装备专业毕业设计 硫酸盐立式蒸煮锅的设计.docx
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装备专业毕业设计硫酸盐立式蒸煮锅的设计
硫酸盐立式蒸煮锅的设计
摘要
硫酸盐立式蒸煮锅是制浆工段重要的间歇式蒸煮设备，蒸煮锅的优点是：
锅容大、产量和劳动生产率高；与同容积的蒸球相比，占地面积小；相较于连续蒸煮设备来说，投资费用要小，而且设备维护成本也比较低，作为我国的制浆厂来说，建设投资蒸煮锅要比连续蒸煮器更好一些。
本设计的蒸煮锅，严格根据压力容器设计的要求进行设计，主要包括锅体、锅盖、药液循环加热系统和支座这四个部分，其中药液循环加热系统采用中部抽液系统，锅盖采用自压紧式自动锅盖，支座采用耳式支座，该结构的立锅具有简单，维护方便的特点。
关键词：
间歇式蒸煮设备，立式蒸煮锅，锅体，锅盖，支座
TheDesignofSulfateVerticalCookingPot
ABSTRACT
Sulfateverticalcookingpotispulpingsectionimportantbatchcookingequipment,cookingpothastheadvantagesof:
potcapacity,highyieldandlabourproductivity.Comparedwiththesamevolumeofthesteamball,coversanareaofsmall,comparedtothecontinuouscookingequipment,investmentcosttobesmall,andtheequipmentmaintenancecostisrelativelylow,asinourpulpmill,theinvestmentandconstructionofthecookingpottothancontinuouscookingisbettersome.
Thedesignofthecookingpot,strictaccordingtotherequirementofthedesignofpressurevesseldesigndesign,whichmainlycomprisesapotbody,apotcover,aliquorcirculationheatingsystemandthesupportofthefourparts,whichliquorcirculationheatingsystemwiththecentraldrainagesystem,thelidwithautomaticpressurecookercover,bearingthelugsupport.theverticalcookingpothasasimplestructure,easymaintenance.
Keyword：
batchcookingequipment,verticalcookingpot,potbody,potcover,
thelugofsupport
1绪论
1.1本课题的提出
目前，随着我国人们生活水平及生活质量的不断提高，制浆造纸行业也已经呈现出了不断上升的发展趋势。
为制浆造纸行业提供专业的生产设备和安装维修服务的行业就是制浆造纸机械工业，而造纸机械设备的产量、质量以及技术水平对造纸行业的生产规模、经济效益、产品质量以及生产成本都是有着决定性的影响的。
我国对纸张的需求是很大的，因此制浆造纸机械设备行业也会有很大的提升空间，在未来的几年中，我国对制浆造纸机械设备的需求量能够达到世界需求量的20%[1]。
在制浆造纸工业中，蒸煮器是必不可少的蒸煮设备。
