对蒸发系统冷凝器的改进.doc

对蒸发系统冷凝器的改进杜 昌 桂（天津永利化学工业公司）一 九 五 六 年前 言：这篇论文是我的“处女”作。所以说是“处女”作，是因为“它”是我大学刚毕业时，被分配在天津一家大型的化工企业天津永利化学工业公司烧碱车间当实习生,实习结束时写的实习报告。这次将其选辑入书，对原文中的遣词、运字除少数因“初出茅庐”“太嫩了”之处进行少量删改外，基本上保留了当时的见解和语气。 对蒸发系统冷凝器的改进一、前 言冷凝器 系蒸发系统效率的关键性辅助设备。它直接关系到被蒸发溶液的沸点、加热蒸汽的消耗定额、冷却水的消耗量以及真空泵的功能消耗等。因此，冷凝器的“结构”是关系到蒸发效率的关键。效率高的冷凝器，将是：出蒸发器的蒸汽温度与入冷疑器的冷却水的温度相当接近。如是，则冷却水用量相对最少。目前（指写文章当时下同）工业上所用的冷凝器，除部分已改用水喷式者外，大多（包括本厂）仍使用孔板淋水式及喷洒式。其皆存在效率低、冷却水用量高等诸多缺点。为使本厂既有孔板淋水式冷凝器的一系列缺陷得以纠正，本人试想将其改成具有特征“混合式冷凝器”。现介绍出来，希望能给本厂大修技改设计、制造时参考。该混合型冷凝器为一钢板焊制的直圆筒。内焊若干组布水菌帽和集水斗（如图所示），冷却水由器顶的“上菌帽”下部向上射向“上菌帽”底，反弹形成“牵牛花”状的连续水膜“伞”。尔后利用重力逐层流下；蒸汽由底部“”下菌帽下方向上喷入器内，自下而上与水膜触凝，向上流动。二、结构型式及尺寸决定图：混合式冷凝器及汽液分离器结构图(一)、冷凝器的内径D：工厂经验：冷凝器的设计能力为实际生产能力1.5倍。过大，制造费用高，开工时真空度上升所需时间长；反之若过小，操作不稳定，且时有溢水现象。一般将其容积控制在0.00050.0007M3/（kghr蒸汽）的比率范围内较为合适。 根据上述设定的设计能力，可求得冷凝器的直径： D0.023（米） （1）式中：W-被冷凝蒸汽的量即蒸发能力（公斤/小时）；v-蒸汽在冷凝器内所具的绝对压力下的比容（米3/公斤）；w-蒸汽在冷凝器内的（空筒）计算速度（米/秒）。压力为0.10.2绝对大气压时，w可取3555（米/秒）。压力越低，可取相应的较大值。一般，压力从0.1开始，每降低0.01绝对大气压，w可相应地增加：自2起差为1的等差级数的数值。（如0.1绝对大气压时，取w45（米/秒）；0.09绝对大气压时，取w47（米/秒）；0.08绝对大气压时，取w50；0.07时，取w=54；）鉴于冷凝器的“使命”重大，选取决定其内径时，应尽可能地取极限值。但总容积不应超过上述的比率值。（二）、上菌帽直径d1: 上菌帽为一球面盘。是该改进型冷凝器的重要特征之一。它的主要功能是：使直射其上的冷却水，借助曲面将其均匀散布成“牵牛花”状的连续水膜“伞”（这是本人这次一个重要的创意；亦是该冷凝器技术优势的核心），以封闭蒸汽通道的全部截面，迫使气、液两相充分接触，提高传热、传质速率。但d1不宜过大，否则被水膜所封闭的蒸汽通道截面将随着d1的增大而减小；蒸汽流速将随之过高，易将水膜冲成缺口，造成气、液相走偏，冷凝效率将大为降低。为了确保水膜具有足够的张力，d1亦不宜过小。一般可使球面盘的外缘与冷凝器筒体内壁所构成的环形截面，不小于菌帽直径d1所具有的截面即可。即一般可取： d1 =（m.m）- (2)(三)、下菌帽直径d2：要保证集水斗披溢下的水，尽可能流集於其下的下菌帽曲面盘中央部分；要使下菌帽披溢下的水形成完整的环披堰，下菌帽的加工精度、安装的水平度，必须很高。为了保证蒸汽通道畅通，d2既不宜过小，亦不宜过大。为简化制作，可与上菌帽同径。