中央循環(huán)管式蒸發(fā)器項目設計方案

./中央循環(huán)管式蒸發(fā)器項目設計方案第一章設計方案的確定蒸發(fā)是用加熱的方法,在沸騰的狀態(tài)下使溶液中具有揮發(fā)性的溶劑部分汽化的單元操作。蒸發(fā)操作廣泛用于化工、輕工、制藥、食品等許多工業(yè)中。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〔或溫度的確定,正確選擇蒸發(fā)的操作條件,對保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗極為重要。1.1蒸發(fā)器的類型與選擇隨著工業(yè)技術的發(fā)展,新型蒸發(fā)設備不斷出現(xiàn)。在工業(yè)中常用的間接加熱蒸發(fā)器分別為循環(huán)型和單程型兩大類。循環(huán)型的蒸發(fā)器中有中央循環(huán)管式、懸框式、外加熱式、列文式及強制循環(huán)管等,單程型的蒸發(fā)器有升膜式、降膜式、升-降膜式等。本設計選擇中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。因為循環(huán)型蒸發(fā)器中的中央循環(huán)管式又稱標準式蒸發(fā)器,在化學工業(yè)中應用廣泛。結(jié)構(gòu)和原理：其下部的加熱室由垂直管束組成,中間由一根直徑較大的中央循環(huán)管。當管液體被加熱沸騰時,中央循環(huán)管氣液混合物的平均密度較大；而其余加熱管氣液混合物的平均密度較小。在密度差的作用下,溶液由中央循環(huán)管下降,而由加熱管上升,做自然循環(huán)流動。溶液的循環(huán)流動提高了沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),強化了蒸發(fā)過程。這種蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)緊湊,操作可靠,傳熱效果好。但溶液的循環(huán)速度低,傳熱溫差小,影響了傳熱。在中央循環(huán)管安裝一旋漿式攪拌器即構(gòu)成強制循環(huán)蒸發(fā)器,可是液體的循環(huán)速度提高2～3倍。1.2蒸發(fā)操作條件的確定1.2.1加熱蒸汽壓強的確定蒸發(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),應充分利用二次蒸汽作為其它加熱用的熱源,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,提高了蒸汽利用率。因此,能夠采用較高溫度的飽和蒸汽作為加熱蒸汽是有利的,但是通常所用飽和蒸汽溫度不超過180℃,超過時相應的壓強就很高,這將增加加熱的設備費和操作費。根據(jù)以上論述選加熱蒸汽壓強為600kPa。1.2.2冷凝器操作壓強的確定若一效采用較高壓強的加熱蒸汽,則末效可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。而且各效操作溫度高時,溶液黏度低,傳熱好。若一效加熱蒸汽壓強低,末效采用真空操作。此時各效產(chǎn)生的二次蒸汽溫度低,進入冷凝器需要消耗大量冷卻水,而且溶液黏度大,傳熱差。根據(jù)以上論述選冷凝器的壓強為30kPa。第二章蒸發(fā)工藝的設計計算多效蒸發(fā)工藝計算的主要依據(jù)是物料衡算、熱量衡算及傳熱速率方程。計算的主要項目有：加熱蒸汽〔生蒸汽的消耗量,各效溶劑蒸發(fā)量,以及各效的傳熱面積。計算的已知參數(shù)有：料液的流量、溫度和濃度,最終完成液的濃度,加熱蒸汽的壓強和冷凝器中的壓強等。2.1蒸發(fā)器的設計步驟多效蒸發(fā)的計算一般采用試差法。〔1 根據(jù)工藝要求及溶液的性質(zhì),確定蒸發(fā)的操作條件〔如加熱蒸汽壓強及冷凝器的壓強,蒸發(fā)器的形式、流程和效數(shù)?！? 