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碳纤维工艺设计毕业论文目录第一章 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10 2.1水洗换热器温度的控制的设计10 2.2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153.3.1 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163.5 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183.7 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354.6 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7377 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。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HCNNH3N2H2OCO与CO2焦油低温区8108211高温区40.114110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。1.1.5 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：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。c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/MPaSiO2771000Si3N49130300140490SiC134001703101.2.6 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，二是普及。提高是指小丝束碳纤维的质量提高，且向12K和24K发展；普及是指大丝束碳纤维的产量大幅增加，价格日趋下降。大丝束碳纤维的市场售价比小丝束低的多，有利用向民用市场推广应用。特别是大丝束碳纤维制造预浸料技术难点的解决促进了大丝束碳纤维的应用。 第二章 水洗换热器温度的控制过程装备控制是工业生产过程自动化的重要组成部分，它主要是针对过程装备的主要参数，即温度、压力、流量、液位、成分和物性等参数进行控制。在PAN的生产过程中，采用了一系列的自动控制系统。采用这些控制系统不仅能够加快生产速度减低生产成本，提高产品质量，而且还减弱了劳动强度，改善劳动条件，保证生产的安全。在防止事故的发生和扩大，延长的使用寿命，提高设备的利用率方面也起到很好的作用。在控制方案的确定中还应处理好以下的几个关系：（1）可靠性与先进性的关系在控制方案确定时，首先应考虑到它的可靠性，否则设计方案的控制方案不能被投运，付之实践，将会造成很大的损失。可靠性是一个设计成败的关键因素。先进性将是衡量设计水平的另一个重要标准。近年来人们对生产过程的认识逐渐深化，人工智能的研究卓有成效，这些都为自动化水平的进一步提高创造了有利条件，所以，早考虑自控方案时，必须处理好可靠性和先进性之间的关系。（2） 自控与工艺、设备的关系要使自控方案切实可行，自控设计人员熟悉工艺，并与工艺人员密切配合是必不可少的。工艺、设备与自控三者的整体化将是现代工程设计的必须。（3） 技术与经济的关系设计工作除了要在技术上可靠、先进外，必须考虑到经济上的合理性。所以在设计过程中应在深入实际调查研究的基础上，进行方案的技术、经济性的比较。为了满足工艺流程中各种控制精度的要求，采用相应的控制方案。2.1 水洗换热器温度的控制设计为了保证水洗二甲基亚砜溶液的温度在合适的范围内，水洗换热器采用了单回路结构控制，其中主要是主回路的温度控制设定值。通过二甲基亚砜溶液排液管中液体温度与设定温度值的比较得到差值，利用流量调节器去控制阀门的开度，从而控制所需溶液的温度。其中，被控变量：二甲基亚砜溶液排液管中液体温度，高压蒸汽进液管的流量。换热器温度控制的系统方框图如图21所示。换热器温度控制方案示意图如图22所示。 