【正文】 第i效的熱量恒算：則 第i效預(yù)熱器的蒸汽消耗量：由海水物性數(shù)據(jù)表查的各效預(yù)熱器內(nèi)的海水比熱值，代入數(shù)據(jù)得到各效預(yù)熱器的蒸汽消耗量： 估算蒸發(fā)器傳熱面積℃則℃則℃則計算誤差： 平均傳熱面積： 計算結(jié)果數(shù)據(jù)表 第i效參數(shù) 1 2 3 ti（℃）Pi（KPa）809Xi（%）Ei（kg/h）410368333（℃）（℃）Di(kg/h)Gi(kg/h)Wi(kg/h). 本章小結(jié)本章通過對秦皇島地區(qū)海水淡化數(shù)據(jù)的收集，依據(jù)多效蒸發(fā)計算的理論對該地區(qū)所需多效蒸發(fā)太陽能設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行了計算。第3章 蒸發(fā)流程的設(shè)計第3章 蒸發(fā)流程的設(shè)計 蒸發(fā)流程概述蒸發(fā)是化工、輕工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)中常用的一種單元操作，其目的主要是獲得濃縮的溶液，有時也為得到純凈的溶劑。為充分利用熱能，生產(chǎn)上普遍采用多效蒸發(fā)。蒸發(fā)裝置的設(shè)計任務(wù)是：確定蒸發(fā)操作條件；蒸發(fā)器的形式及蒸發(fā)流程；進(jìn)行工藝計算；確定蒸發(fā)器的傳熱面積及結(jié)構(gòu)尺寸以及強(qiáng)度計算；附屬設(shè)備選型；最后用流程圖、設(shè)備圖和設(shè)計書表達(dá)設(shè)計者的設(shè)計思想和全部設(shè)計內(nèi)容。一項好的蒸發(fā)裝置設(shè)計，除了必須要滿足工藝要求以外，還要合理利用熱能，降低蒸發(fā)過程的能耗，以便提高蒸汽利用的經(jīng)濟(jì)性。為了減少設(shè)備投資費及操作費用，提高設(shè)備生產(chǎn)能力，為此選擇一個合理的流程、設(shè)備形式及操作條件甚為重要。 蒸發(fā)裝置的設(shè)計 蒸發(fā)器的形式工業(yè)上為了適應(yīng)各種不同的需要，發(fā)展了多種形式的蒸發(fā)器。蒸發(fā)器是蒸發(fā)的主要設(shè)備，它主要由加熱室和蒸發(fā)室組成。它的作用是使進(jìn)入蒸發(fā)器的原料液被加熱，部分汽化，得到濃縮的完成液，同時需要排出二次蒸汽，并使之與所夾帶的液滴和霧沫相分離。蒸發(fā)的輔助設(shè)備包括：使液沫進(jìn)一步分離的除沫器和使二次蒸汽全部冷凝的冷凝器。減壓操作時還需要真空裝置。由于生產(chǎn)要求的不同，蒸發(fā)設(shè)備有多種不同的結(jié)構(gòu)形式。對常用的間壁傳熱式蒸發(fā)器，按溶液在蒸發(fā)器中的運(yùn)動情況，大致可分為以下兩大類：（1） 循環(huán)型蒸發(fā)器 特點：溶液在蒸發(fā)器中循環(huán)流動，蒸發(fā)器內(nèi)溶液濃度基本相同，接近于完成液的濃度，操作穩(wěn)定。 此類蒸發(fā)器主要有；1. 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器 2.. 懸筐式蒸發(fā)器 4. 列文式蒸發(fā)器 5. 強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器（2） 單程式蒸發(fā)器特點：溶液以液膜的形式一次通過加熱器，不進(jìn)行循環(huán)。優(yōu)點：溶停留時間短，故特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)，溫度差損失較小，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。缺點：設(shè)計和操作不當(dāng)時溶液不易成膜，熱流量將明顯下降，不適用于易結(jié)晶、結(jié)垢物料的蒸發(fā)。此類蒸發(fā)器主要有：1. 