处理量为15000kg.h的CaCl2水溶液四效蒸发装置设计

天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 1 第一章 绪论 第一节 课题背景与物料简介 一 课题背景 CaCl2是一种用途极广的无机化工原料 广泛地用于生产多种用途的干燥剂 致冷剂 食物防腐剂 制造钙盐及某些染料的原料 3 它主要应用于玻璃制造 电视显像管 食品添加剂等方面 还用于日用化工 陶瓷 化工脱水液 建筑 行业早强剂 生产涂料的凝固剂 橡胶行业乳胶凝结剂 微生物工业和化学工 业 如化工原料 脱除剂和用作单倍体育种的培养基 此外 还用作织物的防 火剂 海港的消雾剂和路面的集尘剂等 在水处理 公路除雪 制冷冷藏等方 面 CaCl2也有广泛的用途 在 CaCl2溶液蒸发装置系统中 形成了由水蒸汽 氯化钙溶液 晶体和惰 性固体颗粒所组成的多相流工质 其中 CaCl2有去除磷的作用 该蒸发装置解 决了装置中的结垢问题 避免了由于结垢严重而频繁停车清洗造成的损失 提 高了生产效率 具有高的传热效率 结构紧凑 容易安装与维修等优点 该系 统运行稳定 实现了节能 节水 环保 降耗 增产的目的 具有明显的经济 效益 社会效益和环境效益 二 物料简介 1 CaCl2的性质 CaCl2白色晶体或块状物 无毒 无臭 味微苦 不规则颗粒或粉末状 熔 点 782 沸点 1600 密度 2 15g cm3 25 它在水中的溶解度很大 能形 成含结晶水化合物 CaCl2吸湿性极强 暴露于空气中极易潮解 能溶于醇 丙 酮和醋酸 易溶于水 同时放出大量的热 其水溶液呈微酸性 有弱腐蚀性 2 CaCl2的用途 CaCl2是一种用途极广的无机化工产品 广泛地用于生产多种用途的干燥剂 致冷剂 食物防腐剂 制造钙盐及某些染料的原料 3 它主要应用于玻璃制造 电视显像管 食品添加剂等方面 CaCl2溶液是致冷工业中重要的冷冻剂 在使用过程中 会因吸收空气中的 水分而使其浓度降低 通过蒸发吸热 与外界空气进行热交换 以达到制冷效 果 氯化钙水溶液对设备有腐蚀性 使用时应该注意 CaCl2是工业和实验室常用干燥剂 如用于氮气 氧气 氢气 氯化氢 二 氧化硫等气体的干燥 但不能用来干燥乙醇和氨 是生产醇 酯 醚和丙烯酸 树脂时用作脱水剂 在无机工业中被用作制造金属钙 氯化钡 各种钙盐 如磷 酸钙等 的原料 在建筑工业中被用作防冻剂 以加速混凝土硬化和增加建筑砂 浆的耐寒能力 在微生物工业中被用作单倍体育种的培养基 此外 还用作织 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 2 物的防火剂 海港的消雾剂 路面的集尘剂和食品的防腐剂等 第二节 蒸发与流程概述 一 蒸发概述 蒸发装置广泛应用于化工 轻工 食品 医药 制冷 废水处理 海水淡 化等工业领域 其目的是使溶液中的溶剂与溶质相互分离 其主要的几个方面 1 浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再处理 如冷却结晶 制取固体产 品 例如电解烧碱液的浓缩 食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等 2 由于废水中含有高浓度盐分 通过蒸发浓缩 将废水中的物质变废为宝 例如管式降膜蒸发器主要用于废水浓缩 结晶蒸发器主要用于含盐废水的结晶 3 制冷剂吸热蒸发 降低环境的温度 有利于食品 水果和新鲜质感的保 存 在冷却空气蒸发器中 有空调用翅片蒸发器 冷冻冷藏用空气空气冷却器 和排管蒸发器等 4 同时浓缩溶液和回收溶剂 例如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯 中药生 产中酒精浸出液的蒸发等 5 为了获得纯净的溶剂 例如 海水淡化等 其中海水淡化是实现海水资 源利用的开源增量技术 可以增加淡水量 6 蒸发器吸收室内空气中的热量 使制冷剂蒸发为气体 带走室内空气中 的热量 同时将蒸发器周围流动的空气冷却产生冷凝水 达到除湿的目的 蒸发操作实质上是在间壁两侧分别进行蒸发和溶液沸腾的传热过程 所以 蒸发器也是一种传热器 然而和一般传热过程相比 蒸发操作又有以下特点 1 蒸发物料是溶有不挥发溶质的溶液 由拉乌尔定律可知 在相同温度下 其蒸汽压较纯溶剂低 因而在相同压力下溶液的沸点比纯溶剂的沸点高 加上 引起沸点升高的其他原因 当加热蒸汽温度一定时 蒸发溶液时的有效传热温 差比纯溶剂时的小 溶液的浓度越大 这种影响也越显著 2 蒸发汽化时溶剂量很大 需要消耗大量蒸汽 为有效利用能量 提高加 热蒸汽经济性 可采用多效蒸发的方法 3 蒸发物料常具有某些特性 如有些物料在浓缩时可能结垢或析出结晶 有些热敏性物料在高温下易分解变质 有些具有较高的粘度或较强的腐蚀性等 等 应根据物料在特殊性和工艺要求选择适当的蒸发方法和设备 蒸发的目的是为了使溶液中的溶剂汽化 故溶剂应具有挥发性而溶液中的 溶质必须是不挥发的 由汽化产生的蒸汽在逸向空间后不予除去 则蒸汽与溶 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 3 液之间将逐渐趋于平衡状态 是汽化不能继续进行 故进行蒸发的必备条件为 热能的不断供给和生成蒸汽的不断的排除 二 工艺流程概述 蒸发基本工艺流程示意图如下图 1 2 1 所示 图 1 2 1 工艺流程示意图 第三节 蒸发设备与选型 一 蒸发设备简介 蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热 部分气化 