由于我国森林资源不是很丰富，因此我国制浆造纸工业使用的纤维原料主要以废纸和非木材纤维原料为主，而所需的木浆原料主要依赖进口。
这就导致了我国大多数制浆造纸企业，主要采用的是间歇式蒸煮设备。
而连续式蒸煮设备相对于间歇式蒸煮设备的投资费用要（间歇式蒸煮器的投资费用比连续式蒸煮器低13%～20%），因此改进间歇式蒸煮系统的效率是很有必要的，而蒸煮器的结构形式对间歇式蒸煮系统的效率提高有着重要的影响。
所以设计一种结构性能合理的间歇蒸煮设备，将对我国制浆造纸工业产生不小的推动作用。
1.2本课题的意义
本课题的科学意义在于设计出一个结构合理的间歇式蒸煮设备，提高我国的制浆系统的综合效率。
规模在300t/d以下的木浆生产线，最好选用大、中型的间歇式蒸煮器，在300t/d以下时，间歇式蒸煮器的投资费用比连续蒸煮器低13%～20%。
在硫酸盐法制浆中则选择较多的设备为蒸煮立锅，研究蒸煮立锅的结构与作用，能够更方便的进行蒸煮设备的生产与维护，从而保证制浆工艺进行的高效性与完整性。
相对于连续蒸煮器来说，立式蒸煮锅的蒸煮用电设备少，简单；用水由于没有湿法备料，蒸煮中回用部分稀黑夜和污热水，不使用清水，还为后续逆流洗涤段减少了污水排放；立式蒸煮锅设备少，所以员工人员少，工资和维修费用都比连续蒸煮系统少，因此使用立式蒸煮锅是较合理的生产方式[6]。
因此，与连续式蒸煮设备相比，由于我国的木材资源的先天条件，选择立式蒸煮锅能够更加充分的利用我国的木材资源，同时还能够节约用水，虽然蒸煮锅在产量上可能没有连续式蒸煮锅的产量多，但是在节能减排这些现在很重要的阶段来说，蒸煮锅是优于连续式蒸煮器的。
1.3本课题的国内、外研究现状
作为造纸的原料的纸浆的制备，纸张质量的好坏与制浆工段密不可分，目前我国制浆工艺多采用化学法制浆，由于化学法制浆的方法很多，纤维原料的品种各异，生产规模不一，所以化学制浆设备的结构与形式多种多样，一般将化学法制浆设备根据操作过程分为间歇式和连续式两大类。
间歇式化学制浆设备的主体设备为蒸球和蒸煮锅。
蒸球为回转式，多用作中小纸厂碱法、硫酸盐法或中性盐法制浆设备。
由于其产量低，污染大，现在已基本被淘汰。
蒸煮锅为立式固定设备，由于蒸煮药液腐蚀性及工艺特点不同，结构、形式及容积也各异，因而，蒸煮锅又分为硫酸盐蒸煮锅和亚硫酸盐蒸煮锅。
蒸煮锅一般容积较大，多用于大中型纸厂。
间歇式化学制浆设备除主体设备外，还需配备必要的附属设备，如循环泵、药液循环加热泵、废回收设备，喷放锅。
连续式化学制浆设备按主体蒸煮设备可分为塔式连续蒸煮器，也称卡米尔连续蒸煮器；潘迪亚横管式及斜管式连续蒸煮器。
塔式连续蒸煮器适用于大、中型木浆厂，在全球范围内使用最为普遍[6]。
目前，由于国外木材纤维原料比较丰富，且制浆造纸技术比较成熟，因此对于蒸煮技术的研究主要集中在连续蒸煮设备。
而我国由于木材资源不足，主要以非木材纤维为原料来制浆，所以提出间歇蒸煮系统—硫酸盐立式蒸煮锅的设计课题。
1.4硫酸盐立式蒸煮锅的概况
我国大中型硫酸盐厂多采用固定式立式蒸煮锅蒸煮木材、竹子、芦苇等原料。
硫酸盐立式蒸煮锅的主要优点是：
锅的容积大，产浆量大；劳动生产率高；与同容积的篜球比，占地面积小。
缺点是：
附属设备较多；构造复杂，制造要求高，设备投资费用大。
硫酸盐制浆蒸煮循环周期较短，一般为4~5h，如采用自动锅盖，全压喷放和蒸煮过程的自动控制，循环周期可缩短至3~4h。
所以，要使锅内均匀的升温，硫酸盐蒸煮锅锅容不宜过大。
我国常用的锅容有50、70、110m3三种规格，国外也有采用较大锅容的，如125、160m3。
硫酸盐蒸煮锅使用20G锅炉钢板压力成型后焊接而成的薄壁压力容器，它主要是由锅体、锅盖、装锅器、喷放阀、药液循环加热装置及支座等组成。
