I效蒸发器设计.doc

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i效蒸发器设计摘要：本设计的i效蒸发器是将电解工序的nacl电解液10%左右的naoh溶液浓缩成浓度较高的溶液再进一步加工制成商品碱，同时把析出的nacl晶体溶解成盐水回收的一套蒸发设备。该设备是由蒸发室、加热室、循环管、强制循环泵等部件组成。该设备为i效外加热式强制循环蒸发器，工艺要求较简单，操作难度不大，所以被广泛采用。由于使用的是外置加热器以及因为溶液各部分温度的不同造成密度的不同，所以容易造成传热效果较差；易结垢结晶等不良状况。为了克服这一缺点，所以采用流体机械强迫溶液循环。采用强制循环泵循环速度一般为2-5m/s。本次设计的主要思想是首先根据设计任务书制定设计方案，对容器及各个主要零部件的制作材料进行选择，再根据gb150钢制压力容器标准及gb151换热器设计标准等进行换热器选择，壁厚计算、校核，容器桶壁开孔补强计算等设计。最后根据相关数据制装配图与部件图。 关键字：i效外加热式强制循环蒸发器、蒸发室、加热室、循环管、循环泵。 i i evaporator designabstract：this design of i evaporator electrolysis process is of 10% nacl electrolyte solution naoh concentration of condensed into further processing of high solution made goods, simultaneously the precipitation of alkali nacl crystals dissolve into salt water recycling a set of evaporation equipment. the device consists of evaporator, heating room, circular tube, forced circulation pump parts.this equipment for i effect exterior heating type compulsory recycling evaporator, craft demand is simple, the operation difficulty is not hard, so be widely adopted. due to the use of external heater and is part of the temperature because solution to different densities differently, so easy to cause the heat transfer effect is poorer; easy scaling crystallization adverse conditions. in order to overcome this one defect, so using fluid mechanical force solution cycle. using forced circulation pump cycle speed is commonly 2 5 m/s.the design of the main thought is the first formulated according to the design plan descriptions of container design, and all the main parts choose materials, gb150 again according to the steel pressure vessel standards "and" gb151 heat exchanger design standard etc choice, wall thickness calculation, checking, drum wall opening reinforcement design calculations, etc. finally, according to the relevant data system with assembly parts prints.key word: i effect of exterior heating compulsory recycling evaporator,evaporator, heating room, circular tube, circulating pump. ii 目录第一章 