蒸發(fā)器設計計算.doc

第三章蒸發(fā)器設計計算 蒸發(fā)器主體為加熱室和分離室，蒸發(fā)器的主要結構尺寸包括：加熱室和分離室的直徑及高度；加熱管的規(guī)格、長度及在花板上的排列方式、連接管的尺寸。這些尺寸的確定取決于工藝計算結果，主要是傳熱面積。3.1加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計3.1.1管子長度的選擇根據(jù)溶液結垢的難易程度、溶液的起泡性和廠房的高度等因素來考慮。本次設計選用外循環(huán)式蒸發(fā)器，國產(chǎn)外循環(huán)式蒸發(fā)器蒸發(fā)器的管長一般從2560到3000mm不等，具體參考糖汁加熱與蒸發(fā)1第139頁表6-1，再根據(jù)糖汁的黏度情況，選擇加熱管以及板管型號如下表3-1所示：表3-1加熱選擇參數(shù)管子規(guī)格（mm）管間距離（mm）管長（mm）15CrMoR型管板后度（mm） 42354300030因加熱管固定在管板上，管板選擇考慮到管板厚所占有的傳熱面積，以及因焊接所需要每端留出的剩余長度，則計算理論管子數(shù)n時的管長實際可以按以下公式計算：L=（L0-0.1）m=3-0.1=2.9 m前面已經(jīng)計算求得各效面積A取500m2n=1307加熱管的排布方式按正三角形排列，查常用化工單元設備設計3第163頁表4-6，知道當管數(shù)為1303時，排布為a=19層，1307與1303相差不大，在這可以取19層進行計算。其中排列在六角形內(nèi)管數(shù)為=1027根，其余排列在弓形面積內(nèi)，如果按標準間距即管間距離54mm排列，則有四根管排不下，四根管的總面積為：A3=3.14159260.0422.93=1.53 m2鑒于前面已經(jīng)取1.11的安全系數(shù)，如果現(xiàn)在取1303根管，則總面積為：=500-1.53=498.47安全系數(shù)為K=1.108在安全系數(shù)范圍內(nèi)，所以可以不要三根管，取1303根。3.1.2加熱殼體的直徑計算D=t(b-1)+2eD-殼體直徑，m；t-管間距，m；b-沿直徑方向排列的管子數(shù)目；e-外層管的中心到殼體內(nèi)壁的距離，一般取e=(1.01.5)d0,在此取1.5。b =2a-1=219-1=37D=0.054(37-1)+21.50.0422.07m參考糖廠技術準備第三冊6第198頁表9-2,本次設計常用標準形式的外循環(huán)式蒸發(fā)器,型號為TWX-550,有關參數(shù)如下表所示取標準的殼體直徑為2400mm，具體參數(shù)如下表3-2-1，3-2-2所示：表3-2-1外循環(huán)管蒸發(fā)器有關技術參數(shù)型號加熱體加熱蒸汽口徑/mm厚度/mm最大工作壓力/MPa汽凝水管管數(shù)管徑條mm直徑D/ mm加熱管管徑/ mm管長/ mm中心距/ mm內(nèi)壓外壓TWX-550240042300054600140.250.104100表3-2-2管蒸發(fā)器有關技術參數(shù)蒸發(fā)室捕汁汽結構形式外循環(huán)管數(shù)量外循環(huán)管直徑/ mm入汁直徑/ mm設備質(zhì)量/t負荷質(zhì)量/t試水質(zhì)量/t直徑/ mm有效高度/ mm汽汁管直徑/ mm最大工作壓力/MPa內(nèi)壓外壓300049008000.20.1慣性230012526.7534783.3分離室直徑與高度的校核分離室的直徑取決于分離室的體積，而分離室體積又與二次蒸汽的體積流量及蒸發(fā)體積強度有關。分離室體積計算式：Vi=Wi/3600iUi根據(jù)由蒸發(fā)器工藝計算中得到的各效二次蒸汽蒸發(fā)量，再從蒸發(fā)體積強度U的數(shù)值范圍內(nèi)選取一個值，就可由上式算出分離室的體積。一般來說，各效的二次蒸汽量不相同，其密度也不相同，按上式計算得到的分離室的體積也不會相同，通常末效體積最大。根據(jù)化工原理上冊5附錄表4，查得各效蒸汽密度如下表3-3所示：表3-3各效汁汽密度效數(shù)IIIIIIIV汁汽溫度ti（）101.488.3774.4255.32汁汽汽化潛熱ri（kJ/kg）2254.82287.12317.52365.8效蒸汽密度（kg/m3）0.68870.40010.23650.1060= 16340（kg/h）=11093（kg/h）=3699（kg/h）2242（kg/h）蒸發(fā)體積強度一般允許值為1.1-1.5 m3/( m3.s),在此取Ui=1.5m3/( m3.s)。