鱼液蒸发装置设计论文.doc

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1、. . . . 鱼液蒸发组合装置设计工艺条件与技术参数管程壳程设计压力 Mpa0.60.6设计温度 11065介质鱼液蒸汽焊缝系数0.850.85腐蚀裕度 mm1.0传热面积 m215设备类别一类受压元件材料与数据以下数据来自GB150-1998壳体圆筒材料 16MnR查表4-1 ，65设计温度下的许用应力 查表F5, 65金属11温度下弹性模量 查表F6, 65金属温度下平均线性膨胀系数 mm/mm管箱圆筒材料：16MnR查表4-3 ，65设计温度下的许用应力 查表F5, 65金属温度下弹性模量 换热管材料 20号钢 GB8163查表4-3 ，110设计温度下的许用应力 查表F1 ，110设

2、计温度下的屈服应力 查表F5, 110金属温度下弹性模量查表F6, 110金属温度下平均线性膨胀系数 mm/mm管板材料： 20号钢 4726查表4-5 ，65设计温度下的许用应力 查表F5, 110金属温度下弹性模量1.根据已知条件，确定换热管数目和管程数：选用的换热管 材料为20 钢。管长1500 mm。换热管的布置：采用正三角形布管方式。选择强度焊接,管心距t=32mm。2,计算换热管根数则换热管数目：根取整n=137 根管程数：对于固定板式换热器，可选单管程或双管程，为成本计，本设计采用单管程。管子排列方式的选择（1） 采用正三角形排列（2） 选择强度焊接,由表1.1查的管心距t=32

3、mm。表1.1 常用管心距管外径/mm管心距/mm各程相邻管的管心距/mm192538253244324052384860（3） 采用正三角形排列，当传热管数超过127根，即正六边形的个数a6时，最外层六边形和壳体间的弓形部分空间较大，也应该配置传热管。不同的a值时，可排的管数目见表1.2。具体排列方式如图1，管子总数为 根。表1.2 排管数目正六角形的数目a正三角形排列六角形对角线上的管数b六角形的管数每个弓形部分的管数第一列第二列第三列弓形部分的管数管子总数1377251919373737496161511919161312712771516931818781721742424191927

4、15303011021331636367112339774243912254698485171327547926661314296311059072115317211161028231633817127114931173591913812610451837102714913811651939141115121621303204112611613419814592143138717147228161622451519181582461765234716571916926419213、 壳程选择 壳程的选择：简单起见，采用单壳程。4、 壳体径的确定换热器壳体径与传热管数目、管心距和传热管的排列方式

5、有关。壳体的径需要圆整成标准尺寸。以400mm为基数，以100mm为进级档，必要时可以50mm为进级档。对于单管程换热器，壳体径公式 式中，t为管心距，单位mm；为传热管外径，单位mm。对于正三角形排列将代入，得到取13，结合换热管的排布图稍加圆整可选定布管限定圆式中 限定圆直径，mm； 壳体公称直径，mm；一般不小于10mm，且mm 故=10mm；2.5.2 管孔参考文献，管孔径壁厚设计设计压力Pc=0.6MPa ，设计温度t=65，径=500mm，圆筒焊接采用双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊缝，局部无损探伤，由给定的换热器设计工艺条件与技术知焊接接头系数=0.85。参考文献，查得16Mn

6、R在设计温度下65时的许用应力：170试验温度下110时的许用应力：170筒体 文献7式中 计算厚度，； 计算压力，取设计压力0.6； 圆筒径，； 许用应力负偏差，mm；腐蚀裕度，mm；管板布管区的当量直径与壳程圆筒径之比 系数、，按查GB151-1999图25和图26，；无法兰，故管箱按，查GB151-1999图25得； 查GB151-1999图26得=0.0009管箱、圆筒与法兰的旋转刚度参数壳程圆筒按，查GB151-1999图25得； 查GB151-1999图26得=0.0009壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数壳体带波形膨胀节时，换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差设定换热器制造环境温度壳体不带波

7、形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比假定管板厚度管、壳程腐蚀裕量均为1.0mm管板有效厚度换热管有效长度根据GB151-1999 表27,因温差不超过50，故不设置膨胀节。圆筒名义厚度=0.8，=1.0mm；根据参考文献 最小厚度取10mm。详见下表有效厚度 水压试验 16MnR屈服极限水压试验校核 换热器壳径的标准尺寸 mm 文献公称直径/mm325400 500 600 700800 900 10001100 1200最小壁厚/mm8101214二 列管换热器零部件的工艺机构设计1、 折流板的设计 安装折流板的目的，是为了加大壳程流体的速度，使湍流程度加剧，以提高壳程对流体传热系数。冷凝器,蒸