得到浓缩的 完成液 同时需要排出二次蒸气 并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离 蒸发的主体设备是蒸发器 它主要由加热室和蒸发室组成 蒸发的辅助设 备包括 使液沫进一步分离的分离器 使二次蒸气全部冷凝的冷凝器和使物料 加热至沸点的预热器以及减压操作时还需真空装置 由于生产要求的不同 蒸 发设备有多种不同的结构型式 对常用的间壁传热式蒸发器 按溶液在蒸发器中的运动情况 蒸发器可分 为循环型 非膜型 和单程型 非循环型 两类 循环型蒸发器包括 中央循环管 式蒸发器 悬筐式蒸发器 外热式蒸发器 强制循环型蒸发器 列文式蒸发器 单程型蒸发器包括 升膜式蒸发器 降膜式蒸发器 升 降膜式蒸发器 刮板式 蒸发器等 蒸发器按操作压力分常压 加压和减压 3 种 按溶液在蒸发器中的运动状 况分有 8 循环型 沸腾溶液在加热室中多次通过加热表面 如中央循环管 式 悬筐式 外热式 列文式和强制循环式等 单程型 沸腾溶液在加热室 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 4 中一次通过加热表面 不作循环流动 即行排出浓缩液 如升膜式 降膜式 搅拌薄膜式和离心薄膜式等 直接接触型 加热介质与溶液直接接触传热 如浸没燃烧式蒸发器 蒸发装置在操作过程中 要消耗大量加热蒸汽 为节省 加热蒸汽 可采用多效蒸发装置和蒸汽再压缩蒸发器 若对所产生的二次蒸汽不再利用 而是直接送往冷凝器被除去 则为单效 蒸发 若把较高压力的蒸发器内所产生的二次蒸汽 送入另一压力较低的蒸发 器中作为加热蒸汽 则成为两效蒸发 如此类推 把多个操作压力大小不同 并按顺序排列的蒸发器联接起来 可组成多效蒸发 故蒸发操作按蒸气的利用 程度又有单效蒸发和多效蒸发之分 9 在单程型蒸发器中 物料沿加热管壁成膜状流动 一次通过加热器即达浓 缩要求 其停留时间仅数秒或十几秒 另外 离开加热器的物料又得到及时冷 却 因此特别适用于热敏性物料的蒸发 但由于溶液一次通过加热器就要达到 浓缩要求 因此对设计和操作的要求较高 由于这类蒸发器的加热管上的物料 成膜状流动 故又称膜式蒸发器 根据物料在蒸发器内的流动方向和成膜原因 不同 它可分为下列几种类型 升膜式蒸发器 降膜式蒸发器和刮板式蒸发器 下面将详细讲述升膜式蒸发器的内容 其它略过 升膜式蒸发器如图 1 3 1 所示 它的加热室由一根或数根垂直长管组成 通常加热管径为 25 50mm 管长与管径之比为 100 150 原料液预热后由蒸 发器底部进入加热器管内 加热蒸汽在管外冷凝 当原料液受热后沸腾汽化 生成二次蒸 汽在管内高速上升 带动料液沿管内壁 成膜状向上流动 并不断地蒸发汽化 加速流动 气液混合物进入分离器后分 离 浓缩后的完成液由分离器底部放出 这种蒸发器需要精心设计与操作 即加热管内的二次蒸汽应具有较高速度 并获较高的传热系数 使料液一次通过 加热管即达到预定的浓缩要求 通常 常压下 管上端出口处速度以保持 20 50m s 为宜 减压操作时 速度可达 100 160m s 升膜蒸发器适宜处理蒸发量较大 热敏性 粘度不大及易起沫的溶液 但不适 于高粘度 有晶体析出和易结垢的溶液 二 蒸发设备选型 图 1 3 1 升膜式蒸发器 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 5 1 选型时应考虑的因素 1 溶液的组成 处理量或生产能力 溶液的初始浓度和供液温度 完成液 的终点浓度和产品要求 2 处理量或生产能力 溶液的初始浓度和供液温度 完成液的终点浓度和 产品要求 溶液的沸点升高 物料的热稳定性 变质的可能性 蒸发设备内停 留时间的限制 3 溶液的发泡性 表面张力 液体粘度 有无气体生成 有无结晶析出等 生成垢的成分 硫酸钙 磷酸钙 硅等 4 可利用的热源 水蒸气 电力 有无必要设置锅炉等 可利用的冷却 水温 水量 水质和一年内的温度变化 5 溶液的 pH 值 涉及设备和衬里的材料 特别是防腐措施及修补方法等 此外 在选定蒸发器时还应考虑技术条件 现场条件 面积和高度 投资限额 操作方式 间歇或连续 及操作费用等 2 选型原则 1 对于不发泡溶液或蒸发过程中无结垢和结晶生成的溶液可选自然循环式 蒸发器 如标准式 悬框式 水平管式或倾斜管式蒸发器 2 对于粘度高的溶液 可选用强制循环蒸发器 升膜或强制循环升膜式蒸 发器 或刮版式型蒸发器 3 对浓缩过程中形成结晶的溶液 可选用标准型 强制循环型或盘管型蒸 发器 也可选用刮板式 4 对蒸发时易结垢的溶液 可选用标准型或强制循环型蒸发器 5 对易发泡溶液 可选用升膜式或强制循环蒸发器 水平管式或自然循环 式蒸发器也可使用 对易发泡溶液不宜采用真空蒸发 6 对腐蚀性强的溶液 宜采用自然循环水平管式或标准式蒸发器 7 对热敏性溶液 宜采用膜式蒸发器 而且宜采用真空蒸发 8 在处理量大时 为了提高热经济性 减少蒸汽耗量 应采用多效蒸发或 多级闪急蒸发器 蒸发器的结构型式很多 实际选型时 除了要求结构简单 易于制造 金 属消耗量小 维修方便 传热效果好等等外 首要的还是看它能否适应所蒸发 物料的工艺特性 包括物料的粘性 热敏性 腐蚀性 结晶 结垢性等等 然 后再全面综合地加以考虑 根据本设计的情况 从设计制造成本等方面考虑 本文设计的蒸发器选定为升膜式蒸发器 并流四效布置 具有占地少 能量损 失小 结构合理的优点 蒸发效果满足生产要求 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 6 第二章 工艺计算 工艺设计是本设计的关键 