年產(chǎn)4500噸二硫化碳尾氣處理系統(tǒng)及冷凝器設(shè)計（全套CAD圖+說明書+開題報告+翻譯）
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摘要
本次設(shè)計介紹了二硫化碳尾氣處理系統(tǒng)的工藝設(shè)計。它包括總工藝流程設(shè)計，冷凝器的設(shè)計及校核，計量罐的設(shè)計及校核。
冷凝器的設(shè)計是本次設(shè)計的重點。根據(jù)實際情況最終確定選用應(yīng)用最為廣泛的間壁式換熱設(shè)備為此次所需冷凝器。它的設(shè)計步驟為先進(jìn)行傳熱計算，然后進(jìn)行冷凝器的尺寸計算，最后進(jìn)行強(qiáng)度計算和校核。設(shè)計前的熱力計算是本次設(shè)計的難點與重點。由于冷凝的介質(zhì)中含有不凝性氣體，所以加大了熱力學(xué)傳熱計算這部分的計算難度。冷凝器的設(shè)計包括冷凝器上的筒體、封頭、管箱、管板、換熱管、折流板、拉桿、接管、開孔補(bǔ)強(qiáng)、支座、法蘭等的設(shè)計、計算與核算。
計量罐的設(shè)計包括筒體、封頭、接管、開口補(bǔ)強(qiáng)、液面計及支座的設(shè)計和校核，是本次設(shè)計的一個重要組成部分。
關(guān)鍵詞：總工藝流程；冷凝器；計量罐；
Abstract
Introduction to the Design of the exhaust gas treatment system of the carbon disulfide Process Design. It includes the total flow structural design, the condenser design and verification, measurement can design and verification.
Condenser is designed to be the focus of this design. According to the actual situation to determine the final selection of the most widely used heat exchanger equipment partitions required for the condenser. It is designed to carry out the steps for the first heat transfer calculation, then the size of the condenser, the final calculation and check for strength. Design before the thermal calculation is difficult in this design and focus. As a result of condensation of the medium containing non-condensable gas, it increased the heat transfer calculation of the thermodynamic calculation of the difficulty of this part. Condenser design includes the cylinder, head, control boxes, control panels, heat exchanger, baffle, bar, take over, opening reinforcement, bearing, flange, such as design, computing and accounting.
measurement can design includes cylinder, head, take over, opening reinforcement, and the bearing surface of the design and verification, is an important design component.
Key words: total flow; condenser; measurement can;
目錄
前 言 1
1二硫化碳尾氣處理系統(tǒng)工藝設(shè)計 2
1.1國內(nèi)外二硫化碳生產(chǎn)概況 2
1.2工藝流程設(shè)計 3
2冷凝器的設(shè)計 4
2.1冷凝器的結(jié)構(gòu)選型 4
2.2熱力計算 4
2.2.1設(shè)計參數(shù) 4
2.2.2熱量衡算 5
2.3冷卻水量的計算 6
2.4初定冷凝器尺寸 6
2.4.1試選管子 7
2.4.2校核水的流速 8
2.5冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計 12
2.5.1管束分程 12
2.5.2管子排列 12
2.5.3冷凝器管板的結(jié)構(gòu)形式 13
2.5.4管子與管板、管板與殼體的連接 14
2.5.5 冷凝器殼體設(shè)計 14
2.5.6 冷凝器封頭設(shè)計 15
2.5.7折流板設(shè)計 16
2.5.8拉桿設(shè)計 17
2.5.9進(jìn)出口管設(shè)計 17
2.5.10進(jìn)出口管法蘭設(shè)計 18
2.5.11開孔補(bǔ)強(qiáng) 19
2.5.12管箱設(shè)計及管箱與殼體接管的位置 20
2.5.13支座設(shè)計 22
2.5.14校核冷凝器應(yīng)力 23
2.5.15管板校核 26
2.5.16 水壓試驗校核 40
2.5.17壓力試驗 40
3 計量罐的設(shè)計 41
3.1筒體設(shè)計 41
3.2封頭設(shè)計 42
3.3開孔與接管及補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計 43
3.4液面設(shè)計 43
3.5裕量校核 44
3.6支座設(shè)計 44
3.7水壓試驗 45
附 錄 46
參考文獻(xiàn) 63
謝 辭 64
第65頁 共64頁
前 言
使熱量沖熱流體傳遞到冷流體的設(shè)備稱為換熱設(shè)備。它是化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機(jī)械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備。在化工廠中，換熱設(shè)備的投資約占投資總量的10％～20％；在煉油廠中，約占總投資的35％~40％。
