蒸發(fā)器加熱蒸汽裝置設(shè)計說明書

- 1 - 蒸發(fā)器加熱蒸汽裝置設(shè)計說明書 第一章 發(fā)操作條件的確定 蒸發(fā)操作條件的確定主要指蒸發(fā)器加熱蒸汽的壓強（或溫度）、冷凝器的操作壓強（或溫度）的選定。正確的選擇蒸發(fā)過程的操作條件，對保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗極為重要。 （ 1）加熱蒸汽壓強的確定原則 蒸發(fā)是一個消耗大量加熱蒸汽而又產(chǎn)生大量二次蒸汽的過程。從節(jié)能觀點出發(fā)，應(yīng)充分利用二次蒸汽作為后續(xù)蒸發(fā)過或其他加熱過程的熱源，即要求蒸發(fā)裝置能夠提供溫度較高的二次蒸汽。這樣既可以減少鍋爐產(chǎn)生蒸汽的消耗量，又可以減少末效進入冷凝器的二次蒸汽量，提高蒸汽 的利用率。但是，通常所用飽和蒸汽的溫度不超過180，否則將增加設(shè)備費用和操作費用。一般的加熱壓強在 300圍之內(nèi)。該設(shè)計過程加熱壓強應(yīng)在 500 充分考慮以上選用原則選擇加熱蒸汽壓強為 600于選擇沸點進料，則加熱蒸汽的其他物理參數(shù) 如下： 壓強（ 溫度（） 汽化潛熱（ kJ/ 600 2）冷凝器操作壓強的確定原則 當一效加熱蒸汽壓強時，末效應(yīng)采用真空操作，此時各效二次蒸汽溫度低，進入冷凝器 冷凝需要消耗大量冷卻水，而且溶液粘度大，傳熱差；若一效采用較高蒸汽壓強，末效可以采用常壓或加壓蒸發(fā)，此時末效產(chǎn)生的二次蒸汽具有較高的溫度，可以全部利用。為充分利用熱源，同時考慮 設(shè)計采用真空蒸發(fā)，通常冷凝器的最大真空度為 80 90 設(shè)計預(yù)選 62 于本地大氣為 92 - 2 - 則冷凝器的絕對壓強為 30 應(yīng)溫度、汽化潛熱 如下： 壓強（ 溫度（） 汽化潛熱（ kJ/ 30 發(fā)器的類型選 擇 化工生產(chǎn)中，為了適應(yīng)各種不同物料的蒸發(fā)濃縮，出現(xiàn)了各種不同結(jié)構(gòu)型式的蒸發(fā)器，面對種類繁多的蒸發(fā)器，在結(jié)構(gòu)和操作上必須有利于蒸發(fā)過程的進行，為此在選擇上應(yīng)考慮一下原則： （ 1）盡量保證較大的傳熱系數(shù)，滿足生產(chǎn)工藝的要求； （ 2）生產(chǎn)能力大，能完善分離液沫，盡量減慢傳熱面上垢層的生成； （ 3）構(gòu)造簡單，操作維修和清洗方便，造價低，使用壽命長； （ 4）能適應(yīng)所蒸發(fā)物料的一些工藝特性（如粘度、起泡性、熱敏性、結(jié)垢性、腐蝕性等）。 選用結(jié)果： 根據(jù)蒸發(fā)器的選用原則，本設(shè)計選用中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，下面對其特性作一簡單介紹：中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，又稱標準蒸發(fā)器。其加熱室由一垂直的加熱管束（沸騰管束）構(gòu)成，管束中央有一根直徑較大的管子叫做中央循環(huán)管，其截面積一般是加熱管束截面積的 40% 100%。加熱管長一般為 1 2m，直徑 25 75徑比為 20造方便、操作可靠，是大型工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛且歷史長久的一種蒸發(fā)器。至今在化工、輕工業(yè)等行業(yè)中被廣泛采用。但由于結(jié)構(gòu)上的限制，其循環(huán)速度較低（一般在 s 以下）；管內(nèi)溶液組成始終接近完成液組成，因而溶液的沸點高、有效溫差?。辉O(shè)備的清洗和檢修不夠方便 。其適用于結(jié)垢不嚴重、有少量結(jié)晶析出和腐蝕性較小的溶液。 有以上可知，雖然中央循環(huán)管式蒸發(fā)器有不盡如意的地方，但就其主要影響因素來說，選擇它還是很有利的。 