蒸发器的形式 大小 工作能力由这一步确定 第一节 设计内容 一 设计题目 题目名称 处理量为 15000kg h 的 CaCl2水溶液四效蒸发装置设计 设备形式 并流布置 升膜式蒸发器 操作条件 1 原料液质量浓度 6 完成液质量浓度 25 原料液温度为 30 原料 液比热容 3 1KJ kg 2 加热蒸汽压强 400kPa 绝压 冷凝器压强 20kPa 绝压 3 各效蒸发器总传热系数 从书上或手册中查取 4 各效蒸发器传热面积相等 加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出 热 损失均按 5 计 流动阻力引起的沸点升高为 0 5 1 0 5 每年工作 330 天 每天工作 24 小时 第二节 工艺计算 一 设计参数 在蒸发器设计的工艺计算中 已知参数是 原料夜的处理量 温度 浓度和比热容 hkgF15000 0 30 0 t06 0 0 x 1 3 0 KkgkJCp 末效完成夜的浓度 第一效加热蒸汽的压力 其饱和温度25 0 4 xkPap400 1 和汽化潜热 冷凝器的压力 其饱和温 6 143 1 TkgkJr 6 2133 1 kPapl20 度 和汽化潜热 1 60 l TkgkJr 5 2357 1 工艺计算需要设计的项目是 加热蒸汽消耗量 各效的蒸发量 各效 1 D i W 的传热面积 i A 二 物料衡算 1 料液的总蒸发量W 式 2 2 1 1 400 xxFW 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 7 其中 原料液的处理量 总蒸发量 0 FhkgWhkg 料液初始质量浓度 料液完成质量浓度 0 x 4 x 总蒸发量hkgxxFW11400 25 0 06 01 15000 1 400 完成液总量hkgWFL36001140015000 2 各效浓度的估算 由于此设计采用四效并流加料蒸发 而对于并流操作的多效蒸发有自蒸现 象 所以各效的蒸发量可假设为 则 3 1 2 1 1 1 0 1 4321 WWWW 由得 11400 4321 WWWWWW i 23 57000 1 W23 62700 2 W 23 68400 3 W23 74100 4 W 再由得知各效浓缩液的质量分数为 000 ii WFxFx i x 其中 则计算的06 0 0 x 320 23 1 1 0001 i i WFxFx 751 69 2 1 0002 i i WFxFx 523 69 3 1 0003 i i WFxFx 4 1 4 1 0004 i i WFxFx 三 热量衡算 1 各效的平均压力 若忽略各种温度差损失的影响 各效二次蒸汽压力可按经验方法估算 即 认为蒸汽通过各效的压强降相等 式 2 2 2 nppp ni 1 式中 加热蒸汽的压力 1 pkPa 冷凝器中蒸汽压力 n pkPa 根据和 则各效间的平均压差为kPap400 1 kPapp ln 20 i p 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 8 kPapi954 20400 由各效的平均压差可求出各效加热水蒸汽的平均压力 即 ii pipp 11 其中 则计算kPap400 1 kPap305951400 2 kPap210952400 3 kPap115953400 4 由各效水蒸汽的平均压力 可从手册中可查得相应的水蒸汽的温度和汽化 潜热等参数 见表 2 2 1 表 2 2 1 效数1234冷凝器 蒸汽压力 pi kPa40030521011520 蒸汽温度 Ti 143 6134 1121 6102 760 1 蒸汽的气化潜热 ri kJ kg2133 62162 22197 92249 22357 5 2 各效料液沸点和温差损失 各效中由于溶液蒸汽的压降 液柱静压及流动阻力所造成的温差损失 i t 均可按下述方法进行估算 i t i t 1 流动阻力所造成的温差损失 i t 在多效蒸发中 二次蒸汽由前效经管路送至下效作为加热蒸汽的压力稍有 降低 温度也相应降低 的计算繁琐 一般取二次蒸汽温度下降为 i t 0 5 1 0 故 0 5 0 7 0 8 1 0 1 t 2 t 3 t 4 t 因此 3 0 i t 由各效流动阻力所造成的温差损失 可得到相应各效二次蒸汽的温度 进 而从手册中可查得相应的水蒸汽的压力和汽化潜热等参数 见表 2 2 2 表 2 2 2 效数1234冷凝器 加热蒸汽温度 Ti 143 6134 1121 6102 760 1 流阻温差 0 50 70 81 二次蒸汽压力 pi kPa31221511721 二次蒸汽温度 Ti 134 6122 3103 861 1 二次蒸汽的气化潜热 ri kJ kg 2145 92195 92246 52354 9 2 液柱静压所造成的温差损失 i t 由于蒸发器的加热管内积有一定高度的液层 所以其液层内截面上的压力 高于液体表面压力 因此液层内溶液的沸点也高于液面的沸点 从而两者之间 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 9 存在温差 即 式 i t ppmi ttt 2 2 3 式中 与平均压力相对应的水的沸点 其中 pm t m p 为液层深度 取值为 为液体密度 2 glppm lm6 与二次蒸汽压力相对应的水的沸点 其中为二次蒸汽压 p t p p 力 由各效二次蒸汽的温度 可得到相应各效饱和液的密度和溶液平均压力 进而从手册中可查得相应溶液平均压力下水的沸点等参数 见表 2 2 3 表 