内强制循环蒸发器的强度校核和结构设计设计.doc

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书

毕业设计（论文）

内强制循环蒸发器的强度校核和结构设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明
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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
—钢板标准常温屈服点（或0.2%屈服度），
—钢材在设计温度下的屈服点（或0.2%屈服度），
—设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力，
—钢板标准抗拉强度下限值，
—试验压力下圆筒的应力，
—厚度附加值，
—钢板厚度负偏差，
—腐蚀裕量，
—设计温度，℃
—设计压力，
—试验压力，
—许用外压力，
—计算压力，
—圆筒或球壳的内直径，
—圆筒或球壳的外直径，
—圆筒或球壳的计算厚度，
—圆筒或球壳的有效厚度，
—圆筒或球壳的名义厚度，
—圆筒或球壳的设计厚度，
—焊接接头系数
—壳程圆筒内直径横截面积，
—隔板槽面积，
—管板开孔后面积，
—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，
—壳体法兰或管箱法兰的宽度
—系数
—系数
—壳体法兰或管箱法兰外直径，
—管板布管区的当量直径，
—换热管外径，（第二章）
—壳体法兰材料的弹性模量，
—管箱法兰材料的弹性模量，
—管箱圆筒材料的弹性模量，
—管板材料的弹性模量，
—壳程圆筒材料的弹性模量，
—换热管的弹性模量，
—系数
—系数
—系数
—系数
—系数
—换热管加强系数
—波形膨胀节刚度，/
—壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数，
—管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数，
—旋转刚度参数，
—旋转刚度无量纲参数
—管束模数，
—管板周边不布管区无量纲宽度
—换热管有效长度，
—换热管与管板胀接长度或焊脚高度，
—管板边缘力矩系数
—管板总弯矩系数
—边界效应压力组合系数
—基本法兰力矩，/
—基本法兰力矩系数
—管程压力操作工况下的法兰力矩，/
—管程压力操作工况下的法兰力矩系数
—换热管根数
—有效压力组合，
—边界效应压力组合，
—当量压力组合，
—壳程设计压力，
—管程设计压力，
—换热管束与管板连接的拉脱力，
—许用拉脱力，
—换热管中心距，
—制造环境温度，℃
—沿长度平均的壳程圆筒金属温度，℃
—沿长度平均的换热管金属温度，℃
—管板边缘剪切系数
—壳程圆筒材料线膨胀系数，
—换热管材料线膨胀系数，
—系数
—换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差
—管板计算厚度，（第二章）
—壳程圆筒厚度，
—换热管壁厚，
—壳体法兰厚度，
—管箱法兰厚度，
—管箱圆筒厚度，
—管板刚度削弱系数
—系数
—管板强度削弱系数
—管板布管区的当量直径与壳程圆筒内径之比
—系数
—系数
—壳程圆筒轴向应力，
—壳程法兰应力，
—管板径向应力，
—管板布管区周边处的径向应力，
—管板径向应力系数
—管板布管区周边处的径向应力系数
—换热管径向应力，（第二章）
—在设计温度时，壳程圆筒材料的许用应力，
—换热管稳定许用应力，
—壳体法兰许用应力，
—在设计温度时，管板材料的许用应力，