則各效的分離室體積如下：V1=/36001U1=16340/(36000.688741.5)=4.39 m3V2=/36002U2=11093/(36000.40011.5)=5.13 m3V3=/36003U3=3699/(36000.23651.5)=2.90 m3V4=/36004U4=2242/(36000.10601.5)=3.92m3為方便起見，各效分離室的尺寸取一致，分離室體積取其中較大者V=V4=5.13 m3，為安全起見，取1.1的安全系數(shù)，即分離室的體積取為：V=5.131.15.64m3確定了分離室的體積，其高度與直徑符合V=D2H/4關系，確定高度與直徑應考慮以下原則：（1）分離室的高度與直徑比H/D=12。分離室的直徑不能太小，否則二次蒸汽流速過大，導致霧沫夾帶現(xiàn)象嚴重。（2）在條件允許的情況下，分離室的直徑應盡量與加熱室相同，這樣可使結構簡單，制造方便。（3）高度和直徑都適合于施工現(xiàn)場的安裝。體積與高度的關系式：V=D2H/4根據(jù)一般分離室的高度與直徑比H/D=12，在此，取H/D=1.5 則得 D=（8V/3）1/3=（85.64）/（33.1416）1/3=1684.6mm，約為1685mm H=1.5D=1.51685=2527.5mm計算結果與上表3-2-1,3-2-1相比, D=16853000H=2527.54900所以選擇型號為TWX-550,內(nèi)滿足設計的要求。在滿足生產(chǎn)要求的前提下，考慮制造和安裝的方便性，該分離器的壁厚選取與換熱器的一致，即為14mm。3.4接管尺寸的校核流體進出口接管的內(nèi)徑計算式：d=（4Us/u）1/23.4.1溶液進出口各效設備尺寸一致，進出口直徑相同。根據(jù)溶液流量最大的第一效溶液流量確定接管直徑。溶液的適宜流速按強制流動取值，根據(jù)糖汁加熱與蒸發(fā)1P168表6-5取u1=1.2m/s.以進效濃度為準，查制糖工業(yè)試驗7可得進效清汁密度為1056kg/m3溶液體積流量Vs=F/36001=43200/(36001056)=0.01136 m3/s，則d=(40.01136)/(3.14161.2)1/2=0.11m，即取d=110 mm與上表3-2-1,3-2-1相比, d=110125 mm所以選擇型號為TWX-550,能滿足設計的要求。3.4.2加熱蒸汽進出與二次蒸汽出口設計各效結構尺寸一致，兩進出口直徑相同。由于末效體積流量最大，則根據(jù)末效體積流量來設蒸汽計進出口的直徑。根據(jù)糖汁加熱與蒸發(fā)1167頁表6-4查得蒸汽流速u4=3040m/s，取u4=30 m/s蒸汽體積流速量Vs=/36004=2242/(3600*0.1060)=5.88m3/s則d=(45.88)/(3.141630)1/2=499mm，d=499600，滿足要求。3.4.3冷凝水出口按上表3-2-1的技術標準參數(shù)，選用80mm，共4根。3.5人孔的選擇可以參考換熱器設計8按一般標準，圓形人孔450500 mm，選取孔徑：Dg=500mm。3.6封頭的選擇參考糖汁加熱與蒸發(fā)1P159,一般情況下蒸發(fā)罐多采用半橢球形封頭和碟形封頭,本設計采用標準半橢球形封頭封頭,具體參數(shù)見下表3-3所示:表3-3標準半橢球形封頭封頭材料碳素鋼低碳合金鋼復合鋼板不銹鋼封頭壁厚/mm4810182039101820直邊高度/mm254050254050設計蒸發(fā)罐所用的材料為低碳合金鋼,為了方便,上下封頭材料也選擇低碳合金鋼,壁厚為14mm,所以選擇直邊高度為40mm。3.7計算結果如表3-4所示：表3-4蒸發(fā)器的主要參數(shù)加熱器直徑2400mm溶液進出口內(nèi)徑125mm加熱管數(shù)目1303蒸汽進出口內(nèi)徑600mm分離室直徑3000mm冷凝水出口內(nèi)徑100mm分離室高度4900mm人孔500mm3.8底座的選擇底座的選擇主要考慮設備試水質(zhì)量，本設計的試水質(zhì)量為78t,由于質(zhì)量較大，故采用裙式支座，裙式支座選擇低碳合金鋼，壁厚為28mm,內(nèi)徑為2400+28=2428mm,考慮安裝的方便，支座的內(nèi)徑應該比加熱體的外徑稍大，可以約取2440mm，3.9法蘭的法蘭的選擇應該考慮蒸發(fā)器的最大工作壓強（在此以PN0.25為現(xiàn)在基準），以及被連接件的直徑。