1.5本课题的主要内容
本课题的主要内容：
（a）设计一个110m3的硫酸盐法蒸煮立锅，并且熟悉蒸煮锅的结构特点与工作原理，及其主要组件的工作原理与结构。
（b）查找有关于制浆造纸蒸煮设备方面的书籍、期刊、网络文献等相关资料，以及结合自己所学的专业知识，充分发挥自己的主观能动性与创造性和创新意识。
（c）掌握计算机辅助设计，参数选择，材料的选择，结构计算等，锻炼自己在设计方面的综合能力。
2硫酸盐蒸煮锅的设计
2.1蒸煮锅的设计参数
蒸煮锅的设计参数为：
锅容为110m³，最高工作压力为0.8MPa，最高工作温度为175℃，蒸煮木片、竹子、芦苇等原料。
硫酸盐法制浆的蒸煮循环周期短，一般为4到5个小时，如果采用自动锅盖，全压喷放和蒸煮过程的自动化控制，可使蒸煮周期缩短至3到4个小时。
所以硫酸盐法蒸煮锅的锅容不宜过大，因此设计为上述规格的间歇式蒸煮锅。
2.2蒸煮锅的设计方案
根据设计参数，设计一个有效容积为110m³，最高工作压力为0.8MPa的硫酸盐蒸煮锅。
其是用20G锅炉钢板经过压力成形后焊接而成的薄壁压力容器，它主要由锅体、锅盖、药液循环加热装置、装锅器、喷放阀以及支座和附属的传动系统组成。
2.3锅体的设计
锅体分为上中下三个部分，上部多为球形与锥形的组合体，中部为圆筒形，下部也是锥形和球形的组合体
蒸煮锅高度、直径及上、下锥角的大小是蒸煮锅外形尺寸的重要指标。
高度与直径比值过大，会使蒸煮锅过高，增加厂房基建投资。
比值过小，则容易造成循环药液在整个锅截面上分布不均，甚至形成串流，因而使锅内物料升温不均匀，最终是成浆质量不均匀，降低得率。
而上下锥角大小对蒸煮锅装料、放浆、送液和通气等操作均有一定的影响。
因此，要合理设计蒸煮锅的高度、直径及上、下锥角的大小。
锅体采用焊接结构，锅壳强度尺寸可根据容器设计规范计算。
为将蒸煮药液从锅中抽出进行循环加热，在锅圆筒部或圆筒与下锥体之间过渡部分的直径两端设计对称的两个抽出药液接管，并在对应的内壁上装设环形滤网，用以抽液时阻止料片或浆料抽出。
蒸煮锅的锅体设计为上部设计成球形与锥形的组合体，中部设计成圆筒形，在中间部分打开一个圆孔作抽液用，下部设计成锥形与球形的组合体。
蒸煮锅的上锥角取90°，下锥角为60°，上下锥角的大小对蒸煮锅的装料送液、通汽、放锅等操作均有一定的影响。
上下椎体与中部的圆筒部分采用圆弧过度，也就是设计成球形，这样设计可以减小或消除边缘应力。
硫酸盐法蒸煮锅采用焊接结构，锅壳的强度尺寸根据压力容器的设计规范计算，由于蒸煮锅的高度较高，计算锅壳厚度时，计算压力除过考虑最高压力时，还要考虑上中下部位的液体压力等因素。
锅壳的内壁上焊有滤网架，滤网上下端用罩板焊接在锅壳上，滤网用焊接的方法固定在滤网架和罩板上，一般锅壳和滤网之间的距离取120~130mm。
滤网用4~6mm的钢板制造，开孔为φ3mm~8mm，最好是倒锥形孔，这样可以防止料片或者其他杂物堵塞网孔。
锅壳的上锥部内壁上装有两组滤网，上面一组用于排气时防止物料被带出，下面一组用于把循环加热系统的药液分布到蒸煮锅的整个截面上，两组滤网也是用滤网架焊接在锅壳上。
下锥部同样在内表面也有固定于滤网架的滤网。
2.3.1锅体材料的选择
硫酸盐蒸煮锅属于薄壁压力容器，通常用锅炉钢板在压力成型后焊接而成，而且硫酸盐法制浆属于碱法制浆，要求材料具有一定的抗腐蚀性能，所以锅体的材料选择20G，其有一定的抗疲劳和抗腐蚀性能，适于制造压力小于6MPa，壁温低于450°C的船舶锅炉、蒸汽锅炉及锅炉附件。
因此锅体的材料选择20G，屈服强度：
σs=235MPa~245MPa；抗拉强度：
σb=400MPa~540MPa；钢板壁厚的适用范围：
6~60mm。
2.3.2锅体各处壁厚的确定