效蒸發(fā)效數(shù)的確定 流程設(shè)計時效數(shù)是首先應(yīng)考慮的問題，為充分利用熱能，生產(chǎn)過程一般選用多效 - 3 - 蒸發(fā)，但效數(shù)的選擇同樣受經(jīng)濟性和技術(shù)性的限制。經(jīng)濟上，雖效數(shù)的增加，操作費用降低，但設(shè)備費用增加，而且節(jié)省的生蒸汽量越來越少，無必要無限增加效數(shù)；技術(shù)上，效數(shù)過多，蒸發(fā)操作將難于進行。 鑒于上述原因，充分利用熱能為目的采用多效蒸發(fā)，同時考慮經(jīng)濟和技術(shù)的要求，效 數(shù)不可過多，同時 于其沸點升高較大，故本設(shè)計采用 3效蒸發(fā)。 效蒸發(fā)流程的選擇 多效蒸發(fā)操作流程根據(jù)加熱蒸汽與料液的流向不同，可分為并流、逆流、平流及錯流四種。 本設(shè)計選用并流，主要考慮并流的如下優(yōu)點： 各效間有較大的壓強差，料液能自動從前效進入后效，可省去輸料泵；前效的溫度高于后效，料液從前效進入后效時呈過熱狀態(tài)，可以產(chǎn)生自蒸發(fā)；結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、應(yīng)用廣泛。 第二章 計 各效蒸 發(fā) 量和完成液 濃 度 （ 1） 其中 F 每小 時 的 進 料量， Kg/h W 每小 時 的水份蒸 發(fā)總 量， Kg/h W F（ 13024300 10400003（ 1 3704Kg/h 假設(shè)各效蒸發(fā)量相等 + 計 算出各效的蒸 發(fā) 量 - 4 - 3704=h 由（ 1）式得 ) （ 2） 由（ 2）式得 計 算出各效的 濃 度 0 = 10= = 估計 各效液的蒸汽溫度 T 一般加熱蒸汽壓強 冷凝器中的操作壓強 00 0 效 間 的平均 壓力 差 為 p=3 30600 =190各效 壓力 差可求得各效蒸 發(fā)室的壓力 ，即 1P =i = 600 190=410 P = 600190=220 P = 30 1 有 關(guān)資 料列表 效數(shù) 各效蒸發(fā)室 壓 強 10 220 30 - 5 - 二次蒸 氣溫 度 ， (或下一效加 熱 蒸汽 溫 度 ) 23 次蒸氣的氣化 潛熱 ， g (或下一效加 熱 蒸氣的 氫 化 熱 ) 求各效因溶液沸點而引起的溫度損失 計算溶液溫差蒸汽壓下降引起的溫度 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 = 求由于液柱靜壓力而引起的溫度損失 為 方便起 見 ， 以液 層 中 點處壓力 和沸 點 代表整 個 液 層的 平均 壓力 和平均 溫 度 ， 根據(jù)流 體靜 力 學 方程 ， 液 層的 平均 壓力 區(qū)值（ L= + 2 其中 度 ， m）（ 3） = （ 4） 式中： 水的沸點， p p 下水的沸點， 3/Kg m ； L m 。 所以 + 2410 +10002 = + 2220 +10002 = + 2 30+10002 = - 7 - 由平均 壓力 查得 對應(yīng)飽 和 溫 度 為 T T T 所以 1 = T T 1 = 2 = T T 2 = 123= 3 = T T 3 = 故 = 由流 動 阻力引起的 溫 差 損 失 取 經(jīng)驗 值 1， 即 1 = 2 = 3 =1 ， 則 =3 綜 合 (1)(2)(3)步得 總溫 度 損 失 = + + = 3= 各效料液的 溫 度和有效 總溫 差 各效 溫 度 損 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 溫 度 為 由 i + i 1 + 1= 2 + 2=123+ - 8 - 3 + 3= 由手 冊 查得 600 和汽 溫 度 為 氣化 潛熱為 g, 因 - - - - 23- 以 t = ( i= 加 熱 蒸氣消耗量和各效蒸 發(fā)水 量的初步 計 算 由熱 量衡算式 1Q（ 4） 在 (4)式 ， 其中 蒸氣量 ,Kg/h； 蒸汽的汽化 潛熱 , 1r熱 , 容 ,( )； 容 , ( )； ti,為 地 度 (沸 點 ), ； 1Q量 , 由 (4)式 兩邊 同 時 除以1r得 : r+( 1r1r（ 5） 由式 (5)去掉 - 1Q/1r,乘以 熱利 用系 數(shù) i， 表示上式得 : - 9 - i 1r+( 1r- 1Q/1r 對 于沸 點進 料 t0= 慮 到 液 濃 度 濃縮熱影響 ， 熱利 用系 數(shù) 算式 為i = 其中 為 第 i 效蒸 發(fā) 器中液料溶 質(zhì)質(zhì) 量分 數(shù) 的 變 化 . 