—在设计温度时，换热管材料的许用应力，
—系数
—管板布管区周边剪切应力，
—管板布管区周边剪切应力系数，
—系数
—系数
—开孔削弱所需的补强截面积，
—补强有效宽度，
—开孔直径，
—强度削弱系数
—接管外侧有效补强高度，
—接管内侧有效补强高度，
—接管有效厚度，
—接管名义厚度，
—预紧状态下，需要的最小螺栓总面积，
—实际使用螺栓总截面积，
—需要螺栓总面积，
—操作状态下，需要螺栓总截面积，
—垫片有效密封宽度，
—垫片基本密封宽度，
—螺栓中心圆直径，
—垫片压紧力作用中心圆直径，
—预紧状态下，需要的最小垫片压紧力，
—作用于法兰内径截面上的流体压力引起的轴向力，
—窄面法兰垫片压紧力，
—螺栓中心至作用位置的径向距离，
—螺栓中心至作用位置的径向距离，
—螺栓中心至作用位置的径向距离，
—法兰预紧力矩，
—法兰操作力矩，
—垫片接触宽度，
—螺栓数量
—预紧状态下，需要的最小螺栓载荷，
—操作状态下，需要的最小螺栓载荷，
—系数
—垫片比压力
—螺栓设计载荷，
— 轴及大带轮的总重，mm（第三章）
—计算中心距，mm
—初定中心距，mm
—带轮宽，mm
—径向额定载荷，N
—轴向额定载荷，N
—额定静载荷，N
—电机伸出轴径，mm
—圆整后轴径，mm
—小带轮基准直径，mm
—大带轮基准直径，mm
—电机轴外伸长度，mm
—带轮槽间距，mm
—单根V带所需预紧力，N
—作用在轴上压轴力，N
—径向载荷，N
—轴向载荷，N
—载荷系数
—温度系数
—重力加速度
—基准线上槽深，mm
—基准线下槽深，mm
—实际传动比
—带所需的基准长度， mm
—轴承寿命
—预期计算说明
—轴上作用的扭矩，N•m
—搅拌轴转速，r/min
—小带轮转速，r/min
—大带轮转速，r/min
—工作情况系数
—包角系数
—长度系数
—额定功率，kw
—计算功率，kw
—单根V带的额定功率增量，kw
—单根V带的额定功率增量，kw
—搅拌轴传递功率，kw
—V带单位长度质量，kg/m
—带的速度，m/s
—轴的体积，m3
—大带轮体积，m3
—抗扭截面系数，mm3
—胶带根数
—主带轮上的包角
—抗拉强度极限，MPa
—屈服强度极限，MPa
—弯曲强度极限，MPa
—剪切强度极限，MPa
—许用弯曲应力，MPa
—截面上最大剪应力，MPa
—除纸后的扭转作用剪应力，MPa
—扭转切应力，MPa
—轴所受的扭矩，N·mm
—许用扭转切应力，MPa
—轴扭转变形的扭转角，（°）/mm
—切变模量，MPa
—截面的惯性矩，mm4
—许用比扭转角，（°）/mm
—电动机效率
—带传动效率
—轮槽角
—外径，mm
—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 =235MPa =113 MPa =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×Per=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：Pc=P+ P静=0.484+0.074=0.558 MPa
设计温度：T=160℃
筒体内径：Di=2000mm
焊接接头系数：φ=1
钢板负偏差：C1=0.6mm
腐蚀裕量：C2=1mm
3、集盐室筒体壁厚计算(Di=1800mm)
mm
厚度附加量：C=0.6+1=1.6mm
计算厚度：mm
名义厚度：mm
由钢材的标准规格，名义厚度圆整后取10mm
∴有效厚度：
4、 对于外压圆筒稳定性校核
a) 假设名义厚度，，，
b) 查GB150-1998图6-2，由和查得A=0.0006
c) 根据圆筒材料，由图6-3查得B=84 MPa
d) 计算许用外压