计算许用应力[σ]t
一般情况下，屈服强度的安全系数取ns=3，抗拉强度的安全系数取nb=1.6，所以
（2-1）
所以许用应力取这二者中较小的即[σ]t=136MPa。
内压圆筒容器壁厚的计算公式：
（2-2）
式中各符号的含义：
P————设计压力（MPa）；
C————厚度附加量（mm），C=C1+C2；
C1————钢板厚度负偏差（mm）；
C2————腐蚀裕量（mm）；
Di————筒体内直径（mm）；
δ————-计算厚度（mm）；
[σ]t————设计温度下材料的许用应力（MPa）；
Ф————-焊缝系数。
本课题设计一个容积为110m3，最高工作压力为0.8MPa的硫酸盐蒸煮锅，因此可取设计时的设计压力为1.2MPa，筒体内直径Di=3600mm，内外双焊，取焊缝系数Ф=1。
所以计算中间筒体壁厚为：
（2-3）
钢的负偏差查压力容器手册，在钢板厚度为8~25mm时，负偏差取0.8mm
即C1=0.8mm；
钢的腐蚀速度在介质为压缩空气、水、水蒸气时，腐蚀速度一般不小于1mm/a，所以蒸煮锅钢板的腐蚀速度取为1mm/a；
同样，由于蒸煮锅是高压容器，所以设计寿命一般不少于15年，在这里取设计使用寿命为15年，所以：
腐蚀裕量：
C2=1x15=15mm
（1）中间筒体的壁厚为：
（2-4）
式中Δ为圆整量。
（2）上锥体的壁厚的计算，其中上椎体的顶角为90º，上锥体的内径为2400mm,所以上锥体的壁厚为：
（2-5）
式中ɑ为锥壳体的半顶角。
由于计算的壁厚在负偏差的要求范围内，所以厚度的附加量C=C1+C2=15.8mm，Δ为圆整量。
（3）下锥体壁厚的计算。
其中下锥体的内径为3100mm，下锥体的顶角为60º，所以下锥体的壁厚为：
（2-6）
式中计算的壁厚同样在负偏差的要求范围内，所以厚度附加量C与上锥体的厚度附加量取相同值，Δ为圆整量。
考虑到安全因素，制造加工的方便，所以本设计采用上锥体，下锥体和中间圆筒部分的壁厚取一样值，即δ=32mm。
上、下锥体与圆筒部分采用圆弧过渡，并且圆弧部分的壁厚不小于32mm。
2.3.3锅体各部分高度的确定
通常硫酸盐法蒸煮锅的高度与直径之比在3.3~4之间。
（1）上锥体部分高度的确定（球形与锥形的组合体）
（2-7）
式中ɑ为顶角的一般，为了方便计算高度，可将圆弧部分看成上锥体的形式来计算，高度结果不会影响整体蒸煮锅的设计。
由于上锥体上部还有上锅径，同时因为锥体是与圆弧平滑过渡计算时看成锥体来计算，所以上锥体部分的高度应该大于计算高度h上，所以高度取合理值h上*=2375mm。
（2）下锥体部分高度的确定
（2-8）
同上锥体的设计，下锥体部分（包括下锥体和圆弧部分）同样取合理值阿斯顿h*=3481mm。
（3）筒体高度的确定
H/D=3.3~4之间，所以H/D取值3.876。
则H=3600x3.876=13956mm（2-9）
（4）中间筒体高度的确定
h中=H-h上-h下=13956-2375-3481=8100mm（2-10）
2.3.4锅内滤网的设计
根据其工艺条件和要求，锅内滤网的开孔面积如表2-1：
表2-1锅内滤网开孔面积
蒸煮锅容积（m3）
50
75
110
锅上部
排气气孔（mm）
3
3
3
开孔总面积（m2）
0.12
0.081
0.24
进液孔径（mm）
5.5
5.5
7
开孔总面积（m2）
0.06
0.054
0.10
锅中部
抽液孔径（mm）
5.5
5.5
6.0
开孔总面积（m2）
0.897
0.832
1.48
锅下部
进液孔径（mm）
5.5
5.5
5.5
开孔总面积（m2）
0.15
0.15
0.2
（1）上部滤网的设计
材料：
6mm不锈钢板；开孔形状：