概述.11.1氯碱工业简介.11.2以氯碱工业为基础的化工生产.11.3我国氯碱工业的发展.21.4蒸发器简介.21.5外加热式强制循环蒸发器的优点.3第二章 结构的选型及材料的选择.42.1结构选型.42.1.1圆筒结构的选择.42.1.2椭圆形封头的选择.42.1.3锥壳的选择.42.1.4支座的选择.42.1.5汽液分离装置的选择.52.1.6膨胀节的选用.52.2材料的选择.5第三章 壁厚计算.63.1筒体壁厚的计算.63.1.1蒸发室.63.1.2加热室壁厚计算.93.2开孔补强的计算.123.2.1 蒸发室封头开孔补强.123.2.2加热室蒸汽进口开孔补强.163.3水压试验校核.193.3.1 水压试验压力的确定.193.3.2应力校核.20第四章 u型膨胀节的选用及应力计算 .224.1u型膨胀节的选取： .224.2膨胀节应力的计算.22iii 第五章 加热室.265.1 结构尺寸参数.265.2 受压元件材料及数据.275.3 平盖计算.285.4 管板计算.295.5 壳程压力作用下危险组合.32第六章 其他零件的选取.446.1折流板的选取.446.2 定距管、拉杆的选取.44第七章 支座的选取.457.1 第一层支座的选取.457.2 第二层支座的选取.467.3 第三层支座的选取.46第八章 轴流泵选取.488.1 管. 错误！未定义书签。 iv 第一章 概述1.1氯碱工业简介工业上用电解饱和nacl溶液的方法来制取naoh、cl2和h2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业。1.2以氯碱工业为基础的化工生产naoh、cl2和h2都是重要的化工生产原料，可以进一步加工成多种化工产品，广泛用于各工业。所以氯碱工业及相关产品几乎涉及国民经济及人民生活的各个领域。由电解槽流出的阴极液中含有30的naoh，称为液碱，液碱经蒸发、结晶可以得到固碱。阴极区的另一产物湿氢气经冷却、洗涤、压缩后被送往氢气贮柜。阳极区产物湿氯气经冷却、干燥、净化、压缩后可得到液氯。2naoh+cl2= nacl+naclo+h2oh2o+cl2=hcl+hcloh2+cl2=2hcl2naoh+co2=na2co3(苏打)+h2onaoh+co2=nahco3(小苏打)随着人们环境保护意识的增强，对以氯碱工业为基础的化工生产过程中所造成的污染及其产品对环境造成的影响越来越重视。例如，现已查明某些有机氯溶剂有致癌作用，氟氯烃会破坏臭氧层等，因此已停止生产某些有机氯产品。我们1 在充分发挥氯碱工业及以氯碱工业为基础的化工生产在国民经济发展中的作用的同时，应尽量减小其对环境的不利影响。1.3我国氯碱工业的发展 我国最早的氯碱工厂是1930年投产的上海天原电化厂（现上海天原化工厂的前身），日产烧碱2t。到1949年解放时，全国只有少数几家氯碱厂，烧碱年产量仅1.5万吨，氯产品只有盐酸、液氯、漂白粉等几种。近年来，我国的氯碱工业在产量、质量、品种、生产技术等方面都得到很大发展。到1990年，烧碱产量达331万吨，仅次于美国和日本，位于世界第三位。1995年，烧碱产量达496万吨，其中用离子交换膜电解法生产的达56.2万吨，占总产量的11.3。预计到2000年，烧碱年产量将达540万吨，其中用离子膜电解法生产的将达180万吨，占33.3。1.4蒸发器简介（1）蒸发室蒸发室一般都是圆柱形的筒体，其作用是提供物料汽化的空间和进行气液分离。 蒸发室一般都比较大，筒体上有料液进出口、二次蒸汽出口、视镜及仪表检测口。在筒体的上部设有汽液分离装置，其作用是分离二次蒸汽和二次蒸汽所夹带的料液泡沫以减少飞溅损失，是蒸发器的重要组成部分。蒸发过程中经常采用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做而次蒸汽。按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。2 （2）加热室加热室为一列管式换热器，其作用是把加热蒸汽的汽化潜热传递给料液，在蒸发器的换热管内走物料，在换热器壳体内走加热蒸汽。其下部有冷却水出口，上下都有排放不凝气出口。（3）循环管蒸发器的循环系统的重要组成部分，是料液进行循环，改善传热工艺的重要装置，自然循环性蒸发器仅有循环管，强制循环蒸发器有循环管和循环泵。（4）沉降室沉降室位于蒸发室的最下面，圆锥形。其作用是为析出的氯化钠晶体提供沉降空间。在结晶器底部开有采盐口，以便从这里抽出沉降的盐浆。1.5外加热式强制循环蒸发器的优点外加热式强制循环蒸发器的蒸发流程有很多的优点。首先，它的工艺要求简单，且操作比较容易。在生产30%的碱液时，材质无特殊要求，采用强制循环泵改善蒸发器的流动状况，强制循环速度大形成的推动力大，传热效率高，生产能力大，由于是外加热式的，所以其换热面积也就大，可以进一步增大其生产量。