《南京林业大学》word版

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1、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： 沈 阳 指导教师： 王 晨 职 称： 讲 师 二O一二年 五月 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

2、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Design of Black Liquor PreheaterAbstract The black liquor is a major source of pollution in the paper industry

3、. Using the alkali recovery process which is black liquor concentration and combustion can solve this problem effectively, and achieve the purpose of heat and black liquor alkali recovery. Before the black liquor going to the evaporator, it must be preheated to reduce the temperature difference and

4、improve the efficiency of evaporation. The black liquor is usually preheated by the fixed tube sheet heat exchanger, which has many characteristics such as a large heat transfer area per unit volume, compact, sturdy, high heat transfer capacity, high temperature and pressure resistance and large cap

5、acity .In this design, based on fully understanding the characters of black liquor, preheating process, and the fixed tube sheet heat exchanger structure and performance, the process calculation is done first to calculate and check on the heat transfer and pressure drop performances of the preheater

6、 with the given design conditions. Then the cylinder, tube box, tube sheets, flanges of the preheater and other important structural components are calculated and checked. The black liquor transfer pump is also selected. The overall strength of the preheater is checked by using the application softw

7、are SW6. This design can provide the basis and reference for future design and productionKeywords :Black liquor preheater Fixed tube sheet heat exchanger Process calculation Structural design Strength check 目 录第一章 绪论- 1 -第二章 工艺计算- 6 -2.1 原始数据- 6 -2.2 黑液性质- 6 -2.3 物料与热量衡算- 7 -2.4 有效平均温差- 7 -2.5 初算传热面

8、积- 8 -2.6 管程和壳程的结构设计- 8 -2.6.1 管程的结构设计- 8 -2.6.2 壳程的结构设计- 9 -2.7 换热器传热系数和换热面积的核算- 13 -2.7.1 传热系数的核算- 13 -2.7.2 传热面积的校核- 14 -2.8 管程压力降- 14 -2.9 壳程压降- 15 -第三章 结构设计- 16 -3.1 筒体的厚度- 16 -3.2 管箱的厚度- 17 -3.3 封头的厚度- 17 -3.4 开孔补强- 18 -3.5 管板的计算- 21 -3.6 法兰的计算- 35 -管箱法兰的计算- 35 -3.6.2 管法兰的计算- 41 -3.7 水压试验- 41

9、-3.8 黑液输送泵的选型- 42 -第四章 强度校核- 45 -4.1设计计算条件- 45 -4.2前端管箱筒体计算- 46 -4.3前端管箱封头计算- 47 -4.4后端管箱筒体计算- 49 -4.5后端管箱封头计算- 50 -4.6壳体圆筒计算- 52 -4.7开孔补强的计算- 53 -4.8管板的计算- 60 -4.9管箱法兰的计算- 69 -第五章 总结- 72 -致 谢- 73 -参考文献- 74 -附件- 75 -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

10、方法回收碱, 而许多年产量小于5000 t的碱法制浆工厂的黑液常常未加处理就直接排入江河, 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%

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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。