大学毕业设计蒸发器设计

目 录第一章 设计方案的确定11.1 蒸发器的类型与选择11.2 蒸发操作条件的确定11.2.1 加热蒸汽压强的确定11.2.2 冷凝器操作压强的确定2第二章 蒸发工艺的设计计算22.1 蒸发器的设计步骤22.2 各效蒸发量和完成液浓度的估算22.3溶液沸点和有效温度差的确定32.3.1各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失/42.3.2由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失42.3.3由流动阻力而引起的温度差损失52.3.4各效溶液的沸点和有效总温度差62.4加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算62.5估算蒸发器的传热面积72.6温差的重新分配与试差计算82.6.1重新分配各效的有效温度差82.6.2重复上述计算步骤9第三章 蒸发器的主要结构工艺尺寸的设计123.1 加热管的选择和管束的初步估计123.1.1 循环管直径的选择123.1.2 加热室直径及加热管数目的确定133.1.3分离室直径和高度的确定143.2接管尺寸的确定153.2.1溶液的进出口管153.2.2加热蒸汽与二次蒸汽接管153.2.3冷凝水出口16第四章 蒸发装置的辅助设备的设计174.1 气液分离器174.2蒸汽冷凝器主要类型174.3蒸汽冷凝器的设计与选用194.3.1工作水量的计算194.3.2喷射器结构尺寸的计算194.3.3射流长度的决定21第五章 设计结果一览表22结束语24主要参考文献24第一章 设计方案的确定 蒸发是用加热的方法，在沸腾的状态下使溶液中具有挥发性的溶剂部分汽化的单元操作。蒸发操作广泛用于化工、轻工、制药、食品等许多工业中。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）的确定，正确选择蒸发的操作条件，对保证产品质量和降低能耗极为重要。1.1 蒸发器的类型与选择随着工业技术的发展，新型蒸发设备不断出现。在工业中常用的间接加热蒸发器分别为循环型和单程型两大类。循环型的蒸发器中有中央循环管式、悬框式、外加热式、列文式及强制循环管等，单程型的蒸发器有升膜式、降膜式、升-降膜式等。本设计选择中央循环管式蒸发器。因为循环型蒸发器中的中央循环管式又称标准式蒸发器，在化学工业中应用广泛。结构和原理：其下部的加热室由垂直管束组成，中间由一根直径较大的中央循环管。当管内液体被加热沸腾时，中央循环管内气液混合物的平均密度较大；而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，而由加热管上升，做自然循环流动。溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数，强化了蒸发过程。这种蒸发器结构紧凑，操作可靠，传热效果好。但溶液的循环速度低，传热温差小，影响了传热。在中央循环管内安装一旋浆式搅拌器即构成强制循环蒸发器，可是液体的循环速度提高23倍。1.2 蒸发操作条件的确定1.2.1 加热蒸汽压强的确定 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其它加热用的热源，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，提高了蒸汽利用率。因此，能够采用较高温度的饱和蒸汽作为加热蒸汽是有利的 ，但是通常所用饱和蒸汽温度不超过180 ，超过时相应的压强就很高，这将增加加热的设备费和操作费。根据以上论述选加热蒸汽压强为600 kPa。1.2.2 冷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时，溶液黏度低，传热好。若一效加热蒸汽压强低，末效采用真空操作。此时各效产生的二次蒸汽温度低，进入冷凝器需要消耗大量冷却水，而且溶液黏度大，传热差。根据以上论述选冷凝器的压强为30kPa。第二章 蒸发工艺的设计计算 多效蒸发工艺计算的主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸汽（生蒸汽）的消耗量，各效溶剂蒸发量，以及各效的传热面积。计算的已知参数有：料液的流量、温度和浓度，最终完成液的浓度，加热蒸汽的压强和冷凝器中的压强等。2.1 蒸发器的设计步骤 多效蒸发的计算一般采用试差法。（1）根据工艺要求及溶液的性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸汽压强及冷凝器的压强），蒸发器的形式、流程和效数。（2）根据生产经验数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液的浓度。（3）根据经验假设蒸汽通过各效的压强降相等，估算各效溶液沸点和有效总温差。（4）根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。（5）根据传热速率方程计算各效的传热面积。若求得的各效传热面积不相等，则应按下面介绍的方法重新分配有效温度差，重复步骤（3)至（5），直到所求得各效传热面积相等为止。