甘蔗糖厂50t/h四效真空蒸发系统的优化设计（全套CAD图纸+设计说明书）
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甘蔗
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摘 要
在已知蔗汁锤度为15%的情况下，设计一个处理量为50t/h的四效蒸发器，蔗汁经过处理后锤度为60%。本设计选择中央循环管式蒸发器进行并行法沸点进料，根据已知的加热蒸汽压及末效的冷凝器气压，由各效之间蒸汽压降相等来估算各效的加热蒸汽压，再假设各效蒸发量相等可以计算出各效传热温差。算出各效传热系数及各效传热量后后便可求出各效传热面积。用蒸发器传热面积相等的方法重新分配传热温差，可求出各效液的沸点进而求出新的有效传热温差及各效传热量，最后可计算出传热面积。
计算出传热面积后，便可选择蒸发器加热管型号及确定管数，加热管进行三角形排列。由管板大小可确定加热室内径，蒸发室内径及高度由二次蒸汽流量确定。蒸发室、加热室筒体厚度及封头厚度由蒸汽压大小进行设计，设计后并进行受压元件的强度计算与应力校核。接管尺寸及型号的选择由蒸汽压及蒸汽流量共同决定。蒸发器辅助设备主要有气液分离器、蒸汽冷凝器、支座等，本设计选择惯性式气液分离器、水喷射冷凝器、耳式支座。
本设备严格按照GB150-1998《钢制压力容器》进行制造、检验、验收。设备设计细节、工艺尺寸、安装尺寸等详见CAD图纸。
关键词：蒸发量 温度损失 有效温差 传热系数 传热面积 工艺尺寸设计
- 内容简介：
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毕业设计（论文）任务书 课题名称 ：甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的 优化设计 学 院 ： 化学化工学院 专 业 ： 过程装备与控制工程 一、课题的内容和要求： 1、内容：在甘蔗糖厂中浓缩糖汁采用的处理量为 50t/h 的四效蒸发系统的工艺计算及设备（中央循环管式五效真空蒸发器） 设计 2、 要求： 设计论文一份 (总数不能少于 1 万字 )。 设计摘要 (中、英文 )400 字左右 。 翻译英文资料一篇 。 论文写作要规范 ， 毕业论文的编辑、打印、装订要严格按照广西大学本科生毕业设计（论文）基本规范要求进行编辑、打印和装订。 二、设计的技术要求与数据（或论文主要内容）： 1、 综述（发展史、意义、作用、价值等） 2、系统的热平衡计算（附结果图） 3、设备强度计算与校核。 4、 设备图 5、总结（要求附英文相关文章翻译 时间： 20082012 中文字数： 3000 字左右） 6、致谢（附参考书目） 三、设计（论文）工作起始日期： 自 2013 年 4 月 1 日 起 ， 至 2013 年 6 月 7 日止。 四、进度计划与应完成的工作： 了解课题，明确设计任务 、写开题报告，第 1 周 查阅相关文献，借阅图书馆相关书籍 ，写绪论，第 2 周 工艺流程设计及计算，蒸发罐尺寸的设计计算，第 3 周 确定辅助设备，制作第一效蒸发罐的 配图，第 4 周 工艺流程，蒸发罐结构计算部分论文的写作，第 5 周 英文文献翻译，第 6 周 写总结、致谢，排版及答辩， 第 7 周 五、 主要参考文献、资料 ： 1 陈敏恒，丛德滋：化工原理 M，北京：化学工业出版社， 2005 年 . 2 邹华，钟理：传热传质 过程设备设计 M，华南理工大学出版社 . 3 甘蔗糖厂设计手册编写组：甘蔗糖厂设计手册 M，北京：轻工业出版社 . 4 轻工 业部广州轻工业学校、四川轻工业学校合编：甘蔗制糖机械设备 M，北京：轻工业出版社 . 5 陈庆，邵泽波：过程设备工程设计概念 M，北京： 化学工业出版社 . 6 郑津洋，董其武，桑芝富等主编 . 过程设备设计 M. 北京：化学工业出版社，7 周大军，揭嘉 化工工艺制图 M 北京：化学工业出版社， 8 任晓光 化工原理课程设计指导 M 北京：化学工业出版社， 9 陈维均等 . 糖汁加热与蒸发 M. 北京：中国轻工业出版社， 10 陈其斌 . 甘蔗糖手册 M. 北京：轻工业出版社， 11 华南工学院等 . 糖厂技术装备 M. 北京：轻工业出版社， 12 黄华梁，彭文生 . 机械设计基础 M. 北京：高等教育出版社， 13 朱辉，唐保宁等 . 画法几何及工程制图 M. 上海：上海科学技术出版社，13 董大勤 化工设备机械基础 M 北京：化学工业出版社， 15 李功样，陈兰英，崔英德 常用化工单元设备设计 M 广州：华南理工大学出版社， 毕业设计（论文）开题报告 学号 学生姓名 学院 专业年级 指导教师 职称 设计（论文）题目 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 本课题国内外研究动态及意义： 国内外蔗糖厂蒸发器的改进目标，大致是趋向于节约能源、电能，提高效率、减小糖分转化损失、避免色值增加、节省投资，污垢少于易于清除等指标要求。从糖厂传统用的标准蒸发罐到长管升膜式蒸发罐、长管降膜式蒸发罐、到容器升膜板式蒸发罐、容器降膜板式蒸发罐，不断改进，进而不设计出一种塔式容器型降膜式蒸发器等不 断的提高、改进蒸发设备。 我国是世界上第三大产糖国家和食糖消费国，有大中小型制糖厂 400 多家，而广西是全国甘蔗的主产区，拥有发达的制糖工业，其总体规模和实力长期处在全国各省各区前茅。众所周知，糖厂是耗能大户，目前糖厂传统的蒸发工业大多采用多效蒸发，需要消耗大量的高温高压蒸汽，燃烧燃料以制水蒸气所耗能及所需费用，仅次于原料（甜菜或甘蔗），而占糖厂产品原料成本的第二位，传热设备的投资占总设备费的 40%左右。传统的蒸发工艺大 多存在设备结构复杂，成本高，易结垢且维修、除垢过程费用高，传热系数低，能耗高等特点。因此可看出，我国制糖工业的节能潜力很大。