根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗數(shù)據(jù),初步估計各效蒸發(fā)量和各效完成液的濃度?！? 根據(jù)經(jīng)驗假設蒸汽通過各效的壓強降相等,估算各效溶液沸點和有效總溫差?！? 根據(jù)蒸發(fā)器的焓衡算,求各效的蒸發(fā)量和傳熱量?！? 根據(jù)傳熱速率方程計算各效的傳熱面積。若求得的各效傳熱面積不相等,則應按下面介紹的方法重新分配有效溫度差,重復步驟〔3>至〔5,直到所求得各效傳熱面積相等為止。2.2各效蒸發(fā)量和完成液濃度的估算本設計任務條件是：糖水溶液處理量：890T/d；溶液濃度12%；溫度20℃；完成液濃度50%。原料液加料量F==37083.33kg/h總蒸發(fā)量W=F<1->=37083.33×〔1-=28183.33kg/h式中：W——總蒸發(fā)量kg/h；F——進料流量kg/h；——初始液濃度；——完成液濃度。因并流加料,蒸發(fā)中無額外蒸汽引出,假設各效蒸發(fā)量相等,即=====9394.44、、分別表示第一效、第二效、第三效蒸發(fā)量。各效完成液的濃度為：16.7%24.32%50%其中：——第一效完成液濃度；——第二效完成液濃度；——第三效完成液濃度。2.3溶液沸點和有效溫度差的確定選定加熱蒸汽壓強=600kpa,冷凝器中的操作壓強=30kpa：其它各效二次蒸汽的壓強按各效間蒸汽壓強降相等的假設來確定。即：故第i效二次蒸汽壓強為：式中ΔP——各效加熱蒸汽壓強與二次蒸汽壓強之差；QUOTE第一效加熱蒸汽的壓強；——末效冷凝器中的二次蒸汽的壓強。第一效600-190kPa第二效600-2×190=220kPa第三效600-3×190=30kPa由各效的二次蒸汽壓強,查得相應的二次蒸汽的溫度及汽化潛熱列于表2-1。表2-1不同壓力下蒸汽溫度和汽化潛熱效數(shù)參數(shù)123二次蒸汽壓強/kPa41022030二次蒸汽的溫度/144.2612366.5氣化潛熱kJ/kg2135.882196.922333.72.3.1各效由于溶液的蒸汽壓下降所引起的溫度差損失/根據(jù)各效的二次蒸汽溫度和各效完成液的組成,查得各效溶液的沸點tAi分別為:表2-2糖液不同質(zhì)量分數(shù)對應的常壓沸點升高質(zhì)量分數(shù)%16.0724.3250常壓下的沸點升高℃0.220.381.8則各效由于溶液蒸汽壓下降所引起的溫度差損失為：℃℃℃2.3.2由于蒸發(fā)器中溶液靜壓強引起的溫度差損失某些蒸發(fā)器在操作時,器溶液需維持一定的液位,因而蒸發(fā)器中溶液部的壓強大于液面的壓強,致使溶液部的沸點較液面處的較高,二者之差即為因溶液靜壓強引起的溫度差損失,為簡便起見,溶液部沸點按液面與底部的平均壓強下水的沸點和二次蒸汽的壓強下水的沸點差估算,平均壓強近似按靜力學方程估算：管長大概為2.5～3m,所以選式中：——蒸發(fā)器中液面與底層的平均壓強,Pa；——二次蒸汽的壓強,Pa；——溶液的平均密度,kg/；h——液層高度,m?？刹榈貌煌且簼舛认碌拿芏纫姳?-3。表2-3不同糖液濃度下的密度濃度%1216.7024.3250密度kg/1046.41063.21098.41230根據(jù)各效溶液壓強查得對應的飽和溶液溫度見表2-4。表2-4平均壓強對應的飽和溶液溫度效數(shù)=1\*ROMANI=2\*ROMANII=3\*ROMANIII壓強,421.47231.8543.27水的沸點,℃145.25123.3977.03℃℃℃由流動阻力而引起的溫度差損失在多效蒸發(fā)中末效以前各效的二次蒸汽流到下一效的加熱室的過程中由于管道阻力使其壓強降低蒸汽的飽和溫度也相應降低由此引起的溫度差損失即為,根據(jù)經(jīng)驗其值選取1℃。即====1℃,各效溶液的沸點和有效總溫度差各效溫度差損失℃℃℃溶液的沸點為所以可得：各效溶液沸點為℃℃℃、、—分別為第一效、第二效和第三效二次蒸汽的溫度,℃。查表得600kPa飽和蒸汽的溫度為158.7℃、汽化潛熱為2091.1kJ/kg各效傳熱溫度差℃℃℃、、—分別為第一效、第二效和第三效加熱蒸汽的溫度,℃。