在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝過程規(guī)定的指標(biāo)，以滿著工藝過程上的需要。此外換熱設(shè)備也是回收余熱、沸騰特別是低位能的有效裝置。
換熱設(shè)備有多種多樣的形式，換熱器選型時，考慮的因素很多，主要是流體的性質(zhì)；壓力、溫度及應(yīng)許壓力降的范圍；對清洗、維修的要求；材料價格；使用壽命等。
管殼式換熱器具有可靠性高、適用性廣等優(yōu)點，在各工業(yè)領(lǐng)域中的到最為廣泛的應(yīng)用。近年來受到其他新型換熱器的挑戰(zhàn)，但反過來也促進(jìn)了其自身的發(fā)展。在換熱器向高參數(shù)、大型化的今天，管殼式換熱器仍占主導(dǎo)地位。
這里介紹一種間壁式換熱器的設(shè)計計算，它是利用間壁（固體壁面）將進(jìn)行熱交換的冷熱兩種流體隔開，互不接觸，熱量由熱流體通過間壁傳遞給冷流體的換熱器。這里用水作冷卻介質(zhì)，用于冷卻混合蒸汽的溫度，從而達(dá)到冷凝的效果。間壁式換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的換熱器。在二硫化碳的生產(chǎn)工藝中，它是溶解二硫化碳?xì)怏w凈化生產(chǎn)裝置中的冷凝冷卻設(shè)備，主要是使混合氣體中的二硫化碳冷凝而使有毒的硫化氫排出而處理掉。
冷卻機(jī)理：在冷凝器中，如果冷凝傳熱管表面溫度低于混合氣體的露點，則混合氣體中的蒸汽（可凝性蒸汽為二硫化碳蒸汽，不凝性氣體為硫化氫氣體）冷凝，管表面被濕潤，這個表面被氣體界膜包圍，混合氣體中的蒸汽通過這個氣體界膜擴(kuò)散到管表面上冷凝。
1二硫化碳尾氣處理系統(tǒng)工藝設(shè)計
1.1國內(nèi)外二硫化碳生產(chǎn)概況
二硫化碳是一種重要的無機(jī)化工原料，廣泛應(yīng)用于樹脂、燃料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、防腐劑、多種溶劑及橡膠等多種產(chǎn)品的生產(chǎn)。
由于二硫化碳用途廣泛，所以國內(nèi)外的需求量也比較大，僅我國國內(nèi)粘膠纖維、選礦藥劑、橡膠促進(jìn)劑、玻璃紙及農(nóng)藥、醫(yī)藥等行業(yè)每年需求量近30萬噸，特別是粘膠行業(yè)擴(kuò)產(chǎn)速度很快，每年仍需3萬噸的二硫化碳投放市場才能滿足需要；其次，國際市場發(fā)達(dá)國家如美國、日本、俄羅斯、法國等因生產(chǎn)二硫化碳環(huán)保投入太大，生產(chǎn)成本增加和競爭能力下降等原因，使一部分二硫化碳生產(chǎn)廠關(guān)閉，這也造成了國際市場二硫化碳需求有了較大幅度的增加，市場前景十分看好。
我國粘膠纖維、橡膠助劑和選礦藥劑等生產(chǎn)仍將繼續(xù)發(fā)展，對其的需求也快速增長，目前產(chǎn)品供不應(yīng)求。預(yù)計二硫化碳的生產(chǎn)和需求每年仍會有15%以上的增長速度。
我國現(xiàn)有生產(chǎn)二硫化碳的工廠或車間一百多處，其生產(chǎn)工藝普遍采用古老的電爐法，以木炭和硫磺為原料，流程簡圖如圖1.1
冷 凝
木 炭
除 硫
反 應(yīng)
干 燥
硫 磺
熔 硫
成品二硫化碳
冷 凝
精 餾
粗二硫化碳
圖1.1 工藝流程簡圖
這不僅大量消耗森林資源，而且在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生有毒氣體H2S，工藝古老，生產(chǎn)效率低，不利于環(huán)境保護(hù)。以天然氣代替木炭為原料生產(chǎn)二硫化碳成為目前國內(nèi)外首選的先進(jìn)生產(chǎn)路線。以天然氣和硫磺為原料生產(chǎn)CS2,國外普遍采用三種技術(shù),即美國的FMC技術(shù)、Stauffer技術(shù)和PPG技術(shù)。此外還有以丙烯為原料的生產(chǎn)技術(shù)，但是由于以丙烯為原料不如用天然氣優(yōu)越，很少采用。
1.2工藝流程設(shè)計
總工藝流程設(shè)計如圖1.2所示。
圖1.2 設(shè)計總工藝流程圖
整套尾氣系統(tǒng)的工藝處理過程由四個子系統(tǒng)共同完成。
第一部分是CS2、H2S混合氣體的冷凝，這部分設(shè)備的主要作用是把混合氣體中的CS2蒸汽冷凝成液體并收集起來，大部分的CS2蒸汽在這里被冷凝收集。
第二部分是活性炭吸附塔對CS2的吸收，這部分設(shè)備主要是對從冷凝器接口4排出的H2S氣體與未冷凝的CS2蒸汽進(jìn)行吸收。這里采用兩個相同的活性炭填料塔，以備當(dāng)一個塔里的活性炭吸附飽和后能及時進(jìn)行更換，保證工作的連續(xù)進(jìn)行。
第三部分是H2S與氨水的反應(yīng)，這部分設(shè)備主要是對從吸附塔接口15和20排出的氣體進(jìn)行吸收，采用低濃度氨水與H2S反應(yīng)。這里同樣采用兩個相同的反應(yīng)罐，以便一臺反應(yīng)完畢后及時更替。
第四部分是燃燒爐。氣體在反應(yīng)罐內(nèi)反應(yīng)完畢后，殘余氣體進(jìn)入燃燒爐內(nèi)燃燒后排出。
2冷凝器的設(shè)計
2.1冷凝器的結(jié)構(gòu)選型
選型應(yīng)考慮的因素有蒸汽壓力，蒸汽組分，凍結(jié)與污垢等多種因素。已知方案中初進(jìn)水的工作溫度 t＝5℃ 出口工作溫度t＝7℃, 由于兩種介質(zhì)均無腐蝕性，也不易結(jié)垢，故可選用固定管板式管殼換熱器。這類換熱器相比其他類型有很多優(yōu)點，如：結(jié)構(gòu)簡單緊湊，造價低，管程清洗方便等。管程是指介質(zhì)流經(jīng)換熱管內(nèi)的通道及與其相貫通的部分，殼程是指介質(zhì)流經(jīng)換熱管外的通道及與其相貫通部分。因此，可采用工業(yè)清水走管程，混合氣體走殼程的形式。
2.2熱力計算
2.2.1設(shè)計參數(shù)
1）尾氣組成、壓力、溫度：尾氣中有466.67㎏/h的飽和二硫化碳蒸汽和71.04kg/h硫化氫氣體，尾氣壓力為0.13MPa，溫度45℃。
2）冷凝器尾氣出口溫度為10℃，冷卻水進(jìn)口溫度為5℃，出口溫度為7℃，冷卻水進(jìn)口壓力為0.42MPa。
3）各項物性參數(shù)：
H2S的分子量M=34；比熱容CP=0.25kcal/kg·℃
CS2的分子量M=76；比熱容CP=0.24 kcal/kg·℃
汽化潛熱r=84 kcal/kg·℃
CS2飽和蒸汽壓㏒p=-A/T+B；A=1446，B=7.410
2.2.2熱量衡算
設(shè)代號如下:
P0: 總壓力；
P1: CS2出口蒸汽壓力；
P2: CS2進(jìn)口蒸汽壓力；
P3: H2S出口蒸汽壓力；
P4: H2S進(jìn)口蒸汽壓力。
（1） CS2出口壓力P1為：（出口溫度t=10℃）
log P1=－+B’ ； 其中A=1466, B’=7.410, T=273+t.