參考化工設備設計基礎P60-65表2-16，2-17，2-18以及2-19，本次設計采用平焊法蘭（GB9115.5-88），同時選出對應的的螺栓螺母，材料為全為Q235-A,具體如下表3-3所示。表3-3連接件管法蘭以及螺栓的選擇（GB9115.5-88）連接件上封頭下封頭加熱蒸汽入口管汽凝冷水管汁汽管外循環(huán)管入汁管公稱直徑30002400600100800300125所選法蘭Dg3000Dg2400Dg600Dg100Dg800Dg300Dg125螺栓M3924M3924M2420M164M2724M2012M278螺母M3924M3924M2420M164M2724M2012M278鑒于影響連接件的密封性的主要因素為墊片，一般墊片選用耐油橡膠石棉網(wǎng)，厚度為mm。3.10畫圖及說明采用CAD畫圖，四效并流外循環(huán)式蒸發(fā)流程簡介：四效并流外循環(huán)式蒸發(fā)裝置的流程圖如附圖所示，原料液由貯液槽經(jīng)離心泵打入清汁加熱器交換器1，在加熱使料液溫度接近達到80，然后進入蒸發(fā)裝置的第一效2。生蒸汽通入第一效，在第一效中生成的二次蒸汽經(jīng)過抽取一定量的汁汽后，送到第二效作加熱蒸汽用。第一效中被濃縮的溶液也進入第二效。依此類推，第二，三效也進行抽汁汽，在進入下一效作為加熱蒸汽。用真空泵9排除不凝性氣體，維持蒸汽冷凝器8為負壓。各效間的壓強降，使溶液和二次蒸汽能自動流到下一效。蒸汽冷凝器中冷卻水和冷凝液的混合物從氣壓管排出，具體參見附錄2。蒸發(fā)器全部結構和部件均采用實際尺寸標注，裝配圖按照標準外循環(huán)式TWX-550的技術參數(shù)進行作圖，具體見附錄2。第四章設計結果討論4.1設計的評價4.1.1檢查外循環(huán)蒸發(fā)器的四個約束：（1）總溫差糖渣汁是具有一定的熱敏性物料，最大允許溫差為50，現(xiàn)為T=7.54+8.78+7.73+7.36=31.41，且每效的溫度差均大于7，能保證較高的傳熱效率，符合要求。（2）加熱蒸汽經(jīng)濟性，大于1，說明經(jīng)濟性比較好。（3）熱流率最大熱流率q=Q/A=162012247.311000/（3600500）=20400W/（m2.S）,其數(shù)值小于21500 W/（m2.S），符合要求。（4）壓強降現(xiàn)計算的壓強降P=34.5kPa,對于常壓蒸發(fā)系統(tǒng)來說不大，符合要求。4.1.2對設計的總體評述經(jīng)過多次的校核，證明該蒸發(fā)器性能不錯，蒸發(fā)效率高達93%，氣液接觸面積大，傳熱面積利用充分。原設計計算面積為450m2，取1.11的安全系數(shù)，初步定為500 m2，經(jīng)參考糖廠技術準備第三冊后，選擇型號為TWX-550的標準外循環(huán)式蒸發(fā)器，并且經(jīng)過校核，各項技術指標均能達到設計的要求，所以設計有很大的操作彈性。但是，由于設計面積為500 m2，選擇TWX-550的蒸發(fā)器有一定的浪費性，即投資比較大。采用四效并流外循環(huán)式蒸發(fā)流程是比較合理的，裝置的操作簡便，工藝條件穩(wěn)定，設備維修工作少。此蒸發(fā)流程可以說比較優(yōu)良。4.2設計總結本次蒸發(fā)器設計過程中，我運用所學知識，并查閱大量各種資料文獻，聯(lián)系化工生產(chǎn)的實際，完成化工單元操作為主的化工設計實踐。經(jīng)過這一實踐，我掌握了化工單元操作設計的基本程序和方法，提高了科學計算、工程計算以及熟悉查閱資料及國家技術標準的能力；培養(yǎng)了我工程概念，自主實踐，實事求是的科學態(tài)度和正確的經(jīng)濟觀點；使我運用綜合知識，獨立解決問題的能力得到很大提高，為下一步畢業(yè)設計做了一定的基礎。本設計是在周老師、龍老師的指導下完成的，在此，向兩位老師表示忠心的感謝。由于設計者本人的能力有限，設計不可避免存在不足之處，希望老師們的批評指正。參考文獻1陳維鈞、許斯欣等糖制汁加熱與蒸發(fā)中國輕工業(yè)