5、集盐室下筒体厚度计算（Di=500mm）

计算厚度：
名义厚度：
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 =235MPa =113 MPa =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×Per=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：Pc=P+ P静=0.352+0.074=0.426 MPa
设计温度：T=200℃
筒体内径：Di=2000mm
焊接接头系数：φ=1
钢板负偏差：C1=0.6mm
腐蚀裕量：C2=3mm
3、筒体壁厚计算(Di=2000mm)

厚度附加量：C=0.6+3=3.6mm
计算厚度：
名义厚度：
由钢材的标准规格，名义厚度圆整后取10mm
4、 对于外压圆筒稳定性校核
e) 假设名义厚度，，，
f) 查GB150-1998图6-2，由和查得A=0.0004
g) 根据圆筒材料，由图6-3查得B=55MPa
计算许用外压:
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。
三、锥体的设计
1、蒸发室上锥壳
此锥壳采用半顶角α=60°，折边结构
相关参数：设计压力：P=1.1×Per=1.1×0.32=0.352 MPa
液柱静压力：P静=ρgh=1000×9.8×7.587=0.074 MPa
计算压力：Pc=P+ P静=0.352+0.074=0.426 MPa
焊接接头系数：φ=1
⑴上锥壳大端的设计

查GB150-1998 图7-11 大端需要采用折边设计
过渡段厚度（取折边大端的过渡段转角半径为100mm）
由于
查GB150-1998 图7-4 得 K=1.3567

与过渡段相接处的锥壳厚度：

综上取大者，锥壳名义厚度为
由钢材的标准规格，锥壳大端名义厚度圆整后取12mm
⑵上锥壳小端的设计
根据条件，小端可采用带折边结构。

过渡段厚度（取折边大端的过渡段转角半径为80mm）
由于
查GB150-1998 图7-4 得 K=1.35

与过渡段相接处的锥壳厚度：

综上取大者，锥壳名义厚度为
由钢材的标准规格，锥壳名义厚度圆整后取10mm
2、蒸发室下锥壳
此锥壳采用半顶角α=30°，无折边结构
相关参数：设计压力：P=1.1×Per=1.1×0.32=0.352 MPa
液柱静压力：P静=ρgh=1000×9.8×7.587=0.074 MPa
计算压力：Pc=P+ P静=0.352+0.074=0.426 MPa
焊接接头系数：φ=1
⑴锥壳厚度
锥壳大端转角半径：ri =Di×10％=2000×0.1=200mm
锥壳大端计算内径：

名义厚度为
由钢材的标准规格，名义厚度圆整后取10mm

锥壳大端：
查GB150-1998 图7-11 得 此锥壳大端需要增加强厚度，应在锥壳和筒体之间设置加强段，锥壳加强段和筒体加强段应具有相同厚度。
查GB150-1998 图7-14 得 Q=1.44

锥壳小端
查GB150-1998 图7-11 得 此锥壳大端需要增加强厚度，应在锥壳和筒体之间设置加强段，锥壳加强段和筒体加强段应具有相同厚度。
查GB150-1998 图7-14 得 Q=2.5

综上取大者，锥壳名义厚度为
由钢材的标准规格，名义厚度圆整后取14mm
3、集盐室上锥体
①此锥壳采用半顶角α=23°，无折边结构
相关参数：设计压力：P=1.1×Per=1.1×0.44=0.484MPa
计算压力：Pc=P+ P静=0.484+0.074=0.558 MPa
焊接接头系数：φ=1
② 锥壳厚度
锥壳大端转角半径：ri =Di×10％=1800×0.1=180mm
锥壳大端计算内径：

名义厚度为
由钢材的标准规格，名义厚度圆整后取10mm
锥壳大端：
查GB150-1998 图7-11 得 此锥壳大端需要增加强厚度，应在锥壳和筒体之间设置加强段，锥壳加强段和筒体加强段应具有相同厚度。
查GB150-1998 图7-12 得 Q=1.44

锥壳小端
查GB150-1998 图7-13 得 此锥壳大端需要增加强厚度，应在锥壳和筒体之间设置加强段，锥壳加强段和筒体加强段应具有相同厚度。
查GB150-1998 图7-14 得 Q=2.5

综上取大者，锥壳名义厚度为
由钢材的标准规格，名义厚度圆整后取10mm
H=0.866Di=0.866×1800=1558.8mm=1.558m
Fi=1.571Di2=1.571×18002=5.09m2
V=0.2267Di=0.2267×18003=1.322 m3
G=12.331(Di+δn)2δn×10-3=403.976kg
4、集盐室下锥体
①此锥壳采用半顶角α=23°，无折边结构
相关参数：设计压力：P=1.1×Per=1.1×0.44=0.484MPa
计算压力：Pc=P+ P静=0.484+0.074=0.558 MPa
焊接接头系数：φ=1
②锥壳厚度
锥壳大端转角半径：ri =Di×10％=500×0.1=50mm
锥壳大端计算内径：

名义厚度为
由钢材的标准规格，名义厚度圆整后取8mm
锥壳大端：
查GB150-1998 图7-11 得 此锥壳大端需要增加强厚度，应在锥壳和筒体之间设置加强段，锥壳加强段和筒体加强段应具有相同厚度。
查GB150-1998 图7-12 得 Q=1.37

锥壳小端
查GB150-1998 图7-13 得 此锥壳大端需要增加强厚度，应在锥壳和筒体之间设置加强段，锥壳加强段和筒体加强段应具有相同厚度。
查GB150-1998 图7-14 得 Q=2.4