解得 P1=26.6kPa
（2）CS2進(jìn)口壓力 P2為：（進(jìn)口溫度t=45℃）
log P 2=－+B’ ； 其中A=1466, B’=7.410, T=273+t.
解得 P2=95.3kPa
∴ P3= P0－P1=0.103 MPa
P4= P0－P2=0.045 MPa
∴ H2S進(jìn)口壓力為0.045 MPa
H2S出口壓力為0.103 MPa
（3） CS2的出口流量為 G1
根據(jù)道爾頓分壓定律，壓力比等于摩爾數(shù)得：
G1＝n1×t2
n1 / n2 = p1 / p3
G1＝51.38 kg/h
∴ 冷凝量為466.67－51.38=415.29 kg/h
（4）混合氣體的入口焓為i
[其中t由45℃→10℃ r=84kcal=84kJ
=1.059 =1.005
i=G CP+G
=(71.041+466.675)(45-10)+466.67
=183172.132
（5）混合氣體的出口焓為i
[其中t由5℃→7℃ r=84kcal=84kJ
=1.059 =1.005
i=G CP+G
=(71.041+51.385)(7－5)+51.38
=18323.644
熱量Q=183172.132－18323.644=164848.488= 45.7910W
2.3冷卻水量的計算
已知：冷卻水進(jìn)口溫度 出口溫度
故 特性溫度ts＝==6C
查在此溫度下，水的比熱容為CP＝4199J/(kg·K)
根據(jù)傳熱公式：
可得冷卻水的量
=45.79×1034199×(7-5)
=5.453
2.4初定冷凝器尺寸
根據(jù)經(jīng)驗值可以先估算管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)為200W/m2·K（采用逆流）如圖2.1
圖2.1逆流溫差圖
其中平均溫度差為：
△tm ＝[（T1－t2）－（T2－t1）]/㏑[（T1－t2）/（T2－t1）]
＝[(45-7)-(10-5)]/ [㏑(45-7)/(10-5) ]
＝16.26℃
∴傳熱面積A估=PK*?tm=45791200×16.26=14.08
2.4.1試選管子
采用水走管程，蒸汽走殼程。初步選取管程中的水的流速為0.8m/s，取管徑規(guī)格為：?25×2.5 mm 則 內(nèi)徑d1＝20mm
初選單管程，估算管子數(shù)如下：
初選換熱管管長為2.5m，根據(jù)單管的傳熱面積可計算管子數(shù)目為：
n’=
=5.453999.8×3.144×0.022×0.8
=21.8
所以取整為22根。
則L==14.083.14×0.025×22=8.15 (過長，不符和長徑比值 )
因此選用四管程 ，采用88根管子。
即L==14.083.14×0.025×22=2.03m
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，取2.5米。
采用正三角形排列形式：
管心距t=1.25d0=1.25×25=32mm
內(nèi)徑D=1.05t=1.05×32×1200.7=439.7mm
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)徑取450mm。
2.4.2校核水的流速
根據(jù)雷諾數(shù)的因素，同時初設(shè)換熱器為四管程，同時設(shè)4根拉桿，且布管的原因，則布92個孔，88為換熱管管孔。
則：單管程管束：n＝116/4＝22
查資料特性溫度t=(5＋7)/2=6℃下的物理參數(shù)：
比熱容CP＝4.199×103 J/kg·K ; 密度ρ=999.8 kg/m3
黏度μ=1.498×10-3 Pa·S ; 熱導(dǎo)率λ＝0.565 W/m·K
因在冷凝器中發(fā)生有相變的傳熱，為避免管內(nèi)氣液兩相流，所以設(shè)計蒸氣管外冷凝，即冷凝水走管程，混合蒸氣走殼程。
則管內(nèi)水的流速 =5.4530.022×22×999.8×π4=0.79
2.4.3校核總傳熱系數(shù)
（1）管程對流傳熱系數(shù)α1
u1＝0.79m/s
普蘭特常數(shù)：
管內(nèi)是混合流體被加熱，根據(jù)《化工原理》得公式：
∴
（2）殼程對流傳熱系數(shù)α2
冷凝器中殼程發(fā)生有相變的對流傳熱，所以按下列步驟計算：
①先計算純CS蒸汽的傳熱系數(shù)α0
有下列公式：
=0.72512632×9.8×0.163×3520008823×0.025×380×10-6×35
=0.725×528.6
此時特性溫度為：t=℃
—— 黏度380
—— 密度
——導(dǎo)熱系數(shù)
——管子外徑=0.025mm
——溫差=45℃—10℃=35℃
②計算含HS的CS混合氣體的傳熱系數(shù)：
其中含不凝性氣體的HS的混合氣體的傳熱系數(shù)為
其中C為HS的摩爾分?jǐn)?shù)
為混合氣體的運動黏度
D為兩種氣體的相互擴(kuò)散系數(shù)
其中 T=273+27.5=300.5K
P=0.13MPa=1.3bar(大氣壓)
原子及其單分子的擴(kuò)散體積為下列數(shù)據(jù)：
H ：2.31 C ：15.9 S ：22.9
下列分子式的分子量為： HS ： 34 CS ： 76
所以 M==47
=2
=47.5
=15.9+222.9
=61.7
則
=
=127
=
=277.5
=
=1.30
