【毕业学位论文】(Word原稿)黑液预热器的设计-轻化工程（制浆造纸和装备与控制）

南京林业大学 本科毕业设计（论文） 题 目： 黑液预热器的设计 学 院： 轻工科学与工程学院 专 业： 轻化工程（制浆造纸和装备与控制） 学 号： 080202511 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 二 O 一二年 五 月 南京林业大学本科毕业设计论文 I 摘 要 黑液是造纸工业中的主要污染源，采用碱回收工艺，即对黑液进行浓缩和燃烧，可以有效地解决这一问题，同时达到回收热能和黑液中碱的目的。一般在黑液进入蒸发器进行蒸发前都要进行预热，以缩小温差来提高蒸发的效率。黑液的预热通常采用固定管板式换热器，其具有单位体积传热面积大、结构紧凑、坚固、传热效果好、耐高温高压和生产能力大等特点。 本设计在充分了解黑液性质，黑液预热的过程以及固定管板式换热器的结构和性能的前提下，依据给定的设计 条件，从工艺计算开始，对预热器的传热及阻力性能进行了计算与校核；接着对预热器的筒体、管箱、管板、法兰等重要结构部件进行了计算与校核，并对黑液输送泵进行了选型；最后应用软件对预热器整体进行强度校核。整个设计过程可以为以后的设计和生产提供依据和参考。 关键词 ：黑液预热器 固定管板式换热器 工艺计算 结构设计 强度校核 南京林业大学本科毕业设计论文 he is a of in is of to it be to of is by as a In on of is to on of of is of is by 南京林业大学本科毕业设计论文 录 第一章 绪论 . - 1 - 第二章 工艺计算 . - 6 - 始数据 . - 6 - 液性质 . - 6 - 料与热量衡算 . - 7 - 效平均温差 . - 7 - 算传热面积 . - 8 - 程和壳程的结构设计 . - 8 - 程的结构设计 . - 8 - 程的结构设计 . - 9 - 热器传热系数和换热面积的核算 . - 13 - 热系数的核算 . - 13 - 热面积的校核 . - 14 - 程压力降 . - 14 - 程压降 . - 15 - 第三章 结构设计 . - 16 - 体的厚度 . - 16 - 箱的厚度 . - 17 - 头的厚度 . - 17 - 孔补强 . - 18 - 板的计算 . - 21 - 兰的计算 . - 35 - 箱法兰的计算 . - 35 - 法兰的计算 . - 41 - 压试验 . - 41 - 液输送泵的选型 . - 42 - 第四章 强度校核 . - 45 - 计计算条件 . - 45 - 南京林业大学本科毕业设计论文 端管箱筒体计算 . - 46 - 端管箱封头计算 . - 47 - 端管箱筒体计算 . - 48 - 端管箱封头计算 . - 49 - 体圆筒计算 . - 51 - 孔补强的计算 . - 52 - 板的计算 . - 59 - 箱法兰的计算 . - 68 - 第五章 总结 . - 71 - 致 谢 . - 72 - 参考文献 . - 73 - 附件 . - 74 - 南京林业大学本科毕业设计论文 - 1 - 第一章 绪论 制浆造纸工业是我国国民经济的重要产业之一，但是在工业水污染中 , 造纸黑液的污染却占有了很大的比重。以前只有少数生产规模较大的碱法制浆工厂用黑液浓缩及燃烧的方法回收碱 , 而许多年产量小于 5000 引起大范围污染 1 。黑液是造纸工业最主要的污染源 , 它含有 50% 的木质素 2。