图21 换热器温度单回路控制系统方框图图22 换热器温度控制方案示意图2.2 换热器温度控制调节阀的选用2.2.1 调节阀的类型及开关形式水洗换热器的调节阀选用气动薄膜单座调节，当事故发生时阀自动关闭，故选用气开阀。2.2.2 调节阀的正反作用气开阀：“+”，副控：阀开大，蒸汽流量增大为“+”；“+”“+”=“+”，取反，所以副流量控制器FC为反作用。主控：阀开大，蒸汽流量增大，换热器出口温度增大，同向取反，所以主环温度控制器TC为反作用。验证：tTTTCFC阀蒸汽流量t，验证结果符合温度控制要求。2.2.3 调节阀的流量特性等百分比特性比直线特性使用的范围广泛，并且对负荷的波动有较强的适应性，应用广泛，故选择等百分比流量特性。2.3 换热器温度控制仪表的选型2.3.1 温度仪表A. 温度传感器STTT系列铂电阻温度传感器采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌装而成，尺寸小巧，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量。产品型号：STT-T-A1-B3-D6-M8-E2 F2 G1 H1-L1-P1/3B-T3-W1-S1传感器类型：Pt100温度范围（）：-50100精度：1/3B级（0.10+0.0017|t|）深入长度：由换热器和接管实际尺寸而定。选用普通式接线盒，螺纹连接方式，保护管材料选用1Cr18Ni9Ti不锈钢。B. 温度变送器产品型号：STWB-X100F-R05-F05-P1输入信号：Pt100、Pt1000、Cu50、K、E、S供电电压：24V负载电阻：05000输出信号：DC420mA电压误差：0.005%/V精度：0.1%0.2%0.5%功耗：0.5W工作环境温度：湿度：95%RH质量：35克特性：线性化输出420mA标准电流信号，采用环氧树脂浇注工艺，防震、防潮，热电偶变送器冷端自动补偿，电源极性反接保护电路。2.3.2 流量仪表LUGB-90型智能涡街流量计测量介质：气体、液体、蒸汽。双排液晶同时显示累计流量和瞬时流量；内部锂电池供电，无需外部电源；微功耗设计，两节+3V锂电池可持续工作一年半以上；传感器的感应元件不直接与被测介质接触，性能稳定、可靠性高。传感器内无可动部件，结构简单而稳定、压损小、使用寿命长。范围宽度：10:115:1测量范围：正常工作范围，雷诺数为2000007000000；输出信号不受液体温度、压力、粘度及组分影响，测量可能范围的雷诺数为80007000000精度等级：液体，指示值的1.0%；气体，指示值的1.0%；蒸汽，指示值的1.5%。输出信号：a.0C门脉冲输出；b.电流420mA（两线制/三线制）电源电压：+24VDC（需要信号输出时提供）介质温度：a.；b.工作压力：MPa，法兰夹持连续（注：应用户要求，可提供其他压力等级，需定做）壳体材料：碳钢、不锈钢（1Cr18Ni9Ti）规格（管道内径）：20、25、32、40、50、65、80、125、150、200、250、300（大于DN300口径为插入式）环境温度：-25+55；湿度：85RH%防爆类型：隔爆型；防爆标志工作状况下流量范围如表21所示（单位：m3/h）表21 流量计工作状态下的流量范围DN（mm)液体气体蒸汽200.8-105-408-80251-127.2-6010-120321.5-2012-10015-200402-3018-15020-300503-5030-30030-4502.3.3液位仪表静压式液位计静压式液位计产品名称：单法兰液位变送器产品型号：1151LT测量范围：016KPa，01601000KPa，0640KPa，04002500KPa输出：420mA DC电源：24V DC，无负载变送器可在12V DC工作，最高45V DC指示表：（现场）刻度尺长45mm，指示精度2.5级（指针式）指示精度：0.5级（数字式）危险场所安装：隔爆型、本安型正迁移量：为最小校调量程的500%最大负迁移量：为最小校调量程的600%量程和零点：外部连续可调温度范围：放大器工作温度-2590传感器工作温度：-40104，-18204灌充惰性液结构材料：隔离膜片插入部分：316L2.4换热器温度控制执行器的选用气动薄膜单座调节阀产品型号：ZJHP主要零件材料如表2-2所示，表2-2调节阀主要零件材料零件名称材料温度范围 阀体上阀盖HT200-20200ZG230-450-40450ZG1Cr18NiTi-250550ZGOCr18Ni12Mo2Ti-250550阀芯、阀座1Cr18Ni9-250550OCr18Ni12Mo2Ti-250550填料聚四氟乙烯-40200膜片丁晴橡胶夹增强涤纶织物压缩弹簧60Si2Mn膜盖A31、 调节机构主要技术参数： 阀体公称通径mm：20 阀座直径mm：10 额定流量系数Kv（等百分比）：1.6 公称压力MPa：1.6 行程mm：10 流量特性：等百分比 介质温度：-40230（常温型） 法兰标准：符合JB78-59、JB79-59标准，可按JB/79.1-94、JB/79.2-94、ANSI、JIS、DIN等标准订货生产。