2.4加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算原料液的比熱可視為定值為3.95kJ/〔kg﹒℃,水的比熱=4.187kJ/〔kg﹒℃。第i效的蒸發(fā)量的計算式為式中：—第i效加熱蒸汽量,kg/h,當無額外蒸汽引出時,,—為第i效加熱蒸汽,二次蒸汽的汽化潛熱,kJ/kg,且；,—分別為第效及第i-1效溶液的沸點；,—為第效的熱利用系數(shù),均取0.98；,,,,..第一效的焓衡量式為：因沸點進料,,所以<kg/h><a>第二效的熱衡算式為〔kg/h〔b第三效的熱衡算式為〔kg/h〔c又因=++=28183.33kg/h〔d聯(lián)立式〔a至式〔d,可得=8761.17kg/h=9391.22kg/h=10030.95kg/h=9126.22kg/h2.5估算蒸發(fā)器的傳熱面積由傳熱速率方程得：式中第i效的傳熱速率,W。第i效的傳熱系數(shù),W/〔m2℃.第i效的傳熱溫度差,℃第i效的傳熱面積,m2值見表2-5。表2-5效數(shù)123傳熱系數(shù)K,W/〔m2℃300019001100則第一效蒸發(fā)器傳熱面積為則第二效蒸發(fā)器傳熱面積為則第三效蒸發(fā)器傳熱面積為2.6溫差的重新分配與試差計算因,誤差較大,故應調(diào)整正各效的有效溫度差,重復上述計算步驟。重新分配各效的有效溫度差重新分配有效溫度差,得℃℃℃、、—分別為第一效、第二效和第三效的傳熱溫度差,℃；S1、S2、S3—分別為第一效、第二效和第三效蒸發(fā)器傳熱面積,。2.6.2重復上述計算步驟〔1由所求得的各效蒸發(fā)量、,求各效料液的濃度,它們分別為%%=50%—原料液的濃度；F—原料液的進料量,kg/h；〔2計算各效料液的沸點表2-6效數(shù)123濃度%15.7123.5150常壓下的沸點升高℃0.210.371.8密度kg/m31061.981096.151230因末效完成液濃度和冷凝器壓力均不變,各種溫度差損失及溶液沸點可視為恒定,即℃,故末效溶液的沸點仍為79.47℃,而℃,則第三效加熱蒸汽的溫度〔即第二效二次蒸汽溫度為℃則℃查表知=121.11℃℃℃℃℃由第一效、第二效的二次蒸汽的溫度,查表知氣化潛熱二次蒸汽壓強如下表所示表2-7效數(shù)123二次蒸汽壓強/kPa400.53197.2230二次蒸汽的溫度143.69119.7666.5氣化潛熱2138.122205.862333.7℃由查表可知水的沸點=144.43℃℃℃℃℃〔3各效的焓衡算第Ⅰ效：〔〔e第Ⅱ效：〔〔f第Ⅲ效：〔〔g又因=++=28183.33kg/h〔h聯(lián)立式〔e至〔h,可得=8791.66=9406.46=9976.42=9157.98〔4計算蒸發(fā)器的傳熱面積則第一效蒸發(fā)器傳熱面積為則第二效蒸發(fā)器傳熱面積為則第三效蒸發(fā)器傳熱面積為因計算誤差在0.04以下,試差結(jié)果合理。其各效溶液濃度無明顯變化,不需重新計算。取面積第三章蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)工藝尺寸的設計中央循環(huán)管式蒸發(fā)器主體分為加熱室和分離室,加熱室由直立的加熱管束組成,管束中間為一根直徑較大的中央循環(huán)管；分離室是汽液分離的空間。其主要結(jié)構(gòu)尺寸包括：加熱室和分離室的直徑和高度；加熱管和循環(huán)管的規(guī)格,長度及在花板上的排列方式等。這些尺寸的確定取決于工藝計算結(jié)果,主要是傳熱面積。我們選取的中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的計算方法如下。3.1加熱管的選擇和管束的初步估計加熱管通常選用,,等幾種規(guī)格的無縫鋼管,長度一般為2-6m。管子長度的選擇應根據(jù)溶液結(jié)垢的難易程度,溶液的起泡性和廠房的高度等因素綜合考慮。