降膜式蒸發(fā)器 2.. 升膜式蒸發(fā)器 3. 刮板式蒸發(fā)器 4. 升—降膜式蒸發(fā)器這些蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)不同，性能各異，均有各自的特點和適用場合。我們本著選用最佳蒸發(fā)器的原則選應(yīng)用較為普遍的降膜式蒸發(fā)器。降膜式蒸發(fā)器如圖 3—1所示，其工作原理是：原料液由加熱室頂部加入，經(jīng)分離分布后，沿管壁呈膜狀向下流動，汽液混合物由加熱管底部排出進(jìn)入分離室，完成液由分離室底部排出。設(shè)計和操作降膜式蒸發(fā)器的要點是使料液在加熱管內(nèi)壁形成均勻液膜，并且不能讓二次蒸汽由管上竄出。常用的分布器形式如圖3—2所示。 圖3—2 降膜式蒸發(fā)器的液體分布裝置圖3—2中左邊所示的分布器是用一根有螺旋形溝槽的導(dǎo)流柱使液體均勻分布到內(nèi)管壁上；中間所示的分布器是利用導(dǎo)流桿均勻分布液體，導(dǎo)流桿下部設(shè)計成圓錐形，且底部向內(nèi)凹，以免使錐體斜面下流的液體再向中央聚集；右邊所示的分布器是使液體通過齒縫分布到加熱器內(nèi)壁成膜狀下流。降膜式蒸發(fā)器大多數(shù)情況下被用于蒸發(fā)粘度較大、濃度較高的溶液，但不適用于處理易結(jié)晶和易結(jié)垢的溶液，這是因為這種溶液形成均勻液膜比較困難，傳熱系數(shù)不高。所以對于本設(shè)計而言，海水的預(yù)處理是必須的，這樣可以減少設(shè)備內(nèi)結(jié)垢，提高設(shè)備壽命。 多效蒸發(fā)的效數(shù)和流程 效數(shù)的確定在實際工業(yè)生產(chǎn)中，大多采用多效蒸發(fā)，其目的是為了降低蒸汽的消耗量，從而提高蒸發(fā)裝置的經(jīng)濟(jì)性。表3—2為不同蒸發(fā)裝置的蒸汽消耗量，其中實際消耗量包括蒸發(fā)裝置的各項熱損失。效數(shù) 理論蒸汽消耗量 實際蒸汽消耗量蒸發(fā)1kg水所需的蒸汽量1kg蒸汽所能蒸發(fā)的水量蒸發(fā)1kg水所需的蒸汽量1kg蒸汽所能蒸發(fā)的水量裝置再增加一效所能節(jié)約的蒸汽量 1 1 93 2 2 30 3 3 25 4 4 10 5 5 7 表3—2 不同效數(shù)蒸發(fā)裝置的蒸汽消耗量由表3—2中數(shù)據(jù)可以看到，隨著效數(shù)的增加，單位蒸汽的消耗量會減小，但是有效溫度差也會減小，使設(shè)備投資費用增大。因此，必須選擇合理的蒸發(fā)效數(shù)，使操作費和設(shè)備費之和最少。具體而言，在多效蒸發(fā)中隨效數(shù)的增加，總蒸發(fā)量相同時所消耗的蒸汽量在減小，使操作費用下降。但效數(shù)越多，設(shè)備的固定投資越大，設(shè)備的折舊費就越高，而且隨效數(shù)的增加，所節(jié)約的蒸餾越來越少。如從一效改為二效時，蒸汽節(jié)約93%，但從四效改為五效，僅節(jié)約10%。最合適的效數(shù)是使操作費和設(shè)備費的總和最小。在技術(shù)上，蒸發(fā)器裝置的效數(shù)過多，蒸發(fā)器操作將不能順利的進(jìn)行。在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，蒸汽的壓力和冷凝器的壓力都有一定的限制。因此，在一定的操作條件下，蒸發(fā)器的理論總溫差為一定值。當(dāng)效數(shù)增加時，由于各效溫差損失總和的增加，使總有效溫差減小，分配到各效的有效的溫差有可能小至無法保證各效料液的正常沸騰，蒸發(fā)操作將難于進(jìn)行。所以，綜上考慮，由日產(chǎn)淡水30噸確定選用三效蒸發(fā)較為合適。 多效蒸發(fā)流程的選擇多效蒸發(fā)操作蒸汽和物料的流向有多種組合，根據(jù)加熱蒸汽和料液流向的不同，多效蒸發(fā)的操作流程可分為以下幾類；并流：料液與加熱蒸汽的流向相同逆流：料液流動方向和加熱蒸汽的流向相反平流：每一效都單獨平行加入料液錯流：料液與加熱蒸汽在有些效間并流，在有些效間逆流根據(jù)題目的工藝參數(shù)要求，我們選用并流蒸發(fā)流程。