我们通过研究应用新技术、新工艺和新设备，可以将制糖工艺节能水平提高一大步，显著增加企业的经济效益，减小能源的损耗，使广西的制糖业得到更好的发展。 中央循环管式蒸发器也称标准蒸发器，是运用得较早的蒸发器，也是运用最广泛的蒸发器，它结构紧凑，制造方便，结构简单，但仍有较大的改进空间，因此，对中央循环进行优化设计对蔗糖工业尤为重要。其优化设计主要从以下几点入手： 1、占地面积小，空间高度低， 结构紧凑，造价低，投资少； 2、常为连续操作，亦可间歇操作，提高操作可控性； 3、污垢少，清洗方便，劳动强度低，并可用清洗液循环清洗； 4、使物料循环较好，正常操作时不易结焦； 5、低能耗，高效率，高产量； 6、设备耐用，不易腐蚀； 蒸发器的运用不仅仅局限与制糖行业， 在氯碱、化工、轻工、食品、制药和环保等行业 均为 广泛的应用 ，因此 ， 优化蒸发器的设计、提高蒸发器的效率、减少能源的消耗对资源日益趋少的当今世界来说意义十分重大。 毕业设计 (论文 )研究内容、拟解决的主要问题： 本设计的主要研究内容是： 1、整个蒸发系统的热平衡计算。 2、各蒸发罐的传热面积计算方式：等面积法、等温差法。 3、糖蒸汽在各效进出口参数（浓度、锤度等）。 4、画四效蒸发器设备布置图纸。 5、择其中一效画设备图，要求：标明结构、尺寸等。 6、进行设备力学计算（受压元件、强度校核） 本毕业设计拟研究解决的问题是：如何优化设计蒸发器。在保证压力容器安全的情况下，如何提高传热系数，提高蒸汽的利用率，减少蒸汽用量。如何优化设计结构，减小设备占地面积，同时，末效罐的出口蔗汁要求达到规定的浓度，如何使甘蔗清汁的日处理量尽可能大些。 毕业设计 (论文 )研究方法、步骤及措施： 定基本的研究方向，明确设计任务。 图书馆借有关蔗糖蒸发、传热传质、过程设备设计等有关书籍。并在网上下载有关蒸发器设计的文献。 效压强降相等原则，初算出各效有效温差。 等面积法得出各效的传热面积。 备图，及画出蒸发系统工艺流程设备图 主要参考文献： 1 陈 敏恒，丛德滋：化工原理 M，北京：化学工业出版社， 2005 年 . 2 邹华，钟理：传热传质 过程设备设计 M，华南理工大学出版社 . 3 甘蔗糖厂设计手册编写组：甘蔗糖厂设计手册 M，北京：轻工业出版社 . 4 轻工业部广州轻工业学校、四川轻工业学校合编：甘蔗制糖机械设备 M，北京：轻工业出版社 . 5 陈庆，邵泽波：过程设备工程设计概念 M，北京： 化学工业出版社 . 6 郑津洋，董其武，桑芝富等主编 . 过程设备设计 M. 北京：化学工业出版社， 7 周大军，揭嘉 化工工艺制图 M 北京：化学工业出版社， 8 任晓光 化工原理课程设计指导 M 北京：化学工业出版社， 9 陈维均等 . 糖汁加热与蒸发 M. 北京：中国轻工业出版社， 10 陈其斌 . 甘蔗糖手册 M. 北京：轻工业出版社， 11 华南工学院等 . 糖厂技术装备 M. 北京：轻工业出版社， 12 黄华梁，彭文生 . 机械设计基础 M. 北京：高等教育出版社， 13 朱辉，唐保宁等 . 画法几何及 工程制图 M. 上海：上海科学技术出版社， 13 董大勤 化工设备机械基础 M 北京：化学工业出版社， 15 李功样，陈兰英，崔英德 常用化工单元设备设计 M 广州：华南理工大学出版社， 否可以进入设计（论文）研究： 指导教师签名： 年 月 日 是否可以进入设计（论文）研究： 教研室 (系、研究所 )主任签名： 年 月 日 多效应蒸发器的设计和仿真 作者： E. M. J. 根廷布兰卡港。 摘要： 入料口的前后设计 算法， 是 由 多效应蒸发器设计和仿真周围的焓平衡和机身的传热速率方程构成。 et 1 提出了将每个效应进行具体的线性化。为了确保收敛和稳定， 他的 一个新的迭代方案考虑到了溶液沸点上升的因素 ， 提出沸点上升可以有效的减少热驱动力的效率，但也会导致重要的错误计算。该算法是基于消除未知的产品流率。模拟产品在平衡设置中，假设给定一个产品浓度 ， 通过消除相应的方程和降低传热速率 ， 便可 转换成仿真问题的设计 ， 用以解决已知数值方法所需的区域。如果该方法不可用，重复计算假设一个新的产品组成，选择里面的一个标准进行计算，直到达到收敛的实际面积。 关键词 ：算法 沸点 数值分析 加速收敛 正文 几十年来多效蒸发器的设计和仿真运用的一直是古典试错方法。然而，计算机辅助设计引入已扩大处理困难数值引起的非线性控制方程系统本身固有的和迭代需求构成的特殊物理特性的一些系统的可能性，如集中解决与沸点明显上升的方案 ( B)。 蒸发器的常规控制方程，由整体质量平衡和溶质质量平衡、焓平衡、传热速率方程 相互影响。由于这些方程是非线性的，依赖于温度的系数和组成。只有通过线性化方程或使用非线性技术解决未知数值的方案是可行的 (2)。因为当需要考虑 B 时被证明是不总是成立的。 关于 B 对蒸发器性能负面影响的集中解决方案。通过减少相应热驱动力为热转移。众所周知，它是一个函数的溶质浓度 x 和纯溶剂沸点。因此 ,对于一个给定的解决方案可以实验性地确定相关条件只在 x，从数值的观点来看，当设计和仿真算法被实现时必须考虑 B 显著影响能源相关的方程。 et 1 提出了一个 非常有效的基于线性化的非线性方程组的近似解设计多效蒸发器的方法。并通过一个著名的数值方法得到一些收敛性的判据。 . 2表示从稳定性和收敛性等方面利用著名的非线性方法相比具有明显的优势。 这些作者为了避免非线性交叉的产物，抽出 (T， x)和 T 作为一个单一的变量。假设 U、 H、 h 和 B 为常量在每个迭代中。 仿真，即预测现有设备的性能，在文学作品中不受重视。但再一次证明，它的迭代特性是最好的方式来处理使用计算机和数值算法的问题。 et 3 提出了一种广义级联算法 来处理和模拟多效蒸发器。但它的应用考虑了后方进料口和收敛准则，将阶段模型留给了用户。 在 B 设计情况下材料的稳定性较低。然而，当方法是使用或模拟的目的 ,它变得非常关键 ,因为产品浓度 x p 是假定开始计算副调制和错误在初始值传播到 B 使收敛可疑。这个困难在系统更为明显的在 x 上依赖 B。 