本次設計加熱管選用長度為3m的無縫鋼管。由下式估算所需管數(shù)：根式中——蒸發(fā)器的傳熱面積,；——加熱管的管徑,；——加熱管長度,。因加熱管固定在管板上,考慮到管板厚度占據(jù)的傳熱面積,計算時的管長用〔L-0.1m。為完成傳熱任務所需的最小實際管數(shù)n只有在管板上排列加熱管后才能確定。3.1.1循環(huán)管直徑的選擇循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減少的原則來考慮的。其截面積可以取加熱管總截面積的40％～100％,若以表示循環(huán)管徑,則：對于加熱面積小的蒸發(fā)器,應取較大的的百分數(shù)。查管規(guī)格表,所以本設計選取的循環(huán)管應選用的管子,長度為3m。3.1.2加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定加熱室的徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)目及在管板上的排列方式。加熱管在管板上的排列方式有三角形、正方形、同心圓等,目前以三角形居多。管心距t為相鄰兩管中心線之間的距離,t一般為加熱管外徑的1.25-1.5倍。目前在換熱器設計中,管心距的數(shù)值已經(jīng)標準化,管子規(guī)格確定后,相應的管心距則為定值。表3-1三角形排列時加熱管直徑與管心距的關系加熱管外徑,mm19253857管心距t,mm25324870加熱室徑和加熱管數(shù)采用作圖法來確定,具體做法是：先計算管束中心線上管束,管子按正三角形排列時,管子按正方形排列時,式中n——總加熱管數(shù)以三角形排列初步估算加熱室徑,即加熱室徑根據(jù)初估加熱室徑值和容器公稱直徑系列,試選一個徑作為加熱室徑,并以此徑和循環(huán)管外徑作同心圓,在同心圓的環(huán)隙中,按加熱管的排列方式和管心距作圖。作圖所得管數(shù)n必須大于初始值,如不滿足,應令選一設備徑,重新作圖,直至合適為止。殼體徑的標準尺寸列于表3-2中,作為參考。表3-2殼體的尺寸標準殼體徑,mm400-700800-10001100-15001600-2000最小壁厚,mm8101214根據(jù)表選取加熱室殼體徑為1200mm,壁厚為12mm。根據(jù)繪圖可知管數(shù)為426根。3.1.3分離室直徑和高度的確定分離室的直徑和高度取決于分離室的體積,而分離室的體積又與二次蒸汽的體積流量及蒸發(fā)體積強度有關。分離室體積的計算式:式中V——分離室的體積,；——某效蒸發(fā)器的二次蒸汽流量,kg/h；——某效蒸發(fā)器的二次蒸汽密度,U——蒸發(fā)體積強度,,即每立方米分離室每秒鐘產(chǎn)生的二次蒸汽量,一般允許值為?，F(xiàn)取分離室中U=1.1；而二次蒸汽的密度見表3-3。表3-3二次蒸汽密度的確定效次123二次蒸汽溫度,℃143.69119.7666.5密度,kg/2.161.110.17根據(jù)前述計算值到代入分離器體積的計算式可得：一般情況下,各效的二次蒸汽量是不同的,且密度也不相同,按上述算出的分離室體積也不相同,通常末效體積最大。為了方便起見,設計時各效分離室尺寸可取一致。分離室體積宜取其中最大者。所以分離器的體積選取其中的最大者,即分離室體積確定后,其高度H與直徑D符合下列關系：。對于中央循環(huán)管式蒸發(fā)器,其分離室一般不能小于1.8m,以保證足夠的霧沫分離高度。分離室的直徑也不能太小,否則二次蒸汽流速過大,導致霧沫夾帶現(xiàn)象嚴重。根據(jù)上述原因,取代入值,解得m,m3.2接管尺寸的確定流體進出口的徑按下式計算式中流體的體積流量m3/s；流體的適宜流速m/s,估算出徑后,應從管規(guī)格表格中選用相近的標準管。3.2.1溶液的進出口管對于并流加料的三效蒸發(fā),第一效溶液的流量最大,若各效設備尺寸一致的話,根據(jù)第一效溶液流量來確定接管。取適宜流速選取則所以選用無縫不銹鋼管。