黑液是碱回收的原料，它是纤维原料经过硫酸盐法或烧碱法蒸煮，粗浆经过纸浆洗涤和黑液提取得到的废液，因为其颜色很深称为黑液。黑液是复杂的有机物和无机物的碱性溶液，它的化学成分是原料品种和蒸煮条件的函数。一般黑液固形物中有机物约占 65% 70%，无机 物占30% 35%。而木质素又是有机物中的重要成分，木质素具有很高的热值 , 可以作为生物燃料。 随着造纸业的飞速发展，黑液的碱回收也被绝大多数的公司所运用。目前，木浆黑液的碱回收率可高达 96%以上、热回收率可达 90%以上，再生的蒸煮液在不补充或少补充商品化学药品的情况下循环用于蒸煮过程，回收热能产生的蒸汽可以解决生产过程中许多地方的用汽需要。因此，在解决了黑液污染问题的同时，为生产企业创造了显著的经济效益 3。经过比较和实践检验，目前最为成熟和有效的方法仍然是传统的燃烧法。其主要的工艺过程包括：稀黑液蒸发 、浓黑液燃烧、绿液苛化和白泥回收 4。 1 稀黑液的蒸发，黑液蒸发的目的是提高黑液的浓度，以满足碱回收炉燃烧的要求。黑液蒸发一般有两种操作方式，一种是在蒸发工段一次就把稀黑液浓缩到入炉燃烧的浓度，这样在燃烧工段可以取消直接接触蒸发器，减少臭气污染，这是目前倾向采用的一种方法；另外一种就是黑液的蒸发分为两步完成。第一步是通过多效真空蒸发系统，利用蒸汽间接加热蒸发的方法，去掉黑液中的大部分水分，使蒸发后黑液浓度不超过 40% 55%；第二步是通过直接蒸发设备，利用碱回收炉尾部烟气直接加热增浓的方法，使黑液浓度达到进 炉燃烧的要求，木浆黑液一般为 60% 65%，草浆黑液一般为 50% 55%。这样操作的优点是可减少间接蒸发的蒸汽消耗量，又大大减少了间接蒸发高浓度黑液时的困难，同时还可以吸附、净化烟气中的粉尘。但是利用烟气直接蒸发黑液时，排入大气的烟气中 南京林业大学本科毕业设计论文 - 2 - 硫化氢等有害气体大为增加。受到环境保护条例的限制，这种方式将趋于淘汰。 2 浓黑液的燃烧，黑液的燃烧虽然与其他燃料的燃烧有许多类似的地方，但在碱回收炉内，工艺过程的化学反应比较复杂。除了一般劣质燃料的元素如碳、氢、氧之外，黑液还含有相当多的碱（钠和钾）和硫。燃烧产物不仅有二氧化碳和水蒸气，也包括回收的制浆蒸煮化学药品，如碳酸钠和硫化钠。重要的化学反应包括硫酸钠还原、烟雾粒子的形成、硫的释放和回收反应。燃烧产生的热量又可以供给其他车间使用 . 3 绿液的苛化 ,燃烧黑液产生的无机熔融物溶解于稀白液或水中，形成的溶液由于含有少量的氢氧化铁而呈绿色，称为绿液。将石灰加入绿液中，使绿液中的碳酸钠转化为氢氧化钠的过程称为苛化。 4 白泥的回收，苛化后的白液经过澄清后将白泥回收的以便再次利用。 一般稀黑液在进入蒸发系统前或黑液由后边的蒸发效进入前边的蒸发效之前要经过黑液预热器。原因有： 预热进效前的黑液。 由于制浆提取黑液的设备和工艺条件不同，稀黑液温度差别很大。木浆厂黑液温度一般不超过 7580 ，草类浆厂黑液可能更低一些。同时经过一定储存时间后，稀黑液温度更有所降低。根据蒸发采用的黑液流程，如果进效黑夜温度与该效黑液沸腾温度相差太大时，特别对于升膜蒸发器来说，必须使用黑液预热器。 预热低温效进入高温效前的黑液。采用混流或逆流供液流程时为把黑液加热至接近高温效工作压力下的沸点的温度，黑液预热器一般是必不可少的设备。黑液预热器目前多采用列管式预热器 5。列管式黑液预热器分为卧式和立式两种，两种形式中又有单程 式和多程式之分。卧式预热器的预热效果较好，主要缺点是结构不紧凑，热损失大，占地面积较大，维修不便。立式预热器一般多为多程式，这种预热器基本上克服了卧式的缺点，中、小型厂多采用这种形式，加热面积一般为 2055 。