8 7 1 2 8 9 7 9 3 第效 熱衡 算式 為 1( 11111 =111 111 (a) 第效 熱衡 算式 為 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 - 聯(lián) 解式 (a)至 (d),可得 h h h h 蒸 發(fā) 器 傳熱 面 積 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 較 大， 應(yīng)調(diào) 整各效有效 溫 差，使三 個蒸 發(fā) 器的 傳熱 面 積盡 量相等。 有效 溫 差的再分配 - 11 - 取平均面 積 使各值保持不 變則 有 i 中 是各效 經(jīng)過 有效 溫 差再分配后的 溫 差 =11 = =22 = =33 = 重復上述步 驟 計算各效料液的質(zhì)量分數(shù) 0 =2=210=5 5 = 3= 計 算各效料液 溫 度 因末效完成液 濃 度和二次蒸 發(fā) 汽 壓力 均不 變 ，各種 溫 度差 損 失可 視為恒定 ，故末效溶液 溫 度仍 為 則 第效加 熱 蒸氣的 溫 度 為 2 = = 則 效二次蒸溫度； = X=1+1+ - 12 - M=x m= 2 = 由 =表 計算得溶液的平均密度 =， p =據(jù)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 ，則根據(jù)公式 + 2算得 表計算得 1 = 1 =1 - 13 - + 1 + 1 + 1 = 溫 差重新分配后各效 溫 度列于表 2 表 2 各效 溫 差重新分配表 效次 加 熱 蒸汽 溫 度， 1 =2 =效 溫 差， = = =27 料液 溫 度， 各效 熱 量衡算 查手 冊 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) 聯(lián) 解式 (e)至式 (h)，得 h h g/h h 與第一次 結(jié) 果比 較 ， 計 算 結(jié) 果均在 各效蒸 發(fā) 量 計 算 結(jié) 果合理 蒸 發(fā) 器 傳熱 面 積計 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 計 算 結(jié) 果不合理。重新計算 效溫差的再分配 取平均面 積 使各值保持不 變則 有 i 中 是各效 經(jīng)過 有效 溫 差再分配后的 溫 差 111 222 2.7 - 16 - 333 復上述步 驟 計算各效料液的質(zhì)量分數(shù) 0 =2=210=5 5 =3= 計 算 各效料液 溫 度 則 第效加 熱 蒸氣的 溫 度 為 2 = t= 7= 則效二次蒸溫度； = X=1+1+ M=x m= 2 = 由 =表計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 ， 則根據(jù)公式 + 2算得 表計算得 1 = 1 =1 1T + 1 + 1 + 1 = 差重新分配后各效 溫 度列于表 3 表 3 各效 溫 差重新分配表 效次 加 熱 蒸汽 溫 度 1 =2 =- 18 - 有效 溫 差， 1t=t =t =液 溫 度， 49.3 各效 熱 量衡算 查手 冊 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) 聯(lián) 解式 (e)至式 (h)，得 h h g/h h 與第一次 結(jié) 果比 較 ， 計 算 結(jié) 果均 在 下，故各效蒸 發(fā) 量 計 算 結(jié) 果合理 蒸 發(fā) 器 傳熱 面 積計 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 