這種流程有如下優(yōu)點：1. 由于各效的真空度依次增大，故料液在各效之間的輸送不必用泵，而是靠兩相鄰效之間的壓差自然流動； 2. 由于各效溫度依次降低，故料液從前一效流經(jīng)下一效時發(fā)生過熱現(xiàn)象（閃蒸）； 3. 對于濃度大、粘度大的物料而言，后幾效的傳熱系數(shù)比較低，由于濃度大，沸點高，各效不容易維持較大的溫度差，不利于傳熱。但是對于海水淡化而言，濃度變化的影響很小。 蒸發(fā)的輔助設(shè)備（1）蒸汽冷凝器 蒸汽冷凝器的作用是使二次蒸汽冷凝成水排出。冷凝器有間壁式冷凝器和接觸式冷凝器兩種。間壁式冷凝器可采用列管式換熱器?；旌鲜嚼淠髟谡舭l(fā)過程中應(yīng)用最為廣泛。（2）除沫器在蒸發(fā)器的分離室中二次蒸汽與液體分離后，其中還會夾帶著液滴，需要進(jìn)一步的分離以防有用產(chǎn)品的損失或冷凝液被污染，因此在蒸發(fā)器的頂部設(shè)置設(shè)置除沫器。二次蒸汽經(jīng)除沫器后從蒸發(fā)器引出，也可在蒸發(fā)器外設(shè)置專門的除沫器 降膜式蒸發(fā)器的設(shè)計降膜蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸：1. 加熱室、分離室的高度2. 加熱室、分離室的直徑3. 加熱管的規(guī)格和長度4. 加熱管在管板上的排列方式 加熱管的選擇和管數(shù)的計算蒸發(fā)器的加熱管通常選用235等幾種規(guī)格的無縫鋼管，～2m。加熱管長度的選擇根據(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來考慮，易結(jié)垢和易起泡溶液的蒸發(fā)易選用短管。根據(jù)設(shè)計任務(wù)和溶液性質(zhì)，對加熱管的選型：根據(jù)經(jīng)驗選取：57，長度L=。計算所需的管子數(shù)：n=S/d0()其中： S——蒸發(fā)器的傳熱面積，m2 d0——加熱管外徑，m L——加熱管長度，m則： n =()=(根)圓整到 n =110 計算加熱室的直徑和壁厚加熱室的內(nèi)徑取決于加熱管的規(guī)格、數(shù)目和排列方式。加熱管在管板上的排列方式選用三角形排列。加熱管外d0（mm）19 2538 57管心距（mm） 25 32 48 70表3—3 不同直徑加熱管對應(yīng)的管心距管心距 t 是相鄰兩個中心線之間的距離，t —，目前在換熱器設(shè)計中，管心距的數(shù)據(jù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，只要管子規(guī)格確定，相應(yīng)的管心距就是定值。由表中可以查得，我們選用的管子管心距是： t =70mm管子按照正三角形排列時，計算管束中心線上管數(shù)ne 可用下面的公式： ne = = =（根）圓整為： ne = 12（根）計算加熱室內(nèi)徑： D1 = t (ne 1) +2 b′其中： D1——加熱室內(nèi)徑，mm則： D1 = 70（12 1）+257 =941mm加熱室的內(nèi)徑是941mm，可取壁厚12mm 計算分離室的直徑和高度分離室的直徑和高度取決于分離室的體積，同時，分離室的體積又與二次蒸汽的體積流量和蒸汽體積流量和蒸汽體積強(qiáng)度有關(guān)。 V = W/3600U 其中： V——分離室的體積，m3. W——蒸發(fā)器的二次蒸汽量，kg/h ——蒸發(fā)器的二次蒸汽的密度，kg/ m3 U ——蒸發(fā)體積強(qiáng)度，m3/ (m3s) 。即每立方米分離室體積每秒所產(chǎn)生的二次蒸汽量?！?m3/ (m3s) 。 m3/ (m3s).各效蒸汽溫度不相同，對應(yīng)的密度也不相同，可取各效分離室的尺寸一致分離室體積宜取較大者。則 取確定高度和直徑的關(guān)系時考慮以下原則：（1） 分離室的高度和直徑之比H/D =1～，以保證足夠的霧沫分離高度。