内强制循环蒸发器的强度校核和结构设计毕业设计论文

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作者签名：日期：引言芒硝是一种分布很广泛的硫酸盐矿物。

在干旱地区，常可以见到由它们形成的盐华及皮壳。

盐湖、盐泉和干盐湖是形成芒硝的地方。

芒硝的晶体为短柱状或针状，一般这些晶体聚集在一起成块状、纤维团簇状。

它们或无色或白色，具有玻璃光泽，入水即化。

芒硝在干燥的环境下会失去水分而变成粉末状，这时就称为无水芒硝。

芒硝可以用来提取硫酸铵、硫酸钠、硫酸及硫化钠等化工原料，还是制造洗衣粉的重要原料。

蒸发器是通过加热使溶液浓缩或从溶液中析出晶体的设备。

主要有加热室和蒸发室两部分组成。

加热室向液体提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化；蒸发室是汽液两相完全分离。

加热室中产生的蒸气带有大量的液沫，到了较大空间的蒸发室后，这些液体借自身凝聚或除沫器等的作用得以与蒸气分离。

通常除沫器设在蒸发室的顶部。

蒸发器也是一种间壁式热交换设备。

低温低压的液态制冷剂在传热壁的一侧气化吸热，从而使传热壁另一侧的介质被冷却。

被冷却的介质通常是水或空气，为此蒸发器可分为两大类，即1.冷却液体（水或盐水）的蒸发器，这种蒸发器又可分为卧式壳管式换热器（制冷剂在管外蒸发的为满液式，制冷剂在管内蒸发的称干式），和立管式冷水箱。

2.冷却空气的蒸发器，这种蒸发器有可分为两大类，一类是空气做自然对流的蒸发排管，如广泛使用于冷库的墙排管、顶排管，一般是做成立管式、单排蛇管、双排U型管或四排U型管式等形式；另一类是空气强制流动的冷风机，冷库中使用的冷风机系做成箱体形式，空调中使用的通常系做成带肋片的管簇，在这种的冷却器中，制冷剂靠压差、液体的重力或液泵产生的压头在管内流动，因为被冷却的介质是空气，空气侧的放热系数很低，所有蒸发器的传热系数也很低。

为了提高传热性能，往往是采取增大传热温差、传热管加类片或增大空气流速等措施来达到目的。

此外，还有冷却固体物料的接触式蒸发器。

蒸发器广泛用于化工、轻工等行业。

按操作压力分常压、加压和减压3种。

按溶液在蒸发器中的运动状况分有：①循环型。

沸腾溶液在加热室中多次通过加热表面，如中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式和强制循环式等。

②单程型。

沸腾溶液在加热室中一次通过加热表面，不作循环流动，即行排除浓缩液，如升膜式、降膜式、搅拌薄膜式和离心薄膜式等。

③直接接触型。

加热介质与溶液直接接触传热，如浸没燃烧式蒸发室。

蒸发装置在操作过程中，要消耗大量加入蒸汽，为节省加入蒸汽，可采用多效蒸发装置和蒸汽再压缩蒸发器。

蒸发操作的特点：工程上，蒸发过程只是从溶液中分离出部分溶剂，而溶质仍留在液体中，因此，蒸发操作即为一个使溶液中的挥发性溶剂与不挥发性溶质的分类过程。

由于溶剂的汽化速率取决于传热速率，故蒸发过程属传热过程，蒸发设备为传热设备，但是，蒸发操作与一般传热过程比较，有以下特点：1、溶液沸点升高由于溶液含有不挥发性溶质，因此在相同温度下，溶液的蒸汽压比纯溶剂的小，也就是说，在相同压力下，溶液的沸点比纯溶剂的高，溶液浓度越高，这种影响越显著。

2、物料及工艺特性物料在浓缩过程中，溶质或杂志常在加热表面沉积、析出晶体而形成垢层，影响传热；有些溶质是热敏性的，在高温下停留时间过长易变质；有些物料具有较大的腐蚀性或较高的粘度等等。

