处理量为15000kg.h的CaCl2水溶液四效蒸发装置设计.doc

天津科技大学2011届本科生毕业设计
第一章 绪论

第一节 课题背景与物料简介
一、课题背景
CaCl2是一种用途极广的无机化工原料，广泛地用于生产多种用途的干燥剂、致冷剂、食物防腐剂、制造钙盐及某些染料的原料[3]。它主要应用于玻璃制造、电视显像管、食品添加剂等方面，还用于日用化工、陶瓷、化工脱水液、建筑行业早强剂、生产涂料的凝固剂、橡胶行业乳胶凝结剂、微生物工业和化学工业，如化工原料、脱除剂和用作单倍体育种的培养基。此外，还用作织物的防火剂、海港的消雾剂和路面的集尘剂等。在水处理、公路除雪、制冷冷藏等方面，CaCl2也有广泛的用途。
在CaCl2溶液蒸发装置系统中，形成了由水蒸汽、氯化钙溶液、晶体和惰性固体颗粒所组成的多相流工质，其中CaCl2有去除磷的作用。该蒸发装置解决了装置中的结垢问题，避免了由于结垢严重而频繁停车清洗造成的损失，提高了生产效率；具有高的传热效率，结构紧凑，容易安装与维修等优点。该系统运行稳定，实现了节能、节水、环保、降耗、增产的目的，具有明显的经济效益、社会效益和环境效益。
二、物料简介
1. CaCl2的性质
CaCl2白色晶体或块状物，无毒、无臭、味微苦，不规则颗粒或粉末状，熔点782℃，沸点1600℃，密度2.15g/cm3(25℃)。它在水中的溶解度很大，能形成含结晶水化合物。CaCl2吸湿性极强，暴露于空气中极易潮解；能溶于醇、丙酮和醋酸；易溶于水，同时放出大量的热，其水溶液呈微酸性，有弱腐蚀性。
2. CaCl2的用途
CaCl2是一种用途极广的无机化工产品，广泛地用于生产多种用途的干燥剂、致冷剂、食物防腐剂、制造钙盐及某些染料的原料[3]。它主要应用于玻璃制造、电视显像管、食品添加剂等方面。
CaCl2溶液是致冷工业中重要的冷冻剂。在使用过程中，会因吸收空气中的水分而使其浓度降低，通过蒸发吸热，与外界空气进行热交换，以达到制冷效果。氯化钙水溶液对设备有腐蚀性，使用时应该注意。
CaCl2是工业和实验室常用干燥剂，如用于氮气、氧气、氢气、氯化氢、二氧化硫等气体的干燥，但不能用来干燥乙醇和氨；是生产醇、酯、醚和丙烯酸树脂时用作脱水剂。在无机工业中被用作制造金属钙、氯化钡、各种钙盐(如磷酸钙等)的原料。在建筑工业中被用作防冻剂，以加速混凝土硬化和增加建筑砂浆的耐寒能力。在微生物工业中被用作单倍体育种的培养基。此外，还用作织物的防火剂、海港的消雾剂、路面的集尘剂和食品的防腐剂等。