2 2 3 效数1234 二次蒸汽压力 pi kPa31221511721 二次蒸汽温度 Ti 134 6122 3103 861 1 饱和液密度 kg m3930 8941 3955 9982 6 平均压力 pmi kPa34024314550 平均温度 tpmi 137 6126 0108 981 3 静降压温差 ti 34520 3 溶液蒸汽压降所造成的温差损失 i t 对于不挥发性溶液 由于溶质分子阻碍了溶剂的汽化 使溶剂蒸汽压下降 溶液沸点上升 并将大于二次蒸汽温度 则溶液蒸汽压降所造成的温差损失 为 i t 式 2 2 4 iBii Ttt 式中 溶液的沸点 Bi t 二次蒸汽的饱和温度 i T 的计算方法很多 常用的是杜林法则 当缺乏数据时 可用下式估算 i t 式 2 2 5 aiiiaii trTtft 2 273 0162 0 根据各效料液质量浓度 由图 见附录 1 查得 i x ai t 0 1 1 a t5 1 2 a t5 2 3 a t7 4 a t 故 3 10 1 9 2145 273 6 134 0162 0 2 1 t 7 15 1 9 2195 273 3 122 0162 0 2 2 t 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 10 6 25 2 5 2246 273 8 103 0162 0 2 3 t 4 57 9 2354 273 1 61 0162 0 2 4 t 总温差损失46 iiii tttt 总有效温差 5 3746 1 60 6 143 i t 4 各效料液沸点 溶液的沸点与溶液的种类 浓度和压力有关 式 2 2 6 iiii ttTt 故 9 13833 1 6 134 1111 ttTt 0 12847 13 122 2222 ttTt 4 11156 2 8 103 3333 ttTt 5 86204 5 1 61 4444 ttTt 各效物料沸点值见表 2 2 4 表 2 2 4 效数1234 物料沸点 ti 138 9128 0111 486 5 各效有效温差 其中 i t iii tTt 7 4 9 138 6 143 111 tTt 1 6 0 128 1 134 222 tTt 2 10 4 111 6 121 333 tTt 2 16 5 86 7 102 444 tTt 四 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算 原料液的比热 水的比热 计算 1 3Cp0KkgkJ 187 4 KkgkJCpw 中所需的参数见表 2 2 5 表 2 2 5 效数1234冷凝器 蒸汽压力 pi kPa40030521011520 蒸汽温度 Ti 143 6134 1121 6102 760 1 蒸汽的气化潜热 ri kJ kg2133 62162 22197 92249 22357 5 物料沸点 ti 138 9128 0111 486 5 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 11 压降温差 ti 1 31 72 65 4 静降压温差 ti 34520 流阻温差 0 50 70 81 二次蒸汽压力 pi kPa31221511721 二次蒸汽温度 Ti 134 6122 3103 861 1 二次蒸汽的气化潜热 ri kJ kg2145 92195 92246 52354 9 第 i 效的蒸发量的计算式为 i W 式 2 2 7 1 12100 i ii pwipwpwp i ii ii r tt CWCWCWCF r rD W 式中 第 效加热蒸汽量 当无额外蒸汽引出时 i Dihkg 1 ii WD 第 效加热蒸汽 二次蒸汽的汽化潜热 且 i r i r ikgkJ 1 ii rr 分别为第 效和第效物料的沸点 i t 1 i ti1 i 为第 效的热利用系数 取 i i98 0 21 97 0 43 第一效的热量恒算式为 1 10 00 1 11 11 r tt CF r rD W p 因沸点进料 则 所以 10 tt 9744 0 1 1 11 11 hkgD r rD W 第二效的热量恒算式为 2 21 100 2 22 22 r tt CWCF r rD W pwp 20 2269204 0 20 2269446 0 11 hkgDW 第三效的热量恒算式为 3 32 2100 3 33 33 r tt CWCWCF r rD W pwpwp 17 5418166 0 17 5418381 0 11 hkgDW 第四效的热衡算式为 4 43 32100 4 44 44 r tt CWCWCWCF r rD W pwpwpwp 35 9456401 0 85 9366569 0 11 hkgDW 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 12 又因 式 2 2 8 11400 4321 hkgWWWWW 联立式 式 可得 hkgW 4 2816 1 hkgW 5 2886 2 hkgW 5 2901 3 hkgW 5 2795 4 hkgD 4 2890 1 五 各效外加热蒸汽的传热量 1 理论加热蒸汽传热量 其中 式 2 2 9 iii rDQ 理论1 ii WD WrDQ 6 111 107130 1 理论 WrWQ 6 112 106788 1 理论 WrWQ 6 223 107607 1 理论 WrWQ 6 334 108106 1 理论 2 实际加热蒸汽传热量 