综上取大者，锥壳名义厚度为
由钢材的标准规格，名义厚度圆整后取8mm
四、水压试验校核
1、水压试验目的
除材料本身的缺陷外，容器在制造和使用的过程中会产生各种缺陷。为考虑缺陷对压力容器安全性的影响，压力容器制造完毕后或定期检验时，都要进行压力试验。对于内压容器，耐压试验的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄露，检验密封结构的密封性能。
2、水压试验校核
⑴蒸发室

P是设计压力：0.352MPa
[σ]=[σ]t=113 MPa
应力校核：

有效厚度：
0.9Φσs=0.9×1×235=221.5MPa
σT＜0.9Φσs
∴水压试验合格。
为了保险起见，用最大允许工作压力进行校核。

σT＜0.9Φσs
∴水压试验合格。
⑵集盐室上端水压试验

P是设计压力：0.484MPa
[σ]=[σ]t=113 MPa
应力校核：

有效厚度：
0.9Φσs=0.9×1×235=221.5MPa
σT＜0.9Φσs
∴水压试验合格。
为了保险起见，用最大允许工作压力进行校核。

σT＜0.9Φσs
∴水压试验合格。
⑶集盐室下端水压试验

P是设计压力：0.484MPa
[σ]=[σ]t=113 MPa
应力校核：

有效厚度：
0.9Φσs=0.9×1×235=221.5MPa
σT＜0.9Φσs
∴水压试验合格。
为了保险起见，用最大允许工作压力进行校核。

σT＜0.9Φσs
∴水压试验合格。
五、开孔补强
1、开孔补强设计准则
由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。开孔以后除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全性带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。
圆筒上开孔的限制：当其直径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤Di，且d≤520mm，当其直径D＞1500时，开孔最大直径d≤Di，且d≤1000mm.
2、转料口补强计算（ａ接管）
⑴相关参数
计算压力： Pc=0.558mm
接管材料许用应力：[σ]nt=130MPa
公称直径： DN=100mm
接管尺寸： Φ108×4
钢管材料： 20钢
焊接接头系数： φ=0.85
内径： di=92mm
厚度附加量： C=1.6
⑵开孔补强判断
根据GB150-1998规定，允许不另行补强的最大接管外径为89mm，本开孔直径为108mm故需另行补强。
⑶在筒体上设置Φ108×4的接管
开孔直径：d= di+2C=92+2×1.6=95.2mm
本筒体开孔直径：d=0.5Di=0.5×500=250mm≥95.2mm,满足等面积开孔补强的使用条件，故采用等面积法进行开孔补强计算。
⑷开孔补强所需面积
筒体计算厚度 ：

开孔所需补强面积δet=δn-C=4-1.6=2.4mm，强度削弱系数fr=1，接管材料为20钢，其许用应力为[σ]=130MPa。
A=dδ+2δnδet (1-fr)=95.2×1.24+0=118.05mm2
⑸有效补强范围
有效宽度: B=2d=2×95.2=190.4mm
B=d+2δn+2δnt=95.2+2×8+2×4=214.4mm
取大值B=190.4mm
有效高度 外侧有效高度:

取小值B=19.5mm
内侧有效高度:

取小值B=19.5mm

⑹筒体多余金属面积
筒体有效厚度δe=δn-C=8-1.6=6.4mm
A1=(B+d)(δe+δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)
= (190.4-95.2)(6.4-1.24)-0=491.2mm2
⑺接管多余金属面积
接管计算厚度：