2.2 各效蒸发量和完成液浓度的估算本设计任务条件是：糖水溶液处理量：890 T/d；溶液浓度12%；温度20 ；完成液浓度50%。 原料液加料量 F=37083.33 kg/h总蒸发量 W=F(1-)=37083.33×（1-）=28183.33 kg/h式中：W 总蒸发量 kg/h；F 进料流量 kg/h； 初始液浓度； 完成液浓度。因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，假设各效蒸发量相等，即=9394.44、分别表示第一效、第二效、第三效蒸发量。各效完成液的浓度为：16.7%24.32%50%其中： 第一效完成液浓度； 第二效完成液浓度； 第三效完成液浓度。2.3溶液沸点和有效温度差的确定选定加热蒸汽压强=600kpa，冷凝器中的操作压强=30kpa：其它各效二次蒸汽的压强按各效间蒸汽压强降相等的假设来确定。即： 故第i效二次蒸汽压强为：式中 P 各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差； 第一效加热蒸汽的压强； 末效冷凝器中的二次蒸汽的压强。第一效 600-190 kPa第二效 600-2×190=220 kPa第三效 600-3×190=30 kPa由各效的二次蒸汽压强，查得相应的二次蒸汽的温度及汽化潜热列于表2-1。表2-1不同压力下蒸汽温度和汽化潜热 效数参数123二次蒸汽压强 /kPa41022030二次蒸汽的温度/144.2612366.5气化潜热 kJ/kg2135.882196.922333.72.3.1各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失/根据各效的二次蒸汽温度和各效完成液的组成,查得各效溶液的沸点tAi分别为: 表2-2糖液不同质量分数对应的常压沸点升高质量分数 %16.0724.3250常压下的沸点升高 0.220.381.8则各效由于溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失为： 2.3.2由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失某些蒸发器在操作时，器内溶液需维持一定的液位，因而蒸发器中溶液内部的压强大于液面的压强，致使溶液内部的沸点较液面处的较高，二者之差即为因溶液静压强引起的温度差损失，为简便起见，溶液内部沸点按液面与底部的平均压强下水的沸点和二次蒸汽的压强下水的沸点差估算，平均压强近似按静力学方程估算：管长大概为2.53m,所以选 式中： 蒸发器中液面与底层的平均压强，Pa； 二次蒸汽的压强，Pa； 溶液的平均密度，kg/ ； h液层高度，m。可查得不同糖液浓度下的密度见表2-3。表2-3 不同糖液浓度下的密度浓度%1216.7024.3250密度kg/1046.41063.21098.41230根据各效溶液压强查得对应的饱和溶液温度见表2-4。表2-4 平均压强对应的饱和溶液温度效数IIIIII压强，421.47231.8543.27水的沸点，145.25123.3977.03 2.3.3由流动阻力而引起的温度差损失在多效蒸发中末效以前各效的二次蒸汽流到下一效的加热室的过程中由于管道阻力使其压强降低蒸汽的饱和温度也相应降低由此引起的温度差损失即为 ，根据经验其值选取1 。即=1 , 2.3.4各效溶液的沸点和有效总温度差各效温度差损失 溶液的沸点为 所以可得：各效溶液沸点为 、分别为第一效、第二效和第三效二次蒸汽的温度，。查表得600 kPa饱和蒸汽的温度为158.7、汽化潜热为2091.1kJ/kg各效传热温度差 、分别为第一效、第二效和第三效加热蒸汽的温度，。2.4加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算原料液的比热可视为定值为3.95 kJ /（kg），水的比热 =4.187 kJ /（kg）。第i效的蒸发量的计算式为式中：第i效加热蒸汽量，kg/h，当无额外蒸汽引出时，为第i效加热蒸汽，二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg，且；，分别为第效及第i-1效溶液的沸点；，为第效的热利用系数，均取0.98；，.第一效的焓衡量式为：因沸点进料， ，所以 (kg/h) (a)第二效的热衡算式为 （kg/h） （b）第三效的热衡算式为 （kg/h） （c）又因=+=28183.33 kg/h （d）联立式（a）至式（d），可得=8761.17 kg/h=9391.22 kg/h=10030.95 kg/h=9126.22 kg/h2.5估算蒸发器的传热面积由传热速率方程得：式中 -第i效的传热速率，W。 -第i效的传热系数，W/（m2 ）. -第i效的传热温度差， -第i效的传热面积，m2值见表2-5。表2-5效数123传热系数K，W/（m2 ）300019001100则第一效蒸发器传热面积为 则第二效蒸发器传热面积为则第三效蒸发器传热面积为2.6温差的重新分配与试差计算因，误差较大，故应调整正各效的有效温度差，重复上述计算步骤。2.6.1重新分配各效的有效温度差重新分配有效温度差，得 、分别为第一效、第