3、能量回收蒸发过程是溶剂汽化过程，由于溶剂汽化潜热很大，所以蒸发过程是一个大能耗单元操作。

因此，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。

此次设计的强制内循环蒸发器有加热室、蒸发室、循环管等组成。

循环管在加热室内部。

叶轮在循环管内部，在电动机的带动下，通过轴、轴承、联轴器等的作用，产生轴向力，使料液不断地进入加热室加热，再进入蒸发室蒸发并进行气液分离，并不断循环。

蒸汽生成的冷凝水在加热室的冷凝水出口流出。

在加热室设置了二次蒸汽出口，用于提高蒸汽的利用率。

母液在蒸发器下部流出，进入二效蒸发器。

强制内循环蒸发器是依靠外加力使液体进行循环。

它的加热室有卧式和立式两种结构，液体循环速度大小由电动机及传动机构进行调节，这种蒸发器适用于易结晶、易结垢溶液的浓缩，主要缺点是能耗较大。

根据分离室循环料液进出口地位置不同，它又可分为正循环强制蒸发器及逆循环强制蒸发器，循环料液进口位置上部的称为正循环，反之为逆循环。

逆循环强制蒸发器具有更多优点。

提高生产能力可以通过增加传热面积、提高总传热系数或传热温差来实现。

增大总传热系数是提高蒸发器生产强度的主要途径。

总传热系数取决于对流传热系数和污垢热阻。

在蒸发器的设计和操作中，必须及时排除蒸汽中的不凝气，并要定时清洗蒸发器。

传热温差主要取决于加热蒸汽和冷凝汽中二次蒸汽的压强。

加热蒸汽的压强越高，其饱和温度也越高。

但是加热蒸汽压强常受工厂的供汽条件所限。

若提高冷凝器的真空度，使溶液的沸点降低，也可以加大温度差。

但这样因溶液的沸点降低，使粘度增高，导致沸腾传热系数下降。

蒸发装置的操作费用主要是汽大量水分所需消耗的能量。

通常将每1kg加热蒸汽所能蒸发的水量称为蒸汽的经济性，或用溶液中蒸发出1kg水所需消耗的生蒸汽的量表示蒸汽的利用率，生蒸汽利用率是蒸发操作是经济的主要标志。

在单效蒸发中，若物料的水溶液先预热至沸点后加入蒸发器，忽略生蒸汽与产生的二次蒸汽的汽化潜热的差异，不计热损失。

则每1kg加热蒸汽可汽化1kg水。

实际上，由于有热损失等原因，蒸汽利用率小于1.在大规模工业蒸发中，蒸发大量的水分必然会消耗大量的加热蒸汽。

作为工程技术人员，必须设法尽量节省加热蒸汽的消耗量，以提高蒸汽的消耗量，以提高生蒸汽的利用率，采用以下措施可以达到次目的的：①利用二次蒸汽的潜热②利用冷凝水的显热（如预热原料液）利用二次蒸汽的潜热的最普通的方法是多效蒸发，即将前一效的二次蒸汽引入后一个蒸发器作为加热蒸汽，这样后一效的加热它就成为前一效二次蒸汽的冷凝器，由于各效（除最后一效外）的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，这就提高了生蒸汽的利用率。

但是效数增多，设备的生产强度降低，而加热蒸汽经济性提高，因此，必须合理选择效数以便设备费和操作费之和最少。

本次设计的蒸发器为32kt/a芒硝加工Ⅰ-Ⅱ效内强制循环蒸发器。

因为，本蒸发器也采用多效蒸发，并且效数适中，使得蒸汽利用率比较高，而且它还能够减少能源消耗，提高生产率，降低生产成本；次蒸发器的循环管在加热室内部，因此它比外强制循环蒸发器占地面积小了许多；采用耳式支座支撑，使它的结构简单，易于制造。