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-C2)fr
=2×19.5×(2.4-0.23)×1+2×19.5×(2.4-1)×1=139.23mm
⑻接管焊（脚）接面积(焊脚取10mm):
A3=2×0.5×10×10=100mm2
⑼有效补强面积
Ae=A1+A2+A3=491.2+139.23+100=730.43 mm2
因为所需另行补强面积 A4=A-( A1+A2+A3) =118.05-730.43＜0
所以不需要补强
Ⅱ-Ⅳ效进料口（b管）、 放气孔（m管）、 出料口（v管）、 开孔补强同上。
3、冷凝水出口（d接管）
⑴相关参数
公称直径： DN=70mm
接管尺寸： Φ76×4
钢管材料： 20钢
⑵补强判断
壳体开孔满足下述全部条件时，可不另行补强：
① 设计压力P≤2.5MPa；
② 两相邻开孔中心间距大于两孔直径之和的两倍；
③ 接管公称外径DN≤89mm。
则此开孔可不另行补强。
4、人孔（h管）
⑴相关参数
计算压力： Pc=0.426mm
接管材料许用应力：[σ]nt=130MPa
公称直径： DN=500mm
接管尺寸： Φ530×10
钢管材料： 20钢
焊接接头系数： φ=0.85
内径： di=510mm
厚度附加量： C=3.6
⑵开孔补强判断
根据GB150-1998规定，允许不另行补强的最大接管外径为89mm，本开孔直径为530mm故需另行补强。
⑶在筒体上设置Φ530×10的接管
开孔直径：d= di+2C=510+2×3.6=517.2mm
本筒体开孔直径：d=0.5Di=0.5×2000=1000mm≥517.2mm,满足等面积开孔补强的使用条件，故采用等面积法进行开孔补强计算。
⑷开孔补强所需面积
筒体计算厚度 ：

开孔所需补强面积δet=δn-C=10-3.6=6.4mm，强度削弱系数fr=1，接管材料为20钢，其许用应力为[σ]=130MPa。
A=dδ+2δnδet (1-fr)=517.2×3.78+0=1955.016mm2
⑸有效补强范围
有效宽度: B=2d=2×517.2=1034.4mm
B=d+2δn+2δnt=517.2+2×10+2×10=557.2mm
取大值B=1034.4mm
有效高度 外侧有效高度:

取小值B=71.92mm
内侧有效高度:

取小值B=0mm
⑹筒体多余金属面积
筒体有效厚度δe=δn-C=10-3.6=6.4mm
A1=(B+d)(δe+δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)
= (1034.4-517.2)(6.4-3.78)-0=1458.504mm2
⑺接管多余金属面积
接管计算厚度：

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-C2)fr
=2×71.92×(6.4-0.96)×1+0=811.26mm2
⑻接管焊（脚）接面积(焊脚取10mm): A3=2×0.5×10×10=100mm2
⑼有效补强面积Ae=A1+A2+A3=1458.504+811.26+100=2369.76 mm2
因为所需另行补强面积 A4=A-( A1+A2+A3) =1955.016-2369.76＜0
所以人孔不需要补强。
5、二次蒸汽出口（n管）
⑴相关参数
计算压力： Pc=0.426mm
接管材料许用应力：[σ]nt=130MPa
公称直径： DN=300mm
接管尺寸： Φ377×8
钢管材料： 20钢
焊接接头系数： φ=0.85
内径： di=361mm
厚度附加量： C=1.6
⑵开孔补强判断
根据GB150-1998规定，允许不另行补强的最大接管外径为89mm，本开孔直径为377mm故需另行补强。
⑶在筒体上设置Φ377×8的接管
开孔直径：d= di+2C=361+2×1.6=368.2mm
本筒体开孔直径：d=0.5Di=0.5×2000=1000mm≥368.2mm,满足等面积开孔补强的使用条件，故采用等面积法进行开孔补强计算。
⑷开孔补强所需面积
筒体计算厚度 ：

开孔所需补强面积δet=δn-C=8-1.6=4.4mm，强度削弱系数fr=1，接管材料为20钢，其许用应力为[σ]=130MPa。
A=dδ+2δnδet (1-fr)=368.6×3.78+0=1391.8mm2
⑸有效补强范围
有效宽度: B=2d=2×368.2=736.4mm
B=d+2δn+2δnt=368.2+2×10+2×8=394.2mm
取大值B=736.4mm
有效高度 外侧有效高度:

取小值h1=54.27mm

内侧有效高度:

取小值h1=0mm

⑹筒体多余金属面积
筒体有效厚度δe=δn-C=10-3.6=6.4mm
A1=(B+d)(δe+δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)
= (736.4-368.2)(6.4-3.78)-0=1038.342mm2
⑺接管多余金属面积
接管计算厚度：

