换热器蒸发器的设计.docx
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换热器蒸发器的设计
蒸发器主体为加热室和分离室，蒸发器的主要结构尺寸包括：
加热室和分离室的直径及高度；加热管的规格、长度及在花板上的排列方式、连接管的尺寸。
这些尺寸的确定取决于工艺计算结果，主要是传热面积。
3.1加热管的选择和管数的初步估计
3.1.1管子长度的选择根据溶液结垢的难易程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑。
本次设计选用外循环式蒸发器，国产外循环式蒸发器蒸发器的管长一般从2560到3000mm不等，具体参考《糖汁加热与蒸发》[1]第139页表6-1，再根据糖汁的黏度情况，选择加热管以及板管型号如下表3-1所示：
表3-1加热选择参数
管子规格（mm）
管间距离（mm）
管长（mm）
15CrMoR型管板后度（mm）
φ42×3
54
3000
30
因加热管固定在管板上，管板选择考虑到管板厚所占有的传热面积，以及因焊接所需要每端留出的剩余长度，则计算理论管子数n时的管长实际可以按以下公式计算：
L=（L0-0.1）m=3-0.1=2.9m
前面已经计算求得各效面积A取500m2
n===1307
加热管的排布方式按正三角形排列，查《常用化工单元设备设计》[3]第163页表4-6，知道当管数为1303时，排布为a=19层，1307与1303相差不大，在这可以取19层进行计算。
其中排列在六角形内管数为=1027根，其余排列在弓形面积内，如果按标准间距即管间距离54mm排列，则有四根管排不下，四根管的总面积为：
A3=3.1415926×0.042×2.9×3=1.53m2
鉴于前面已经取1.11的安全系数，如果现在取1303根管，则总面积为：
=500-1.53=498.47安全系数为K==1.108
在安全系数范围内，所以可以不要三根管，取1303根。
3.1.2加热壳体的直径计算
D=t（b-1）+2e
D-----壳体直径，m；
t------管间距，m；
b-----沿直径方向排列的管子数目；
e-----外层管的中心到壳体内壁的距离，一般取e=（1.0～1.5）d0,在此取1.5。
b=2a-1=2×19-1=37
D=0.054×（37-1）+2×1.5×0.042＝2.07m
参考《糖厂技术准备第三册》[6]第198页表9-2,本次设计常用标准形式的外循环式蒸发器,型号为TWX-550,有关参数如下表所示
取标准的壳体直径为2400mm，具体参数如下表3-2-1，3-2-2所示：
表3-2-1外循环管蒸发器有关技术参数
型
号
加热体
加热
蒸汽
口径
/mm
厚度
/mm
最大工作
压力/MPa
汽凝水管
管数×管径
条×mm
直径
D
/mm
加热管
管径
/mm
管长
/mm
中心距
/mm
内压
外压
TWX-550
2400
φ42
3000
54
600
14
0.25
0.10
4×100
表3-2-2管蒸发器有关技术参数
蒸发室
捕汁汽
结构
形式
外循
环管
数量
外循
环管
直径
/mm
入汁
直径
/mm
设备
质量
/t
负荷
质量
/t
试水
质量
/t
直径
/mm
有效
高度
/mm
汽汁管
直径
/mm
最大工作
压力/MPa
内压
外压
3000
4900
800
0.2
0.1
惯性
2
300
125
26.75
34
78
3.3分离室直径与高度的校核
分离室的直径取决于分离室的体积，而分离室体积又与二次蒸汽的体积流量及蒸发体积强度有关。
分离室体积计算式：
Vi=Wi/3600ρiUi
根据由蒸发器工艺计算中得到的各效二次蒸汽蒸发量，再从蒸发体积强度U的数值范围内选取一个值，就可由上式算出分离室的体积。
一般来说，各效的二次蒸汽量不相同，其密度也不相同，按上式计算得到的分离室的体积也不会相同，通常末效体积最大。
根据《化工原理上册》[5]附录表4，查得各效蒸汽密度如下表3-3所示：
表3-3各效汁汽密度
效数
I
II
III
IV
汁汽温度ti（℃）
101.4
88.37
74.42
55.32
汁汽汽化潜热ri（kJ/kg）
2254.8
2287.1
2317.5
2365.8
效蒸汽密度（kg/m3）
0.6887
0.4001
0.2365
0.1060
=16340（kg/h）=11093（kg/h）
=3699（kg/h）＝2242（kg/h）
蒸发体积强度一般允许值为1.1-1.5m3/（m3.s）,在此取Ui=1.5m3/（m3.s）。