第二节 蒸发与流程概述
一、蒸发概述
蒸发装置广泛应用于化工、轻工、食品、医药、制冷、废水处理、海水淡化等工业领域，其目的是使溶液中的溶剂与溶质相互分离，其主要的几个方面：
1、浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再处理（如冷却结晶）制取固体产品，例如电解烧碱液的浓缩，食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等；
2、由于废水中含有高浓度盐分，通过蒸发浓缩，将废水中的物质变废为宝。例如管式降膜蒸发器主要用于废水浓缩，结晶蒸发器主要用于含盐废水的结晶；
3、制冷剂吸热蒸发，降低环境的温度，有利于食品、水果和新鲜质感的保存。在冷却空气蒸发器中，有空调用翅片蒸发器、冷冻冷藏用空气空气冷却器和排管蒸发器等。
4、同时浓缩溶液和回收溶剂，例如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯，中药生产中酒精浸出液的蒸发等；
5、为了获得纯净的溶剂，例如，海水淡化等。其中海水淡化是实现海水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水量；
6、蒸发器吸收室内空气中的热量，使制冷剂蒸发为气体，带走室内空气中的热量。同时将蒸发器周围流动的空气冷却产生冷凝水，达到除湿的目的。
蒸发操作实质上是在间壁两侧分别进行蒸发和溶液沸腾的传热过程，所以蒸发器也是一种传热器。然而和一般传热过程相比，蒸发操作又有以下特点：
1、蒸发物料是溶有不挥发溶质的溶液。由拉乌尔定律可知，在相同温度下，其蒸汽压较纯溶剂低，因而在相同压力下溶液的沸点比纯溶剂的沸点高，加上引起沸点升高的其他原因，当加热蒸汽温度一定时，蒸发溶液时的有效传热温差比纯溶剂时的小，溶液的浓度越大，这种影响也越显著。
2、蒸发汽化时溶剂量很大，需要消耗大量蒸汽，为有效利用能量，提高加热蒸汽经济性，可采用多效蒸发的方法。
3、蒸发物料常具有某些特性，如有些物料在浓缩时可能结垢或析出结晶，有些热敏性物料在高温下易分解变质，有些具有较高的粘度或较强的腐蚀性等等。应根据物料在特殊性和工艺要求选择适当的蒸发方法和设备。
蒸发的目的是为了使溶液中的溶剂汽化，故溶剂应具有挥发性而溶液中的溶质必须是不挥发的。由汽化产生的蒸汽在逸向空间后不予除去，则蒸汽与溶液之间将逐渐趋于平衡状态，是汽化不能继续进行，故进行蒸发的必备条件为热能的不断供给和生成蒸汽的不断的排除。
二、工艺流程概述
蒸发基本工艺流程示意图如下图1-2-1所示。
图1-2-1 工艺流程示意图