加熱蒸汽與二次蒸汽接管查表已知,,；又適宜的飽和蒸汽流速一般在30和50〔之間取=50?？梢杂刹讳P鋼管規(guī)格表查得選取的蒸汽接管規(guī)格為。冷凝水出口冷凝水的排出一般屬于液體自然流動〔u=0.8-1.8m/s,接管直徑應由各效加熱蒸汽消耗量較大者確定。第三效的蒸汽冷凝量為9976.42；由手冊查得,70℃時冷凝水的密度為；適宜流速選為0.4?？捎嬎憷淠隹诠軓剑嚎梢杂刹讳P鋼管規(guī)格表查得選取的冷凝水出口管徑規(guī)格為。第四章蒸發(fā)裝置的輔助設備的設計蒸發(fā)裝置的輔助設備主要包括氣液分離器與蒸汽冷凝器。4.1氣液分離器蒸發(fā)操作時,二次蒸汽中夾帶大量的液體,雖在分離室得到初步分離,但為了防止有用的產(chǎn)品損失或污染冷凝液體,還需設置氣液分離器,以使霧沫中的液體聚集并與二次蒸汽分離,故氣液分離器又稱為捕沫器或除沫器。其類型很多,設置在蒸發(fā)器分離室頂部的有簡易式、慣性式及網(wǎng)式除沫器等,在蒸發(fā)器外部的有折流式、旋流式及離心式除沫器等。慣性式除沫器是利用帶有液滴的二次蒸汽在突然改變運動方向時,液滴因慣性作用而與蒸汽分離。其結(jié)構(gòu)簡單,中小型工廠中應用較多。本設計選用慣性式除沫器。慣性式除沫器的主要尺寸的計算：規(guī)格選取式中——二次蒸汽的管徑,m；——除沫器的管的直徑,m；——除沫器外罩管的直徑,m；——除沫器外殼直徑,m；H——除沫器的總高度,m；h——除沫器管頂部與器頂?shù)木嚯x,m。4.2蒸汽冷凝器主要類型蒸汽冷凝器的作用是用冷卻水將二次蒸汽冷凝。當二次蒸汽為有價值的產(chǎn)品需要回收或會嚴重污染冷卻水時,應采用間壁式冷卻器,如列管式、板式、螺旋板式及淋水式等熱交換器。當二次蒸汽為水蒸氣不需要回收時,可采用直接接觸式冷凝器。二次蒸汽與冷卻水直接接觸進行熱交換,其冷卻效果好、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、價格低廉,因此被廣泛使用,故在本設計中選用直接接觸式冷凝器。直接接觸式冷凝器有多孔板式、水簾式、填充塔式及水噴射式等。表4-2各種型式蒸汽冷凝器的性能冷凝器型式多層多孔板式單層多孔板式水簾式填充塔式水噴射式水汽接觸面積大較小較大大最大壓強降,Pa1067-2000小,可不計1333-3333較小大塔徑圍大小均可不宜過大≦350mm≦100mm二次蒸汽量<2t/h結(jié)構(gòu)與要求較簡單簡單較簡單,安裝有一定要求簡單不簡易,加工有一定要求水量較大較大較大較大最大其他孔易堵塞適用于腐蝕性蒸汽綜合考慮各種設備的性能,本設計選用水噴射式蒸汽冷凝器。水噴射式冷凝器的工作原理是冷卻水依靠泵加壓后經(jīng)噴嘴霧化使二次蒸汽冷凝。不凝氣也隨冷卻水由排水管排出。此過程產(chǎn)生真空,則不需要真空泵就可以造成和保持系統(tǒng)的真空度。但單位二次蒸汽所需的冷卻水量大,二次蒸汽量過大時不宜采用。4.3蒸汽冷凝器的設計與選用4.3.1工作水量的計算對以冷凝為主的水噴射式冷凝器,其冷卻水用量決定于被冷凝蒸汽的熱焓、冷卻水的進出口溫度,按下式計算：冷卻水用量,冷卻水進出口溫度分別為℃,℃平均溫度℃由平均溫度查得：；式中——冷卻水用量,——冷凝蒸汽量,——蒸汽的焓,——冷卻水進出口溫度,℃〔冷卻水可循環(huán)使用；——冷卻水平均比熱,℃。4.3.2噴射器結(jié)構(gòu)尺寸的計算〔1噴嘴數(shù)n及噴嘴直徑工作水通過噴嘴的壓強差由平均溫度查得水的密度,取0.95通過一個噴嘴的水流速度為：式中——工作水通過噴嘴的壓強差,Pa,即工作水進口壓強與混合室〔吸入壓強壓強之差——水的密度,——噴嘴直徑,在水質(zhì)清潔時可取后,噴嘴個數(shù)的確定公式為：選擇適宜的噴嘴直徑：〔個可以取噴頭的數(shù)目為2個?！?文氏管喉部直徑文氏管喉部直徑：式中：；故選用的無縫不銹鋼管。式中——排出壓強與吸入壓強之差,Pa〔3噴射器其他各部分尺寸噴射器其他各部分尺寸按下列圍選取:文氏管喉管長度實際中取120文氏管收縮口直徑故選用無縫不銹鋼管文氏管收縮段