1、第 1 页 共 52 页 摘要 :此次设计的生产装置为一种常见的、结构简单、于生产上应用广泛的中间循环式蒸发器。、其属于固定管板式换热器。本次设计包含三效蒸发原理，蒸发器的设计。而蒸发器的设计又包含蒸发器类型的选取、热力的计算、部件的选取和计算、开孔和开孔补强、法兰、接管的选取、除沫器及支座等等的设计、计算和校核。 此次设计的重点为蒸发器的设计。因为介质是食品类，所以对蒸发器壳体材料的选择、焊接及部件间的连接等等有较高的要求。因为蒸发器内压力与温度都不是太高，所以作为一类压力容器来设计。而其中焊接，无损检测的要求较严格。设计难点 是热力计算、蒸发器各部件的尺寸计算及材料选择等。 关键词 ： 蒸
2、发器 ； 三效蒸发 ； 热力计算 第 2 页 共 52 页 Abstract:the design of the production device is a common, simple structure, in the production of intermediate circulation evaporator widely. , which belongs to the fixed tube plate heat exchanger. The design contains three effect evaporation principle, evaporator design
3、. The design also includes an evaporator evaporator type selection, thermodynamic calculation, component selection and calculation, opening and opening reinforcement, flange, pipe selection, demister and support, design, calculation and check. Design for the evaporator and the design keys. Because t
4、he media is food, so the evaporator shell material selection, welding and component is connected and so on have higher requirements. Because of the pressure and temperature in the evaporator is not too high, so as the first class pressure vessel design. While welding, NDT requirements more stringent
5、 than. The design is difficult parts of thermodynamic calculation, the evaporator size calculation and material selection. Key words: Evaporator ； Three-effect evaporation ； Thermodynamic calculation 1 概述 1 1 蒸发及蒸发流程 蒸发是采用加热的方法，使得含有不挥发性的杂质（如盐）的溶液沸腾，去除其中被汽化单位的部分杂质，使溶液浓缩的单元操作过程。 蒸发操作广泛使用于浓缩各种不挥发性的物质的水
6、溶液，是化工、医药、食品等工业中较常见的单元操作。化工生产中的蒸发主要用于如下几种目的： 1、获得浓缩的溶液产品； 2、将溶液蒸发增浓之后，冷却结晶而获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品 ； 3、脱除杂质，获得纯净的溶剂或者半成品，如海水淡化。进行蒸发操作的设备就叫做蒸发器。 蒸发器内部要有足够的加热面积，使溶液受热而沸腾。溶液在蒸发器内因为各处密度的差异而形成循环流动，被浓缩到规定的浓度后排出蒸发器外部。蒸发器内备要有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器用以除去液沫，排出的蒸汽若不再利用，应将其在冷凝器中冷凝。 蒸发过程中经常使用饱和蒸汽间壁加热的方法，
7、通常把用作热源的蒸汽称做第 3 页 共 52 页 一次蒸汽，从溶液中蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。 1 2 蒸发操作的分类 蒸发操 作按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上的大多数蒸发过程是连续稳定操作的过程。 按二次蒸汽利用的情况可分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不利用，直接在冷凝器冷凝后排出，这种操作称之为单效蒸发。如把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合来使用，这种操作称之为多效蒸发。在多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。 蒸发操作按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有很多优点： （ 1）、在低压