第三节 蒸发设备与选型
一、蒸发设备简介
蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。
蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离的分离器，使二次蒸气全部冷凝的冷凝器和使物料加热至沸点的预热器以及减压操作时还需真空装置。由于生产要求的不同，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，蒸发器可分为循环型(非膜型)和单程型(非循环型)两类。循环型蒸发器包括：中央循环管式蒸发器、悬筐式蒸发器、外热式蒸发器、强制循环型蒸发器、列文式蒸发器。单程型蒸发器包括：升膜式蒸发器、降膜式蒸发器、升-降膜式蒸发器、刮板式蒸发器等。
蒸发器按操作压力分常压、加压和减压3种。按溶液在蒸发器中的运动状况分有[8]：①循环型，沸腾溶液在加热室中多次通过加热表面，如中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式和强制循环式等；②单程型，沸腾溶液在加热室中一次通过加热表面，不作循环流动，即行排出浓缩液，如升膜式、降膜式、搅拌薄膜式和离心薄膜式等；③直接接触型，加热介质与溶液直接接触传热，如浸没燃烧式蒸发器。蒸发装置在操作过程中，要消耗大量加热蒸汽，为节省加热蒸汽，可采用多效蒸发装置和蒸汽再压缩蒸发器。
若对所产生的二次蒸汽不再利用，而是直接送往冷凝器被除去，则为单效蒸发；若把较高压力的蒸发器内所产生的二次蒸汽，送入另一压力较低的蒸发器中作为加热蒸汽，则成为两效蒸发，如此类推，把多个操作压力大小不同，并按顺序排列的蒸发器联接起来，可组成多效蒸发。故蒸发操作按蒸气的利用程度又有单效蒸发和多效蒸发之分[9]。
在单程型蒸发器中，物料沿加热管壁成膜状流动，一次通过加热器即达浓缩要求，其停留时间仅数秒或十几秒。另外，离开加热器的物料又得到及时冷却，因此特别适用于热敏性物料的蒸发。但由于溶液一次通过加热器就要达到浓缩要求，因此对设计和操作的要求较高。由于这类蒸发器的加热管上的物料成膜状流动，故又称膜式蒸发器。根据物料在蒸发器内的流动方向和成膜原因不同，它可分为下列几种类型:升膜式蒸发器、降膜式蒸发器和刮板式蒸发器。下面将详细讲述升膜式蒸发器的内容，其它略过。
图1-3-1 升膜式蒸发器
升膜式蒸发器如图1-3-1所示，它的加热室由一根或数根垂直长管组成。通常加热管径为25～50mm，管长与管径之比为100～150。原料液预热后由蒸发器底部进入加热器管内，加热蒸汽在管外冷凝。
当原料液受热后沸腾汽化，生成二次蒸汽在管内高速上升，带动料液沿管内壁成膜状向上流动，并不断地蒸发汽化，加速流动，气液混合物进入分离器后分离，浓缩后的完成液由分离器底部放出。
这种蒸发器需要精心设计与操作，即加热管内的二次蒸汽应具有较高速度，并获较高的传热系数，使料液一次通过加热管即达到预定的浓缩要求。通常，常压下，管上端出口处速度以保持20～50m/s为宜，减压操作时，速度可达100～160m/s。
升膜蒸发器适宜处理蒸发量较大，热敏性，粘度不大及易起沫的溶液，但不适于高粘度、有晶体析出和易结垢的溶液。
二、蒸发设备选型
1.选型时应考虑的因素
1、溶液的组成、处理量或生产能力、溶液的初始浓度和供液温度、完成液的终点浓度和产品要求；
2、处理量或生产能力、溶液的初始浓度和供液温度、完成液的终点浓度和产品要求、溶液的沸点升高，物料的热稳定性（变质的可能性，蒸发设备内停留时间的限制）；
3、溶液的发泡性、表面张力、液体粘度、有无气体生成、有无结晶析出等，生成垢的成分（硫酸钙、磷酸钙、硅等）；
4、可利用的热源（水蒸气、电力），有无必要设置锅炉等，可利用的冷却水温、水量、水质和一年内的温度变化；
5、溶液的pH值，涉及设备和衬里的材料，特别是防腐措施及修补方法等；此外，在选定蒸发器时还应考虑技术条件、现场条件（面积和高度）、投资限额、操作方式（间歇或连续）及操作费用等。
2.选型原则
1、对于不发泡溶液或蒸发过程中无结垢和结晶生成的溶液可选自然循环式蒸发器，如标准式、悬框式、水平管式或倾斜管式蒸发器。
2、对于粘度高的溶液，可选用强制循环蒸发器、升膜或强制循环升膜式蒸发器，或刮版式型蒸发器。
3、对浓缩过程中形成结晶的溶液，可选用标准型、强制循环型或盘管型蒸发器，也可选用刮板式。
4、对蒸发时易结垢的溶液，可选用标准型或强制循环型蒸发器。
5、对易发泡溶液，可选用升膜式或强制循环蒸发器，水平管式或自然循环式蒸发器也可使用。对易发泡溶液不宜采用真空蒸发。
6、对腐蚀性强的溶液，宜采用自然循环水平管式或标准式蒸发器。
7、对热敏性溶液，宜采用膜式蒸发器，而且宜采用真空蒸发。
8、在处理量大时，为了提高热经济性，减少蒸汽耗量，应采用多效蒸发或多级闪急蒸发器。
蒸发器的结构型式很多，实际选型时，除了要求结构简单、易于制造、金属消耗量小、维修方便、传热效果好等等外，首要的还是看它能否适应所蒸发物料的工艺特性，包括物料的粘性、热敏性、腐蚀性、结晶、结垢性等等，然后再全面综合地加以考虑。根据本设计的情况，从设计制造成本等方面考虑，本文设计的蒸发器选定为升膜式蒸发器，并流四效布置，具有占地少、能量损失小、结构合理的优点，蒸发效果满足生产要求。

第二章 工艺计算
工艺设计是本设计的关键，蒸发器的形式、大小、工作能力由这一步确定。

第一节 设计内容
一、设计题目
题目名称：处理量为15000kg/h的CaCl2水溶液四效蒸发装置设计
设备形式：并流布置，升膜式蒸发器
操作条件：
(1)原料液质量浓度6%，完成液质量浓度25%；原料液温度为30℃；原料
液比热容3.1KJ/(kg•℃)；
(2)加热蒸汽压强400kPa（绝压），冷凝器压强20kPa（绝压）；
(3)各效蒸发器总传热系数，从书上或手册中查取；
(4)各效蒸发器传热面积相等，加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出，热损失均按5%计，流动阻力引起的沸点升高为0.5～1.0℃；
(5)每年工作330天,每天工作24小时。