則運動黏度μ= =213.54
所以有混合氣體的傳熱系數(shù)為：
= =210.8
(3)總傳熱系數(shù)K
取熱流體側(cè)污垢熱阻Rd1＝1.4 mK/w
取冷流體側(cè)污垢熱阻Rd2＝5.8 mK/w
碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù) λ＝45 W/(m2·K)
所以
Rd1——混合蒸汽熱阻
Rd2——管子內(nèi)流體(即冷凝水)的熱阻
α1——管程對流傳熱系數(shù)
α——殼程對流傳熱系數(shù)
b —— 管璧厚 2.5mm
（4）傳熱面積校核
則大約有5％的傳熱面積裕量，而且在設(shè)計的時候已經(jīng)余出0.05的傳熱系數(shù)，所以計算表明所選管子規(guī)格、材料、管程數(shù)是可用的。
2.5冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.5.1管束分程
由上面設(shè)計可知該換熱器是四管程，因此管程結(jié)構(gòu)順序如圖2.2所示
圖2.2 管程結(jié)構(gòu)圖
2.5.2管子排列
選用正三角形排列，排列形式如圖2.3所示
圖2.3 管子排列圖
管間距d=32 管子長度L=2.5m.
2.5.3冷凝器管板的結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)四管程的排列方式，管板上92個孔，88個換熱管孔，4個拉桿孔,黑色部分即拉桿的位置。管板上管孔排列方式如下圖：
圖2.4 管孔排列方式
圖2.5管板兼法蘭結(jié)構(gòu)圖
管板型號為HG20593-97, 其中20個螺栓孔直徑為23mm，螺紋Th M20×2
2.5.4管子與管板、管板與殼體的連接
① 管子與管板的連接采用機(jī)械滾脹法如圖2.6
圖2.6 管子與管板連接圖
② 管板與殼體的連接采用焊接如圖2.7
圖2.7 焊接結(jié)構(gòu)圖
2.5.5 冷凝器殼體設(shè)計
根據(jù)冷凝器中最大的壓力P＝0.13MPa，則計算壓力Pc=1.2P，所以材料選擇Q235-A，布管的時候可知設(shè)計殼體內(nèi)徑D＝400mm 查表可知：Q235-A的溫差應(yīng)力：=113MPa. 焊縫采用局部無損探傷∴
計算厚度
厚度附加裕量由兩部分組成：鋼板或鋼管厚度的負(fù)偏差C1和腐蝕裕度C2，取：C＝C1+C2=2 mm。殼體厚度不得低于6mm，所以取名義厚度
筒體外徑D= D+2=400+2412mm
2.5.6 冷凝器封頭設(shè)計
（1）、封頭的結(jié)構(gòu)形式是應(yīng)工藝過程、承載能力、制造技術(shù)方面的要求而成型的。本封頭采取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，材料選擇與筒體相同，采用Q235-A，設(shè)計壓力P=0.13MPa，取封頭內(nèi)徑=400mm,由公式得計算厚度為：
則設(shè)計厚度為：=+ C=0.33+2=2.33mm
C——腐蝕余量，取C=2mm
因焊接因素，所以取封頭名義厚度。
根據(jù)JB/T 4737-95查橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)，可知封頭結(jié)構(gòu)如圖2.8所示
圖2.8 封頭
2.5.7折流板設(shè)計
設(shè)置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速，增加湍動程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，改善傳熱，減少結(jié)垢。大部分換熱器都采用弓形折流板，所以該冷凝器的折流板也采用弓形。
在臥式冷凝器中的折流板底部都設(shè)有a＝90°，高度為15～20mm的缺口，供停車排液時用。材料選擇Q235－B，因為氣體走殼程，因此折流板的缺口左右開。
取折流板的名義直徑：D＝Di－3＝400－3＝397 mm
因折流板的最小間距應(yīng)不少于1/5筒體內(nèi)徑，且不小于50mm,故取折流板間距B＝0.35m所以,nB=L/B－1＝2.5/0.35－1＝7.1－1＝6.1
因此在冷凝器內(nèi)部安裝7塊折流板，厚度為12mm折流板是左右缺口，缺口高度h＝0.20.2m，在此采用弓形的折流板，所以H＝0.9，而且在底部開缺口，供停車排液之用,其面積要接近接管兩倍面積。
結(jié)構(gòu)如圖2.9所示
圖2.9 折流板結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
2.5.8拉桿設(shè)計
本換熱器采取拉桿定距桿結(jié)構(gòu)，拉桿直徑與數(shù)量根據(jù)GB151-1999的規(guī)定為4根，直徑為φ16mm，拉管在管板的位置見前面的管板圖中管孔的排列方式。
拉桿與定距管固定，拉管的一端用螺紋擰入管板，每兩塊折流板之間用定距管固定，每一塊拉桿最后一塊折流板用螺紋螺母與拉桿固定，如圖2.9所示。
2.5.9進(jìn)出口管設(shè)計
（1）管程進(jìn)出口管設(shè)計：
管內(nèi)流體質(zhì)量流量G=5.453kg/s 流體密度ρ=999.8
設(shè)進(jìn)出口管管內(nèi)流速均為 （查換熱器設(shè)計手冊）