锥形孔；由6块组成。
根据上表锅上部的排气孔的开孔总面积为0.24m2，则单个滤网板的开孔面积为0.24÷6=0.04m2，排气气孔的孔径为3mm，则单个气孔的面积为：
（2-11）
滤网的个数为：
（2-12）
根据表2-1锅上部的进液孔的开孔总面积为0.10m2，则单个滤网板的开孔面积为0.10÷6=0.017m2，排气气孔的孔径为7mm，则单个气孔的面积为：
（2-13）
滤网的个数为：
（2-14）
蒸煮锅上部的滤网结构如图2-1：
图2-1上部滤网结构图
（2）中部滤网的设计
材料：
6mm不锈钢板；开孔形状：
锥形孔；由6块组成。
根据表2-1锅中部的抽液孔的开孔总面积为0.1.48m2，则单个滤网板的开孔面积为0.10÷6=0.25m2，抽液孔的孔径为6mm，则单个气孔的面积为：
（2-15）
滤网的个数为：
（2-16）
中部滤网结构如图2-2所示：
图2-2中部滤网结构图
（3）下部滤网的设计
材料：
6mm不锈钢板；开孔形状：
锥形孔；由6块组成。
根据表2-1锅下部的进液孔的开孔总面积为0.2m2，则单个滤网板的开孔面积为0.2÷6=0.03m2，进液孔的孔径为5.5mm，则单个气孔的面积为：
（2-17）
滤网的个数为：
（2-18）
下部滤网结构如图2-3所示：
图2-3下部滤网结构图
2.4药液循环加热系统的设计
蒸煮锅按加热方式不同，可分为直接加热强制循环和间接加热强制循环两种。
间接加热能保证稳定的液比，提高药液浓度，缩短蒸煮时间，并能使所得浆料质量均匀，同时蒸煮后黑夜的浓度较高，碱回收蒸汽耗量可降低。
硫酸盐蒸煮锅常用的间接加热循环系统有两种形式：
圆筒下部抽液循环系统和中部抽液循环系统。
下部抽液循环系统的循环方式使锅内药液的循环方向与自然对流方向相反，药液混合较完善，且蒸煮锅上部温度高，而下部压力较大，彼此配合使用蒸煮均匀。
缺点是抽液滤网装在锅下部，在蒸煮滤水性差的物料时，会造成蒸煮后期药液循环量减少，且易堵塞滤网和放料困难。
中部抽液加热循环系统，比起下部抽液循环系统来说，由于滤网的位置较高，网孔不易堵塞，保证了循环泵在整个蒸煮升温期间的满载运行；同时由于大量的药液送回锅底部使下部的物料始终保持疏松状态，从而使各部物料升温均匀，并且容易放料。
因此本课题采用中部抽液加热循环系统。
加热器与循环泵是保证蒸煮锅的蒸煮温度和药液的循环并且使蒸煮锅稳定运行的重要设备循环泵一般采用双吸式离心泵，叶轮的转速不高，扬程一般是10m~20m，因为所需压头仅用于克服循环管路的阻力和加热器阻力以及不太大的送液高度。
泵的输送能力应使锅内药液每小时循环8~12次，循环泵承受的压力略高锅内的压力，约为0.9~1.2MPa，故材料壁厚应按此条件决定。
泵轴、叶轮以及泵壳一般用耐热耐腐蚀的不锈钢制造。
同时为补偿管路由于温度反复变化而发生的伸缩，循环管路上装设温度补偿装置。
2.4.1加热器的选择
常用的加热器有列管式和板壳式两种，而我国多使用的使列管式加热器。
列管式加热器有三种40m2、65m2、90m2，其中90m2的加热器又分为双程式和单程式，其主要技术特征见表2-2。
表2-2列管式加热器的主要技术特征
40m2
65m2
90m2
型式
列管双程
列管双程
列管双程
列管单程
壳体
内径（mm）
600
615
800
600
壁厚（mm）
8
8
10
8
材料
Q235
Q235
Q235
Q235
加热管
外径x壁厚（mm）
Φ38x2.5
Φ38x2.5
Φ38x2.5
Φ38x2.5
长度（mm）
3500
3500
4520
7000
根数
98
98
182
110
材料
1Cr18Ni9
1Cr18Ni9
1Cr18Ni9