这个工作的目的是提出一种算法来模拟多效蒸发器。 et 1 提出了它的使用过程以避免在设计中非线性问题，但是一种新的方式构成系统的方程表示和一些新的在求解算法的特点说明了哪一个保证收敛性，通常难以实现的仿真问题。该方法是完全通用并可用于设计和仿真。 然后 ,鉴于一个多效蒸发器的数量的影响，给定一个多效蒸发器的很多效果，已知传热面积和传热系数。用该方法计算新鲜蒸气流量、温度和流量。测定每个效应和产品特点对原料、新鲜蒸气属性和压力在冷凝器中的影响。 问题公式化 以下配方对应一个向后饲料系统 ,虽然推理是完全有效的 ,一个合适的前馈索引变化。参照图 1，一个 n 影响蒸发器是勾勒出微分方程系统设计原理图。 (a) N 质量平衡方程： 第一效： 0112 (1) 第 i 效： 01 LL(i=2,3,4 (2) 末效： 0) 图 1 n 影响蒸发器流下标对应效果示意图 （ ） N 焓平衡方程 : 第一效：第 i 效：末效：（ ） N 的传热速率方程： 第一效： 第 i 效： 末效： 用未知数 3N 获得 3N 的独立方程，它必须注意到 N 方程对应于溶质平衡形态 F/ Li h 没有被包括在内，因为它们可以独立完成子集 ()和 ( )的求解。 人们已经发现收集方程相同的 “自然数 ”涉及的所有功效子集，如 () 到 ()在书写方面有 e A、 这样的字母系数，矩阵对角线没有零点，提高了解决程序效率。 设计和仿真的问题构成区域产品的对称，在第一个区域是未知的。而 x p 成为变量因子。因此 ,一些变量已知在设计时无法进行了仿真。 这意味着需要计算一个倒置的信息流条件这 (4) 。在这种特定的情况下，相同的方程系统在设计上显示了较好的收敛性，在模拟上除非方程能充分处理通常不会达到一个理想的解决方案。 关于方程式 (1)-(9)，有些的构成不同。这取决于他们是否代表了设计或仿真问题。特别是 (1)和 (4)方程式，在后者的情况下是相对均匀的，有 为 N 在平行流上 )可以直接计算 L F 和 x p。 相反，传热速 率方程 (7)-(9)是均匀设计。因为区域是未知的，所以在仿真中 为此 ,方程在子集 ()被重写 参见方程式，低于 (8)和 (9)以取代实际的驱动力。(是饱和蒸汽温度 1 减去实际沸腾的温度 过饱和蒸汽温度之间的差异 ( 1 B = (因为 B 可以在任何迭代计算循环通过可用的相关性 x,它可以视为一个已知的常数和包括在独立方程的条件。有效的任何的 B，特别是当 B = 0 不影响配方。 在设计案例 ,子集 ()和 ()一起构成了 2N2N 系统。优势的尺寸 为 i = 0, . . . , N) 和 i = 2, . . . , N)提供了子集 ()有价值的解决方案。最初的方案N2N 也可以解决 NN 系统。 然而，当模拟方程式 (1)-(6)， 行流 入了一个新的未知 ,使得 2 N + 1 成为未知数。而 N 方程 (7)-(9)只有 2 N+1 个未知，因为 A 区的未知数是基准。整个系统必须同时解决。但正如上面所说 ,收敛性比较难证明。另外，如果子集（ ）、 ()、和 ()可以 “平方 ”，同样的程序应用于设计应该能获得成功的模拟。 最好的结 果通过简单地消除一个未知的平衡设置和一个从率方程。未知的选择是 流中的 它原来是一个基准假设值 x p 和执行一个溶质平衡对整个系统。这个方程是对应消除第一个效应 (或第 n 次在平行流 )中溶液浓度是 x p (7). 这由符合前决定，特别是为降低风险的分歧当假设 x p 中最大的系统 ,会导致价格在 B 上计算，而反过来被作为微扰的独立术语在方程式。 (8)和 (9),使系统高度敏感和容易发散，除非 B = 0。 当 A 成为一个特定的参考区域时，变量 (i = 1, . . . , N)被产品 替代，通常是影响其中因素之一。 影响 i 的比例效果范围，保持的未知数常数。 因此，完整的方程模拟如下 (方程是一样的，由虚线表明上面给出的是相同的代码 )。 (1) N 的质量平衡方程 第一效 : 10) 第 . . . . . . . . . . . . . (2) 末效 : . . . . . . . . . . . . . (3) (2) N 的焓平衡方程： 第一效： 第 i 效： 末效： （ 3） 热速率方程： 第一效： 第 i 效： 末效： 假 设 换成一个设计的模拟问题，事实上，这个程序会导致计算所需的区来执行的浓度来自 结果应该是不同的，必须一个新值将将分配给 到获得满意的收敛性判据。 初始化 以 为 的界限，一个合理的起始值应该是一个高于 这种情况下选中一个增量 下的变量可以在传统的试错过程被初始化， et 1在工作中也引用这样的方法。 温度在每个效应可以通过方程计算 (10)和 (11)，这取决于 U 如果考虑 B，必须计算当地均横浓 度 为此，我们假设每个效应产生同样数量的蒸汽 此有： 一旦产品浓度 x p 被假定可以计算的 体平衡量，初始化都是在特殊的子程序中进行。最后，不计其数液体和蒸汽可以通过合适的相关性对水和计算的解决方案，已经纳入该计划的子程序。子程序数值解的系统 是一个高斯方法的修改版本的 (进行部分旋转，它被证明是特别适用于这类问题的方法。 如上所述，模拟实际上是设计一些假定产品特点。结果是一个某些价值的面积要求，基于 “增大化现实 ”技术以产生 一个解决方案的指定 收敛是假定达到当地地区平等值时，在一个给定的误差里，可用面积 A 应用在符号、迭代周期方程 (13)成立： e =指定误差 设计是基于 et 1提出的收敛性判据，它是表示通过一个表达式方程式如方程 (13)，在这方面都换成了两个连续的计算值 一事实使 每个迭代中计算值 逆流因素 (除了 移除方程被用来计算所需面积 下 : 如果是 于 A， 定增加，反之亦然。这是通过一定数量说明 统初始化使循环再次重复。最终由迭代 k 之间的关系，基于 “增大化现实 ”技术 ,恢复原状，显示对应于一个 x p 系统的解决方案有最后两个连续的试验。