進(jìn)口管流通面積A==
考慮市場材料、規(guī)格、價格選用管子規(guī)格取。
（2）殼程進(jìn)出管設(shè)計：
1） 殼程進(jìn)口： 已知 殼程內(nèi)走混合蒸汽且混合蒸汽密度=1.30
設(shè)進(jìn)口管管內(nèi)蒸汽流速：
進(jìn)口管流通面積A==
根據(jù)計算選擇管子規(guī)格為：。
2） 殼程出口： 由于在冷凝過程中CS 有90%冷凝了，變成了液體，
所以出口管道有兩個：
①未冷凝的蒸汽出口管道設(shè)計：（=1.45）
出口管流通面積A==
②冷凝液即90%的CS液體出口管道設(shè)計：（ρ=1262， ）
出口管流通面積A==
∴管子?。?。
2.5.10進(jìn)出口管法蘭設(shè)計
由于該冷凝器壓力不高，故所有的管法蘭均根據(jù)GB/T9119-2000系列，采用突面板式平焊鋼制管法蘭。材料為Q235-A，其結(jié)構(gòu)尺寸如表2.1
表2.1
管子
公稱直徑
法蘭
螺栓
d
Dg
D
D
D2
D
B
f
數(shù)量
直徑
108
100
10
70
144
110
16
2
4
M16
57
50
140
110
88
59
14
2
4
M12
32
25
100
75
58
33
14
2
4
M10
尺寸如圖2.10
圖2.10 法蘭尺寸圖
2.5.11開孔補(bǔ)強(qiáng)
表2.2
管子
(mm)
公稱直徑
（mm）
補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸
(mm)
d
Dg
D
D
B
質(zhì)量（kg）
108
100
210
103
6
1.17
57
50
130
53
6
0.48
尺寸如圖2.11所示
圖2.11 管子開孔圖
2.5.12管箱設(shè)計及管箱與殼體接管的位置
（1） 確定前、后管箱的結(jié)構(gòu)尺寸及接管位置如下：
管箱與封頭采用埋弧自動焊，而且為全焊透，里面采用手工焊。焊縫系數(shù)為
=0.85,其中下圖中的接管位置L由下列公式確定（查換熱器手冊）：
D為此處開孔補(bǔ)強(qiáng)的補(bǔ)強(qiáng)圈的外徑 D=210mm；
為管板的厚度 =48；
L取175mm C為修正系數(shù)取C (S為殼體壁厚)。
圖2.12 換熱器箱體
（2） 殼體接管位置與尺寸如下圖：
圖2.13 殼體接管位置與尺寸圖
其中上圖中的、、按下列式子計算得：（查換熱器手冊）
1）
取135mm
2）
L取90mm
3）
L取175mm
D——為此處開孔補(bǔ)強(qiáng)的補(bǔ)強(qiáng)圈的外徑 D=130mm;
D——為此處開孔補(bǔ)強(qiáng)的補(bǔ)強(qiáng)圈的外徑 D=210mm;
d ——為此處開孔外徑 d=25mm；
b——為為管板的厚度 b=48mm；
C——為修正系數(shù)取C (S為殼體壁厚)。
2.5.13支座設(shè)計
（1）、由于該冷凝器為臥式容器，所以選用鞍式支座 型號為：4712—92 鞍座BI 450—F
該支座必須設(shè)計墊板：因為
1）該容器圓筒鞍座處的周向應(yīng)力大于規(guī)定值；
2）且容器圓筒有熱處理要求；
3）容器重量較大，地基可能不一定為鋼筋混泥土。
圖2.14 鞍座
（2）、支座尺寸如下表2.3所示
表 2.3 支座尺寸(mm)
公稱
直徑
DN
允許
載荷
Q/kN
鞍座
高度
h
底板
腹板
筋板
螺栓間距
l
l
b
b
400
61
180
400
110
8
8
90
8
280
墊板
鞍座質(zhì)量
kg
弧長
b
e
500
145
6
25
12
2.5.14校核冷凝器應(yīng)力
（1）換熱管與管板連接強(qiáng)度校核
表2.4
管子
殼體
材質(zhì)
20號銅
Q235—A
11.2×10－6
11.2×10－6
E/MPa
0.21×106
0.21×106
尺寸mm
25×2.5×2500
400×2500
數(shù)量
88
1
管間距
32mm
殼體的璧溫約為27.5℃，所以管子的壁溫可估算為：
管子進(jìn)口溫度T1＝5℃，出口溫度T2＝7℃。
∴
假設(shè)裝配時溫度為15℃，則
殼體伸長量
管子伸長量：
管子與筒體伸縮量之差（管子受拉，殼體受壓）：
殼體截面積：
管子截面積：
1）筒體上產(chǎn)生的應(yīng)力
—由于筒體和管子之間溫差所產(chǎn)生的應(yīng)力
—由于殼程和管程的壓力作用于筒體上的力
Q—殼程與管程壓差產(chǎn)生的力
Ps—殼程設(shè)計壓力, Ps=0.3MPa
Pt—管程設(shè)計壓力，?Pt=0.42MPa
故=MN
2）管子上產(chǎn)生的力
F—由于殼體及管程壓力作用于管子上的力
故
3）管子與管板連接的拉脫力
Mpa<[q]=4.0MPa
a—單跟換熱管橫截面積a=
l—脹接深度其值為管板厚度減3~5mm。故l=L-4=48-4=44mm=0.044m
因為筒體及管子產(chǎn)生的應(yīng)力和管子與管板連接的拉脫力都不超過許用應(yīng)力,該冷凝器不必設(shè)置膨脹節(jié)。
2.5.15管板校核
由圖2.4~2.5延長部分兼作法蘭的固定管板圖來校核，已知操作溫度t1=6℃
取t=10℃,優(yōu)質(zhì)碳素鋼Q235-A的性能E=0.21×106MPa,線膨脹系數(shù)
αt=αs=11.2×10mm/mm℃.
