蒸发器加热蒸汽装置设计说明书

- 1 - 蒸发器加热蒸汽装置设计说明书 第一章 发操作条件的确定 蒸发操作条件的确定主要指蒸发器加热蒸汽的压强（或温度）、冷凝器的操作压强（或温度）的选定。正确的选择蒸发过程的操作条件，对保证产品质量和降低能耗极为重要。 （ 1）加热蒸汽压强的确定原则 蒸发是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或其他加热过程的热源，即要求蒸发装置能够提供温度较高的二次蒸汽。这样既可以减少锅炉产生蒸汽的消耗量，又可以减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量，提高蒸汽 的利用率。但是，通常所用饱和蒸汽的温度不超过180，否则将增加设备费用和操作费用。一般的加热压强在 300围之内。该设计过程加热压强应在 500 充分考虑以上选用原则选择加热蒸汽压强为 600于选择沸点进料，则加热蒸汽的其他物理参数 如下： 压强（ 温度（） 汽化潜热（ kJ/ 600 2）冷凝器操作压强的确定原则 当一效加热蒸汽压强时，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 冷凝需要消耗大量冷却水，而且溶液粘度大，传热差；若一效采用较高蒸汽压强，末效可以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。为充分利用热源，同时考虑 设计采用真空蒸发，通常冷凝器的最大真空度为 80 90 设计预选 62 于本地大气为 92 - 2 - 则冷凝器的绝对压强为 30 应温度、汽化潜热 如下： 压强（ 温度（） 汽化潜热（ kJ/ 30 发器的类型选 择 化工生产中，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，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，为此在选择上应考虑一下原则： （ 1）尽量保证较大的传热系数，满足生产工艺的要求； （ 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（如粘度、起泡性、热敏性、结垢性、腐蚀性等）。 选用结果： 根据蒸发器的选用原则，本设计选用中央循环管式蒸发器，下面对其特性作一简单介绍：中央循环管式蒸发器，又称标准蒸发器。其加热室由一垂直的加热管束（沸腾管束）构成，管束中央有一根直径较大的管子叫做中央循环管，其截面积一般是加热管束截面积的 40% 100%。加热管长一般为 1 2m，直径 25 75径比为 20造方便、操作可靠，是大型工业生产中使用广泛且历史长久的一种蒸发器。至今在化工、轻工业等行业中被广泛采用。但由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在 s 以下）；管内溶液组成始终接近完成液组成，因而溶液的沸点高、有效温差小；设备的清洗和检修不够方便 。其适用于结垢不严重、有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液。 有以上可知，虽然中央循环管式蒸发器有不尽如意的地方，但就其主要影响因素来说，选择它还是很有利的。 效蒸发效数的确定 流程设计时效数是首先应考虑的问题，为充分利用热能，生产过程一般选用多效 - 3 - 蒸发，但效数的选择同样受经济性和技术性的限制。经济上，虽效数的增加，操作费用降低，但设备费用增加，而且节省的生蒸汽量越来越少，无必要无限增加效数；技术上，效数过多，蒸发操作将难于进行。 鉴于上述原因，充分利用热能为目的采用多效蒸发，同时考虑经济和技术的要求，效 数不可过多，同时 于其沸点升高较大，故本设计采用 3效蒸发。 效蒸发流程的选择 多效蒸发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。 本设计选用并流，主要考虑并流的如下优点： 各效间有较大的压强差，料液能自动从前效进入后效，可省去输料泵；前效的温度高于后效，料液从前效进入后效时呈过热状态，可以产生自蒸发；结构紧凑、操作方便、应用广泛。 