第三章 蒸发器设计计算 蒸发器主体为加热室和分离室，蒸发器的主要结构尺寸包括：加热室和 分离室的直径及高度；加热管的规格、长度及在花板上的排列方式、连接管的尺 寸。这些尺寸的确定取决于工艺计算结果，主要是传热面积。 3.1 加热管的选择和管数的初步估计 3.1.1 管子长度的选择根据溶液结垢的难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等 因素来考虑。本次设计选用外循环式蒸发器，国产外循环式蒸发器蒸发器的管长 [1] 一般从2560 到3000mm 不等，具体参考《糖汁加热与蒸发》 第139 页表6-1， 再根据糖汁的黏度情况，选择加热管以及板管型号如下表3-1 所示： 表3-1 加热选择参数 管子规格（mm） 管间距离（mm） 管长（mm） 15CrMoR φ42×3 54 3000 30 因加热管固定在管板上，管板选择考虑到管板厚所占有的传热面积，以及因焊接 所需要每端留出的剩余长度，则计算理论管子数n 时的管长实际可以按以下公式 计算： L= （L0-0.1 ）m=3-0.1=2.9 m 前面已经计算求得各效面积A 取500m2 n= = =1307 [3] 加热管的排布方式按正三角形排列，查《常用化工单元设备设计》 第163 页表 4-6 ，知道当管数为1303 时，排布为a=19 层，1307 与1303 相差不大，在这可以 取19 层进行计算。其中排列在六角形内管数为 =1027 根，其余排列在弓形面积 内，如果按标准间距即管间距离54mm 排列，则有四根管排不下，四根管的总面 积为： A3=3.1415926×0.042×2.9×3=1.53 m2 鉴于前面已经取1.11 的安全系数，如果现在取1303 根管，则总面积为： =500-1.53=498.47 安全系数为 K= =1.108 在安全系数范围内，所以能不要三根管，取1303 根。 3.1.2 加热壳体的直径计算 D=t(b-1)+2e D壳体直径，m ； t管间距，m ； b沿直径方向排列的管子数目； e外层管的中心到壳体内壁的距离，一般取e=(1.0～1.5)d ,在此取 1.5。 0 b =2a-1=2× 19-1=37 D=0.054×(37-1)+2×1.5×0.042 ＝2.07m [6] 参考 《糖厂技术准备第三册》 第198 页表9-2,本次设计常用标准形式的外循环 式蒸发器,型号为TWX-550,有关参数如下表所示 取标准的壳体直径为2400mm，具体参数如下表3-2-1，3-2-2 所示： 表3-2-1 外循环管蒸发器有关技术参数 加热体 加 最大工作汽凝水 型 直径 加热管 热 厚 压力/MPa 管 号 D 管 管长中心蒸 度 内压外压管数× / mm径 / mm距 汽 /mm 管径 口 条×mm / / mm 径 mm /mm TWX-5502400 φ 300054 600 14 0.250.104×100 42 表3-2-2管蒸发器有关技术参数 蒸发室 外 外 试 最大工作 捕汁 循 循 入 设备 负水 直径有效汽汁 压 汽 环 环 汁 质量 荷质 / mm高度 管 力 /MPa 结构 管 管 直 /t 质量 / mm直径 内 外压 形式数 直 径 量/t / mm 压 量 径 / mm /t / mm 800 0.2 0.1 惯性 2 300 125 26.753478 3.3分离室直径与高度的校核 分离室的直径取决于分离室的体积，而分离室体积又与二次蒸汽的体积流量及蒸 发体积强度有关。 /3600ρ 分离室体积计算式：V=W U i i i i 根据由蒸发器工艺计算中得到的各效二次蒸汽蒸发量，再从蒸发体积强度U 的 数值范围内选取一个值，就可由上式算出分离室的体积。 一般来说，各效的二次蒸汽量不相同，其密度也不相同，按上式计算得到的分离 室的体积也不会相同，通常末效体积最大。 [5] 根据《化工原理上册》 附录表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 数 I II III IV 汁汽温度t （℃）i 101.4 88.37 74.42 55.32 汁汽汽化潜热r （kJ/kg）i 2254.8 2287.1 2317.5 2365.8 效蒸汽密度（kg/m ）3 0.6887 0.4001 0.2365 0.1060 = 16340 （kg/h ） =11093 （kg/h ） =3699 （kg/h ） ＝2242 （kg/h ） 3 3 3 3 蒸发体积强度一般允许值为1.1-1.5 m /( m .s),在此取U =1.5m /( m .s)。 