初始數(shù)據(jù):
殼程圓筒: 內(nèi)徑Di =400 mm 厚度δs=6 mm
（1）殼程圓筒內(nèi)直徑橫截面積: A=π/4 ×Di2 =π/4×4002=125600 mm 2
圓筒殼壁金屬橫截面積：As=πδs(Di+δs) =π×6(400+6)=7649.04mm2
（2）管箱： 取管箱厚度與圓筒厚度相同 δh=6mm
（3）管子： 管子外徑：d=25mm , 管子壁厚:δ=2.5 mm
管子間距: s=32mm , 管子根數(shù):n=88
管子金屬總截面積:
na =nπ(d-δt)δt=88×π×(25-2.5) ×2.5= 13816 mm 2
管子的有效長度: L=2500mm
管束模數(shù)：Kt=Ena/LDi (E=0.21×106MPa )
=（0.21×106×13816）/（2500×400）
=2901.4MPa
管子回轉(zhuǎn)半徑: i=1/4[d2+(d-2δt)2]1/2
=0.25[252+ (25-2×2.5)2]1/2
=8
管子受壓失穩(wěn)的當(dāng)量長度:
因折流板7塊均分，故lcr = 350 mm
系數(shù): Cr=π(2Et/бst )1/2
=3.14 (2×0.21×106/113)1/2
=191.4
管子的穩(wěn)定許用應(yīng)力[б]cr
lcr /i=350/8=43.756.4
有效密封寬度 b=2.53 b01/2=7.59mm≈8mm
對筒體的端部結(jié)構(gòu)DG=D-2b=544-2*8=528mm
螺栓載荷:
1)預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷:
Wa=Fa=3.14DG by
=3.14×528×8×13
=1.7×105 (N)
2)操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷:
Wp=F+Fp=0.785 DG2 P+6.28 DGbmP
=0.785×5282×0.22+6.28×528×8×2×0.22
=69817.8(N)
螺栓面積:
1） 預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓面積:
Aa=Wa/[б]b
螺栓材料選用2Cr13，常溫螺栓材料的許用應(yīng)力
[б]b =126MPa
∴Aa=1.7×105/126=1349.2mm2
2) 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓面積:
Ap = Wp/[б]bt
=69817.7/111 （查得[б]bt=111 MPa）
=628.99
3）需要的螺栓截面積 取Aa與Ap之大值
Am=Aa=1349.2mm2
基本法蘭力矩:
Sa—墊片壓緊力的力臂為螺栓中心圓直徑與DG之差的一半
Sa=（D1- DG）/2=(625-528)/2=48.5
Mm=AmSa[б]b=1349.2×10-6×48.5×10-3×126×106=8244.96(N*m)
管程壓力作用下的法蘭力矩:
MP=FDSD+ FTST + FGSG
FD—作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向力
FD=0.785Di2 P=0.785×5002×0.22=43175(N)
FG—操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力
FG=3.14DGby=3.14×528×8×13=1.7×105(N)
FT—流體壓力引起的總軸向力與作用于法蘭內(nèi)徑截面上的流體壓力引起的軸向之差
FT=F-FD=0.785DG2P-FD
=0.785×5282×0.22-43175=4971(N)
SG=(D1-DG)/2=(625-528)/2=48.5
ST=(SG +SD )/2=(48.5+57.5)/2 =53
∴MP=FDSD+ FTST + FGSG
=43175×57.5+4971×53 +1.7×105×48.5=1.1×107 N?mm
（6）管板
采用管板與換熱管機(jī)械滾脹接連接，則管板的最小厚度除滿足計算要外,
還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的要求。
材料選用20號鋼
由結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造要求: 取管板厚度:δ=48mm
管子的加強(qiáng)系數(shù):
K={1.318×Di/δ(Etna/EpηLδ)1/2}1/2
={1.318×500/25[18343.88/(0.4×1900×25) 1/2]}1/2
=5.1
η—管板剛度削弱系數(shù) η=0.4
k=K(1-ρt )=5.1×(1-0.814)=0.95
（7）法蘭
根據(jù)選用甲型平焊法蘭（平面密封）
法蘭外徑: Df =615mm
法蘭寬度:bf=(Df-Di)/2=(615-500)/2=57.5
管箱法蘭厚度 δf”=30mm
δh/ Di=4.5/500=0.009
δf/ Di=30/500=0.06
查圖 3-15 得 ω”=0.0009
旋轉(zhuǎn)剛度
K”==27Mpa
確定殼體法蘭厚度δf’=30mm
δh/ Di=4.5/500=0.009
δf’/ Di=30/500=0.06
則同上 ω’=ω”=0.0009 K’=K”=27Mpa
—旋轉(zhuǎn)剛度無量鋼參數(shù)
=πkf’/4kt=3.14×27/（4×3591.5）=0.0059
由K=5.1，=0.0059，根據(jù)GB151-99圖27查出m=0.32