式 2 2 10 ii QQ 理论 05 1 WQ 6 1 107987 1 WQ 6 2 107627 1 WQ 6 3 108487 1 WQ 6 4 109011 1 六 蒸发器的传热面积 由蒸发器的传热方程可得 式 2 2 11 m tKQA 式中 蒸发器的热流量 蒸发器的传热面积 QWA 2 m 蒸发器的平均传热温差 K 蒸发器的传热系数 m t K 2 KmW 由上式可见 计算传热面积需要知道传热温差和传热系数 1 传热温差 在蒸发器中 管外为蒸汽冷凝 为蒸汽温度 其值恒定 管内为溶液沸T 腾 为溶液沸点 多为定值 可视为恒温差传热 故t 式 2 2 12 ttTtm 则各效有效温差 i t 7 4 111 tTt1 6 222 tTt 2 10 333 tTt 2 16 444 tTt 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 13 2 传热系数 蒸发器传热系数的计算是困难的 由于溶液在加热面上被气化浓缩 因而 易于在壁面结晶或结垢 结垢热阻很快增大 并且污垢热阻随溶液的种类变化 较大而难于估算 对不易结晶或结垢的溶液 因为溶液在有限空间内沸腾 其 传热情况比大容积下的沸腾更为复杂 对于不同类型的蒸发器 其影响管内溶 液沸腾侧的表面传热系数的因素和程度又有所不同 基于上述原因 蒸发器的 传热系数仍主要是根据现场实测数据来选定 K 故 选取各效的传热系数为 1800 2 1 KmWK 1500 2 2 KmWK 1200 2 3 KmWK 900 2 4 KmWK 3 计算换热面积 因为 则 m tKQA 2 1 6123 212mA 2 2 6448 192mA 2 3 0376 151mA 2 4 3909 130mA 七 蒸发器的校核 为了蒸发器的制造 安装 库存和操作的方便 通常是各效的传热面积相 等 故用式来检验 若算出各效的传热面积不等的相对偏差大于规定值时 则应调 整各效的有效温差 并且重算传热面积 直至使传热面积相等或相近为宜 式 2 2 13 A AA maxmin 1 式中 规定的传热面积间的相对偏差 取 A 03 0 A 算出各效传热面积中最小者 min A 2 m 算出各效传热面积中最大者 max A 2 m 由于 为了蒸发器的制造 安装 库存 A 3867 0 6123 212 3909 1301 和操作的方便 则应调整各效的有效温差 并且重算传热面积 八 工艺重算 1 重算各效传热面积 式 2 2 14 i t tAtAtAtA A 44332211 6486 156 2 16 2 101 67 4 2 163909 130 2 100376 1511 66448 1927 46123 212 2 重新分配各效有效温差 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 14 设各效传热面积相等 从而重新分配各效有效温差 第一效的有效温差 1 4 67 46486 1566123 212 111 tAA 第二效的有效温差 2 5 71 66486 1566448 192 222 tAA 第三效的有效温差 3 8 9 2 106486 1560376 151 333 tAA 第四效的有效温差 4 5 13 2 166486 1563909 130 444 tAA 3 重算各效料液质量浓度 由所求得的各效蒸发量 可求各效料液的质量浓度 i x 因为 其中 各效物料的 000 ii WFxFxhkgF15000 0 06 0 0 x 蒸发量值见表 2 2 6 i W 表 2 2 6 效数1234 蒸发量 Wi kg h2816 42886 52901 52795 5 则各效料液的质量浓度 i x 0739 0 1 1 0001 i i WFxFx0968 0 2 1 0002 i i WFxFx 1407 0 3 1 0003 i i WFxFx 25 0 4 1 0004 i i WFxFx 因末效完成液浓度和末效的二次蒸汽压力均不变 则各种温差损失可视为 恒定 故末效溶液的沸点 5 86 4 t 4 重算各效料液沸点和温差损失 1 液柱静压及流动阻力而引起的温差损失 由于各效蒸发器的结构 外界环境不变以及暂且忽略各种因素的影响 所 以可认为各效蒸发器内因液柱静压及流动阻力而引起的温差损失不变 即和 i 不变 i 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 15 2 溶液蒸汽压降所造成的温差损失 溶液蒸汽压降所造成的温差损失 即 i iBii Tt 的计算方法很多 常用的是杜林法则 当缺乏数据时 可用下式估算 i 式 2 2 15 aiiiaii rTf 2 273 0162 0 根据各效料液质量浓度 由图 见附录 1 查得 i x ai 0 1 1 a 6 1 2 a 8 2 3 a 故 2 10 1 2 2165 273 0 133 0162 0 2 1 8 16 1 6 2204 273 2 119 0162 0 2 2 9 28 2 5 2254 273 8 100 0162 0 2 3 3 各效料液沸点 溶液的沸点与溶液的种类 浓度和压力有关 式 2 2 16 iiii Tt 各效物料的沸点和各效的有效温差参数见表 2 2 7 表 2 2 7 效数1234 有效温差 i 6 47 59 813 5 物料沸点 ti 137 2125 0108 786 5 5 重算加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量 