第二章 计 各效蒸 发 量和完成液 浓 度 （ 1） 其中 F 每小 时 的 进 料量， Kg/h W 每小 时 的水份蒸 发总 量， Kg/h W F（ 13024300 10400003（ 1 3704Kg/h 假设各效蒸发量相等 + 计 算出各效的蒸 发 量 - 4 - 3704=h 由（ 1）式得 ) （ 2） 由（ 2）式得 计 算出各效的 浓 度 0 = 10= = 估计 各效液的蒸汽温度 T 一般加热蒸汽压强 冷凝器中的操作压强 00 0 效 间 的平均 压力 差 为 p=3 30600 =190各效 压力 差可求得各效蒸 发室的压力 ，即 1P =i = 600 190=410 P = 600190=220 P = 30 1 有 关资 料列表 效数 各效蒸发室 压 强 10 220 30 - 5 - 二次蒸 气温 度 ， (或下一效加 热 蒸汽 温 度 ) 23 次蒸气的气化 潜热 ， g (或下一效加 热 蒸气的 氢 化 热 ) 求各效因溶液沸点而引起的温度损失 计算溶液温差蒸汽压下降引起的温度 差 K=1+ M=x 1上述式中： k 和 m x 量分率。 第一效： K=1+1+=x 1 = =第二效： K=1+=x 123+ 2 = = - 6 - 第三效： K=1+1+ M=x m= 3 = 所以 = 求由于液柱静压力而引起的温度损失 为 方便起 见 ， 以液 层 中 点处压力 和沸 点 代表整 个 液 层的 平均 压力 和平均 温 度 ， 根据流 体静 力 学 方程 ， 液 层的 平均 压力 区值（ L= + 2 其中 度 ， m）（ 3） = （ 4） 式中： 水的沸点， p p 下水的沸点， 3/Kg m ； L m 。 所以 + 2410 +10002 = + 2220 +10002 = + 2 30+10002 = - 7 - 由平均 压力 查得 对应饱 和 温 度 为 T T T 所以 1 = T T 1 = 2 = T T 2 = 123= 3 = T T 3 = 故 = 由流 动 阻力引起的 温 差 损 失 取 经验 值 1， 即 1 = 2 = 3 =1 ， 则 =3 综 合 (1)(2)(3)步得 总温 度 损 失 = + + = 3= 各效料液的 温 度和有效 总温 差 各效 温 度 损 失 i= 1 + 1 + 1 得 1= 1 + 1 + 1 = 1 = 2= 2 + 2 + 2 = 1 = 3= 3 + 3 + 3 = 各效料液的 温 度 为 由 i + i 1 + 1= 2 + 2=123+ - 8 - 3 + 3= 由手 册 查得 600 和汽 温 度 为 气化 潜热为 g, 因 - - - - 23- 以 t = ( i= 加 热 蒸气消耗量和各效蒸 发水 量的初步 计 算 由热 量衡算式 1Q（ 4） 在 (4)式 ， 其中 蒸气量 ,Kg/h； 蒸汽的汽化 潜热 , 1r热 , 容 ,( )； 容 , ( )； ti,为 地 度 (沸 点 ), ； 1Q量 , 由 (4)式 两边 同 时 除以1r得 : r+( 1r1r（ 5） 由式 (5)去掉 - 1Q/1r,乘以 热利 用系 数 i， 表示上式得 : - 9 - i 1r+( 1r- 1Q/1r 对 于沸 点进 料 t0= 虑 到 液 浓 度 浓缩热影响 ， 热利 用系 数 算式 为i = 其中 为 第 i 效蒸 发 器中液料溶 质质 量分 数 的 变 化 . 8 7 1 2 8 9 7 9 3 第效 热衡 算式 为 1( 11111 =111 111 (a) 第效 热衡 算式 为 1 2 1 22 0 122()p p wW r t W ( 1 b) 第效 2 3 2 33 3 0 1 233 ( ) p p w p wW r t C W C W 3 3 3)1 8 5 5( 3 3 9 68 9 12 D (c) 又 W1+3=3704 (d) - 10 - 联 解式 (a)至 (d),可得 h h h h 蒸 发 器 传热 面 积 估算 ii t , 600 =106 W - 1=111 2=3600 =106 W - 2= 222= 3= 8 0 0 0 3 3 53 106 W - 23- 3= 333= 差 a xm i n 差 较 大， 应调 整各效有效 温 差，使三 个蒸 发 器的 传热 面 积尽 量相等。 