例如： 进行了不同解决方案和不同数量对蒸发器影响数值实验，很明显，区域和成分是由相同类型的相关的数值 B 和 X 影响。例如，要求区域之间的关系和产品构成的五个影响，逆流单元为氢氧化钠溶液 ,作为案例 1 在表 1，图 2 所示。曲线可以用如下一个表达形式： a 和 b 为两个常量。 当不等式 (15)成立， 值 K+1 在迭代中依照方程（ 17），仅仅通过方程（ 16）获得 和 +1 。 k + 1 周期进行初始值通过方程式 (17)计算出 而不是那些最初的目的。 表 1 比较在一些特定条件下一个工业苹果浓缩汁 (操作数据结果 对许多数值 现 b = N + 1 对于温和 B 和对于那些大 B 的数值快速产生收敛性。因为浓度不高于 图 2 为一个函数对蒸发器最后浓度 (表一中的例 3) 当处理高的在 B 和大的 一个额外的步骤是采取方法以抑制任何不稳定。通过方程（ 18）计 算一个虚拟的 B 。 物理上， B 的值是 B 时会有解决方案，浓度 存在当前迭代操作值中。换句话说，它必须满足失踪的 (7)在方程 (18)中的应用。这个值是平均值与实际 应于 和结果是用于方程 (14)相反 得 用于方程 (17)。这被证明是一个额外的步骤帮助达到更快的收敛结果。 结果 为了得到结果而建立理论的特征，运用了许多来自于文献的案例。例如，其中三个被列在表 1 中。 第一个被列出来的是 T 案例，它是它们理论里的一个应用。 20000kg/h 的 5%的 决方案到 60%的方案集中于逆流效应的五个效应单元。 第二个是基于 50%， 90,909kg/h( 200. 000lb/ 的同样的解决办法导致了3 个效应设备。这个实验简历在 T 由传统的试算法解决，这在目的是对比时特别有吸引力。在这个案例里是顺流的。 最终，一个刺激测试被应用在苹果浓缩汁存在的单元里。养料是单一的苹果汁（ 12%的可溶性固体）浓缩在逆流三效应单元直到 72 白利糖度（ 72%可溶性固体 ）。 决方法的热力学性质由第五级的二 元拉格朗日插入多项式计算，合适焓 X 的图错误率小于 1%。为了计算产品 里的 B，我们用第二级的拉格朗日多项式里的 X 来做内插值替换。因此这就能被考虑为在所考虑浓缩范围下的只有一个构成的功能。 经验表述上的热物理性质和苹果浓缩汁的 B 在 减少，而且水蒸气性质能被众所周知的相关系数所计算，例如在 所发现的那些。 每个产品的数据与蒸汽一起，都被收集在单独的子程序里，这要求这个解决办法在主要程序里都被定义下来。全部的热力系数都在参考系 里被使用或者在实际运行中被测量，就像例子 3 一样。 在所有的案例有只有相关信息被展示在表 1 里，例如计算区域还有生产浓度，这些数据和结果作为一种选择，还有新鲜蒸汽需求。为了建立计算需要，许多迭代数是收敛的，极限也正是了任何时候找个书都是可用的。在这些收敛错误的系数指定等于 所有模型运行是，因此先前的实验展示了更小的数值并不会影响最终的结果，但是这特别会增加计算的时间。实际上，同样的是发生也发生在设计阶段，正如 的，同时也在实验中发现了这一现象。 这个在参照系和工作之间的 设计巧合是显而易见的。例如，在案例 1 中要求的在 的价值要少于 3%,如果考虑到 话，就小于 这个不同很可能由于性能的预测以及舍入的错误。在其他案例中这个巧合会好很多。 在设计和模仿运行中绝对的一致性也能被注意到。实际上，这个区域计算在给定生产浓度下的值，当养料作为数据来模仿运行时，外面也是相同的浓度，同样在这微不足道的错误中仍然保留着变化。然而，这个理论说明更高的计算效应应该被要求来处理在模仿模式下的相同问题。 从数据和计算的观点来看，这个算法只能与 算法相 比。作为模仿运行时其表现的收敛限制是 比于他们的结果还有我们的为了价值的设计来说，唯一的不同就是收敛可变，来解释以上的问题。 在这个迭代里一个不算大的好处是显而易见的，那就是尽管问题往往出现在时间中，其要求却在任何案例里都不是特别重大的。 这个算法在附录中会被描述出来。 结论 这个理论提出后被证明是可靠和有效的，特别实验不支持公开以及实际数据时。当一个典型的案例通知在设计和模仿模式里被运行时这里有一个非常好对结果同意的观点。它的运行是让人满意的，根据稳定和收敛性，在案例里要求沸 点上升也会被考虑到，这个可以用来证明这个在 如苹果汁浓度还有 决方法。这是这个理论的主要特征。 这个等式系统的结构允许包含在较小改变的效应之间的热压，而且在这个效应里的预热也能通过在效应模式里增加相关等式来考虑。这些两个新的特征都被考虑到了。 命名法 a 参照方程 (16)， 1/b A 参考表面换热面积 浓缩苹果汁 b 参照方程 (16) e 指定错误 H 饱和蒸汽焓， J/kg h 沸腾温度中的液体焓， J/ 迭代次数 L 液体质量流率， kg/h N 在蒸发器中数量的影响 R 比实际面积来计算面积 T 温度， U 整体换热表面系数， W/ V 蒸汽质量流量 kg/h x 重量分数在固体中的解决方案 B 沸点上升， H 汽化潜热， J/标 F 饲料 i N O 蒸汽流 t 总体 p 产品 r 需求 s 饱和条件 1 效应 1 k 对应数值解 E. . J. ： An is of or as et 1, a is to is to in is on of an in by a of by of is a be by If is is a by a on is - of of by of of to by of as B). as to of on is by or 2), to be as B is to be . J. 12 842, (8000) B of on of of is It is a of x , a it be in of x of B be et 1 a on of by of of to 2 of in of by (T , x ) as a , H, h , B as in of of in of a to of et 3a to of it