i 则各效的分离室体积如下： V = /3600ρU =16340/(3600×0.68874×1.5)=4.39 m3 1 1 1 V = /3600ρU =11093/(3600×0.4001×1.5)=5.13 m3 2 2 2 V = /3600ρU =3699/(3600×0.2365×1.5)=2.90 m3 3 3 3 V = /3600ρU =2242/(3600×0.1060×1.5)=3.92m3 4 4 4 为方便起见，各效分离室的尺寸取一致，分离室体积取其中较大者 3 V=V =5.13 m ，为安全起见，取1.1 的安全系数，即分离室的体积取为： 4 V=5.13× 1.1＝5.64m3 2 确定了分离室的体积，其高度与直径符合V=лD H/4 关系，确定高度与直径应考 虑以下原则： （1）分离室的高度与直径比H/D=1～2 。分离室的直径不能太小，否则二次蒸汽 流速过大，导致雾沫夹带现象严重。 （2 ）在条件允许的情况下，分离室的直径应尽量与加热室相同，这样可使结构 简单，制造方便。 （3 ）高度和直径都适合于施工现场的安装。 2 体积与高度的关系式：V=лD H/4 根据一般分离室的高度与直径比H/D=1~2，在此，取H/D=1.5 则得 1/3 1/3 D= （8V/3л） =[ （8×5.64 ）/ （3×3.1416 ）] =1684.6mm， 约为1685mm H=1.5D=1.5× 1685=2527.5mm 计算结果与上表3-2-1,3-2-1 相比, D=1685 ＜3000 H=2527.5＜4900 所以最终选择型号为TWX-550, 内满足设计的要求。 在满足生产规格要求的前提下，考虑制造和安装的方便性，该分离器的壁厚选取与换 热器的一致，即为14mm。 3.4 接管尺寸的校核 流体进出口接管的内径计算式：d= （4U /лu）1/2 s 3.4.1 溶液进出口 各效设备尺寸一致，进出口直径相同。根据溶液流量最大的第 一效溶液流量确定接管直径。溶液的适宜流速按强制流动取值，根据 《糖汁加热 [1 与蒸发》 P168 表6-5 取u =1.2m/s. 1 [7 3 以进效浓度为准，查《制糖工业试验》 可得进效清汁密度为1056kg/ m =F/3600ρ 3 溶液体积流量V =43200/(3600×1056)=0.01136 m /s ， s 1 d=[(4×0.01136)/(3.1416× 1.2) 1/2=0.11m，即取d=110 mm 与上表3-2-1,3-2-1 相比, d=110 ﹤125 mm 所以最终选择型号为TWX-550,能满足设计的要求。 3.4.2 加热蒸汽进出与二次蒸汽出口 设计各效结构尺寸一致，两进出口直径相 同。由于末效体积流量最大，则根据末效体积流量来设蒸汽计进出口的直径。 [1 根据《糖汁加热与蒸发》 167 页表6-4 查得蒸汽流速u =30～40m/s ，取u =30 m/s 4 4 3 蒸汽体积流速量V = /3600ρ =2242/(3600*0.1060)=5.88m /s s 4 d=[(4×5.88)/(3.1416×30) 1/2=499mm，d=499﹤600，满足规定的要求。 3.4.3 冷凝水出口按上表3-2-1 的技术标准参数，选用80mm，共4 根。 3.5 人孔的选择 [8 可以借鉴《换热器设计》 按一般标准，圆形人孔450～500 mm ，选取孔径： D =500mm 。 g 3.6 封头的选择 [1 参考《糖汁加热与蒸发》P159,正常的情况下蒸发罐多采用半椭球形封头和碟 形封头,,本设计采用标准半椭球形封头封头,具体参数见下表3-3 所示: 表3-3 标准半椭球形封头 封头材料 碳素钢 低碳合金钢 复合钢板 不锈钢 封头壁厚/mm 4~8 10~18 20 3~910~1820 直边高度/mm 25 40 50 25 40 50 设计蒸发罐所用的材料为低碳合金钢,为了方便,上下封头材料也选择低碳合金 钢,壁厚为14mm,所以最终选择直边高度为40mm。 3.7计算结果如表3-4所示： 表3-4蒸发器的主要参数 加热器直径 2400mm 溶液进出口内径 125mm 加热管数目 1303 蒸汽进出口内径 600mm 分离室直径 3000mm 冷凝水出口内径 100mm 分离室高度 4900mm 人孔 500mm 3.8底座的选择 底座的选择主要考虑设备试水质量，本设计的试水质量为78t, 由于质量较大， 故采用裙式支座，裙式支座选择低碳合金钢，壁厚为28mm,内径为 2400+28=2428mm,考虑安装的方便，支座的内径应该比加热体的外径稍大，可以 约取2440mm， 3.9法兰的 法兰的选择应思考蒸发器的最大工作压强（在此以PN0.25为现在基准）， 以及被连接件的直径。