原料液的比热 水的比热 重算 1 3Cp0KkgkJ 187 4 KkgkJCpw 过程中所需的参数见表 2 2 8 表 2 2 8 效数1234冷凝器 蒸汽压力 pi kPa400 20 蒸汽温度 Ti 143 6132 5118 5100 060 1 蒸汽的汽化潜热 ri kJ kg2133 62166 72206 52256 62357 5 物料沸点 ti 137 2125 0108 786 5 有效温差 i 6 47 59 813 5 压降温差 i 1 21 82 95 4 静降压温差 i 34520 流阻温差 0 50 70 81 0 二次蒸汽压力 pi kPa1 61081 08970 61100 1361 二次蒸汽温度 Ti 133 0119 2100 861 1 二次蒸汽的气化潜热 ri kJ kg 2165 22204 62254 52354 9 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 16 第一效的热量恒算式为 1 10 00 1 11 11 r tt CF r rD W p 因沸点进料 则 10 tt 故 9657 0 1 1 11 11 hkgD r rD W 第二效的热量恒算式为 2 21 100 2 22 22 r tt CWCF r rD W pwp 18 2529082 0 18 2529405 0 11 hkgDW 第三效的热量恒算式为 3 32 2100 3 33 33 r tt CWCWCF r rD W pwpwp 11 5588072 011 5588359 0 11 hkgDW 第四效的热量恒算式为 4 43 32100 4 44 44 r tt CWCWCWCF r rD W pwpwpwp 96 9126476 0 96 9126706 0 11 hkgWW 又因hkgWWWWW11400 4321 联立式 式 可得 hkgW 4 2807 1 hkgW 4 2892 2 hkgW 6 2904 3 hkgW 6 2795 4 hkgD 1 2907 1 与第一次计算结果比较 其相对误差为 01 0 0032 0 4 2816 4 280711 11 WW 01 00020 0 5 2886 4 289211 22 WW 01 0 0011 0 5 2901 6 290411 33 WW 01 0 0001 0 5 2795 6 279511 44 WW 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 17 6 重算各效外加热蒸汽的传热量 实际传热量 i Q ii QQ 理论 05 1 其中 iii rDQ 理论1 ii WD 1 ii rr WrDQ 6 111 108090 1 05 1 WrWQ 6 112 107729 1 05 1 WrWQ 6 223 108599 1 05 1 WrWQ 6 334 109100 1 05 1 7 重算蒸发器的传热面积 由蒸发器的传热方程可得 式 2 2 17 m tKQA 由上式可见 计算传热面积需要知道传热温差和传热系数 1 传热温差 由上述重新分配各效有效温差 所计算的各效物料有效温差值见表 2 2 m t 9 表 2 2 9 效数1234 有效温差 ti 6 47 59 813 5 2 计算换热面积 因为 故 m tKQA 2 1 0313 157mA 2 2 5911 157mA 2 3 1548 158mA 2 4 2016 157mA 8 重新校核蒸发器的换热面积 为了蒸发器的制造 安装 库存和操作的方便 通常是各效的传热面积相 等 一般用式进行检验 直至使传热面积相等或相近为宜 A AA maxmin 1 因为 迭代计算结果合理 故取传热03 0 0071 0 1548 158 0313 1571 面积为 158 2 为安全计 取安全系数为 1 1 则换热面积 2 174 2 1581 1mA 生蒸汽的经济程度 即生蒸汽可以蒸发水 92 3 1 2907 11400 Ykg1kg92 3 九 计算结果 工艺计算需要设计项目的结果见表 2 2 10 表 2 2 10 效数1234 加热蒸汽消耗量 Di kg h2907 12807 42892 42904 6 物料蒸发量 Wi kg h2807 42892 42904 62795 6 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 18 传热面积 Ai m2174174174174 第三章 蒸发装置结构设计 蒸发器结构的设计包含了机械 化工 力学 制图等方面的知识 本设计 采用的方法属于简化的工程做法 第一节 蒸发器加热室设计 一 加热管的选择和管数的初步估计 1 加热管尺寸的选择 直径为 长为的钢管 mm5 245 m6 2 加热管数的初步估计 根 式 3 1 1 221 1 06 0425 0 174 0 ldAn 二 加热管的排列 由于蒸发器的壳程走的是饱和水蒸气 不易结构 故采用结构紧凑的正三 角 形排列 又由于加热管中心矩宜不小于 1 25 倍的加热管外径 故常用的加热管 中心矩 故取中心矩 mmdt25 564525 1 25 1 0 mmt57 三 加热室内径 壁厚及加热管根数的确定 1 确定加热室的内径和壁厚 加热室内径和加热管数采用作图法来确定 具体作法是 先计算管束中心 线上管数 管子按正三角形排列时 式 3 1 c nnnc 1 1 2 故172211 1 c n 估算加热室内径 即 其中 DentD c 2 1 1 e 0 5 1d 