計 算 結(jié) 果合理，取平均 傳熱 面 積 S=算結(jié)果列表 表 3 計 算 結(jié) 果表 效次 冷凝器 加 熱 蒸 氣溫 度 作 壓力,10 220 30 30 溶液 溫 度 ( 沸點 ) 完成液 濃 度% 0 蒸 發(fā) 量 g/h 蒸 汽 消 耗 量D,kg/h 傳熱 面 積 - 21 - 器的主要 結(jié) 構(gòu)尺寸的 計 算 加 熱管 的 選擇 和管 數(shù) 的初步估算 計算平均面積； S=53需管 子數(shù) n =)其中 S 蒸 發(fā) 器的 傳熱 面 積 ， 前面的 工藝計 算 決定 加 熱管 外 徑 ， m L 加 熱管長 度， m，取 L=3m,8 n = 3 根 循 環(huán) 管的 選擇 有 經(jīng)驗 公式循 環(huán) 管 內(nèi)徑 38=394查表取1D=426 壁厚 12 加 熱 室直 徑 及加 熱管數(shù) 目的確定 按正三角形排列，管束中心 在線 管 數(shù) .1 n =53 =14 b =d t=48- 22 - 加 熱 室 內(nèi)徑 Di=t(2b 其中 心距 (142 38取 00最小壁厚 10圖得管數(shù) n=234 分離室直 徑 和高度的確定 分類 室的體 積 V=中 W 為 某效蒸 發(fā) 器的二次蒸氣流量， kg/h 為 某效蒸 發(fā) 器的二次蒸氣的密度， kg/氣體 積強 度， 一般 允許 值 為 s） 取 W=h；為第三效二次蒸汽冷凝溫度 的密度 即 =U=s) 所以 600/分離室高度 ： V=4 :D=2 求出 H= D= 接管尺寸的確定 流體 進出 口的 內(nèi)徑按 d= 算 （ 1）溶 液進出 口 因 為 第一效的流量最大，所以取其 為計 算量 - 23 - 600/m3/s 因 為 其流 動為強 制流 動 ， u =1m/s,所以取 u = 2 m/s 則 有 d= m，取管 為 32 （ 2）加 熱 蒸汽 進 口與二次蒸氣接管 加熱蒸汽即為各效 二次蒸汽，故其接管尺寸相同，因此取體積流量最大者計算尺寸。 加熱蒸汽溫度 1T =T=T =熱蒸氣密度kg/次蒸汽溫度 1T=T =T=次蒸汽密度kg/ 熱蒸汽流量 Kg/h 1D =W =W =積流量 3- 24 - 二次蒸汽流量 Kg/h 1W =W =W =積流量 3據(jù)公式 d= 計算： 加熱蒸汽：取 u=40 m/s ; 2d=次蒸汽： d=以取 273 12 3）冷凝水出口 第一效 質(zhì)量流量最大，所以用第一效質(zhì)量流量來計算冷凝水出口管尺寸，按自然流 動 的液體 計 算， u=1 3 m/s,取 u=2m/s， 則計 算出 d= 14= 4 1 3 0 4 . 4 13 6 0 0 9 0 7 2 =管 17 實際 流體流速 為 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 第三章三效蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)果匯總 表 6 蒸 發(fā) 器的主要 結(jié) 構(gòu)尺寸的確定 加熱管主要結(jié)構(gòu) 設(shè)計尺寸 加熱管（無縫鋼管）管徑規(guī)格 38 2.5 熱管 （ 無縫鋼 管） 長 度 3 m 加 熱管 （ 無縫鋼 管 )管 數(shù) 循 環(huán) 管 規(guī) 格 426 12 熱 室 內(nèi)徑 900 離室直 徑 900 離室高度 1800 液進出 口 管徑 32 0.6 熱 蒸氣 進出 口與二次蒸氣出口 管徑 273 12 凝水出口 管徑 17 0.5 - 25 - 第四章對設(shè)計的評述 這次設(shè)計基本上可以，但是在細節(jié)上還是有很多問題的，比如說，確定各效的 ，在教材中 的計算只需查找杜林規(guī)則曲線，在通過計算就可以得到。但是我覺得這種方法確定的結(jié)果不夠精確，所以在計算中沒有采用這種方法，但是這樣就帶來了一個問題，計算太過繁瑣，一不注意就會就會導致計算錯誤，如果及時發(fā)現(xiàn)，還可以及時糾正，否則就會對后面的計算過