分離室的直徑也不能太小，否則二次蒸汽流速太大，會導(dǎo)致霧沫夾帶。（2） 在條件允許的情況下，分離室的直徑盡量與加熱室相同，這樣可以使結(jié)構(gòu)簡單、制造方便。（3） 高度和直徑都適合施工現(xiàn)場的安放?；谝陨显瓌t，在此我們可初步確定為： H/D =1那么： H = D = 計算接管尺寸計算流體進(jìn)出口接管的內(nèi)徑：d =其中：Vs——流體的體積流量，m3/s u——流體的適宜流速，m/s自然流動強(qiáng)制流動飽和蒸汽空氣及其他氣體 ～15 ～20 ～3015 ～20 表3—4 常見流體的適宜流速（m/s） u取 m/s Vs = =103 m/s d= =由于第一效料液的流量最大，若各效料液采用相同的尺寸，則可根據(jù)第一效的料液的流量來確定接管的尺寸。取標(biāo)準(zhǔn)管57二次蒸汽出口的接管：為統(tǒng)一結(jié)構(gòu)尺寸，二次蒸汽出口的接管尺寸應(yīng)以末效（體積流量最大）的出口尺寸作為標(biāo)準(zhǔn)： Vs = =飽和蒸汽流速u取 30m/s d= =取標(biāo)準(zhǔn)管53010mm 降膜式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu) 預(yù)熱器的設(shè)計與選用海水的流量為11110kg/h，設(shè)海水經(jīng)過每個預(yù)熱器之后溫度升高15℃. kJ/kg℃，初始溫度為25℃ 熱流量Q=WCp △t =1111015=105 KJ/h= W1== = KJ/hW2 === KJ/hW3 === KJ/h 平均傳熱溫差△tm1 ==℃△tm2 ==℃△tm3 ==℃ 初選換熱器規(guī)格根據(jù)兩流體的情況，K=400 W/(㎡℃)則：S1 = = =㎡S2 = = =㎡S3 = = =㎡為了保證各效的換熱效果，三個預(yù)熱器都采用統(tǒng)一的換熱面積（取換熱面積較大者）。根據(jù)換熱器選用標(biāo)準(zhǔn)選用如下規(guī)格換熱器：公稱直徑：D=400mm管程數(shù)：Np=2換熱管數(shù)量：n=102換熱管長：L=3000mm換熱面積：S0=㎡不銹鋼耐酸鋼管：25管程通道截面積：f=㎡ 其它結(jié)構(gòu)尺寸換熱管應(yīng)用三角形排列方式，中心距為32mm,中心排管數(shù)為9采用弓形折流板，圓缺率為25%，折流板間距為300mm,厚度為3mm拉桿定距桿的結(jié)構(gòu)：拉桿直徑為16mm,數(shù)量為4 結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度計算 壁厚的確定取設(shè)計溫度為100℃，Pc =選取16 MnR 鋼板為桶形材料，t =170 Mpa= = =設(shè)計厚度：=+ C2 =+2=對16 MnR 鋼板，鋼板負(fù)偏差C1 =,因此取=，通過查鋼板規(guī)格取得= 。檢查= 無變化，取6mm合適。 換熱器管箱及封頭厚度選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭管箱。橢圓封頭受力均勻，應(yīng)用廣泛。，顯然曲=。 進(jìn)出水管的設(shè)計查表選取殼程DN =125mm 取I=200mm 管程DN =100mm 取I=150mm接管與殼體，管箱殼體連接的結(jié)構(gòu)形式，采用插入式焊接結(jié)構(gòu)，且接管不得凸出于殼體的內(nèi)表面。 開孔補(bǔ)強(qiáng)的計算本接管外徑均大于89mm，需要進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)。本設(shè)計采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的形式，開孔的位置均在圓筒上。 a．管箱短節(jié)開孔補(bǔ)強(qiáng)及校核 b．開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積不