is to to In B in on is is or it x p is to in to B, in B on x . of is to an It et 1 to in a to is in to in is be a of a of ow ow in in he to a is by a in , a of is be as of of or a ) N N N It be to of F/ Li be i s by a ) b ). It of a ) c ), so as to i , A, in is in In is x p in is an in ow 4) in in a in (1)(9), of on or In (1) 4), 1 as in 1 (LN in be F x p. 7)(9) in is in it be as it be in c ) (80) 90) so as to in i, (1 is in i 1 i , by 1 B = ( , at i . B be at by of in x, it be as a in of is B, in B = 0,on In it q. (80) it a q. (90) is in HS sN In a ) b ) a 2N 2N i (i = 0, . . . , N) i (i = 2, . . . , N), c ), 2N, a N (1)(6) LN in a a 2N N + 1 7)(9) N 1 is to be as to be if a ) b ) c ) to be by 1 (LN in to be a by a of x p a on to or th in in is x p (70). is of x p, in a B in is as a of (80) 90), B = 0 as i (i = 1, . . . , N) by i A, is a of of i is to of i , of of is as a is as of x p a in to of to xF to x p. it be to a be to x p is x p is by xF , a be In an .1 be as in et 1 in in be q. (10) 11), 0s or f D B is xi be To do it is of t be by an x p is in a be by of as of by is a ed of by It to be of As is a is a of to a of ed x p, is to be is a to . In q. (13) e = ed is 0 as et 1, it is by of an q. (13), in by 0. In is it a At 0, B1 D BN is to r as r is , x p be is by a at k, r is of to a x p by At a is be of it is by of B x . in as , is . be by an of a b 15) x p k + 1 is in q. (17), by q. (16) to x k p x k+ 1 p . k + 1 is xi by q. (17), of of of an of b so as nd a of it b = N + 1 B B, to a as a of x p in a . of B at x p, an is in to A . f D Bg is by q. (18): f D Bg is B of xp at In it q. (70), is q. (18). is B1 to xk p is q. (14) B1 r q. (17). to be an in In to of As of . is et 1 as an of It is a 0,000 kg/h of a 5% 0%. is 0,909 kg/h (lb/of to be 0%, et 5, by it In is a is on an o is 12% to be in a 2 72% by a . . x an %. To B by a in x , it be a of of B of 6, by as 7. in in in or on in . In is , as a a In to of a In q. (13) ed as a In in as et 1, in in is et s 1 of in is % 0 is to In is be In a as to a as as is to in of be et 1. As a as in of in in is in to be is a of a is in in of on of to be as of B, as is of to be by to a q. (16), 1/b A q. (16) e spe 毕业设计（论文） 题目 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统 的优化设计 学 院 化学化工学院 专 业 过程装备与控制工程 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 摘 要 在已知蔗汁锤度为 15%的情况下，设计一个处理量为 50t/汁经过处理后锤度为 60%。本设计选择中央循环管式蒸发器进行并行法沸点进料，根据已知的加热蒸汽压及末效的冷凝器气压，由各效之间蒸汽压降相等来估算各效的加热蒸汽压，再假设各效蒸发量相等可以计算出各效传热温差。算出各效传热系数及各效传热量后后便可求出各效传热面 积。用蒸发器传热面积相等的方法重新分配传热温差，可求出各效液的沸点进而求出新的有效传热温差及各效传热量，最后可计算出传热面积。 