1Cr18Ni9
工作压力
管外
1176（12kg/m2）
1176（12kg/m2）
1176（12kg/m2）
1176（12kg/m2）
管内
784~822（8~9kg/cm2）
784~822（8~9kg/cm2）
784~822（8~9kg/cm2）
784~822（8~9kg/cm2）
碱液入口直径（mm）
200
200
300
300
碱液出口直径（mm）
200
200
300
250,2个
蒸汽入口直径（mm）
125
125
200
200
冷凝水出口直径（mm）
70
70
80
80
设备重量（kg）
2226
3099
5750
3300
综合比较，加热器选择90m2，双程列管式。
2.4.2药液循环泵的选择
药液循环泵主要部件材质为1Cr18Ni9Ti，可耐酸碱药液的腐蚀。
其特征见表2-3：
表2-3药液循环泵的主要技术特征
设备型号
ZBY21
ZBY22
进出口径（mm）
150
250
叶轮直径（mm）
300
300
流量（m3/h）
108170212
366525670
总扬程（m）
26.422.816
24.822.518.3
续表2-3
泵轴转速（r/min）
1470
1470
工作压力（kPa）
<980（10kg/cm2）
<980（10kg/cm2）
工作温度（℃）
<185
<185
冷却水消耗量（1/min）
8~10
8~10
电动机
Y112M
Y112M
外形尺寸（长x宽x高）（mm）
1728x800x850
2120x850x990
重量
980
1395
选择离心泵型号：
ZBY22。
表2-4硫酸盐法蒸煮锅循环系统的配套设备
蒸煮锅容积/m3
配用药液加热器面积/m2
每立方米锅容配用的加热面积/m2
配用药液循环泵
蒸煮锅药液每小时循环系数（以每立方米锅容用0.6m3蒸煮液计算）
型号
流量/（m3/h）
扬程/m
50
40
0.8
ZBY21
212
16
7
75
65
0.87
ZBY22
525
22.5
11.7
110
90
0.82
ZBY22
366
24.8
8
135
110
0.815
APP43-250
525
22.5
8
1260
26
15.6
2.5蒸煮锅盖的设计
锅盖有多种形式。
旧时蒸煮锅锅盖多采用平板盖锅带折边的球盖。
锅盖与锅颈法兰压紧面常用平压紧面或凹凸压紧面，用装在锅颈周围的铰链螺栓拧紧。
由于锅盖较重，且启动频繁，故锅盖均吊装于支承在锅颈侧面的悬臂曲杆而使使锅盖升降。
推动悬臂曲杆可将盖子移转。
所以，锅盖的启闭劳动强度大，需要时间较长，目前多改用自动锅盖，国内应用较多的是压紧式自动锅盖，国外还有一种更为简便的球阀盖。
这比自动锅盖在保证安全操作的前提下，即使启闭时间大大缩短，操作方便，又便于实现锅盖启闭的遥控。
但是考虑到成本问题，本课题决定采用自压紧式自动锅盖，锅盖与锅颈法兰压紧面常用平压紧面或凹凸压紧面，用装在锅颈周围的铰链螺栓拧紧。
由于锅盖较重，且启动频繁，故锅盖均吊装于支承在锅颈侧面的悬臂曲杆而使使锅盖升降。
推动悬臂曲杆可将盖子移转。
所以，锅盖的启闭劳动强度大，需要时间较长，因此，设计一种自动锅盖，不仅可以大大减轻劳动强度，而且还有助于生产效率的提高。
为适应配合硫酸盐蒸煮锅，此自动锅盖采用一种自压紧式制动锅盖的设计。
它由锅盖颈、锅盖、回转机构、闭锁装置、密封圈、气（液）动传动机构等组成。
其工作原理为：
由液压缸拖动的齿条通过立轴上的齿轮而转动套装在立轴上的拨杆，从而使锅盖进行启闭。
活塞传动示意图如图2-4所示：
图2-4活塞传动示意图
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