故 式 3 1 3 90 9122 117 57 eD 135 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 19 根据标准取整得 1002 Dmm1047mmD1100 由筒体内径查取最小壁厚 mmD1100 mm10 2 壁厚的较核 壁厚的最小厚度计算公式 式 3 1 4 C p pD t i 2 其中 工作压力 取0 6MPa 壳体直径 1100mmp i D 许用应力 111Mpa 焊缝系数 取值为 0 85 t 腐蚀余量 3mmC 故壁厚合适且满足强度要求 106 63 6 085 01112 11006 0 mm 3 加热管数目的确定 加热管在管板上的分布按照等边三角形排列 最接近筒体内壁的管子与内 壁的距离大于等于 10 d 2 的原则排列管子 管子均匀对称 见管板布置图 3 1 1 图 3 1 1 管板布置图 依据筒体内径 考虑到物料结垢 蒸汽流量不稳定等元素影响mmD1100 有效传热面积 综合考虑 故取加热管根数为223根 则蒸发器的换热面积 A 由得 换热面积 1 0 ldnA i 2 7 175 mA 四 管板与筒体法兰设计 1 管板设计 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 20 管板是蒸发器装置的一个重要元件 它除了与管子和壳体等连接外 还是 一个主要的受压元件 对管板的设计 除满足强度要求外 还应合理的考虑其 结构设计 根据DN 1100mm P 0 6Mpa 选择整体管板兼作法兰 结构如图 3 1 2 图 3 1 2 整体管板 查文献 1 和 2 得 表 3 1 1 整体管板尺寸 DNDD1D3D4 螺柱规格 11001230119010971138M20 D5Cdbfb 螺柱数量 110016 523445044 查文献 12 得管板管孔直径及允许偏差为 mm 4 0 0 5 45 2 管箱法兰设计 管箱法兰是蒸发装置中的一个重要元件 与壳体和封头等连接 对管箱法 兰的设计 不仅要满足强度要求 还应合理的考虑其结构设计 根据 DN 1100mm P 0 6Mpa 查文献 15 选择乙型平焊法兰 结构如图 3 1 3 图 3 1 3 筒体法兰 查文献 15 得 表 3 1 2 筒体法兰尺寸 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 21 DNDD1D2D3 螺栓孔d螺栓规格螺栓数量 110012301190115511415523M2044 五 折流板设计 为了提高壳程流体的流速 增加湍流程度 并使壳程流体垂直冲刷管束 以改善传热 增大壳程流体的传热系数 同时减少结垢 折流板采用单弓形折流板如图 3 1 4 折流板缺口弦高 mmDh25025 0 折流板间距 折流板厚度取 mmB1000 mm8 图 3 1 4 单弓形折流板 折流板板数块 故取折流板数 5块 51100060001 BLNB B N 那么离管板最近的折流板距离 mmL9972 6100046000 min 查文献 1 和 2 得 折流板管孔直径及允许偏差为 mm 4 0 0 5 45 六 拉杆 定距管设计 折流板一般采用拉杆与定距管等元件与管板固定 采用拉杆定距管形式 图 3 1 5 拉杆 查文献 4 表 45 得 表 3 1 3 拉杆尺寸 拉杆直径 d mm拉杆数量 nLa mmLb mmb mm 16620602 0 第二节 蒸发器接管设计 蒸发器有如下主要接管 物料的进出接管 冷凝水出口接管 加热蒸汽进 口与二次蒸汽出口的接管和不凝气体接管 流体进出口接管的内径按下式计算 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 22 式 3 1 5 u W d 3600 4 式中 溶液的质量流量 溶液的密度 Whkg 3 mkg 溶液流速 溶液接管内径 usmdmm 一 物料进口接管 对于并流加料的四效蒸发 第一效溶液的流量最大 若各效设备采用统一 尺寸 应根据第一效溶液流量来确定接管 溶液的适宜流速按强制流动考虑 第一效进口溶液参数见表 表 3 2 1 溶液的质量流量 kg h溶液流速 m s溶液的密度 kg m3 第一效进口溶液参数 150001 01000 故物料进口接管的内径 式 3 1 6 mmdry73 100036000 1 150004 为了方便起见 物料进口接管可取统一管径 查文献 12 得 进料进口接管外径为 108mm 公称通径为 100mm 壁厚为 4mm 物料进口管内流速的核算 管内流速 式 3 1 7 sm d W u531 0 1 010003600 150004 3600 4 22 物料进口接管内流速在范围之列 符合要求 二 冷凝水出口接管 冷凝水的排出一般属于自然流动 有泵抽出的情况除外 接管直径应由各 效加热蒸汽消耗量较大者确定 故取加热蒸汽消耗量 hkgD 1 2907 1 第一效进口溶液参数见表 表 3 2 2 溶液的质量流量 kg h 溶液流速 m s溶液的密度 kg m3 最大加热蒸汽 消耗量对应冷 凝水参数 2907 11 0998 故冷凝水出口接管的内径 式 3 1 8 mmdzq33 99836000 1 1 29074 为了方便起见 冷凝水出口接管可取统一管径 查文献 12 表 1 2 2 得 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 23 冷凝水出口管外径为 45mm 公称通径为 40mm 壁厚为 2 5mm 冷凝水管内流速的核算 