参考《化工设备设计基础》P60-65表2-16，2-17，2-18 以及2-19，本次设计采用平焊法兰（GB9115.5-88），同时选出对应的的螺栓螺 母，材料为全为Q235-A,具体如下表3-3所示。 表3-3连接件管法兰以及螺栓的选择（GB9115.5-88） 连接件 上封头 下封头 加热蒸汽汽凝冷水管 汁汽管 外循环管 入汁管 入口管 公称直径φ 3000φ 2400φ 600 φ 100 φ 800φ 300φ 125 所选法兰Dg3000Dg2400Dg600 Dg100 Dg800Dg300Dg125 螺栓 M39 M39 M24 M16 M27 M20 M27 ×24 ×24 ×20 ×4 ×24 ×12 ×8 螺母 M39 M39 M24 M16 M27 M20 M27 ×24 ×24 ×20 ×4 ×24 ×12 ×8 鉴于影响连接件的密封性的重要的因素为垫片，一般垫片选用耐油橡胶石棉网，厚 度为δ＝２ mm。 3.10画图及说明 采用CAD画图，四效并流外循环式蒸发流程简介：四效并流外循环式蒸发装置 的流程图如附图所示，原料液由贮液槽经离心泵打入清汁加热器交换器1，在加 热使料液温度接近达到80℃，然后进入蒸发装置的第一效2。生蒸汽通入第一效， 在第一效中生成的二次蒸汽经过抽取一定量的汁汽后，送到第二效作加热蒸汽 用。第一效中被浓缩的溶液也进入第二效。依此类推，第二，三效也进行抽汁汽， 在进入下一效作为加热蒸汽。用线排除不凝性气体，维持蒸汽冷凝器8 为负压。各效间的压强降，使溶液和二次蒸汽能自动流到下一效。蒸汽冷凝器中 冷却水和冷凝液的混合物从气压管排出，具体参见附录2。 蒸发器全部结构和部件均采用实际尺寸标注，装配图按照标准外循环式 TWX-550 的技术参数进行作图，具体见附录2。 第四章 设计结果讨论 4.1 设计的评价 4.1.1 检查外循环蒸发器的四个约束： （1）总温差 糖渣汁是具有一定的热敏性物料，最大允许温差为50 ℃，现为△ T=7.54+8.78+7.73+7.36=31.41 ℃，且每效的温度差均大于7 ℃，能保证较高的 热效率，符合标准要求。 （2 ）加热蒸汽经济性 ，大于1，说明经济性比较好。 （3 ）热流率最大热流率q=Q/A=16201×2247.3 1×1000/ （3600×500 ）=20400W/ 2 2 （m .S）,其数值小于21500 W/ （m .S），符合标准要求。 （4 ）压强降 现计算的压强降△P=34.5kP ,对于常压蒸发系统来说不大，符合要 a 求。 4.1.2 对设计的总体评述 经过多次的校核，证明该蒸发器性能不错，蒸发效率高达93%，气液接触面积大， 传热面积利用充分。原设计计算面积为450m2 ，取1.11 的安全系数，初步定为 500 m2 ， 经参考《糖厂技术准备第三册》后，选择型号为TWX-550 的标准外循环式蒸发 器，并且经过校核，各项技术指标均能达到设计的要求，所以设计有很大的操作 弹性。但是，由于设计面积为500 m2 ，选择TWX-550 的蒸发器有一定的浪费性， 即投资比较大。 采用四效并流外循环式蒸发流程是是合理的的，装置的操作简便，工艺条件稳定， 设备维修工作少。此蒸发流程可以说比较优良。 4.2 设计总结 本次蒸发器设计过程中，我运用所学知识，并查阅大量各种资料文献，联系化工 生产的实际，完成化工单元操作为主的化工设计实践。经过这一实践，我掌握了 化工单元操作设计的基本程序和方法，提高了科学计算、工程计算以及熟悉查阅 资料及国家技术标准的能力；培养了我工程概念，自主实践，实事求是的科学态 度和正确的经济观点；使我运用综合知识，独立处理问题的能力得到很大提高， 为下一步毕业设计做了一定的基础。 本设计是在周老师、龙老师的指导下完成的，在此，向两位老师表示忠心的感谢。 由于设计者本人的能力有限，设计不可避免存在不足之处，希望老师们的批评指 正。 [1] 陈维钧、许斯欣等．糖制汁加热与蒸发．中国轻工业出版社．2001 ． [2]《甘蔗糖厂设计手册》编写组．甘蔗糖厂设计手册上册 .轻工业出版社．1982-08 [3] 李功样、陈兰英、崔英德．常用化工单元设备设计．华南理工大学．2003-04 [4] 陈英南、刘玉兰．常用化工单元设备的设计．华南理工大学出版社．2005-04 [5] 陈敏恒、丛德滋、方图南、齐鸣斋．化工原理上册．化学工业出版社．1999 [6] 华南工学院等合编．糖厂技术准备第三册.轻工业出版社．1986 [7] 李凯等．制糖工业试验．广西大学轻工与食品工程学院．2003 [8] 《化工设备设计全书》编辑委员会．换热器设计．上海科学技术出版社 [9] 顾芳珍、陈国桓．化工设备基础．天津大学出版社。1994-08

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