计算出传热面积后，便可选择蒸发器加热管型号及确定管数，加热管进行三角形排列。由管板大小可确定加热室内径，蒸发室内径及高度由二次蒸汽流量确定。蒸发室、加热室筒体厚度及封头厚度由蒸汽压大小进行设计，设计后并进行受压元件的强度计算与应力校核。接管尺寸及型号的选择由蒸汽压及蒸汽流量共同决定。蒸发器辅助设备主要有气液分离器、蒸汽冷凝器、支座等，本设计选择惯性式气液分离器、水喷射冷凝器、耳式支 座。 本设备严格按照 制压力容器进行制造、检验、验收。设备设计细节、工艺尺寸、安装尺寸等详见 关键词： 蒸发量 温度损失 有效温差 传热系数 传热面积 工艺尺寸设计 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 of 0t/h n 5% of a 0 t/h 0% to at of of By to of of to of is to To of to To ,of be by be by by we by of in in AD 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 目 录 前 言 . 1 第一章 蒸发过程流程设计方案 . 2 . 2 . 2 . 2 . 3 发效数的确定 . 3 . 4 第二章 蒸发过程的工艺计算 . 6 . 6 效二次蒸汽温度 . 7 . 8 . 10 . 12 . 13 . 13 . 14 . 14 . 17 . 18 . 18 第三章 蒸发器主要结构工艺尺寸的设计 . 21 . 21 . 21 加热室直径的确定 . 22 . 22 头设计计算 . 24 管尺寸的确定 . 24 . 24 . 24 . 25 凝性气体排出管 . 25 . 26 . 26 . 28 第四章 蒸发器辅助设备的设计 . 30 . 30 . 31 . 32 结 语 . 33 参考文献 . 34 附 件 . 35 致 谢 . 59 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 前 言 国内外蔗糖厂蒸发器的改进目标，大致是趋向于节约能源、电能，提高效率、减小糖分转化损失、避免色值增加、节省投资，污垢少于易于清除等指标要求。从糖厂传统用的标准蒸发罐到长管升膜式蒸发罐、长管降膜式蒸发罐、到容器升膜板式蒸发罐、容器降膜板式蒸发罐，不断改进，进而不设计出一种塔式容器型降膜式蒸发器等不断的提高、改进蒸发设备。 我国是世界上第三大产糖国家和食糖消费国，有大中小型制糖厂 400 多家，而广西是全国甘蔗的主产区，拥有发达的制糖工业，其 总体规模和实力长期处在全国各省各区前茅。众所周知，糖厂是耗能大户，目前糖厂传统的蒸发工业大多采用多效蒸发，需要消耗大量的高温高压蒸汽，燃烧燃料以制水蒸气所耗能及所需费用，仅次于原料（甜菜或甘蔗），而占糖厂产品原料成本的第二位，传热设备的投资占总设备费的 40%左右。传统的蒸发工艺大多存在设备结构复杂，成本高，易结垢且维修、除垢过程费用高，传热系数低，能耗高等特点。因此可看出，我国制糖工业的节能潜力很大。我们通过研究应用新技术、新工艺和新设备，可以将制糖工艺节能水平提高一大步，显著增加企业的经济效益，减小能源的 损耗，使广西的制糖业得到更好的发展。 中央循环管式蒸发器也称标准蒸发器，是运用得较早的蒸发器，也是运用最广泛的蒸发器，它结构紧凑，制造方便，结构简单，但仍有较大的改进空间，因此，对中央循环进行优化设计对蔗糖工业尤为重要。其优化设计主要从以下几点入手： 1、占地面积小，空间高度低，结构紧凑，造价低，投资少； 2、常为连续操作，亦可间歇操作，提高操作可控性； 3、污垢少，清洗方便，劳动强度低，并可用清洗液循环清洗； 4、使物料循环较好，正常操作时不易结焦； 5、低能耗，高效率，高产量； 6、设备耐用，不 易腐蚀； 蒸发器的运用不仅仅局限与制糖行业， 在氯碱、化工、轻工、食品、制药和环保等行业均为广泛的应用，因此 ， 优化蒸发器的设计、提高蒸发器的效率、减少能源的消耗对资源日益趋少的当今世界来说意义十分重大。 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 2 第一章 蒸发过程流程设计方案 热蒸汽压强的确定 通常被蒸发的溶液有一个允许的最高温度，若超过此温度，物料就会变质、破坏或分解，这是确定加热蒸汽压强的一个依据。应使操作在低于最大温度范围内进行，可以采用加压蒸发、常压蒸发或真空蒸发。 一些化工厂，常装设蒸汽机或透平机以驱动发电机发电，因而蒸发用 汽应考虑用蒸汽机、透平机的乏汽，直接采用未经做功的锅炉蒸汽进行减压蒸发式不经济的，乏汽压强一般在 200400 蒸发式一个消耗大量加热蒸汽而又产生大量二次蒸汽的过程。从节能观点出发，应充分利用二次蒸汽作为后续蒸发过程或者其他加热用的热源，即要求蒸发装置能够提供温度较高的二次蒸汽。这样既可减少锅炉产生蒸汽的消耗量，又可减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量，提高蒸汽利用率。因此，参考传热传质 过程设备设计可知，此次加热蒸汽压强选取 300 凝器操作压强的确定 若一效采用较高压强的加热蒸汽 ，则末效可采用常压或加压蒸发，此时末效产生的二次蒸汽具有较高的温度，可以全部利用。而且各效操作温度高氏，溶液粘度低，传热效果好。若一效加热蒸汽压强低，末效应采用真空操作，此时各效二次蒸汽温度低，进入冷凝器冷凝需消耗大量冷却水，而且溶液粘度大，传热差。但对于那些热敏性物料的蒸发，为充分利用热源还是经常采用真空蒸发的。对混合式冷凝器，其最大的真空度取决于冷凝器人的水温和真空装置的性能。通常冷凝器的最大真空度为 7090 此次设计选择冷凝器的真空度为 80气压强按 100绝对压强为1000 发器的类型及其选择 蒸发器是一种特殊的传热设备，它与一般换热器的区别是：需要不断地将蒸发所产生的二次蒸汽出去。