大型厂也有采用加热面积为 100 的 6。 列管式换热器主要有壳体、管板、管束、管箱和封头等部件组成。管束平行装于圆筒形的壳体内，管束的两端分别固定在管板上。换热器在进行热交换时，一种流体由管箱接管处进入，经由管内流动，称为管程；另一种流体在管束和壳体间的空隙内流动，称为壳程。根据热补偿方式的不同， 管板的形式不同，列管式换热器可分为三种类型：固定管板式，浮头式和 U 形管式。在设计过程中，应该根据具体的生产条件，如流体的温度和压力、管程和壳程的温度差、换热器 南京林业大学本科毕业设计论文 - 3 - 的热负荷、检修清洗的要求等，对照以上各类换热器的特点，确定选用哪一种类型的列管换热器。本处选用固定管板式换热器。 固定管板式换热器的设计一般包括工艺设计和结构设计等。工艺设计一般包括传热设计和压降（流动）设计，传热设计尤为复杂。在换热器的设计和选型中，工艺流体（被处理物料）的用量和进、出口温度是由工艺要求所规定的，另一种流体即加热剂或冷却剂的进口温度， 一般由来源而定，但它的用量或出口温度则由设计者选定。用量的大小，将直接影响加热剂或冷却剂的出口温度以及换热器传热面积的大小，因此需慎重选择 7。目前常用的工艺设计的方法有 8： 9（主要特点：讲设计作为一个整体问题来处理。即除传热问题外，还同时考虑壳程 垢及结构等问题它还包括管程及壳程的冷凝和沸腾的内容 。 ）、 10（主要特点：是利用大量的实验数据 ,引入各流路的校正系数 ,是一种半理论方法。）以及流路分析法 11（主要特点：不仅可以计算出各流路 条件发生变化时的壳程压降 ,而且可以定量计算出各流路之间的流量分配 ,从而使设计者能够更好地分析问题和采取合理措施。）并且我们在流体流径的选择过程中还应该遵循如下的原则： 为管内清洗比较方便。 免壳体和管子同时受到腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。 便于及时排除冷凝液，且蒸汽较为洁净，它对清洗无要求。 泄露机会较少。 利用外 壳向外的散热作用，增强冷却效果。 流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断变化，在低 （ 100）下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 两流体的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与 大的流体温度相近，可以减少热应力 12。在结构设计中，材料的选用，流体流动阻力的计算，各部分强度的校核都必须按照相关规定严格进行 。 随着人们对传热效率的不断追求，各种强化传热的方法因运而生。所谓强化传热过程，就是指提高冷热体 间的传热效率。从传热速率方程 不难看出，增大总传热系数 K 、传热面积 S 和平均温度差 都可提高传热速率 Q 。 在换热器的设计和生产操作中，或在换热器的改进开发中，大多数从这三方面来考虑强化传热过程的途径。 南京林业大学本科毕业设计论文 - 4 - 1) 增大平均温度差 平均温度差的大小取决于两流体的温度条件和两流体在换热器中的流动形式。一般来说流体的温度由生产工艺条件所规定，因此 可变动的范围是有限的。但是在某些场合采用加热或冷却介质，这时因所选介质的不同，它们的温度可以有很大的差别。例如，在化工厂 中常用的饱和水蒸气，若提高蒸汽的压强就可以提高蒸汽的温度，从而增大平均温差。 2） 增大传热面积 S 增大传热面积，可以提高换热器的传热效率。