8、操作下，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温 度差值，减小蒸发器传热面积； （ 2）、可以利用低压蒸气当作加热剂； （ 3）、有利于热敏性物料的蒸发； （ 4）、操作温度较低，热损失较小。 在加压蒸发中得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气来利用。因此，单效蒸发多是真空蒸发；多效蒸发的前效是加压或常压操作，而后效则在真空下操作 。 1 3 蒸发操作的特点 从上面对蒸发过程的简要介绍可知，常见的蒸发壁两侧边分别为蒸气冷凝及液体沸腾的传热过程，蒸发器也即一种换热器。但和一般的传热过程相比，蒸发操作有如下特点 : (1) 沸点升高 蒸发的溶液中含不挥发性溶质，在压力下 溶液的蒸气压较同温下纯
9、溶剂蒸气压要低，使溶液沸点高于纯溶液沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。在加热蒸气温度一定情况下，蒸发溶液的时候的传热温差必然小于加热溶剂的纯热温差，且溶液的浓度越高，这种影响就越显著。 (2) 物料工艺特性 蒸发溶液本身具有一些特性，如有些物料在浓缩的时候可能析第 4 页 共 52 页 出晶体，或者易于结垢；有些则有较大的黏度或者较强的腐蚀性等。怎样根据物料的特性和工艺的要求，选择适当的蒸发流程和设备是蒸发操作必须考虑的问题。 (3) 节约能源 蒸发时汽化的溶剂量大，需要消耗大量的加热蒸气。怎样充分利用热量，提高加热蒸气利用率 是蒸发操作要考虑在内的另一个关键点。 1 4 蒸发设备 蒸发设备的
10、作用是使得进入蒸发器的原料液体被加热，部分会气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所带的液滴和雾沫分离。 蒸发主体设备为蒸发器，它由加热室和蒸发室等组成。蒸发的辅助设备还包括：使液沫进一步分离的除沫器、使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需要真空装置。分述如下： 由于生产要求不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类： （ 1）循环型蒸发器 特点：溶液在蒸发器中循环流动，蒸发器内溶液浓度大体相同， 接近完成液浓度 。操作稳定。这类蒸发器主要有 a.中央循环管式蒸发 器 ， b.悬筐式蒸发器 c.外热式蒸发器
11、 ， d.列文式蒸发器 e.强制循环蒸发器 。 a、 b、 c、 d 四种为自然循环蒸发器 。 （ 2）单程型蒸发器 特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行 循环。 优点：溶液停留时间短，所以尤其适用于热敏性物料的蒸发； 温度差损失较小 ，表面传热系数较大。 缺点：设计或操作不当的时候不易成膜，热流量将会明显下降；不适用于易结晶、结垢物料 的蒸发。 这类蒸发器主要有 第 5 页 共 52 页 a.升膜式蒸发器 ， b.降膜式蒸发器 ， c.刮板式蒸发器 本次设计采用的是 中央循环管式蒸发器 ： 结构和原理：其下部的加热室由垂直管束组成，中间有根直径较大的中央循环管。当管内液体被加热沸腾的
12、时候，中央循环管内的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，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，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用广泛，有“标准蒸发器”之称。为了使得溶液有良好的循环，中央循环管的截面积 一般为其余加热管总截面积的 40% 100%；加热管的高度一般在 1 2m；加热管径在25 75mm 之间。而实际上，因为结构上的限制，其循环速度一般在 0.4 0.5m/s以下；蒸发器内的溶液浓度始终接近完成液浓度；清洗和维修也不太方便。 2 蒸发工艺
13、设计计算 2 1 设计参数 0x =0.1 ， 3x =0.5； 0t =27C0 ； 1P =2.055 510 Pa， 3P =0.14 510 Pa ； F=22700 kg/h ； C=4.19-2.35X kJ/(kg ) 第 6 页 共 52 页 注：（ C 此处表示为比热容） ； 1k =3120 w/m2k ， 2k =1990 w/m2k ，3k =1140 w/m2k ，各效传热面积相等。 =1.78x+6.22 2x 。 年生产要达到 1.6 万吨（按每年 280 工作日算）， 则蔗糖的质量流量 71 . 6 1 0 0 . 6 6 /2 8 0 2 4 6 0 6 0m
14、q k g s 体积流量 40 . 6 6 6 . 6 1 01000sv qq s。 2 2 部分设计参数符号 剩余符号正文有标明 第 7 页 共 52 页 )./(/)./(22CmWKkgJhmhsmgfhkgFhkgDmDmdCkgkJcmb总传热系数，二次蒸汽的焓，高度，重力加速度，校正系数，无因次原料液流量，加热蒸汽消耗量，直径，加热管的内径，比热容，管壁厚度，英文字母饱和的秒污垢的压力流速，温度，管心距，溶液的温度（沸点），传热面积，污垢热阻，气话潜热，雷诺系数，无因次总传热速率，热通量，普兰特准数，无因次绝对压力，蒸发系统总效数，管数，溶液质量，子周边上的单位时间内通过单位管长
15、度，SsspsmuCTmtCtmSWCmRkgkJrRWQmWqPPapnnsmkgMmLer/).(/)./(222误差，无因次温度损失，对流川热系数，希腊字母质量，单位体积冷却水的蒸汽次溶质的质量分率，无因质量流量，蒸发量，分离室的体积，流体得体积流量，蒸发体积强度，CCmWmkgXxhkgWhkgWmVsmVsmmUS)./(/)./(233333壁面的水的体积的蒸汽的外侧的最小的最大的平均的液体的冷凝器的内侧的沸腾的平均的下标水流收缩系数，无因次因次管材质的校正系数，无密度，表面张力，粘度，导热系数，热利用系数，无因次wwuvomLKiBavmkgmNsPaCmWm inm a x/.
