 5 w y 2 热量支出f 近c 母t v 2 = ( 1 1 2 7 2 0 + w y 2 ) 3 4 8 4 1 0 5 w y 2 = 5 2 7 9 2 k g h 1 5 ( b ) 一级直接预热器热平衡求二次蒸汽消耗量 热量收入( f 返+ w y 2 ) c 母t y lr l + 2 1 7 8 1 w y lr l + 4 1 8 7 ( 1 2 9 1 1 2 0 ) w y lq = 1 1 8 1 1 1 8 9 3 4 8 4 1 0 5 n o 9 9 5 + 2 1 7 8 1 0 9 9 5 w y l + 4 1 8 7 ( 1 2 9 1 - 1 2 0 ) 0 9 9 5 w y l 热量支出f 返c 母t y 2 = ( 1 1 8 1 1 1 8 9 + w y 2 ) 3 4 9 2 1 2 0 w y 2 = 3 6 4 0 3 5k g h 表2 9 一级直接预热器物料平衡表 t a b l e2 9m m e d a l sb a l a n c es h e e to ff i r s td i r e c tp r e h e a t e r s 收入 支出 项目 数值k g h 项目 数值k g h 一级预热器进料 二次蒸汽消耗 1 1 8 1 1 1 8 9 一级预热器出料 1 2 1 7 5 2 2 4 3 6 4 0 3 5 合计1 2 1 7 5 2 2 4 合计1 2 1 7 5 2 2 4 1 6 ( a ) 四自二次蒸汽量w z 4 热量收入( f 母+ f 返+ w z 4 ) c 母z 3 t 2r l = ( 4 7 8 8 3 8 + w z 4 ) 3 4 7 5 9 2 0 9 9 5 热量支出( f 母+ f 返) c 母z 3 t l + 2 2 9 1 6 + 4 1 8 7 8 1 w y l = 4 7 8 8 3 8 3 4 6 7 81 + 2 2 9 1 6 “18 7 8 7 w z 4 w z 4 = 7 6 3 4 8 2 k g h 表2 1 1 第四自蒸发器物料平衡表 收 入 支出 表2 1 2 第四自蒸发器热平衡表 收入支出 1 7 ( b ) 三自二次蒸汽量w z 3 表2 1 3 第三自蒸发器物料平衡表 t a b l e2 13t h i r ds e l f - e v a p o r a t o rb a l a n c es h e e to fm a t e r i a l s 收入 支出 符号项目 数值k g h符号 项目 数值k g h 三自蒸发器进料4 9 5 0 8 9 3三自蒸发器出料4 8 6 4 7 2 8 2 二