其次，从蒸发室锥形底出来的料液可以再重新送入加热室加热，然后再进入蒸发室蒸发，由于采用外部动力来克服循环阻力，形成循环的推动力大，料液的循环速度大，传热效率高，生产能力大，但动力消耗也大。 3 第二章 结构的选型及材料的选择2.1结构选型2.1.1圆筒结构的选择圆桶是压力容器用以储存物料或完成化学反应的主要压力空间，由于圆筒的承压效果好，结构简单便于制造，所以使用圆筒。2.1.2椭圆形封头的选择封头的形式主要有以下几种：半圆形封头：制造过程中直径小时整体难冲压，直径大时用瓣冲压后焊接工作量太大。蝶形封头 ：两曲面连接处应力高于其他处，受力状况不佳。球冠形封头：球面与圆筒连接处没有转角过度，有很大的不连接应力。 椭圆形封头：直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现径向曲率半径突变，以改变焊缝的受力状况，封头椭圆部分径线曲率变化平滑，应力分布均匀，深度比半球形封头小得多，易冲压成型。综合考虑后选择椭圆形封头。2.1.3锥壳的选择锥壳的结构形式有利于固体颗粒、悬浮物、粘稠液体的排放，蒸发室下端为烧碱的出料口，浓度较高，故选择锥壳。2.1.4支座的选择蒸发室支座：选用耳式b型支座、长臂、带垫板、筋板和底板材料为q235-a,垫板材料与容器材料相同。其优点是简单轻便，但对容器会产生较大的局部应力，因此在容器较大或容器壁较薄时应该加一块垫板。支承加热室和循环管：选用耳式b型，由于加热室冷热流体温差较大，壳壁受力不均匀，因此需要弹簧支撑架来调节。支承弯头的支座：选用支承式支座，当容器较大或器壁较薄时，应该加一4 块垫板。2.1.5汽液分离装置的选择汽液分离装置是分离二次蒸汽与碱沫的装置，以减少飞溅损失，是蒸发器的重要组成部分。本设计采用旋流分离器，这种分离器能使蒸汽得到一定的旋转速度，依靠离心力来进行汽液分离。2.1.6膨胀节的选用膨胀节是一种有一定自由伸缩度的弹性元件，能有效的补偿轴向的弹性变形作用。本设计选用u型膨胀节。2.2材料的选择对于本次设计的蒸发器，分析其介质，介质压力不太高，但是浓度较大，腐蚀性强。所以蒸发室筒体，循环管，加热室材料都选择耐腐蚀性的不锈钢 0cr18ni10ti，法兰材料采用q235-a与0cr18ni10ti复合材料。 5 第三章 壁厚计算3.1筒体壁厚的计算通体材料选用0cr18ni10ti表 3.1由gb150-1998得内压筒体壁厚计算公式为d=pcdi2sj-pct式中：p 设计压力，mpadi圆筒内直径，mms设计温度下材料的许用应力，mpaj焊接接头系数，mm3.1.1蒸发室3.1.1.1蒸发室筒体：参数的选取：设计压力 p=0.33mpa其中p=rgh=110-69.85400=0.0539mpap 8p=0.33+0.0539=0.m3pc=p+静圆筒内径di=2400mm焊缝系数j=0.85采用双面焊对接焊缝，采用局部无损探伤。 许用应力s：蒸发室s=108mpa6ttt壁厚附加量c： c=c1+c2其中：c1钢板或钢管的厚度负偏差，取c1=0.9mmc2腐蚀裕度，由于料液腐蚀程度较大，取c2=1mm则c=c1+c2=0.9+1.0=1.9mmd=pcdi2sj-pct=0.38392400=4.13mm 21370.85-0.3839考虑筒体腐蚀裕度后，通体壁厚d=d+c=4.13+1.9=6.12mm向上圆整得dn=10mm3.1.1.2蒸发室下锥体：蒸发室下锥体选用大端折边锥壳，取半锥顶角a=301. 封头大端：（1） 过渡段厚度：d=pcdi2sj-0.5pct由于大端带折边锥壳的过度段转角半径r应不小于封头大端d=pcdi2sj-0.p5ct=0.75540.38392400=3.11mm 21370.85-0.50.3839（2） 与过渡段相接处的厚度d=fpcdi2sj-0.5pctmm其中f为系数，有gb150-1998查得f=0.5619取两者中的较大值d=4.64mm考虑壁厚附加量c后，de=d+c=4.64+1.9=6.63mm圆整得dn=10mm2. 封头小端：7 采用小端无折边结构，而psjt=0.3839 a=30 由=0.003 31370.85gb150-1998钢制压力容器中图7-13得需要在其连接处进行加强。 由公式dr=qpcdis2sj-pct可求得壁厚其中 q是应力增值系数，由gb150-1998钢制压力容器中图7-14查得q=2.8dis锥型封头小端dis=1000mm所以dqpcdis0.38391000r=2stj-p=2.8c21370.85-0.3839=4.62mm考虑壁厚附加量c, de=dr+c=4.62+1.9=6.61mm圆整得dn=10mm3. 