m—管板第一彎矩系數(shù)
系數(shù)
由K和，根據(jù)GB151-99圖28查出G=3.2
系數(shù)M=
K=5.1，Q=2.31，根GB151-99圖29查出，系數(shù)G=0.0013
法蘭力矩折減系數(shù)：
—管板邊緣力矩變化系數(shù)；
因為
所以==0.55
～法蘭力矩的變化系數(shù)，
==0.55
由K=5.1，Q=2.31，根據(jù)GB151-99圖28（a）查出
=2.45
（8）殼程壓力作用下的危險組合
殼程設(shè)計壓力p=p=0.22Mpa
管程壓p=0
～線膨脹系數(shù)（1/℃）
～換熱器材料的線膨脹系數(shù)（℃）
～殼程圓筒材料線膨脹系數(shù)（℃）
～制造環(huán)境溫度
～沿長度平均殼程圓筒金屬溫度℃
～沿長度平均的換熱管金屬溫度℃
y～換熱管與殼程圓筒的熱膨脹的變形差
～管板邊緣力矩系數(shù)，對于延長部分兼作法蘭的管板 即是法蘭力矩系數(shù)：
～管板徑向應(yīng)力系數(shù)
～管板布管區(qū)周邊外徑向應(yīng)力系數(shù)
～管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力系數(shù)
～在殼程壓力作用工況下的殼體法蘭力矩系數(shù)
～殼體法蘭的應(yīng)力Mpa
～管板布管區(qū)周邊剪切應(yīng)力Mpa
～殼體法蘭應(yīng)力Mpa
～管子應(yīng)力Mpa
～殼程圓筒軸向應(yīng)力Mpa
q～拉脫應(yīng)力 Mpa
1）不計膨脹差
=0
βEt=0
=+0.55×0.0059=0.0034
=8.8×0.0034=0.03
因=max(G1e,G1i)
其中=3μm/K=3×0.4×0.34/5.1=0.08
m>1,K>1.3,G1i=3m/K+2.1/K2=1.45
故 =0.28
0.25
=0.82×0.3-0.53×0.0062
=0.26
管板應(yīng)力：
=30.8
=4.8
殼體法蘭應(yīng)力：K=Df/Di=615/500=1.28 由GB150-99表31(a)查得Y=8.01
=
=125MPaMpa
管子應(yīng)力：
殼程圓筒軸向應(yīng)力：
=
拉脫應(yīng)力：（焊接）
2）計入膨脹差
αt=αs=17.06×10-6
tt=（115-40）/（ln115/40）=77.5℃ t0=25℃ ts=150℃
βEt=0.17×（-1.2×10-3）×186×103=-37.9Mpa
Mpa
=－0.0065+0.53×0.0062=-0.0032
=8.8×(-0.0028)=-0.025
因=max(G1e,G1i)
其中=3μm/K=3×0.4×0.22/4.2=0.06
K>1.3時 G1i ==0.28
故=0.28
=0.83×（－0.0065）-0.53×0.0062
=－0.009
管板應(yīng)力：
=
=59Mp
=-36Mpa
殼體法蘭的應(yīng)力：
=
=222.8Mpa〈3=411Mpa
管子應(yīng)力：
殼程圓筒的軸向應(yīng)力：
拉脫應(yīng)力：
（9）管程壓力作用下的危險組合：
殼程壓力：=0
管程設(shè)計壓力
1）不計膨脹差：
βEt=0
=8.8× 0.2=1.76
因=max(G1e,G1i)
其中=3μm/K=3×0.4×1.66/4.2=0.48
m>1,K>1.3,G1i=3m/K+2.1/K2=1.3
故 =1.3
=0.87×0.2-0.0062
=0.017
管板應(yīng)力：
=
=13.7Mpa
殼體法蘭的應(yīng)力：
=
= 5.7Mpa
管子應(yīng)力：
殼程圓筒的軸向應(yīng)力：
=
=1.1Mpa
2）計入膨脹差
=-38Mpa
=－0.0026
=8.8×（－0.0055）=－0.048
因=max(G1e,G1i)
其中=3μm/K=3×0.4×0.22/4.2=0.063
由圖GB151-99圖31（a）查得
所以
56
= 0.87×（-0.0055）-0.0062
=－0.0014
管板應(yīng)力：
=
=
=111.4
（10）殼體法蘭的應(yīng)力：
=
=35.7MPa
管子應(yīng)力：
殼程圓筒的軸向應(yīng)力：
=
=82.2
拉脫應(yīng)力：
2.5.16 水壓試驗校核
進(jìn)行水壓試驗?zāi)康氖菣z驗在超工作壓力下的宏觀強(qiáng)度，包括檢查材料的缺陷、容器各部分的變形、焊接接管的強(qiáng)度和容器法蘭連接的泄漏檢查等。為了防止氯離子的腐蝕，試壓用水應(yīng)當(dāng)控制。避免發(fā)生低溫脆性破壞，對于Q235—A鋼制壓力容器，試壓液體溫度不得低于5℃。
殼體材料為Q235—A，查表得 常溫下
水壓試驗壓力PT規(guī)定為：
或
試壓值要兩者取大值PT＝0.4MPa
校核：
筒體壁內(nèi)應(yīng)力
封頭壁內(nèi)應(yīng)力
PT——試驗壓力 Mpa P—— 設(shè)計內(nèi)壓 Mpa
Di——筒體內(nèi)徑 mm te—— 筒體璧厚 mm
——焊縫系數(shù)（局部無損檢測）：0.85
2.5.17壓力試驗
由GB 150-98 得壓力試驗必須用兩個量程相同的并經(jīng)過校核的壓力表。壓力表的量程在試驗壓力的2倍左右為宜。但不應(yīng)低于1.5倍和高于4倍的試驗壓力。容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)圈應(yīng)在壓力試驗以前通入0.4-0.5 MPa的壓縮空氣檢查焊接接頭質(zhì)量。
液壓試驗
試驗液體一般采用水。需要時也可采用不會導(dǎo)致發(fā)生危險的其他液體。實驗