但是增大传热面积不能依靠增大换热器的尺寸来实现，从而改进设备的结构入手，即提高单位体积的传热面积。工业上主要采用如下方法。 (1) 翅化面 用翅片来增大传热面积，并加剧流体的湍动，以提高传热速率。 (2) 异 型 便面 将传热面制造成各种凹凸形、波纹形、扁平状等，板式换热器属于此类。 (3) 多孔物质结构 将细小的金属颗粒涂结于传热表面，可增大传热面积。 (4) 采用小直径传热管 在管壳式换热器中采用小直径管，可增加单位体积的传热面积。 3） 增大总传热系数 K 从总传热系数公式可见，欲提高换热器的总传热系数，就须减小管壁两侧的对流传热热阻、污垢热阻和管壁热阻。但因各项热阻在总热阻中所占比例不同，应设法减少对 K 值影响较大的热阻 ，才能有效地提高 K 值。一般有如下方法： (1) 提高流体的流速 在管壳式换热器中增加管程数和壳程的挡板数，可提高换热器管程和壳程的流速。由于流速增大，加剧了流体的湍动程度，可减少传热边界层中层流内层的厚度，提高对流传热系数，减少对流传热热阻。 (2) 增强流体的扰动 由于流体的扰动，使层流内层减薄，可提高对流传热系数，减少对流传热热阻。 (3) 在流体中加固体颗粒 固体颗粒的加入产生了扰动作用，对流传热系数增大，减少了对 流传热热阻。同时由于颗粒不断地冲刷壁面，减轻了污垢的形成，使污垢热阻降低。 南京林业大学本科毕业设计论文 - 5 - (4) 采用短管换热器 由于流动进口段对传热的影响，即在进口处附近层流内层很薄，故采用短管可提高对流传热系数。 (5) 防止垢层形成和及时清除垢层 增加流体的速度和加剧流体的扰动，可防止垢层的形成；让易结垢的流体在管程流动或采用可拆式换热器结构，便于清除垢层；采用机械或化学的方法，定期进行清垢。 应予指出，强化传热过程要权衡利弊，综合考虑。如提高流速和增强流体扰 动，可强化传热，但都伴随有流动阻力的增加，或使设备结构复杂、清洗及 检修困难等。因此，对实际的传热过程，要对设备结构、动力消耗、运行维修等方面予全面考虑，选用经济而合理的强化方法 12。 南京林业大学本科毕业设计论文 - 6 - 第二章 工艺计算 始数据 温度： 62 84 浓度： 95 ) 性质：马尾松（ ） 处理量： 1200 绝干物）固形物 24 蒸汽：饱和蒸汽 压） 液性质 13 1. 黑液的平均温度： t=28462=73 2. 黑液的固形物含量： 73 的波美度 3)=5) t 15)=0 的波美度 0)=5) 以黑液固形物含量为 3. 黑液的比热：黑液的比热随黑液中固形物含量的增加而下降，在 100 范围内 黑液的比热随温度变化很小。 p 固 C 1 C)=J ( 固形物的比热容取 J ) 4. 黑液的密度： 黑液 =5. 黑 液 的 传 热 系 数 0 0 得出 =2 6. 黑液的粘度： 黑液 =0-3 s 南京林业大学本科毕业设计论文 - 7 - 料与热量衡算 黑液的总量： W=T 41000W=394012.5 kg/s 处理黑液所需要的总热量为 9414.7 kJ/s 根据黑液的性质和蒸汽的性质，决定黑液走管程，蒸 汽走壳程。 