即取 d2 = d1（四）、上、下菌帽曲率半径R：为加工、制作方便，上、中、下三个下菌帽的曲率半径R，可取同一数值： （3）（五）、菌帽和集水斗间的极点距离h：一般可令其近似等于0.5DD。气相经过一组菌帽斗两次与液相接后，便有很大一部分可凝气被冷凝；同时温度也被降低，气相体积大为缩小。为提高器内空间的利用率及继续保持气、液相传热、传质应具有的效率，各组上、下菌帽斗间的距离，可按气相流动方向依次减小1050mm。（六）、蒸汽入口位置：进入冷凝器的水蒸汽，流过第一帽斗组后大部分被水冷凝。为充分发挥该帽斗组的效率，蒸汽入口管应引至下菌帽之下的不远处，以使高速的蒸汽进入器内时，能迅速均匀地分布于菌帽四周。尔后从四周穿过水帘翻向上游。（七）、连接蒸汽管径ds：处于真空系统管道中蒸汽的准许速度一般为100-130（米/秒）。设计数据可取80-100（米/秒）。因此管径： 米- （4）式中； W-以重量计之蒸汽流速千克/秒； w-蒸汽在管道中之流速米/秒； r-蒸汽重度千克/立方米（八）、冷却水进水管及气压管径：因虽排水量与进入冷却水量相较多出冷凝液之量，但冷凝液量相对甚小，且水利用重力自然下流时，流速较进水者为高。故此两管径可取相同之值。进水管直径，可依冷却水的最大需用量及流速求得。冷却水的最大需用量可用热平衡求得。冷却水的流速最大可取2米/秒。为简便计，气压管的高度取不低于10米即可（不必计算）。若器内真空度不大，且又受建筑条件限制，经计算可小于10米。（九）、排气管径dA:排气管径应根据排气量及气体流速决定。气体流速一般可取25（米/秒）；最大不超过10（米/秒）。自冷凝器中抽出空气的量，可按下式计算：G=0.OOOO25D + O.OOOO25W + O.O1D(千克/小时)， 式中： D-进入冷凝器的蒸汽量（千克/小时）。当冷凝器的操作条件已知时，需从器内抽出空气的体积：V (米/小时)-（5）式中： P-冷凝器中的总压，P-冷凝器中的蒸汽分压，t-被抽出空气的温度，（）干式混合冷凝器之温度t系自经验公式算出：t式中 t-冷却水的最初温度，t-冷却水的终温度。由于被抽出空气的量很少，按上述计算所得排气管径d很小，为简便计，一般可取的： d=O.250.5d （6）（十）、气液分离器：自冷凝器抽出的气体中可能夹带一些水雾，为确保真空泵安全、正常运转，使气体在入泵前再经过一气液分离器，以进一步净化气体。图示之惯性分离器，为近来於冷凝器后附设之常用的气液分离器形式。尺寸决定则为：气体通过该设备时之速度，不超过在操作压力下能把较小直径之水滴（0.062mm）带走为度。（十一）、窥视孔为尽可能创造气液接触良好，用水节约的条件，在冷凝器壁上各组帽斗位置处，各开设一个窥视孔，以便操作者及试验研究者观察控制。为日后进一步技改积累条件。三、经改进后该型冷凝器的优点 经改进后的混合冷凝器与旧有各型相较，显具下列优点： 1、冷却水分布均匀，气、液相接触的表面大。由于上菌帽曲面的作用，注入冷凝器内之水，被散布成表面积很大的，“牵牛花”状薄水膜；被下菌帽和集水斗分布得很均匀水帘。因此传热、传质表面远较旧型者为大。2、蒸汽分布均匀：蒸汽进入器内后沿下菌帽边缘上升时，迂到园滑均称的集水斗和下菌帽曲面后，会向四周均匀分散，不会走偏。3、无堵塞、淤集固体沉淀物向题。下菌帽的球缺很浅，且不断有水下冲，不易产生淤集固体沉淀物形成堵塞现象。4、气液无偏流现象。冷却水仅需稍具压头注入上菌帽的球缺下，即能形成水膜四扬；又下菌帽构造形式确定了水垢不可能在其上存留；即便菌帽的轴线与冷凝器中心线稍有偏离，或冷凝器中心线安装得稍不与水平线垂直，也不致造成布水不均或气液走偏现象。利用堰坝溢流多孔淋水板式者，对设备制造及安装的要求特别严格，否则将造成严重的气、液走偏现