锥壳厚度dc1r=pcd2stj-pccosa其中 a=30dc锥壳大端计算内直径dc=di-2(1-coxs=)2-40022-40(1=cosmm30 ) 由公式得dpcdc1r=2stj-pcosa=0.3839243321370.85-0.3839-1cos30=4.64mmc考虑壁厚附加量c后，de=d+c=4.64+1.9=6.63mm圆整后得 dn=10mm综合取锥型封头壁厚由公式dqpcdisr=2stj-p可求得壁厚cd2.80.38391000r=qpcdis2stj-p=c21370.85-0.3839=4.62mm8 考虑壁厚附加量后，de=dr+c=4.62+1.9=6.61mm圆整后得 dn=10mm3.1.1.3蒸发室壁厚计算蒸发室顶部封头采用标准椭圆形封头，其壁厚公式由gb150-1998钢制压力容器中查得d=1. 蒸发室顶部封头 pcdi2sj-0.5pctd=0.38392400=4.12mm 21370.85-0.50.3839考虑壁厚附加量de=d+c=4.12+1.9=6.02mm圆整后de=10mm由jb/t4746-2002钢制压力容器用封头选取蒸发室顶部封头尺寸如下：表3.22. 蒸发室筒体d=pcdi2sj-0.5pct=0.38391000=1.65mm 21370.85-0.50.3839考虑壁厚附加量dn=d+c=1.65+1.9=3.64mm圆整后得 dn=8mm3.1.2加热室壁厚计算加热室采用固定管板式换热器结构3.1.2.1加热室筒体壁厚计算公式为d=pcdi2sj-pct其中：加热室设计压力p=0.33mpa9 加热室圆筒内直径di=700mm设计温度下的许用应力s=137mpa焊缝系数j=0.85壁厚附加量c=1.9mm则d=tpcdi2sj-pct=0.33700=0.99mm 21370.85-0.33考虑壁厚附加量 dn=d+c=2.89mm考虑到要在换热器圆筒上焊接支耳所以要把筒壁取厚一些，根据经验最后取dn=10mm3.1.2.2加热室上下锥体下锥体静压力远大于上锥体，因此只计算下锥体后，上锥体与下锥体取相同厚度即可。1. 锥壳厚度计算d=pcdc2sj-pct1 cosa-6设计压力p c=p+p静=0.33+9.81107000=0.39mpa选取锥角a=30锥壳大端内直径d0=700mm，锥壳小端内直径为600mm 则有de=0.397001=1.356mm 21370.85-0.39cos30为焊接安装方便，圆整取dn=10mm2. 下锥体大端过渡段厚度：取r=200mm，由di钢制压力容器中查得k=0.5749 =03.在gb150-1998d=kpcdi2sj-0.5pct=0.57490.39700=0.68mm 21370.85-0.50.39考虑壁厚附加量d=dr+c=0.68+1.9=2.58mm为焊接安装方便，圆整取dn=10mm10 3. 与过渡段相连的锥壳厚度ddir=fpcstj-0.5pc其中f由=0.3，gb150-1998钢制压力容器中查得f=0.5310idcdi=0.53100.39700r=fpstj-0.5pc1370.85-0.50.43=1.25mm考虑壁厚附加量d=dr+c=1.25+1.9=3.15mm为焊接安装方便，圆整取dn=10mm4. 下锥体小端pcstj=0.391370.85=0.0033查化工设备设计手册表5-14得q=2.6则d2.60.39600r=qpdis2stj-p=21370.85-0.39=2.62mm考虑壁厚附加量 d=dr+c=2.62+1.9=4.6mm为焊接安装方便，圆整取dn=10mm由以上计算可得锥体的名义厚度为dn=10mm3.1.2.3循环管1. 根据结构要求，循环管 由d=pcdi2stj-pc设计压力p-6c=p+p静=0.33+70001.0109.8=0.40mpa则d0.40600e=21370.85-0.40=1.03mm因为在循环管上焊接支耳和支承所以根据经验圆整后dn=8mm2.循环管下部锥体选取30锥壳，大端11（1） 锥壳厚度计算d=pcdc2sj-pct0.4060011=1.19mm cosa21370.85-0.40cos30（2） 锥壳大端厚度计算pcsjt=0.40=0.0034 再有a=30查化工设备设计设计手1370.85册上卷 图5-11得q=1.6d=qpcdc2sj-pct=1.60.40600=1.65mm 21370.85-0.40（3） 锥壳小端厚度计算d=qpcdi2sj-pcpct=2.70.40400=1.86mm 21370.85-0.40其中q由sjt=0.0034 a=30查化工设备设计设计手册上卷 图5-13得q=2.7取三中壁厚中的最大值d=2.02mm考虑壁厚附加量de=d+c=2.02+1.9=3