有效 温 差的再分配 - 11 - 取平均面 积 使各值保持不 变则 有 i 中 是各效 经过 有效 温 差再分配后的 温 差 =11 = =22 = =33 = 重复上述步 骤 计算各效料液的质量分数 0 =2=210=5 5 = 3= 计 算各效料液 温 度 因末效完成液 浓 度和二次蒸 发 汽 压力 均不 变 ，各种 温 度差 损 失可 视为恒定 ，故末效溶液 温 度仍 为 则 第效加 热 蒸气的 温 度 为 2 = = 则 效二次蒸温度； = X=1+1+ - 12 - M=x m= 2 = 由 =表 计算得溶液的平均密度 =， p =据公式 + 2算得 2 = 2=1 2t = 2T + 2 + 2 + 2= = = = =1+0142 =x m= 1 = 由 =出 p = 2 的求法一致可得1=1133 3/Kg m ，则根据公式 + 2算得 表计算得 1 = 1 =1 - 13 - + 1 + 1 + 1 = 温 差重新分配后各效 温 度列于表 2 表 2 各效 温 差重新分配表 效次 加 热 蒸汽 温 度， 1 =2 =效 温 差， = = =27 料液 温 度， 各效 热 量衡算 查手 册 得出 = =g ； = =g ； = =g 。 第效 1 = =(1=111 111 41 (e) 第效 2 = =(2= 21 0 3 9)1 8 5 5( 0 3 4 19 0 1 14 - =D （ f） 第效 3 = =( 3 2 33 3 0 1 233 ( ) p p w p wW r t C W C W 3 3 5 5( 3 3 0 38 9 3 12 D (g) 又 2+704 (h) 联 解式 (e)至式 (h)，得 h h g/h h 与第一次 结 果比 较 ， 计 算 结 果均在 各效蒸 发 量 计 算 结 果合理 蒸 发 器 传热 面 积计 算 163 0 0 9 1 3 W = - 15 - 11 2= 63 0 0 4 3 2 W = 222= 3= 63 107 7 0 0 0 6 0 W = 333= 差 a xm 代 计 算 结 果不合理。重新计算 效温差的再分配 取平均面 积 使各值保持不 变则 有 i 中 是各效 经过 有效 温 差再分配后的 温 差 111 222 2.7 - 16 - 333 复上述步 骤 计算各效料液的质量分数 0 =2=210=5 5 =3= 计 算 各效料液 温 度 则 第效加 热 蒸气的 温 度 为 2 = t= 7= 则效二次蒸温度； = X=1+1+ M=x m= 2 = 由 =表计算得溶液的平均密度 =1185 3/Kg m ， p = + 2算得 2 = = - 17 - 2=1 2t = 2T + 2 + 2 + 2= = t= 由 = =1+=x m= 1 = 由 =出 p = 2 的求法一致可得1=1133 3/Kg m ， 则根据公式 + 2算得 表计算得 1 = 1 =1 1T + 1 + 1 + 1 = 差重新分配后各效 温 度列于表 3 表 3 各效 温 差重新分配表 效次 加 热 蒸汽 温 度 1 =2 =- 18 - 有效 温 差， 1t=t =t =液 温 度， 49.3 各效 热 量衡算 查手 册 得出 = =g = =g = =J/ 第效 1 = =(1=111 111 9 5 10 919 6 (e) 第效 2 = =(2= 21 0 3 9)1 8 5 5( 0 3 1 09 4 6 1 （ f） 第效 3 = =( 3 2 33 3 0 1 233 ( ) p p w p wW r t C W C W - 19 - 3 3 5 5( 3 3 0 38 9 1 12 (g) 又 2+704 (h) 联 解式 (e)至式 (h)，得 h h g/h h 与第一次 结 果比 较 ， 计 算 结 果均 在 下，故各效蒸 发 量 计 算 结 果合理 蒸 发 器 传热 面 积计 算 163 107 5 0 0 9 0 4 W 1t= 11QK t 2= 63 107 2 0 0 1 4 3 W 2t= - 20 - 22QK t 3= 63 0 0 0 5 6 W 3t=3=333QK t 差 0 0 1 3 a xm i n 1 1 0 % ) （ 4 8 . 