因此，蒸发器在结构上除设有用于进行热量交换的加热室外，还设有汽外，为了使蒸汽和液沫能有效地分离，还设有除沫器。 在化工生产中，大多数蒸发器都是利用饱和水蒸汽作为加热介质，因而蒸发器中热交换的一侧是饱和水蒸气冷凝，另一侧是溶液沸腾，所以传热的关键在于料液沸腾一侧。为了适应各种不同物料的蒸发浓缩，出现了各种不同结构型式的蒸发器，而且随着生产技术甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 3 的发 展，其结构在不断改进。工业中常用的间壁式换热蒸发器，按溶液在蒸发器中的流动特点，可分为循环型（中央循环管式、悬筐式、外加热式、列文式、强制循环管式等）和非循环型（升膜式、降膜是、升降膜式、刮板式等）两大类型。 由于非循环型蒸发器适用于处理热敏性物料，本次设计任务中料液为糖水，不是热敏性物料，故选用循环型蒸发器，常见的循环型蒸发器比较见表 1 表 1常见循环型蒸发器的比较 中央循环管式 悬筐式 列文管 强制循环式 优点 料液呈自然循环流动，蒸发器的结构紧凑，制造方便，操作可靠，有“标准蒸发器”之 称。 料液循环流动，循环速度高，热损失小，适于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液。 循环管内流动阻力小，循环速度大，传热效果好，适用于处理有晶体析出或易结垢的溶液。 传热系数大，适于处理黏度较大或易结垢的物料。 缺点 设备清洗和检修不太方便 结构复杂，单位传热面需要的设备材料量较大。 设备庞大，需要的厂房高，所需要加热蒸汽压力较高。 动力消耗大，利用外加动力。 面对种类繁多的蒸发器，在结构和操作上必须有利于蒸发过程的进行，为此在选用时应考虑以下原则： （ 1） 尽量保证较大的传热系数，满足生产工艺要求； （ 2） 生产能力大，能 完善分离液沫，尽量减慢传热面上垢层的生成； （ 3） 构造简单，操作维修和清洗方便，造价低，使用寿命长； （ 4） 能适应所蒸发物料的一些工艺特性（如粘性、起泡性、热敏性、结垢性、腐蚀性等）。 本设计选用中央循环管式蒸发器。 料状况的选择 进料状况影响蒸发器的生产能力：（ 1）低于沸点进料时，需消耗部分热量将溶液加热至沸点，因而降低了生产能力；（ 2）沸点进料时，通过传热面的热量全部用于蒸发水分， 生产能力有所增加；（ 3）高于沸点进料时，由于部分原料液的自动蒸发，使生产能力有所增加。因此，根据经验和实验得出沸点进料有利于 蒸发和传质过程的进行，减少蒸发过程的热损失，增大蒸发过程的处理量，本设计采用沸点进料。 效蒸发效数的确定 在流程设计时首先应考虑内采用单效还是多效蒸发，为充分利用热能，生产中一般采用多效蒸发。因在多效蒸发中，将前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，可节省生蒸汽耗量。但不是效数愈多愈好，效数受经济上和技术上的因素所限制。 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 4 经济上的限制是指效数超过一定时经济上不合算。多效蒸发中，随效数的增加，总蒸发量相同时所需生蒸汽量减少，使操作费用降低。但随效数的增加，设备费成倍增长，而所节省的生蒸汽量愈来愈少，所以 无限制增加效数已无实际意义，最适宜的效数应使设备费和操作费二者之和为最小。 技术上限制是指效数过多，蒸发操作将难以进行。一般工业生产中加热蒸汽压强和冷凝器的操作压强都有一定限制，因此在一定操作条件下，蒸发器的理论总传热温度差为一定值。在效数增加时，由于各效温度差损失之和的增加，使总有效传热温度差减小。当分配到各效的有效温度差小到无法保证操作呈正常的沸腾状态时，蒸发操作将无法进行下去。 因此基于上述因素考虑，实际的多效蒸发过程效数并不多。多效蒸发在实践上最常采用 n=24，本设计采用 4效蒸发。 效蒸发 流程的选择 多效蒸发的操作流程根据加热蒸汽与料液的流向不同，可分为并流、逆流、平流及错流四种。 （ 1）并流法 溶液与蒸汽流动方向相同，均由第一效顺序流至末效。 并流法的优点：溶液从压力和温度较高的蒸发器流向压力和温度较低的蒸发器，故溶液在效间的输送可以利用效间的压差，而不需要泵送。同时，当前一效溶液流入温度和压力较低的后一效时，会产生自蒸发（闪蒸），因而可以多产生一部分二次蒸汽。此外，此法的操作简便，工艺条件稳定。随着溶液从前一效逐效流向后面各效，其浓度增高，而温度反而降低，致使溶液的粘度增加，蒸发 器的传热系数下降。因而并流法操作通常适用于溶液黏度随浓度变化不大的料液的蒸发。 （ 2）逆流法 溶液的流向与蒸汽的流向相反，即加热蒸汽由第一效进入，而原料液由末效进入，由第一效排出。 逆流法的优点：随溶液的浓度沿着流动方向的增高，其温度也随之升高。因此因浓度增高使粘度增大的影响大致与温度升高使粘度降低的影响相抵，故各效溶液的粘度较为接近，各效的传热系数也大致相同，适用于溶液黏度随浓度变化大的料液的蒸发。 逆流法的缺点：溶液在效间的流动是由低压流向高压，由低温流向高温，必须用泵输送，故耗能大，对浓缩液在高温时易 分解的料液不适用。 （ 3）平流法 平流法系指原料液平行加入各效，完成液也分别自各效排出。蒸汽的流向仍由第一效流向末效。此种流程适合处理蒸发过程中有结晶析出的溶液。 （ 4）错流法 亦称混流法，它是并、逆流的结合。其特点是兼有并、逆流的优点而避免其缺点，但操作过程复杂，控制困难，应用不多。 根据以上特点，本设计采用并流方式。 综上所得，本设计选用中央循环管式蒸发器，并流法四效蒸发器，其图如下： 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 5 四效并流蒸发器流程图 1蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 6 第二章 蒸发过程的工艺计算 多效蒸发工艺计算的主要项目有 ：加热蒸汽（生蒸汽）消耗量，各效水分（或溶剂）蒸发量及各效的传热面积。