2、 执行机构主要技术参数和性能指标： 有效面积cm2:350 行程mm：16 弹簧范围KPa：20100（标准）：40120；80240；2060；60100 基本误差%：气开带定位器，始点1.0，终点1.0。 允许压差：（气开，执行机构型号ZHB-22，弹簧范围40200MPa，气源压力250MPa；阀座通径10mm）：6.4MPa 可配附件：定位器、空气过滤减压器、保位阀、行程开关、阀位传送器、电磁阀、手轮机构等。第三章 装备工艺设计3.1 原始数据3.1.1 工艺条件表3-1 工艺条件原始数据表介质 去离子水 蒸汽操作温度 25/80 175操作压力（表压）MPa0.40.8热负荷 kcal3.1.2 生产能力 去离子水与二甲基亚砜的最大用量：5m3/h 操作制度：年工作日330天，日操作时24小时3.2 热负荷的计算3.2.1 定性温度的确定 查1，P247，在工程上，大多数流体的平均温度作为定性温度。则算得， 管程(去离子水）定性温度为：（t1+t2)/2=(25+80)/2=52.5 壳程（饱和蒸汽）定性温度为：(T1+T2)/2=(175+175)/2=1753.2.2饱和蒸汽和去离子水的其他物性参数: 查1、3、4得物性参数如表3-6：表3-6 流体物性参数表定性温度密度kg/ m3导热系数W/m黏度mPas比热kg/kJ蒸汽1754.6290.0300.15872036.2混合液52.59930.630.74.1743.2.3 质量流量冷流体去离子水：热流体侧蒸汽：3.2.4热负荷计算3.3 平均推动力的计算3.3.1 流体流动空间由于用高温蒸气冷凝，为及时排去冷凝液，故蒸汽走壳程，去离子水走管程。由于管程流体的温度为25/80，壳程蒸汽为175，温差较大，而管程流体的流量为m3/h，流量较小。设计的换热器比较小，为考虑避免温差应力的影响选用U型管换热器。3.3.2 流体走向确定为提高传热效率，两流体在换热器内逆流。3.3.3 平均推动力计算3.4 估算传热面积冷流体为去离子水，热流体为蒸气。查5 P14页表16初选故 由于采用了U型管换热器，无温差应力，不用温差热补偿3.5 初步确定换热器结构参数3.5.1换热管的选择根据5，P15，选规格的换热管 3.5.2 管内流速的确定 查P280，常见流体流速如表3-7所示，表3-7 常见流体流速流体种类一般流体海水、河水等易垢流体气体流速ms-1管程0.531530壳程0.21.50.5315但由于碳纤维水洗浴对温度要求很严格，温度波动要求很小，故流体流速应取很小。取管内去离子水流速：3.5.3 管子数目与管长的确定单程管子的数目为：，取n=50根由此估算出单程管子长度为：，取4 mU型管换热器分为2管程，所以选取每根管子长度为L=2m，单程管子数为50根，总管子数目为100根。实际流速为0.2m/s。3.5.4 壳体内径的估算由于温不太高，压力不太大，所以选管子连接形式为胀接 故管子中心矩,取25mm初选转45o正方形布管因为是多管程，所以因为是正方形布管，且为二管程，所以0.6，且Pt=(1.31.5）d0。取Pt=25mm， 圆整到426mm.，即取426mm的管子为换热器筒体，初取壁厚为6mm的不锈钢管。实际内径414mm。3.5.5 布管图为确定管板上布管结构的合理性和验证实际部管数先粗略设计部管结构，采用正方形布管如图3-1图3-1 管子排列示意图实际布管数为100根，拉杆数为4根。3.5.6 拉杆的直径、数量及定距管的确定选用12mm不锈钢拉杆数量为4根。定距管采用和换热管一样的不锈钢管子192mm3.5.7 折流板直径、数量及相关尺寸的确定选折流板与壳体间隙为1mm折流板直径： =414-2*1=412mm由GB151弓形板缺口应在排管中心线以下，或切于两排管孔的小桥之间。这里折流板管口直径为19.4mm，故取h=94mm。