4 5 9 4 8 . 5 2 4 8 . 4 5 63）（ 1+10%） =代 计 算 结 果合理，取平均 传热 面 积 S=算结果列表 表 3 计 算 结 果表 效次 冷凝器 加 热 蒸 气温 度 作 压力,10 220 30 30 溶液 温 度 ( 沸点 ) 完成液 浓 度% 0 蒸 发 量 g/h 蒸 汽 消 耗 量D,kg/h 传热 面 积 - 21 - 器的主要 结 构尺寸的 计 算 加 热管 的 选择 和管 数 的初步估算 计算平均面积； S=53需管 子数 n =)其中 S 蒸 发 器的 传热 面 积 ， 前面的 工艺计 算 决定 加 热管 外 径 ， m L 加 热管长 度， m，取 L=3m,8 n = 3 根 循 环 管的 选择 有 经验 公式循 环 管 内径 38=394查表取1D=426 壁厚 12 加 热 室直 径 及加 热管数 目的确定 按正三角形排列，管束中心 在线 管 数 .1 n =53 =14 b =d t=48- 22 - 加 热 室 内径 Di=t(2b 其中 心距 (142 38取 00最小壁厚 10图得管数 n=234 分离室直 径 和高度的确定 分类 室的体 积 V=中 W 为 某效蒸 发 器的二次蒸气流量， kg/h 为 某效蒸 发 器的二次蒸气的密度， kg/气体 积强 度， 一般 允许 值 为 s） 取 W=h；为第三效二次蒸汽冷凝温度 的密度 即 =U=s) 所以 600/分离室高度 ： V=4 :D=2 求出 H= D= 接管尺寸的确定 流体 进出 口的 内径按 d= 算 （ 1）溶 液进出 口 因 为 第一效的流量最大，所以取其 为计 算量 - 23 - 600/m3/s 因 为 其流 动为强 制流 动 ， u =1m/s,所以取 u = 2 m/s 则 有 d= m，取管 为 32 （ 2）加 热 蒸汽 进 口与二次蒸气接管 加热蒸汽即为各效 二次蒸汽，故其接管尺寸相同，因此取体积流量最大者计算尺寸。 加热蒸汽温度 1T =T=T =热蒸气密度kg/次蒸汽温度 1T=T =T=次蒸汽密度kg/ 热蒸汽流量 Kg/h 1D =W =W =积流量 3- 24 - 二次蒸汽流量 Kg/h 1W =W =W =积流量 3据公式 d= 计算： 加热蒸汽：取 u=40 m/s ; 2d=次蒸汽： d=以取 273 12 3）冷凝水出口 第一效 质量流量最大，所以用第一效质量流量来计算冷凝水出口管尺寸，按自然流 动 的液体 计 算， u=1 3 m/s,取 u=2m/s， 则计 算出 d= 14= 4 1 3 0 4 . 4 13 6 0 0 9 0 7 2 =管 17 实际 流体流速 为 u=24 1 3 0 4 . . 4 1 2 . 2 63 . 1 4 0 . 0 1 5 9 1 7 3 6 0 0 m/s 第三章三效蒸发器结构尺寸结果汇总 表 6 蒸 发 器的主要 结 构尺寸的确定 加热管主要结构 设计尺寸 加热管（无缝钢管）管径规格 38 2.5 热管 （ 无缝钢 管） 长 度 3 m 加 热管 （ 无缝钢 管 )管 数 循 环 管 规 格 426 12 热 室 内径 900 离室直 径 900 离室高度 1800 液进出 口 管径 32 0.6 热 蒸气 进出 口与二次蒸气出口 管径 273 12 凝水出口 管径 17 0.5 - 25 - 第四章对设计的评述 这次设计基本上可以，但是在细节上还是有很多问题的，比如说，确定各效的 ，在教材中 的计算只需查找杜林规则曲线，在通过计算就可以得到。但是我觉得这种方法确定的结果不够精确，所以在计算中没有采用这种方法，但是这样就带来了一个问题，计算太过繁琐，一不注意就会就会导致计算错误，如果及时发现，还可以及时纠正，否则就会对后面的计算过