8、发器,沉浸式等短管换热器由于传热系数K满足传热需要。故本设计中不设置折流板。2、 拉杆、定距管由于本设计不设置折流板，故不设置拉杆、定距管3、防冲板本设计的管称流体为鱼液（溶菌酶，补体，天然溶血素，C-反应性蛋白，水等混合物），一种普通的物料。故，不需防冲板。传热管与管板的连接选用强度焊接连接。制造加工方便，保证换热管与管板连接的密封性和抗拉脱强度的焊接，目前采用较广泛。表3.1强度焊接结构尺寸/mm换热管规格伸出长度l1、 管板与壳体与管箱的连接图3-1管板与壳体与管箱的连接B型：管板直接与壳程圆筒和管箱形成整体结构管板厚度计算管板厚度应不小于下列三者之和：a） 管板的计算厚度或5.6.2规

9、定的最小厚度，取大者；b） 壳程腐蚀裕量或结构开槽深度，取大者；c） 管程腐蚀裕量或分程隔板槽深度，取大者；换热管稳定许用压应力换热管的回转半径i查GB151-1999附录J1 表得 i=0.8004mm换热管受压失稳当量长度= 750mm P61 系数 按GB151-1999,当时：， 合格。壳程圆筒直径横截面积对于单管程换热器，隔板槽面积管板开孔后的面积系数 圆筒壳壁金属横截面积管板布管区面积一根换热管管壁金属的横截面积a查GB151-1999 附录J1 表得 换热管管壁金属的总横截面积 系数 管板布管区的当量直径管板强度削弱系数 管板刚度削弱系数 换热管加强系数管板周边不布管区无量纲度宽

10、度k1.0 符合GB151-1999中5.7.3的规定旋转刚度参数 管束模数 旋转刚度无量纲参数 管板第一弯矩系数：按K和查GB151-1999 图27得：管板第二弯矩系数：按K和查GB151-1999 图28得：系数:按K和查GB151-1999 图29得：=1.62系数 只有壳程设计压力而管程设计压力。壳程设计压力当量压力组合 系数 系数 有效压力组合 边界效应压力组合边界效应力组合系数 管板边缘力矩系数 管板边缘剪切系数 管板总弯矩系数系数 系数 ，当时。按K和m，查GB151-1999 图 31（a）实线，知故：系数 管板布管区的周边剪切应力系数管板径向应力系数管板布管区周边处径向应力

11、系数管板径向应力：， 设计合格。管板布管区周边处径向应力：， 设计合格。管板布管区的周边剪切应力：， 设计合格。壳程圆筒轴向应力：， 设计合格。换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力）：， 设计合格。换热管与管板的焊脚高度按 GB151-1999 中5.8.3.2的规定，换热管与管板的拉脱力：， 设计合格。只管程设计压力，而壳程设计压力。管程设计压力 当量压力组合 有效压力组合边界效应压力组合边界效应力组合系数 管板边缘力矩系数 管板边缘剪切系数 管板总弯矩系数系数 系数 ，当时，按K和m，查GB151-1999 图31（a）实践得：=0.525，系数 , 当时，取与两者中的较大值管板布

12、管区的周边剪切应力系数：管板径向应力系数管板布管区周边处径向应力系数管板径向应力：， 设计合格。管板布管区周边处径向应力：， 设计合格。管板布管区的周边剪切应力：， 设计合格。壳程圆筒轴向应力：， 设计合格。换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力）：， 设计合格。换热管与管板的焊脚高度按 GB151-1999 中5.8.3.2的规定，换热管与管板的拉脱力：， 设计合格。换热管轴向应力其中 ，单根换热管面积，；，；，；三种工况下，校核成功，设计合理。 管子的固定目前广泛采用的管子与管板的连接方法有胀接与焊接两种，在高温高压时还常用胀焊结合的方法。换热器多采用焊接法，焊接法对板孔加工要求低，

13、加工简便，在高温下仍能保持连接紧密型。设计的最大压力为0.6,管板与换热管连接采用强度焊。法兰与平盖封头设计计算1 设计条件法兰：/4701-92 材料：法兰RF 500-0.6法兰外直径 法兰螺柱孔中心圆直径 法兰密封面尺寸 法兰厚度 螺柱：材料：O0Cr18Ni10公称直径 数量有效承载面积 垫片： /4704-92材料：耐酸石榴板尺寸：厚度：垫片接触面宽度基本密封宽度查GB150-1998 表9-1 得查GB150-1998 表9-2 得垫片系数 平盖厚度计算垫片压紧力作用中心圆直径当时螺柱载荷：由GB151-1999表47知预紧状态下需要的最小螺柱载荷：操作状态下需要的最小螺柱载荷：故