折流板数：初取板间距为200mm则：圆整为8块。实际折流板间距h： GB150 P74规定：折流板间距一般不小于圆筒内经的1/5，且不小于50mm。由实际换热器内部结构取为200mm。3.6 计算实际传热面积及总传热系数 W/m3.7 校核传热列管式换热器面积是以传热管外表面积为基准，在利用关联式计算总传热系数也应以管外表面积为基准，其计算通式为：式中 总传热系数，； 分别为管程和壳程流体的传热膜系数，； 分别为管程和壳程的污垢热阻，； 分别为传热管内直径、外直径和平均直径，m； 传热管壁的导热系数，； b管壁的厚度，m；3.7.1 壳程流体传热膜系数式中 壳程流体传热膜系数，；分别为饱和蒸汽温度和管壁面温度，； 分别为在定性温度下，冷凝液的密度、黏度、和导热系数； 分别为饱和蒸汽的密度和冷凝潜热； 传热管子外径，m； n水平管束在垂直列上的管数取管壁面温度为管内流体出口温度80，则定性温度：查3 340 页，附表十得在定性温度下的冷凝液密度、粘度、导热系数为如表3-8表3-8 定性温度下蒸汽密度、粘度、导热系数密度（kg/ m3）粘度（Pas）导热系数为（W/m）949.330.22260.6862计算得壳程流体传热系数=446.54（W/m）3.7.2 管程流体传热膜系数式中 管程流体传热膜系数，； 分别为定性温度下的密度和黏度； 分别为定性温度下流体的定压比热容和导热系数；传热管子内径，m； 流体在管内的流速，；=8Vs/(3600d2N）=0.157n指数，视热流方向而定，当流体被加热时，；当流体被冷却时，；计算得到管程流体导热系数=1176.45（W/m）3.7.3 污垢热阻及管壁热阻管程污垢热阻：1.7197;壳程污垢热阻：0.8598;不锈钢的导热系数为：16.28 W/m1/Ko（计）=3.75710-3Ko(计）=266.17Ko/Ko（计） 在1.11.2内，符合要求。与Ko(计）对应的传热面积为：So（计）=Q/Ko(计）tm=9.878m2So/So（计）1.15 在1.11.2内，符合要求。3.8 压力降校核3.8.1 管程压力降对于多管程换热器，其总压力降等于各程直管阻力与局部阻力之和，即式中 管程总压力降，Pa； 分别为单程直管阻力与局部阻力，Pa； 污垢校正系数，对于25mm2.5mm管子，取；对于19mm2mm管子，取； 串联壳程数； 管程数。其中流体流过直管段由于摩擦所引起的压力降可由下式计算：式中 摩擦阻力系数； 传热管长度，m； 传热管内径，m； 管内流速，m/s； 流体密度，。 流体流过回弯管（进、出口阻力忽略不计）因摩擦所引起的压力降可由下式计算：因为许用压力降为P=0.01MPa，所以满足要求。3.8.2 壳程压力降当壳程装有弓形折流板时，壳程流体总压力降等于在折流板间流动的阻力与流体通过折流板缺口平行与管束流动的阻力之和。工程中常用下式计算：式中 壳程总压力降，Pa； 流体流过管束的压力降，Pa； 流体流过折流板缺口的压力降，Pa； 结垢校正系数，对于液体，；对于气体或可凝蒸汽，； 壳程数。流体流过管束的压力降流体流过折流板缺口的压力降式中 N每一壳程的管子数目； 折流板数目； h折流板间距，m； 壳体内径，m； F管子排列方式对压力降的校正因数，对于正三角形排列，；对于正方形斜转45，； 壳程流体的摩擦系数，当时，； 其中，。 横过管束中心线的管数，管子按正三角形排列：；管子按正方形排列：； 壳程流体横过管束的最小流速，m/s，； 壳程流体的体积流量，。取折流板间距 折流板数： 取NB=8 因为许用压力降为P=0.01MPa，所以满足要求。第四章 设备结构设计4.1 设计条件的确定4.1.1设计压力查6，设计压力是指容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。 