若热损失取所需热量的 5% 即 70.7 kJ/s 则 所需的总热量为： 1+885.4 kJ/s 压换算成绝对压强为 化工原理 蒸汽温度为： 132 汽化热： r=2173.1 kJ/ 密度 蒸汽 = 该温度下水的密度为： 水 = 若 进口为饱和蒸汽，出口为饱和水，则蒸汽的用量： 3kg/s 蒸汽的体积流量为： 汽3m=m3/s 冷却水的体积流量：水33 =m3/s 黑液的体积流量黑液3600V =效平均温差 热流体的进口温度： 32 热流体的出口温度： 32 冷流体的进口温度： 2 冷流体的出口温度： 4 逆流方式的平均温差 ： )()()(11221122 = 对于错流热交换器： t 南京林业大学本科毕业设计论文 - 8 - t=（ R,P） 系数： R=冷流体的温升热流体的温降=0 系数： P=两流体的初始温差 冷流体的温升=据公式 14： = 1 1)11(2)11(2 所以得到： 算传热面积 根据壳程走蒸汽，管程走黑液初选总传热系数： K=700 CW/m 2 则传热面积： A=m 程和壳程的结构设计 程的结构设计 管径的确定：现有 25192规格， 为了强化传热先取192 单程管数： n= 2 根据经验值管程流速取： =1.5 则 n=386 根 管长的确定： L= =前所采用的换热管的长度和壳体的直径之比，一般在 425 之间，通常为 610，立式热交换器，其值为 4荐的管子的长度为： 1000、 1500、 2000、 南京林业大学本科毕业设计论文 - 9 - 2500、 3000、 4500、 6000、 7500、 9000、 12000 等。因此如果按上式计算，管长过长时，就应作多管程热交换器 14。现取管长为 3000 则管程数： Z= 总管数为： =1584 根 程的结构设计 1 管子在管板上的固定 管子在管板上的固定一般有焊接法和胀接法。焊接法在高温下仍能保持紧密性，对管板孔的 加工要求较低，同时比胀接法操作简单。所以此处选择焊接法。 2 管子在管板上的排列 一般管子的排列有正方形和正三角形排列，为了保证设备的体积紧凑，以便减少管板和壳体的直径并使管外空间流通截面积减小，以便提高管外流体的流速，增加传热效率。此处排列方式选取等边三角形排列。 按等边三角形排列是，流体流动方向与三角形的一条边垂直，最内层六边形的边长等于 当层数 a6 时，则在这些弓形部分也应排列管子，这时最外层管子的中心不应超出最大六边形的外接圆。 3 管间距的确定 根据 24表 12 的规定 最小管间距为： S=25 分程隔板槽两侧管中心距： 8 壳体内直径的确定： 2)1b(其中： s 为管间距根据管子的直径一般管间距最小取 s=25mm b 为管束中心线上排管的管数： b=4 根 b =以 127 布管限定圆 根据 25规定布管限定圆直径 1 21107 南京林业大学本科毕业设计论文 - 10 - 其中3小为 10 最终布管结果为 1616 根管子 6 分程隔板 在管箱内安装分程隔板是为了将热交换器的管程分程若干流程。流程的组织应注意每一管程的管子数大致相等。分程隔板的形状应力求简单，并使密封长度尽可能短。根据 规定所采用的程数有 1、 2、 4、 6、 8、 10、 12 等七种管程数，下图管程布置的一些例子。 图 2程隔板样式 因为本换热器是 4 管程，所以可选择图中 4（丁字形）的排列方式。 7 管板 管板是管壳式换热器的关键零件之一，常用的均为圆形平板。它的合理设计，对于节省材料和加工制造都有重要的意义。 管 板和壳体的连接分为可拆和不可拆两种。固定管板式热交换器一般采用不可拆连接，两端的管板直接焊于外壳上并延伸到壳体周围之外兼作法兰。如图 2板的受力情况比较复杂，影响管板的强度的因素很多，因而管板的分析和计算公式相当繁复。由于采用的简化假定各不相同，与管板真实的受力情况有程度不同的差别，以致在同样的条件下用各国规范计算公式得出的厚度差别也比较大。我国的计算方法，已在 规定。 