则各效的分离室体积如下：
V1=/3600ρ1U1=16340/（3600×0.68874×1.5）=4.39m3
V2=/3600ρ2U2=11093/（3600×0.4001×1.5）=5.13m3
V3=/3600ρ3U3=3699/（3600×0.2365×1.5）=2.90m3
V4=/3600ρ4U4=2242/（3600×0.1060×1.5）=3.92m3
为方便起见，各效分离室的尺寸取一致，分离室体积取其中较大者
V=V4=5.13m3，为安全起见，取1.1的安全系数，即分离室的体积取为：
V=5.13×1.1＝5.64m3
确定了分离室的体积，其高度与直径符合V=лD2H/4关系，确定高度与直径应考虑以下原则：
（1）分离室的高度与直径比H/D=1～2。
分离室的直径不能太小，否则二次蒸汽流速过大，导致雾沫夹带现象严重。
（2）在条件允许的情况下，分离室的直径应尽量与加热室相同，这样可使结构简单，制造方便。
（3）高度和直径都适合于施工现场的安装。
体积与高度的关系式：
V=лD2H/4
根据一般分离室的高度与直径比H/D=1~2，在此，取H/D=1.5
则得
D=（8V/3л）1/3=[（8×5.64）/（3×3.1416）]1/3=1684.6mm，约为1685mm
H=1.5D=1.5×1685=2527.5mm计算结果与上表3-2-1,3-2-1相比,
D=1685＜3000H=2527.5＜4900
所以选择型号为TWX-550,内满足设计的要求。
在满足生产要求的前提下，考虑制造和安装的方便性，该分离器的壁厚选取与换热器的一致，即为14mm。
3.4接管尺寸的校核
流体进出口接管的内径计算式：
d=（4Us/лu）1/2
3.4.1溶液进出口各效设备尺寸一致，进出口直径相同。
根据溶液流量最大的第一效溶液流量确定接管直径。
溶液的适宜流速按强制流动取值，根据《糖汁加热与蒸发》[1]P168表6-5取u1=1.2m/s.
以进效浓度为准，查《制糖工业试验》[7]可得进效清汁密度为1056kg/m3
溶液体积流量Vs=F/3600ρ1=43200/（3600×1056）=0.01136m3/s，
则d=[（4×0.01136）/（3.1416×1.2）]1/2=0.11m，即取d=110mm
与上表3-2-1,3-2-1相比,d=110﹤125mm
所以选择型号为TWX-550,能满足设计的要求。
3.4.2加热蒸汽进出与二次蒸汽出口设计各效结构尺寸一致，两进出口直径相同。
由于末效体积流量最大，则根据末效体积流量来设蒸汽计进出口的直径。
根据《糖汁加热与蒸发》[1]167页表6-4查得蒸汽流速u4=30～40m/s，取u4=30m/s
蒸汽体积流速量Vs=/3600ρ4=2242/（3600*0.1060）=5.88m3/s
则d=[（4×5.88）/（3.1416×30）]1/2=499mm，d=499﹤600，满足要求。
3.4.3冷凝水出口按上表3-2-1的技术标准参数，选用80mm，共4根。
3.5人孔的选择
可以参考《换热器设计》[8]按一般标准，圆形人孔450～500mm，选取孔径：
Dg=500mm。
3.6封头的选择
参考《糖汁加热与蒸发》[1]P159,一般情况下蒸发罐多采用半椭球形封头和碟形封头,,本设计采用标准半椭球形封头封头,具体参数见下表3-3所示:
表3-3标准半椭球形封头
封头材料
碳素钢
低碳合金钢
复合钢板
不锈钢
封头壁厚/mm
4~8
10~18
>20
3~9
10~18
>20
直边高度/mm
25
40
50
25
40
50
设计蒸发罐所用的材料为低碳合金钢,为了方便,上下封头材料也选择低碳合金钢,壁厚为14mm,所以选择直边高度为40mm。
3.7计算结果如表3-4所示：
表3-4蒸发器的主要参数
加热器直径
2400mm
溶液进出口内径
125mm
加热管数目
1303
蒸汽进出口内径
600mm
分离室直径
3000mm
冷凝水出口内径
100mm
分离室高度
4900mm
人孔
500mm
3.8底座的选择
底座的选择主要考虑设备试水质量，本设计的试水质量为78t,由于质量较大，故采用裙式支座，裙式支座选择低碳合金钢，壁厚为28mm,内径为2400+28=2428mm,考虑安装的方便，支座的内径应该比加热体的外径稍大，可以约取2440mm，
3.9法兰的
法兰的选择应该考虑蒸发器的最大工作压强（在此以PN0.25为现在基准），以及被连接件的直径。