14、所需螺栓总横截面积 中的大者故， 实际使用螺栓总横截面积螺柱设计载荷预紧状态下螺柱设计载荷：操作状态下螺柱设计载荷：结构特征系数K；垫片压紧力的力臂操作时预紧时平盖中心处的挠度 平盖计算厚度：操作时预紧时平盖的计算厚度 平盖名义厚度 开孔补强设计GB150规定，当设计压力小于或者等于2.5MPa的壳体上开孔，两相连开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的2倍，接管公称外径小于或者等于89mm，无需另行补强。 无需另行补强的接管最小厚度 mm接管公称外径253235454857657689最小厚度3.5456开孔应力计算现象与原因：容器开孔后，一方面由于器壁材料被削弱，引起器壁强

15、度的减弱，另一方面由于结构的连续性被破坏，在开孔和接管处产生较大的附加弯曲应力，有时在接管上的外部载荷影响下，开孔和接管部位就形成压力容器的薄弱环节。局部应力的增长现象称应力集中，为了减少应力集中，容器开孔、接管处应进行补强。开孔补强后应力几种作用可以得到缓和。开孔补强的原则目前，各用的补强设计方法有所不同，所依据的原则也不同，主要有以下三种：等面积补强法以极限分析作为设计基础的补强法易安定性要求作为设计准则的补强方法等面积补强设计方法等面积补强设计方法我国设计规定采用开孔等面积补强的设计计算方法，它适用于钢制压力容器筒体、封头的开孔与其补强。本设计采用等面积补强法。1. 元件上开孔与补强圈的

16、结构要求壳体上的开孔应为圆形、椭圆形或长圆形。所有开孔应宜避开焊缝、开孔边缘与焊缝的距离，应大于三倍筒体或封头的实际壁厚。2. 补强面积的计算与补强圈设计设计压力：0.6MPa 设计温度：110母管： 径 名义厚度 接管 的补强计算径 名义厚度 厚度附加量： 母管 C 取 2mm 接管 C 取2mm材料：接管与筒体采用同样的材料16MnR 补强圈 同上相关系数： d开孔直径，强度削弱系数， ，当 焊接接头系数，取=0.85A 开孔削弱所需的补强面积B 补强有效宽度Pc 计算压力 母管开孔处的计算厚度e 母管开孔处的有效厚度， et 接管有效厚度， t 接管的计算厚度1）补强和补强方法的判别b5

17、40 MPa ，且 n 38mm, d =211mm Di /2=250mm所以可以用等面积法补强。2）开孔所需的补强面积（1） 设计温度下母管的计算厚度（2） 母管开孔所需补强面积3）有效补强围 （1） 有效宽度，在下式所计算值中取较大的值（2） 有效高度a.外侧有效高，在下式值中取较小的值b.侧有效高度，在下式值中取较小的值 （因为接管实际伸长度为0）4） 有效补强面积（1） 母管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积（2） 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积接管的计算厚度（3） 焊接金属的截面积（4） 补强面积5） 所需另行补强面积所以不需要另外加强。结论：补强满足要求，不需要另加补强。

18、接管 的补强计算 径 名义厚度 厚度附加量： 母管 C 取 2mm 接管 C 取2mm材料：接管与筒体采用同样的材料16MnR 补强圈 同上相关系数： d开孔直径，强度削弱系数， ，当 焊接接头系数，取=0.85A 开孔削弱所需的补强面积B 补强有效宽度Pc 计算压力 母管开孔处的计算厚度e 母管开孔处的有效厚度， et 接管有效厚度， t 接管的计算厚度1）补强和补强方法的判别b540 MPa ，且 n 38mm, d =150mm Di /2=400mm所以可以用等面积法补强。2）开孔所需的补强面积（1） 设计温度下母管的计算厚度（3） 母管开孔所需补强面积3）有效补强围 （1） 有效宽度