液體的溫度應(yīng)低于其閃點或沸點。奧氏體不銹鋼制容器用水進(jìn)行液壓試驗后應(yīng)將水漬清除下來，但無法達(dá)到這一要求時應(yīng)控制水的氯離子含量不超過25 mg/L。
試驗壓力 Pt=1.25 P
試驗時容器頂部應(yīng)沒排氣口，充液時應(yīng)將容器內(nèi)的空氣排空。試驗過程中應(yīng)保 持容器觀察面的干燥。試驗時壓力應(yīng)緩慢上升，達(dá)到規(guī)定試驗壓力后，保壓時間一般不少于30 mm。然后將壓力降至規(guī)定試驗壓力的80%。并保持足夠的時間對所有焊
接接頭和連接部位進(jìn)行檢查。如有滲漏修補(bǔ)后重新試驗。液壓試驗完畢后，應(yīng)將液體排盡并用壓縮空氣將內(nèi)部吹干。
3 計量罐的設(shè)計
設(shè)計一個冷凝器計量罐，要求能夠裝下一班時間生產(chǎn)的冷凝液，根據(jù)一天三班倒，每八小時一班。要求設(shè)計壓力為0.6MPa, 設(shè)計溫度為45，實際工作壓力為0.45 Mpa,工作溫度為10~30。
3.1筒體設(shè)計
已知計量罐的入口流量為 溫度為10。
計量罐每八小時須裝下的CS2液為：
M= =415.29=3222.32kg3.4噸
由于要求有10%的余量，防止過量生產(chǎn)時不會耽誤工程。
所以 M=4.4110%=3.74噸，在此取3.74噸。
則筒體容量至少大于V (常溫下)
V=
初選容器內(nèi)徑為D=1250mm，則筒體長度為L
L==2.41m 取2.5m
由于容器內(nèi)所裝的液體無腐蝕性，且工作壓力也不高。所以采用容器用鋼16MnR
筒體內(nèi)徑DN=1250mm,L=2500mm,厚度=14mm
實際筒體容積為V=
筒體質(zhì)量為m=2.5487=1217.5kg
3.2封頭設(shè)計
采用橢圓封頭, 材料同樣選用容器用鋼16MnR, 封頭厚度取14mm
其尺寸如圖3.1所示
圖3.1 封頭
其質(zhì)量m=238kg 容積V=0.398m
3.3開孔與接管及補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計
表3.1
圖3.2
3.4液面設(shè)計
采用雙玻璃板式液面計， 因為其結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，通道較大，不易堵塞，比玻璃管液面計安全可靠。型號為玻璃板液面計AⅠ PN1.6,L=1260
液面計用閥門與設(shè)備相連。如圖3.3所示
圖3.3 雙面玻璃板液面計
3.5裕量校核
表3.2
筒體
(?1250×2500㎜)
封頭（DN1250）
H=300mm, h=25mm
鞍座
鞍座A 1400—F
容積m3
質(zhì)量kg
容積m3
質(zhì)量kg
載荷kN
質(zhì)量kg
3.07
1217.5
0.398
238
160
64
計量罐總質(zhì)量 （kg）
計量罐總?cè)莘e（m3）
計量罐工作中的最大載荷(kN )
1693.5
3.87
68.3
所以 計量罐的容積裕量為
故有38%的裕量。 合格！
3.6支座設(shè)計
根據(jù)《化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計手冊》臥式容器一般采用鞍式支座，材料為Q235-A，鞍式支座：型號為 鞍座A 1400—F和 鞍座A 1400—S，本支座的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖：須注意的是本支座帶有墊板且兩個的型號不一樣，一個采用可以有一點橫向位移的S型，這樣可以消除由于各種原因造成的橫向載荷。
圖3.4
3.7水壓試驗
計量罐材料采用16MnR，查《過程設(shè)備設(shè)計》表D1得：，[]=170MPa，[]t=170MPa。
查《過程設(shè)備設(shè)計》表4-3得：
試驗壓力 PT=1.25P=1.25×0.15=0.19MPa
應(yīng)力校核 ==8.5MPa
因為 =0.9×0.85×345
所以 符合要求
附 錄
1英文原文
Research progress and Application of Evaporative Condenser
Abstract:Different condensers are introduced, and their characteristics are compared, the structure, principle and characteristics of evaporative condenser are expounded in particular, Application and research of evaporative condenser are analyzed, problems existing in their application are summarized and accordingly the solutions are proposed. Finally, prospect and the further development of evaporative condense are described.
Key words: evaporative condenser, Application, Research progress
1 foreword
With the development of industry, energy and water resource in China is very nervous, energy is called water, coal, oil and n
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