管程设计压力： 壳程设计压力；4.1.2 设计温度 管程：取 100 壳程：取4.1.3 设计条件表4-1 凝固一浴换热器设计条件表项目 管程 壳程物料名称 去离子水 饱和蒸汽操作温度 （） 进口25，出口80 出口均为175设计温度 （） 100 195操作压力 （MPa） 0.4 0.8设计压力 （MPa） 0.44 0.88密度 （kg/m3) 993 4.629黏度 (Pas) 710-4 1.59810-4导热系数 (W/m) 0.63 0.030比热 Cp ( kJ/kg) 4.174 2036.2污垢热阻10-4(m2/W) 1.719710-4 8.59810-5允许压降p (KPa) 10 10传热系数K (W/m2) 231.96热 负 荷Q (kJ/h) 1139677.2程数 2 1换热面积 m2 9.878换热管数量：100规格：1922000排列形式：45正方形折流板支持板数量：8缺边位置：上下缺边高度：94（mm）保温材料材料：玻璃棉比重：1000厚度:60（mm）4.2 金属壁温的确定4.2.1 管程侧冷流体： 查7，附录F，F2.1，冷流体侧的壁温，4.2.2 壳程热流体侧： 查7，附录F，F2.1，冷流体侧的壁温，4.2.3 金属壁温一般情况下取：4.3 接管设计4.3.1 管程侧接管的设计已知管程侧混合液流体体积流量为5 m3/h，流体进出口都为液体。故在接管的流速为：1.52m/s。取u=2m/s初选DN=32mm4.3.2 壳程侧的接管设计已知壳程侧的蒸汽体积流量为：120.6 m3/h查4 P301 表414饱和蒸汽的流速一般为2030m/s。取u=20m/s但考虑到蒸汽流量为控制温度的主控对象，为提高可调范围初取DN=50mm材料选用00Cr17Ni14Mo24.3.3 排液排气口的设计为提高传热效率，及时排除工作中的残液、气。考虑在壳程的最高点设置排气口。公称直径初选为DN20mm。材料选用钢管材料 00Cr17Ni14Mo2查8,P33,表4-5，得到换热器所有接管尺寸如表4-2表4-2 换热器接管尺寸表用途及名称DN外径壁厚伸出长度每米重量内径循环液进口323831502.8032循环液出口323831502.8032排气口20252.51001.6320蒸汽进口505751504.6247冷凝液出口323831502.80324.3.4 接管法兰的设计 公称压力设计压力为0.88MPa，圆整到标准等级为1.0MPa。查8 P123得在最高操作温度下的设计压力为PN=1.0MPa，由于本设计的换热器的保温及密封良好，又采用了高合金钢材料，故不用提高一个压力等级。 法兰形式在满足设计要求的前提下为节约设计成本，选择结构简单的法兰。本换热器中所有接管法兰均选用带颈对焊法兰（WN）。 密封面形式按8 P13-14，选用凸面法兰（M）。材料选用00Cr17Ni14Mo2 法兰尺寸查,8P50表4-1，按HG20595-97（欧洲体系）壳程侧带颈对焊法兰尺寸如表4-3：表4-3 壳程侧带颈对焊法兰尺寸表公称直径 DN203250钢管外径A1253857连接尺寸法兰外径D105140165螺栓孔中心圆外径K78100125螺栓孔外径 L141818螺栓孔数量 n444螺纹ThM12M16M16法兰厚度 C161820法兰颈N405674S2.32.62.9H1668R465法兰高度 H404248法兰理论重量(kg)1.02.03.0f1222d567299带颈对焊凸面（M）法兰示意图如图4-1：图4-1 带颈对焊法兰结构示意图 垫片的选择查8P229 表4.0.2-3。按HG20606-97选用石棉橡胶板XB450适用压力等级2.5MPa，温度300，Pt650MPa满足本次设计要求垫片尺寸表4-5 （单位：mm） 查8，P128，表4.0.2-3得垫片尺寸如下表：表4-5 垫片尺寸表垫片通径DN垫片内径D1垫片外径D2垫片厚度T2027501.53243651.55061873接管法兰垫片示意图如下：图4-3 接管法兰垫片示意图 接管法兰紧固件查8，P197，HG20613-97标准，螺柱选择等长双头螺柱，材料钢号选35GrMoA、螺母用钢选30GrMoA，固溶热处理，使用温度范围为-10500。螺柱尺寸如表4-6：表4-6接管法兰螺柱尺寸表公称通径DN螺纹M螺柱数量n螺柱长度L重量Kg201247049.93216480605016490118注：1、紧固件重量为每1000个的总量2、带括号尺寸为法兰盖于其他型式法兰组合是的螺栓长度。螺柱示意图如下：图4-4 双头螺柱结构尺寸示意图查8P690 表5-455得螺母尺寸表如下：表4-7 螺母尺寸表dSHD质量Kg/1000个12191021.916.3216241317.734.12螺母尺寸图如下：图4-5 螺母结构尺寸图4.3.5 接管与壳体的连接形式由7GB151 P220查得不带补强圈的接管与壳体焊接形式图4-6不带补强圈的接管与壳体焊接示意图 且不小于6mm4.4 管程的结构设计4.4.1 封头结构设计椭圆型封头由半个椭球面和直边段