第二节 工艺计算
一、设计参数
在蒸发器设计的工艺计算中，已知参数是：原料夜的处理量、温度℃、浓度和比热容，末效完成夜的浓度，第一效加热蒸汽的压力，其饱和温度℃和汽化潜热，冷凝器的压力，其饱和温度℃和汽化潜热。
工艺计算需要设计的项目是：加热蒸汽消耗量，各效的蒸发量，各效的传热面积。
二、物料衡算
1.料液的总蒸发量
式(2-2-1)
其中，——原料液的处理量，；——总蒸发量，
——料液初始质量浓度；——料液完成质量浓度
总蒸发量
完成液总量
2.各效浓度的估算
由于此设计采用四效并流加料蒸发，而对于并流操作的多效蒸发有自蒸现象，所以各效的蒸发量可假设为：，则：
由得：
；
；
再由得知各效浓缩液的质量分数为：
其中，则计算的

三、热量衡算
1.各效的平均压力
若忽略各种温度差损失的影响，各效二次蒸汽压力可按经验方法估算，即认为蒸汽通过各效的压强降相等：
式(2-2-2)
式中 ——加热蒸汽的压力，；
——冷凝器中蒸汽压力，。
根据和，则各效间的平均压差为

由各效的平均压差可求出各效加热水蒸汽的平均压力，即
其中，则计算
；
由各效水蒸汽的平均压力，可从手册中可查得相应的水蒸汽的温度和汽化潜热等参数，见表2-2-1。
表2-2-1
效数
1
2
3
4
冷凝器
蒸汽压力pi，kPa
400
305
210
115
20
蒸汽温度Ti，℃
143.6
134.1
121.6
102.7
60.1
蒸汽的气化潜热ri，kJ/kg
2133.6
2162.2
2197.9
2249.2
2357.5
2.各效料液沸点和温差损失
各效中由于溶液蒸汽的压降、液柱静压及流动阻力所造成的温差损失、、均可按下述方法进行估算。
(1)流动阻力所造成的温差损失
在多效蒸发中，二次蒸汽由前效经管路送至下效作为加热蒸汽的压力稍有降低，温度也相应降低。的计算繁琐，一般取二次蒸汽温度下降为0.5～1.0℃。
故，=0.5℃，=0.7℃，=0.8℃，=1.0℃
因此,3.0℃。
由各效流动阻力所造成的温差损失，可得到相应各效二次蒸汽的温度，进而从手册中可查得相应的水蒸汽的压力和汽化潜热等参数，见表2-2-2。
表2-2-2
效数
1
2
3
4
冷凝器
加热蒸汽温度Ti，℃
143.6
134.1
121.6
102.7
60.1
流阻温差，℃
0.5
0.7
0.8
1
—
二次蒸汽压力pi′，kPa
312
215
117
21
—
二次蒸汽温度Ti′，℃
134.6
122.3
103.8
61.1
—
二次蒸汽的气化潜热ri′，kJ/kg
2145.9
2195.9
2246.5
2354.9
—
(2)液柱静压所造成的温差损失
由于蒸发器的加热管内积有一定高度的液层，所以其液层内截面上的压力高于液体表面压力，因此液层内溶液的沸点也高于液面的沸点，从而两者之间存在温差，即， 式(2-2-3)
式中 ——与平均压力相对应的水的沸点，℃，其中（为液层深度，取值为，为液体密度）；
——与二次蒸汽压力相对应的水的沸点，℃，其中为二次蒸汽压力。
由各效二次蒸汽的温度，可得到相应各效饱和液的密度和溶液平均压力，进而从手册中可查得相应溶液平均压力下水的沸点等参数，见表2-2-3。
表2-2-3
效数
1
2
3
4
二次蒸汽压力pi′，kPa
312
215
117
21
二次蒸汽温度Ti′，℃
134.6
122.3
103.8
61.1
饱和液密度ρ，kg/m3
930.8
941.3
955.9
982.6
平均压力pmi，kPa
340
243
145
50
平均温度tpmi，℃
137.6
126.0
108.9
81.3
静降压温差△ti″，℃
3
4
5
20
(3)溶液蒸汽压降所造成的温差损失
对于不挥发性溶液，由于溶质分子阻碍了溶剂的汽化，使溶剂蒸汽压下降，溶液沸点上升，并将大于二次蒸汽温度，则溶液蒸汽压降所造成的温差损失为
式(2-2-4)
式中 ——溶液的沸点，℃
——二次蒸汽的饱和温度，℃
的计算方法很多，常用的是杜林法则。当缺乏数据时，可用下式估算。
式(2-2-5)
根据各效料液质量浓度，由图（见附录1）查得
；；；
故，；
；
；
；
总温差损失
总有效温差
(4) 各效料液沸点
溶液的沸点与溶液的种类、浓度和压力有关。
式(2-2-6)
故，

