鱼液蒸发装置设计大学学位论文.doc

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 Mpa
0.6
0.6
设计温度 ℃
110
65
介质
鱼液
蒸汽
焊缝系数
0.85
0.85
腐蚀裕度 mm
1.0
传热面积 m2
15
设备类别
一类

受压元件材料及数据
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 JB4726
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=32mm。
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/mm
19
25
38
25
32
44
32
40
52
38
48
60

（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a>6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
六角形内的管数
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
1
3
7

7
2
5
19

19
3
7
37

37
4
9
61

61
5
11
91

91
6
13
127

127
7
15
169
3

18
187
8
17
217
4

24
241
9
19
271
5

30301
10
21
331
6

36
367
11
23
397
7

42
439
12
25
469
8

48
517
13
27
547
9
2

66
613
14
29
631
10
5

90
721
15
31
721
11
6

102
823
16
33
817
12
7

114
931
17
35
919
13
8

126
1045
18
37
1027
14
9

138
1165
19
39
1411
15
12

162
1303
20
41
1261
16
13
4
198
1459
21
43
1387
17
14
7
228
1616
22
45
1519
18
15
8
246
1765
23
47
1657
19
16
9
264
1921

3、 壳程选择
壳程的选择：简单起见，采用单壳程。

4、 壳体内径的确定
换热器壳体内径与传热管数目、管心距和传热管的排列方式有关。壳体的内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，壳体内径公式
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，管孔内径

壁厚设计
设计压力Pc=0.6MPa ，设计温度t=65℃，内径=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Φ=0.85。

参考文献，查得16MnR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；
— 圆筒内径，㎜；
— 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内径之比
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/mm
325
400 500 600 700
800 900 1000
1100 1200
最小壁厚/mm
8
10
12
14

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l

1、 管板与壳体及管箱的连接

图3-1管板与壳体及管箱的连接

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。
壳程圆筒内直径横截面积

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度

k<1.0 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，
换热管与管板链接的拉脱力：

， 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，
换热管与管板链接的拉脱力：

， 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，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。

法兰及平盖封头设计计算
1 设计条件
法兰：JB/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： JB/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
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
25
32
35
45
48
57
65
76
89
最小厚度
3.5
4
5
6

开孔应力计算现象及原因：
容器开孔后，一方面由于器壁材料被削弱，引起器壁强度的减弱，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，各国采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、封头的开孔及其补强。本设计采用等面积补强法。
1. 元件上开孔及补强圈的结构要求
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. 补强面积的计算及补强圈设计
设计压力：0.6MPa 设计温度：110℃

母管：
内径
名义厚度
接管 的补强计算
内径
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 =0.85
A —— 开孔削弱所需的补强面积
B —— 补强有效宽度
Pc —— 计算压力
δ —— 母管开孔处的计算厚度
δe —— 母管开孔处的有效厚度，
δet —— 接管有效厚度，
δt —— 接管的计算厚度
1）补强和补强方法的判别
δb <540 MPa ，且 δn <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）有效补强范围
（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.内侧有效高度，在下式值中取较小的值
（因为接管实际内伸长度为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。
‚接管 的补强计算
内径
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 =0.85
A —— 开孔削弱所需的补强面积
B —— 补强有效宽度
Pc —— 计算压力
δ —— 母管开孔处的计算厚度
δe —— 母管开孔处的有效厚度，
δet —— 接管有效厚度，
δt —— 接管的计算厚度
1）补强和补强方法的判别
δb <540 MPa ，且 δn <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）有效补强范围
（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.内侧有效高度，在下式值中取较小的值
（因为接管实际内伸长度为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110ºC。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
a
25
排污口
b
25
冷凝水出口
c
70
二级蒸汽进气口
d
80
蒸汽进口
e
20
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/mm
DN 200
DN80
DN20
接管高度/mm
200
150
150

支座、螺栓、螺母
按JB1165-81《悬挂式支座》选用，公称直径DN=500<800mm，至少安装两个支座。螺栓用钢的使用状态及许用应力按GB150-98的规定。

储罐设计及计算
由于生产需要，工作介质为鱼液，无害介质，以及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
筒体内径：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
压力及应力计算
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内压作用下的应力分析以及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 ϕ = 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：[σ ]t -----设计温度下封头材料的许用应力，MPa；
φ -----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；
-----封头内直径，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

m

n

h
32
料液进口
k
25
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。

补强面积的计算及补强圈设计
设计压力：0.6MPa 设计温度：110℃

母管：
内径
名义厚度
1）接管 的补强计算
内径
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