参考《化工设备设计基础》P60-65表2-16，2-17，2-18以及2-19，本次设计采用平焊法兰（GB9115.5-88），同时选出对应的的螺栓螺母，材料为全为Q235-A,具体如下表3-3所示。
表3-3连接件管法兰以及螺栓的选择（GB9115.5-88）
连接件
上封头
下封头
加热蒸汽
入口管
汽凝冷水管
汁汽管
外循环管
入汁管
公称直径
φ3000
φ2400
φ600
φ100
φ800
φ300
φ125
所选法兰
Dg3000
Dg2400
Dg600
Dg100
Dg800
Dg300
Dg125
螺栓
M39
×24
M39
×24
M24
×20
M16
×4
M27
×24
M20
×12
M27
×8
螺母
M39
×24
M39
×24
M24
×20
M16
×4
M27
×24
M20
×12
M27
×8
鉴于影响连接件的密封性的主要因素为垫片，一般垫片选用耐油橡胶石棉网，厚度为δ＝２mm。
3.10画图及说明
采用CAD画图，四效并流外循环式蒸发流程简介：
四效并流外循环式蒸发装置的流程图如附图所示，原料液由贮液槽经离心泵打入清汁加热器交换器1，在加热使料液温度接近达到80℃，然后进入蒸发装置的第一效2。
生蒸汽通入第一效，在第一效中生成的二次蒸汽经过抽取一定量的汁汽后，送到第二效作加热蒸汽用。
第一效中被浓缩的溶液也进入第二效。
依此类推，第二，三效也进行抽汁汽，在进入下一效作为加热蒸汽。
用真空泵9排除不凝性气体，维持蒸汽冷凝器8为负压。
各效间的压强降，使溶液和二次蒸汽能自动流到下一效。
蒸汽冷凝器中冷却水和冷凝液的混合物从气压管排出，具体参见附录2。
蒸发器全部结构和部件均采用实际尺寸标注，装配图按照标准外循环式TWX-550的技术参数进行作图，具体见附录2。
第四章设计结果讨论
4.1设计的评价
4.1.1检查外循环蒸发器的四个约束：
（1）总温差糖渣汁是具有一定的热敏性物料，最大允许温差为50℃，现为△T=7.54+8.78+7.73+7.36=31.41℃，且每效的温度差均大于7℃，能保证较高的传热效率，符合要求。
（2）加热蒸汽经济性，大于1，说明经济性比较好。
（3）热流率最大热流率q=Q/A=16201×2247.31×1000/（3600×500）=20400W/（m2.S）,其数值小于21500W/（m2.S），符合要求。
（4）压强降现计算的压强降△P=34.5kPa,对于常压蒸发系统来说不大，符合要求。
4.1.2对设计的总体评述
经过多次的校核，证明该蒸发器性能不错，蒸发效率高达93%，气液接触面积大，传热面积利用充分。
原设计计算面积为450m2，取1.11的安全系数，初步定为500m2，
经参考《糖厂技术准备第三册》后，选择型号为TWX-550的标准外循环式蒸发器，并且经过校核，各项技术指标均能达到设计的要求，所以设计有很大的操作弹性。
但是，由于设计面积为500m2，选择TWX-550的蒸发器有一定的浪费性，即投资比较大。
采用四效并流外循环式蒸发流程是比较合理的，装置的操作简便，工艺条件稳定，设备维修工作少。
此蒸发流程可以说比较优良。
4.2设计总结
本次蒸发器设计过程中，我运用所学知识，并查阅大量各种资料文献，联系化工生产的实际，完成化工单元操作为主的化工设计实践。
经过这一实践，我掌握了化工单元操作设计的基本程序和方法，提高了科学计算、工程计算以及熟悉查阅资料及国家技术标准的能力；培养了我工程概念，自主实践，实事求是的科学态度和正确的经济观点；使我运用综合知识，独立解决问题的能力得到很大提高，为下一步毕业设计做了一定的基础。
本设计是在周老师、龙老师的指导下完成的，在此，向两位老师表示忠心的感谢。
由于设计者本人的能力有限，设计不可避免存在不足之处，希望老师们的批评指正。
参考文献
[1]陈维钧、许斯欣等．糖制汁加热与蒸发．中国轻工业出版社．2001．
[2]《甘蔗糖厂设计手册》编写组．甘蔗糖厂设计手册上册.轻工业出版社．1982-08
[3]李功样、陈兰英、崔英德．常用化工单元设备设计．华南理工大学．2003-04
[4]陈英南、刘玉兰．常用化工单元设备的设计．华南理工大学出版社．2005-04
[5]陈敏恒、丛德滋、方图南、齐鸣斋．化工原理上册．化学工业出版社．1999
[6]华南工学院等合编．糖厂技术准备第三册.轻工业出版社．1986
[7]李凯等．制糖工业试验．广西大学轻工与食品工程学院．2003
[8]《化工设备设计全书》编辑委员会．换热器设计．上海科学技术出版社
[9]顾芳珍、陈国桓．化工设备基础．天津大学出版社。
1994-08
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