南京林业大学本科毕业设计论文 - 11 - 图 2板兼作法兰 8 折流板 为提高流体的流速和湍流程度，强化壳程流体的传热，在管外空间常装设纵向隔板或折流板。 折流板除了使流体横过管束流动外，还有支持管束、防止管束振动和弯曲的作用。它的装设不如纵向隔板那么困难，而且装设后可使流体横过管束流动，故此获得普遍应用。 折流板的常用形式有：弓形折流板、盘环形折流板、扇形折流板、管孔形折流板等。如图 2示： 图 2流板 在弓形折流板中，流体流动中的死角较小，结构也简单，因而用的很多。弓形折流板在卧式换热器中的排列分为缺口上下方向交替排列和缺口左右方向交替排列两种。当壳程是气液相共存时宜用缺口左右方向交替排列的形式。 弓形折流板的缺口和板间距的大 小是影响传热效果和压降的两个重要的因 南京林业大学本科毕业设计论文 - 12 - 素，缺口的大小是按切去的弓形弦高占壳体内径的百分比来确定的。缺口弦高一般为热交换器公称直径的 20%25%，尤以 25%用的最普遍。此换热器取弦高25%。 弓形折流板的间接一般不应小于圆筒内径的 1/5，且不小于 10大不超过 1500不超过圆筒内径。两块管板与端部两块折流板的距离通常大于中间一些折流板的距离，以便为壳程进出口提供额外空间。中间折流板，除有特殊要求外，一般在管子的有效长度上作等距布置。 根据 规定，取折流板厚度为 12流板间距 为 3008 块折流板，离管板距离为 385 9 拉杆 根据 表 2杆尺寸 得到拉杆直接为 12杆数量为 12 根。 10 进出口管径的确定 其中： V 为体积流量 为接管中流体的流速 流体流速的经验值：对于液体一般在 .5 对于气体一般在 20100 所以壳程进口 d= 壳程出口 d=管程进口 d= 管程出口 d=025m 南京林业大学本科毕业设计论文 - 13 - 热器传热系数和换热面积的核算 热系数的核算 15 一般规定传热面积以传热管外表面积为准： 1 壳程流体的传热膜系数0壳程雷诺数 =s = =0s 所以 汽的参数 :量直径 蒸汽 = w=0s 根据公式： ).(/W 2 根据化工原理课程设计 1的： 管外侧污垢热阻： m 管内侧污垢热阻： m 3 管程流体的传热膜系数 i 管 程 雷 诺 数 =s = =0s 所以 据公式： 得 i =).(/W 南京林业大学本科毕业设计论文 - 14 - 根据上述结果得： K=748 C).(/W 热面积的校核 所需的传热面积：A=228.6 际传热面积： 30 1 1 6 A =289.2 设计的面积裕度为：89 100%= 符合要求。 程压力降 管程压力降又下列三部分组成： 1 直管阻力 = 2为相对粗糙度 查化工原理上册 1绝对粗糙度 = 则相对粗糙度d= 查化工原理上册 1： =以 =a 2 局部阻力 = 22i 其中 为局部阻力系数，对于多管程 =34 取 =4 所以 =a 3 流体通过进出口接管时的阻力 = 所以 =a 南京林业大学本科毕业设计论文 - 15 - 管程的总压降 其中： 得 92327 程压降 15 这里采用埃索公司的计算式： 其中： 1 流体横过两折流板之间的管束时的阻力降 2 流体流过折流板缺口的阻力降 壳程结构阻力校正系数，对气体 21200 其中： F 管子排列方式对压降的校正系数，对于正三角形， F= 壳程摩擦因数 当 500 时 0= R=N 折流板数 8 管束中心线上管排的管数 cn=b=44 B 壳程流体通过折流板缺口时的流速 B = 其中： 为 流 体 通 过 折 流 板 缺 口 时 的 流 通 面 积 ， 20w2 K = 折流板缺口的管子数 53 所以 m 则 B =综上所述：1a 2a 则 276