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-C2)fr=2×54.27×(4.4-0.68)×1+0=403.77mm2
⑻接管焊（脚）接面积(焊脚取10mm): A3=2×0.5×10×10=100mm2
⑼有效补强面积Ae=A1+A2+A3=1038.342+403.77+100=1542.11 mm2
因为所需另行补强面积 A4=A-( A1+A2+A3) =1391.8-1542.11＜0
所以人孔不需要补强。
6、母液出口（u管）
⑴相关参数
计算压力： Pc=0.558mm
接管材料许用应力：[σ]nt=130MPa
公称直径： DN=125mm
接管尺寸： Φ133×6
钢管材料： 20钢
焊接接头系数： φ=0.85
内径： di=121mm
厚度附加量： C=1.6
⑵开孔补强判断
根据GB150-1998规定，允许不另行补强的最大接管外径为89mm，本开孔直径为133mm故需另行补强。
⑶在筒体上设置Φ133×6的接管
开孔直径：d= di+2C=121+2×1.6=124.2mm
本筒体开孔直径：d=0.5Di=0.5×500=250mm≥124.2mm,满足等面积开孔补强的使用条件，故采用等面积法进行开孔补强计算。
⑷开孔补强所需面积
筒体计算厚度 ：

开孔所需补强面积δet=δn-C=8-1.6=4.4mm，强度削弱系数fr=1，接管材料为20钢，其许用应力为[σ]=130MPa。
A=dδ+2δnδet (1-fr)= 124.2×1.24+0=154mm2
⑸有效补强范围
有效宽度: B=2d=2×124.2=248.4mm
B=d+2δn+2δnt=124.2+2×8+2×6=152.2mm
取大值B=248.4mm
有效高度 外侧有效高度:

取小值h1=27.3mm

内侧有效高度:

取小值h1=0mm
⑹筒体多余金属面积
筒体有效厚度δe=δn-C=8-1.6=6.4mm
A1=(B+d)(δe+δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)
= (248.4-124.2)(6.4-1.24)-0=640.872mm2
⑺接管多余金属面积
接管计算厚度：

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-C2)fr=2×27.56×(4.4-0.306)×1=403.77mm2
⑻接管焊（脚）接面积(焊脚取10mm): A3=2×0.5×10×10=100mm2
⑼有效补强面积Ae=A1+A2+A3=640.872+403.77+100=1144.64 mm2
因为所需另行补强面积 A4=A-( A1+A2+A3) =154-1144.64＜0
所以人孔不需要补强。

第二章 换热器的设计
一、设计条件
壳体介质清洁不易结垢并能进行清洗，管、壳程两侧温差不大，故选用固定管板式换热器。
计算压力：

设计温度：t=160℃
腐蚀裕量：
焊接接头系数：φ=1
二、结构尺寸及参数
换热器公称直径：DN=1800mm即Di=1800mm
换热管规格：Ф32×3 LO=3000mm
换热管排管根数：
布管限定圆直径：Di=Di-2b3=1800-2×0.25×32=1784mm
主反应器换热面积200 m2，防止堵塞换热管，取10%左右的富裕量：S=200+200×10%=220m2
每根管子的换热面积：S= πdL=3.14×32×3000=30144mm2=0.301 m2
作图，以限定圆1790，按1：1比例作图，确定管数760
总换热面积：S=750πdL=＞220m2 满足换热面积条件。
换热管为正三角形排列，管心距S≥1.25×38=48mm, 取S=50mm
换热管与管板的连接形式：焊接
三、受压元件材料及数据
1、筒体材料
筒体选用Q235-B,[σ]t160取200℃时的许用应力105MPa,
Es=186×103MPa
壳体计算厚度：

设计厚度：
名义厚度：
取名义厚度δn=10mm
2、管箱圆筒

设计厚度：
名义厚度：
取名义厚度δn=10mm
3、换热管材料
换热管选用16Mn, [σ]t160取200℃时的许用应力163MPa,
Es=186×103MPa,
4、管板材料 选用16MnR
[σ]t160取200℃时的许用应力170MPa, Ep=196×103MPa,
四、拉杆和定距管的选取
1、拉杆直径和数量
换热管外径 25≤d≤57,按GB151-1999表4-3、表4-4 得拉杆直径d=16,拉杆数m=12,
拉杆长度取为L=2m