19、，在下式所计算值中取较大的值（2） 有效高度a.外侧有效高，在下式值中取较小的值b.侧有效高度，在下式值中取较小的值 （因为接管实际伸长度为0）5） 有效补强面积（2） 母管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积因为 ，且通过它的流体的设计温度为110C。该开孔无须另行补强。3）接管尺寸的开孔补强计算方式同上。，所以该开孔无须另行补强。接管的公称直径 表2.7换热器设计工艺条件接管表符号公称尺寸，mm用途a25排污口b25冷凝水出口c70二级蒸汽进气口d80蒸汽进口e20压力计口70，100蒸汽出口219鱼液进料口159鱼液出料口接管的壁厚确定 由公称直径可以查得相应的接管规格。选得 对于DN32

20、选取mm接管 对于DN25选取mm接管 对于DN80选取mm接管 对于DN20选取mm接管(3)、接管高度的确定 接管伸出壳体外壁的长度，主要考虑法兰形式，焊接操作条件，螺栓拆卸，有无保温层级保温层厚度等因素决定。一般最短应符合下式计算值： 式中h为接管法兰厚度，为接管法兰的螺母厚度，为保温层厚度，为接管安装高度。常见接管高度为150mm,200mm,250mm,300mm。 选定的接管高度见表2.8表2.8接管高度公称直径/mmDN 200DN80DN20接管高度/mm200150150支座、螺栓、螺母按1165-81悬挂式支座选用，公称直径DN=500800mm，至少安装两个支座。螺栓用钢

21、的使用状态与许用应力按GB150-98的规定。储罐设计与计算由于生产需要，工作介质为鱼液，无害介质，以与容器的使用条件经济性等考虑选用16MnR。本设计中的筒体按压力容器与化工设备使用手册条件进行选取。筒体材料：16MnR筒体径：mm查表4-1 ，110设计温度下的许用应力 查表 F1，110设计温度下屈服应力查表F5, 110金属温度下弹性模量 查表F6, 110金属温度下平均线性膨胀系数 mm/mm钢板负偏差C1=0.25mm腐蚀裕量 筒体厚度计算名义厚度计算根据GB150-1998 DN=800mm, 取圆筒的最小厚度为10mm，有效厚度 压力试验时应力校核压力试验类型：液压试验试验压力

22、值（GB150-1998，式3-3）：压力试验允许通过的应力水平：试验压力下圆筒的应力：校核条件： 合格压力与应力计算设计温度下计算应力按下式（GB150-1998，5-2）计算：设计温度下圆筒的计算应力， Mpa圆筒的有效厚度，mm设计温度下圆筒的最大许用工作压力按下式（GB150-1998，5-4）计算:圆筒的最大许用工作压力， Mpa结论：设计的筒体名义厚度大于或等于GB151 中所规定的最小厚度，表示设计合格。筒体高度按长径比进行选取。取筒体高度： 圆整后取封头设计封头设计原则上应根据封头在压作用下的应力分析以与与之相连的筒体的边缘应力分析进行强度校核。但实际上由于按应力分析进行设计十

23、分复杂，所以规定中对于仅受静载荷的一般封头，仅以运离封头地区的薄膜应力或弯曲应力进行分析加以限制。对于由于各种原因所引起的边缘应力，仅在结构形式上定性的加以限制，或在计算中直接引用某个参数，把按薄膜应力或弯曲应力求出的壁厚适当放大。封头厚度设计封头材料：16MnR 查表4-1 ，110设计温度下的许用应力 焊缝系数 = 0.85封头计算厚度按（GB150-1998，式 5-1）计算确定：式中：K -椭圆形封头形状系数，所以，封头设计厚度：考虑到圆筒的设计厚度为取封头的名义厚度 封头有效厚度：封头厚度校核椭圆形封头的最大允许工作压力按下式计算式中： t -设计温度下封头材料的许用应力，MPa；

24、-焊接接头系数；K -椭圆形封头形状系数，同上； -封头有效厚度，mm； -封头直径，mm；校核条件： 结论：合格因为， 满足稳定要求同理，下部管箱的封头和筒体的设计按3.1 和 3.2 的步骤设计和选取，其数据和3.1 3.2 一样接管的公称直径表 储罐设计工艺条件接管表符号公称尺寸，mm用途200鱼液蒸汽进料口150鱼液出料口mnh32料液进口k25 温度计口开孔补强设计GB150规定，当设计压力小于或者等于2.5MPa的壳体上开孔，两相连开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的2倍，接管公称外径小于或者等于89mm，无需另行补强。补强面积的计算与补强圈设计设计压力：0.6MPa 设计温度：110母管： 径 名义厚度 1）接管 的补强计算径 名义厚度 厚度附加量： 母管 C 取 2mm 接管 C 取2mm材料：接管与筒体采用同样的材料16MnR 补强圈 同上相关系数： d开孔直径，强度削弱系数， ，当33 / 33