符号说明0.2()s σσ—钢板标准常温屈服点（或0.2%屈服度），a MP0.2()t t s σσ—钢材在设计温度下的屈服点（或0.2%屈服度），a MP []t σ—设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力，a MP b σ—钢板标准抗拉强度下限值，a MPT σ—试验压力下圆筒的应力，a MPC —厚度附加值，mm1C —钢板厚度负偏差，mm2C —腐蚀裕量，mmT —设计温度，℃P —设计压力，a MPT P —试验压力，a MP[]P —许用外压力，a MPC P —计算压力，a MPi D —圆筒或球壳的内直径，mmO D —圆筒或球壳的外直径，mmδ—圆筒或球壳的计算厚度，mmc δ—圆筒或球壳的有效厚度，mmn δ—圆筒或球壳的名义厚度，mmd δ—圆筒或球壳的设计厚度，mmφ—焊接接头系数A —壳程圆筒内直径横截面积，2mmd A —隔板槽面积，2mm1A —管板开孔后面积，2mmS A —圆筒壳壁金属横截面积，2mm t A —管板布管区面积，2mma —一根换热管管壁金属的横截面积，2mm fb —壳体法兰或管箱法兰的宽度C '—系数C ''—系数f D —壳体法兰或管箱法兰外直径，mm t D —管板布管区的当量直径，mm d —换热管外径，mm （第二章） fE '—壳体法兰材料的弹性模量，a MP f E ''—管箱法兰材料的弹性模量，a MP h E —管箱圆筒材料的弹性模量，a MP P E —管板材料的弹性模量，a MPs E —壳程圆筒材料的弹性模量，a MP t E —换热管的弹性模量，a MPl G —系数le G —系数li G —系数2G —系数3G —系数K —换热管加强系数ex K —波形膨胀节刚度，N /mm''fK —壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数，a MP f K ''—管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数，a MP f K —旋转刚度参数，a MPf K —旋转刚度无量纲参数 t K —管束模数，a MPk —管板周边不布管区无量纲宽度 L —换热管有效长度，mml —换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm m —管板边缘力矩系数m —管板总弯矩系数b M —边界效应压力组合系数m M —基本法兰力矩，N /mmm M —基本法兰力矩系数pM —管程压力操作工况下的法兰力矩，N /mm p M —管程压力操作工况下的法兰力矩系数 n —换热管根数a P —有效压力组合，a MPb P —边界效应压力组合，a MPc P —当量压力组合，a MPs P —壳程设计压力，a MPt P —管程设计压力，a MPq —换热管束与管板连接的拉脱力，a MP []q —许用拉脱力，a MPS —换热管中心距，mmo t —制造环境温度，℃s t —沿长度平均的壳程圆筒金属温度，℃ l t —沿长度平均的换热管金属温度，℃ υ—管板边缘剪切系数s α—壳程圆筒材料线膨胀系数，()1C -︒ t α—换热管材料线膨胀系数，()1C -︒ β—系数γ—换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差 δ—管板计算厚度，mm （第二章） s δ—壳程圆筒厚度，mmt δ—换热管壁厚，mmfδ'—壳体法兰厚度，mm f δ''—管箱法兰厚度，mmh δ—管箱圆筒厚度，mmη—管板刚度削弱系数λ—系数μ—管板强度削弱系数t ρ—管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比 s ∑—系数t ∑—系数 c σ—壳程圆筒轴向应力，a MP f σ'—壳程法兰应力，a MPr σ—管板径向应力，a MPr σ'—管板布管区周边处的径向应力，a MP r σ—管板径向应力系数r σ'—管板布管区周边处的径向应力系数 t σ—换热管径向应力，a MP （第二章） []t c σ—在设计温度时，壳程圆筒材料的许用应力，a MP []cr σ—换热管稳定许用应力，a MP []t fσ—壳体法兰许用应力，a MP []t r σ—在设计温度时，管板材料的许用应力，a MP []tt σ—在设计温度时，换热管材料的许用应力，a MP ψ—系数 p τ—管板布管区周边剪切应力，a MP p τ—管板布管区周边剪切应力系数，a MP ω'—系数ω''—系数A —开孔削弱所需的补强截面积，2mmB —补强有效宽度，mmd —开孔直径，mmr f —强度削弱系数1h —接管外侧有效补强高度，mm2h —接管内侧有效补强高度，mmet δ—接管有效厚度，mmnt δ—接管名义厚度，mma A —预紧状态下，需要的最小螺栓总面积，2mmb A —实际使用螺栓总截面积，2mmm A —需要螺栓总面积，2mmp A —操作状态下，需要螺栓总截面积，2mmb —垫片有效密封宽度，mmo b —垫片基本密封宽度，mmb D —螺栓中心圆直径，mmG D —垫片压紧力作用中心圆直径，mma F —预紧状态下，需要的最小垫片压紧力，Nb F —作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力，NG F —窄面法兰垫片压紧力，ND L —螺栓中心至d F 作用位置的径向距离，mmG L —螺栓中心至G F 作用位置的径向距离，mmT L —螺栓中心至T F 作用位置的径向距离，mma M —法兰预紧力矩，4mmp M —法兰操作力矩，4mmN —垫片接触宽度，mmn —螺栓数量a W —预紧状态下，需要的最小螺栓载荷，Np W —操作状态下，需要的最小螺栓载荷，NY —系数y —垫片比压力W —螺栓设计载荷，NA — 轴及大带轮的总重，mm （第三章）a —计算中心距，mm0a —初定中心距，mmB —带轮宽，mmr C —径向额定载荷，Na C —轴向额定载荷，N0C —额定静载荷，ND —电机伸出轴径，mmd —圆整后轴径，mm1dd —小带轮基准直径，mm2dd —大带轮基准直径，mmE —电机轴外伸长度，mme —带轮槽间距，mm0F —单根V 带所需预紧力，Np F —作用在轴上压轴力，Nr F —径向载荷，Na F —轴向载荷，Np f —载荷系数t f —温度系数g —重力加速度min a h —基准线上槽深，mmmin f h —基准线下槽深，mmi —实际传动比d L —带所需的基准长度， mmh L —轴承寿命h L '—预期计算说明t M —轴上作用的扭矩，N •mn —搅拌轴转速，r/min1n —小带轮转速，r/min2n —大带轮转速，r/minA K —工作情况系数K α—包角系数L K —长度系数P —额定功率，kwca P —计算功率，kw0P —单根V 带的额定功率增量，kw0P ∆—单根V 带的额定功率增量，kw1P —搅拌轴传递功率，kwq —V 带单位长度质量，kg/mv —带的速度，m/s1V —轴的体积，m 32V —大带轮体积，m 3t w —抗扭截面系数，mm 3z —胶带根数1α—主带轮上的包角B σ—抗拉强度极限，MPaC σ—屈服强度极限，MPa1σ-—弯曲强度极限，MPa1τ-—剪切强度极限，MPa[]1σ-—许用弯曲应力，MPamax τ—截面上最大剪应力，MPa[]k τ—除纸后的扭转作用剪应力，MPaT τ—扭转切应力，MPaT —轴所受的扭矩，N ·mm[]T τ—许用扭转切应力，MPaγ—轴扭转变形的扭转角，（°）/mm0G —切变模量，MPaP J —截面的惯性矩，mm 4[]γ—许用比扭转角，（°）/mmη—电动机效率1η—带传动效率ϕ—轮槽角a d —外径，mmmin δ—最小轮缘厚，mm第一章 筒体的强度设计一、集盐室筒体材料的选择及各参数的确定1、材料选择根据工作压力：P=0.44MPa 工作温度：T=150℃ 介质：芒硝水溶液初选Q235-B s σ=235MPa []tσ=113 MPa b σ=375 MPa（压力比较低，且介质腐蚀性不大）2、设计参数的确定设计压力：P=1.1×P er =1.1×0.44=0.484 MPa (5%P=0.0242 MPa)液柱静压力：P 静=ρgh=1000×9.8×7.587=0.074 MPa （P 静>5%P ）计算压力：P c =P+ P 静=0.484+0.074=0.558 MPa设计温度：T=160℃筒体内径：D i =2000mm焊接接头系数：θ=1钢板负偏差：C 1=0.6mm腐蚀裕量：C 2=1mm3、集盐室筒体壁厚计算(D i=1800mm)[]18000.5584.46211310.5582i t c P D P δσ⨯⨯===⨯⨯--mm厚度附加量：C=0.6+1=1.6mm计算厚度：2 4.461 5.46d C δδ=+=+=mm名义厚度：1 5.460.6 6.06n d C δδ=+=+=mm由钢材的标准规格，名义厚度圆整后取10mm∴有效厚度：10 1.68.4e n C mm δδ=-=-=4、 对于外压圆筒稳定性校核a) 假设名义厚度16n mm δ=，16 1.614.4e n C mmδδ=-=-=，03000 1.641800216LD ==+⨯，0183212714.4e D δ==b) 查GB150-1998图6-2，由0L D 和0e D δ查得A=0.0006c) 根据圆筒材料，由图6-3查得B=84 MPad) 计算许用外压[]0840.6610.558/127e B P MPa D δ===>5、集盐室下筒体厚度计算（D i =500mm ）[]0.558500 1.24211310.5582c it c P D mm P δσφ⨯===⨯⨯--计算厚度：2 1.241 2.24d C mm δδ=+=+=名义厚度：1 2.84d n C mm δδ=+=由于考虑焊接工艺，名义厚度圆整后取8mm二、Φ=2000筒体材料的选择及各参数的确定1、材料选择根据工作压力：P=0.32MPa 工作温度:T=146℃ 介质：饱和水蒸汽 初选Q235-B s σ=235MPa []tσ=113 MPa b σ=375 MPa （压力比较低，且介质腐蚀性不大）2、设计参数的确定设计压力：P=1.1×P er =1.1×0.32=0.352 MPa (5%P=0.0176MPa)液柱静压力：P 静=ρgh=1000×9.8×7.587=0.074 MPa （P 静>5%P ）计算压力：P c =P+ P 静=0.352+0.074=0.426 MPa设计温度：T=200℃筒体内径：D i =2000mm焊接接头系数：θ=1钢板负偏差：C 1=0.6mm腐蚀裕量：C 2=3mm3、筒体壁厚计算(D i=2000mm)[]20000.426 3.78211310.4262it c P D mm P δσ⨯⨯===⨯⨯--厚度附加量：C=0.6+3=3.6mm计算厚度：2 3.783 6.78d C mm δδ=+=+=名义厚度：1 6.780.67.38n d C mm δδ=+=+=由钢材的标准规格，名义厚度圆整后取10mm4、 对于外压圆筒稳定性校核e) 假设名义厚度18n mm δ=，18 3.614.4e n C mm δδ=-=-=，04000 1.72000218L D ==+⨯，020*******.4e D δ==f) 查GB150-1998图6-2，由0LD 和0eD δ查得A=0.0004 g) 根据圆筒材料，由图6-3查得B=55MPa计算许用外压: []0550.3900.352141e B P MPa Dδ===>5、蒸发室顶部由于该设备压力比较低，且顶部还要承受电动机和大小带轮的重量，故顶部也采用10mm 的Q235-B 并布置12块相同材料的筋板，来确保安全，具体位置、尺寸见部件图。