16、)./(3第 8 页 共 52 页 2 3 蒸浓液浓度计算 多效蒸发工艺计算的主要依据是物料衡算和、热量衡算和传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸气（生蒸气）消耗量、各效溶剂蒸发量及各效传热面积。已知计算参数有：料液流量、温度、浓度，最终完成液浓度、加热蒸气压强和冷凝器中压强等。 蒸发器的设计计算步骤：多效蒸发的计算一般使用试算法。 （ 1） 根据工艺要求和溶液性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸气压强及冷凝器压强），蒸发器的形式、流程和效数。 （ 2） 根据 生产经验的数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液浓度。 （ 3） 根据经验假设蒸气通过各效压强降相等，估算个效溶液沸点和有效的总温差。
17、（ 4） 根据蒸发器的焓衡算，求得各效的蒸发量和传热量。 （ 5） 根据传热速率方程计算各效传热面积。若求得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)到（ 5），直到所求得各效传热面积相等（或满足预先给出的精度要求）为止 。 图 2.1 并流多效蒸发淡糖浓缩工艺流程图 所以由 0x =0.1 ， 3x =0.5 ， F=22700 kg/h 可得总蒸发量 W=F(1- 0x / 3x )=18160 kg/h 0x =0.1 ， 3x =0.5 ， F=22700 kg/h 可得总蒸发量 W=F(1- 0x / 3x )=18160 kg/h 第 9 页 共
18、52 页 并流加料蒸发中没有额外蒸汽的引出 ,可设 W1 :W2:W3=1:1.1:1.2 则 1w = W 1/（ 1+1.1+1.2） =5503.03 kg/h 2w = W 1.1/（ 1+1.1+1.2） =6053.33 kg/h 3w = W 1.2/（ 1+1.1+1.2） =6603.64 kg/h 综合上述数据由 ix =F 0x /(F- 1w - 2w - 3w - - iw ) 则可得 1x =F 0x /(F- 1w )=0.132 2x = F 0x /(F- 1w - 2w )=0.204 3x = F 0x /(F-W)=0.5 2 4 有效温度差的确定 将上
19、得 1x =0.132， 2x =0.204， 3x =0.5 代进 =1.78x+6.22 2x ； 则可得 1 =0.343； 2 =0.622； 3 =3.41。 由 1t =（ 1/ ik ） / i1k it , 又 1p 为 2.055 510 Pa 时 1T =120.9， 3P 为 0.14 510 Pa 时 3T =51.4 注：由化工原理附录 3， 已知 1k =3120 w/m2k ， 2k =1990 w/m2k ， 3k =1140 w/m2k； 则有 t =（ 1T - 3T ） - =66.1； 1t = t （ 1/1k ） /（ 1/1k +1/ 2k +1/
20、 3k ） =12.46； 2t = t (1/ 2k )/（ 1/1k +1/ 2k +1/ 3k ） =19.54； 3t = t （ 1/ 3k ） /（ 1/1k +1/ 2k +1/ 3k ） =34.10。 综上所得计算结果可得： 1T =120.9 ,1t = 1T - 1t =108.44， 1T =1t - 1 =108.097； 2T = 1T =108.097 ,2t = 2T - 2t =88.557 ,2T = 2t - 2 =87.935； 第 10 页 共 52 页 32 87.935TT , 3 3 3 5 3 .8 3 5t T t ， 3 3Tt 51.39
21、 由此可得由热量衡算求加热蒸汽量和各效水分蒸发量，由附录差的有关五行数据： 1 120.9T , 1 2186.8 /r kJ kg . 表 2.1 热量衡算表 效数 X t/ / kJ/kg)i（ /T /( / )I kJ kg /( / )r kJ kg 0 0.1 27 113 1 0.132 108.44 454 108.097 2690.88 2236.49 2 0.204 88.557 364 87.935 2657.46 2286.62 3 0.5 53.835 225 51.39 2594.66 2 5 蒸发器的传热面积的估算 由化工原理附录 3 可得 : 1 120.9T
22、, 1 2186.8 /r kJ kg ； i0=113 kJ/kg, i1=454 kJ/kg, i2=364 kJ/kg, i3=225 kJ/kg； I 1=2690.88 kJ/kg, I 2=2657.46 kJ/kg, I 3=2594.66 kJ/kg； r 1=2236.46 kJ/kg, r 2=2286.62 kJ/kg。 由 1 1 1 1 0 1( ) ( )w I i D r F i i 1 1 2 1 2 2 2 1 2( ) ( ) ( )w i i r w I i F i i 1 2 3 2 2 3 2 3 3 3 2 3( ) ( ) ( ) ( )w i i w i i r w I i F i i 解得 1w 5551.43kg/h, 2w =6086.48kg/h, 3w = 6522.09kg/h, 1D =9218.30kg/h. 综上可得： 111 11DrA kt =144 2m , 2112 22 89wrAmkt, 2223 33 99wrAmkt 由于算出 3 个蒸发器传热面积相差甚大，所以上步中计算分配的有效温度差存在较大偏差需要重新分配和计算。