管内流速 式 3 1 9 sm d W u644 0 04 0 9983600 1 29074 3600 4 22 冷凝水管内流速在范围之列 符合要求 三 加热蒸汽进口与二次蒸汽出口的接管 若各效结构尺寸一致 则二次蒸气体积流量应取各效中最大者 一般情况 下 末效体积流量最大 故取二次蒸气蒸发量 hkgW 6 2795 4 第一效进口溶液参数见表 表 3 2 3 溶液的质量流量 kg h溶液流速 m s溶液的密度 kg m3 末效二次蒸气 参数 2795 6500 1361 故加热蒸汽进口与二次蒸汽出口的接管内径 式 3 1 10 mmdzq382 1361 0 360050 6 27954 为了方便起见 进出口可取统一管径 查文献 12 表 1 2 2 得 加热蒸汽进口与二次蒸汽出口的接管外径为 426mm 公称通径为 400mm 壁 厚为 13mm 加热蒸汽进口与二次蒸汽出口的接管内流速的核算 管内流速 式 3 1 11 sm d W u 5 45 4 01361 0 3600 6 27954 3600 4 22 蒸汽接管流速在范围之列 符合要求 四 物料出口接管 若各效结构尺寸一致 则物料体积流量应取各效中最大者 一般情况下 末效体积流量最大 故取二次蒸气蒸发量 hkgW 6 2795 4 第一效进口溶液参数见表 表 3 2 4 溶液的质量流量 kg h 溶液流速 m s溶液的密度 kg m3 末效二次蒸气 参数 2795 6500 1361 故加热蒸汽进口与二次蒸汽出口的接管内径 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 24 式 3 1 12 mmdzq382 1361 0 360050 6 27954 为了方便起见 物料出口接管可取统一管径 查文献 12 表 1 2 2 得 物料出口接管外径为 426mm 公称通径为 400mm 壁厚为 13mm 物料出口接管内流速的核算 管内流速 式 3 1 13 sm d W u 5 45 4 01361 0 3600 6 27954 3600 4 22 物料出口接管流速在范围之列 符合要求 五 不凝气体出口接管 若各效结构尺寸一致 则不凝气体体积流量应取各效中最大者 为了方便 起 见 不凝气体出口接管可取统一管径 可取参数与冷凝水出口接管一致 查文献 12 得 不凝气体出口接管外径为 45mm 公称通径为 40mm 壁厚为 2 5mm 六 防冲挡板的确定 为了防止壳程蒸汽进口处流体对加热管表面的直接冲刷 而引起侵蚀及震 动 以保护换热管 设计防冲挡板 结构如图 3 2 1 图 3 2 1 防冲挡板 防冲板外表面到壳体内壁的距离 防冲板直径 防mmL400 mmD450 冲板厚度取 厚度取 采用 Q235B B 材料 防冲板固定形式为Cmm5Bmm10 防冲板焊接在圆筒上 七 蒸发器接管法兰的确定 蒸发器接管法兰选用凸面管法兰 图 3 2 2 接管法兰 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 25 查文献 2 得 表 3 2 5 接管法兰尺寸 接管 DNDdK 螺纹Th LnC 进料口 100210148170M1618418 出料口 400540465495M20221628 二次蒸汽进口 400540465495M20221628 蒸汽进口 400540465495M20221628 冷凝液出口 4013080100M1214416 不凝气体出口 4013080100M1214416 八 蒸发器接管伸出长度的确定 蒸发器接管伸出长度按下式计算 式 3 1 14 15 1 hhl 式中 接管伸出长度 保温层厚度 lmm mm 接管法兰厚度 接管法兰的螺母厚度 hmm 1 hmm 蒸发器接管中各参数见表 表 3 2 6 接管各参数 进料接 管伸出 长度 出料接 管伸出 长度 进蒸汽 接管伸 出长度 二次蒸汽 接管伸出 长度 冷凝液 接管伸 出长度 不凝气 接管伸 出长度 接管法兰 厚度h 182424241616 接管法兰 的螺母厚 度h1 303030303030 保温层厚 度 303030303030 天津科技大学 2011 届本科生毕业设计 26 伸出长度 余量 151515151515 1 进料接管伸出长度确定 故取93mm1530301815 1 hhlmm180 l 2 出料口接管伸出长度确定 故取93mm1530301815 1 hhlmm180 l 3 蒸汽进口与二次蒸汽出口接管伸出长度确定 故取99mm1530304215 1 hhlmm180 l 4 冷凝液出口接管伸出长度确定 故取91mm1530301615 1 hhlmm180 l 5 不凝气出口接管伸出长度确定 故取91mm1530301615 1 hhlmm180 l 九 蒸发器接管安装位置的确定 蒸发器接管安装位置按下式计算 式 3 1 15 CbdL 4 2 式中 接管安装位置 保温层厚度 LmmCmm 接管法兰厚度 接管法兰的螺母厚度 dmmbmm 1 进料口接管安装位置确定 接管中心轴与筒体中心轴重合 2 出料口接管安装位置确定 由于进料口接管管径较大 故进料口接管位置应有补强圈来起加强作用 则取整 mmL28650 440 2400 mmL500 3 蒸汽进口接管安装位置确定 由于进料口接管管径较大 故进料口接管位置应有补强圈来起加强作用 则取整 mmL28650 440 2400 mmL500 4 不凝气体出口接管安装位置确定 为了停车时方便排出蒸发装置中的蒸汽 故设计排气管 由于mm5 245 不凝气体出口接管安装位置无补强圈 故不