计算的已知参数为：溶液的流量、温度和浓度、最终完成液的浓度，加热蒸汽压强和冷凝器中的压强等。效数愈多，变量愈多，计算过程也愈复杂，但变量之间的关系仍然受物料衡算，热量衡算、传热速率方程以及相平衡等基本关系所支配。可采用多种方法进行计算，如常用的试差法，牛顿迭代法求解非线性方程组，最优化 此次设计采用的是三效并流加料的蒸发流程，计算方法采用的是试差法。试差法是一种近似计算方法，它是对蒸发过程进行一些适当的简化和假设，然后按 假设条件对未知参数进行估算。若计算的结果与假设的条件不符，则对假设条件进行调整并重复计算，直至两者基本符合或者相近为止。 效蒸发量和完成液浓度的估算 本次设计条件：糖水处理量为 50t/h，将清汁从 15 缩到 60 液的组成与密度关系见表 2点进料。加热介质采用 300压）的饱和水蒸气，冷凝器操作压力位 20压）。查询得原料液比热0kJ/，水的比热是kJ/。各效蒸发器中液面高度设为 效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。 表 2液组成与密度关系 组成（ 10 15 20 25 30 35 40 45 50 密度（ 1038 1059 1080 1103 1127 1151 1176 1202 1230 假设各效传热面积相等，并忽略热损失。 原料液进料流量： F = 50000 kg/h 过程总蒸发量： 3 7 5 0 0)%60 %151(5 0 0 0 0)1( 40 假设各效蒸发量相等，则第 4n ， 因是四效蒸发，故 937543750044321 因而初估各效完成液浓度为： 7 55 0 0 0 0 %155 0 0 0 0101甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 7 249 3 7 525 0 0 0 0 %155 0 0 0 021 02 0 00%155 0 0 0032103 609 3 7 545 0 0 0 0 %155 0 0 0 04321 04各效罐中的平均锤度为：（入口锤度 +出口锤度） /2 ( 101 ( 212 (323 (434 算各效二次蒸汽温度 为求各效溶液沸点，需假定各效操作压强。一般加热蒸汽压强1选定），根据经验公式，各效压差分配有一个比值，如表 2 表 2效压力差分配 效序 三效系统 11/30 10/30 9/30 - 四效系统 11/40 0 0 9/40 效系统 11/50 0 10/50 0 9/50 总压力差： 802030050 各效压力降分别为： 11 4 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 8 故：第一效操作压强： 3773 0 0101 第二效操作压强：3223212 第三效操作压强：第四效操 作压强：由化工原理 上册附录饱和水蒸气气压表可得各操作压力 应的温度 见表 2 表 2次蒸汽的温度和汽化热 初始 ）（ n ） （ n 时前一效的二次蒸汽即为后一效的加热蒸汽。 算各效传热温 度差 各效传热温差计算式： 1其中1第 n 效加热蒸汽温度），n 效溶液沸点，其计算式为： Tt n 式中 第 n为第 各效总温差损失为： 321 （ 1）浓度效应的沸点升高1n由糖汁加热与蒸发 表 1得，不同汁汽温度下蔗清液浓度效应引起的沸点升高，见表 2 表 2数 平均锤度 汽温度 nT （） 蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 9 升高温度1n（） 2）蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失2n某些蒸发器操作时，蒸发器内需维持一定的液位，因而溶液内部压强大于液面上方的压强，致使实际沸腾温度较液面为高，两者之差即为因溶液静压强引起的温度差损失2n，为简便计算溶液内部沸点升高，按液面与底部的平均压强 水的沸点和二次蒸汽压强的 水的沸点估算。平均压强按静力学方程式估算： 2则t 2式中： 水的沸点，； 水的沸点，即水蒸气的温度，； kg/ h m；取 h= 表 2数 平均锤度 均密度（ kg/m） 1066 1086 1123 1214 平均压强 4 31.9 水的沸点 8.1 水的沸点 n 3）由于管道流动阻力产生的压强降所引起的温度差损失3n二次蒸汽从蒸发室流入冷凝器的过程中，由于管道阻力，其压力下降，故蒸 发器内的压力高度高于冷凝器内的压力，由此造成的沸点升高约为 1根据经验一般取3n=1。 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 10 各效总温差损失为： 321 ，则计算结果见表 2 6。 1n( ) n( ) n( ) .0 n( ) 液沸点 ) 热蒸汽1 ) 热温差 )(算各效蒸发量和传热量 对第 计入溶液的浓缩热及蒸发器的热损失时，第 ( F 第 kg/h；当无额外蒸汽引出时， nr 分别为第 次蒸汽的汽化潜热， kJ/ 1 0Cp， 分别为原料液和水的比热， ； 0， 分别为第 溶液的沸点，； 为各效的热利用系数，取 =一效：沸点进料 111 111 9 8 Dr 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计 11 第二效： 2 2 9 . 6 61 1 4 . 4 ) -) ( 1 2 6 . 24 . 1 8 3 9 5( 5 0 0 0 0 2 1 9 6 . 4 ( 111221三效： 7 2 . 39 9 . 4 ) -) ( 1 1 4 . 44 . 1 8 3 1 8 3 9 5( 5 0 0 0 0 2 2 2 9 . 6 6 ( F 1212332四效： 5 4
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