各效物料沸点值见表2-2-4。
表2-2-4
效数
1
2
3
4
物料沸点ti，℃
138.9
128.0
111.4
86.5
各效有效温差，其中；
℃
℃
℃
℃
四、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，水的比热，计算中所需的参数见表2-2-5。
表2-2-5
效数
1
2
3
4
冷凝器
蒸汽压力pi，kPa
400
305
210
115
20
蒸汽温度Ti，℃
143.6
134.1
121.6
102.7
60.1
蒸汽的气化潜热ri，kJ/kg
2133.6
2162.2
2197.9
2249.2
2357.5
物料沸点ti，℃
138.9
128.0
111.4
86.5
—
压降温差△ti′，℃
1.3
1.7
2.6
5.4
—
静降压温差△ti″，℃
3
4
5
20
—
流阻温差，℃
0.5
0.7
0.8
1
—
二次蒸汽压力pi′，kPa
312
215
117
21
—
二次蒸汽温度Ti′，℃
134.6
122.3
103.8
61.1
—
二次蒸汽的气化潜热ri′，kJ/kg
2145.9
2195.9
2246.5
2354.9
—
第i效的蒸发量的计算式为
式(2-2-7)
式中：—第效加热蒸汽量，，当无额外蒸汽引出时，；
，—第效加热蒸汽，二次蒸汽的汽化潜热，，且；
，—分别为第效和第效物料的沸点；
—为第效的热利用系数，取，；
第一效的热量恒算式为：
因沸点进料，则，所以，
第二效的热量恒算式为：

第三效的热量恒算式为：

第四效的热衡算式为

又因 式(2-2-8)
联立式()～式()，可得
；
；

五、各效外加热蒸汽的传热量
1.理论加热蒸汽传热量
，其中 式(2-2-9)
； ；
； ；
2.实际加热蒸汽传热量
式(2-2-10)
； ；
； ；
六、蒸发器的传热面积
由蒸发器的传热方程可得， 式(2-2-11)
式中 ——蒸发器的热流量，；——蒸发器的传热面积，；
——蒸发器的平均传热温差，K；——蒸发器的传热系数，。
由上式可见，计算传热面积需要知道传热温差和传热系数。
(1)传热温差
在蒸发器中，管外为蒸汽冷凝，为蒸汽温度，其值恒定；管内为溶液沸腾，为溶液沸点，多为定值，可视为恒温差传热，故
式(2-2-12)
则各效有效温差：
℃； ℃；
℃； ℃；
(2)传热系数
蒸发器传热系数的计算是困难的。由于溶液在加热面上被气化浓缩，因而易于在壁面结晶或结垢，结垢热阻很快增大，并且污垢热阻随溶液的种类变化较大而难于估算。对不易结晶或结垢的溶液，因为溶液在有限空间内沸腾，其传热情况比大容积下的沸腾更为复杂。对于不同类型的蒸发器，其影响管内溶液沸腾侧的表面传热系数的因素和程度又有所不同。基于上述原因，蒸发器的传热系数仍主要是根据现场实测数据来选定。
故，选取各效的传热系数为：
；
；
(3)计算换热面积
因为，则
；；
；；
七、蒸发器的校核
为了蒸发器的制造、安装、库存和操作的方便，通常是各效的传热面积相等。
故用式来检验，若算出各效的传热面积不等的相对偏差大于规定值时，则应调整各效的有效温差，并且重算传热面积，直至使传热面积相等或相近为宜。
式(2-2-13)
式中 ——规定的传热面积间的相对偏差，取；
——算出各效传热面积中最小者，
——算出各效传热面积中最大者，
由于，为了蒸发器的制造、安装、库存和操作的方便，则应调整各效的有效温差，并且重算传热面积。
八、工艺重算
1.重算各效传热面积
式(2-2-14)

2.重新分配各效有效温差
设各效传热面积相等，从而重新分配各效有效温差。
第一效的有效温差

第二效的有效温差

第三效的有效温差

第四效的有效温差

3.重算各效料液质量浓度
由所求得的各效蒸发量，可求各效料液的质量浓度。
因为，其中，，各效物料的蒸发量值见表2-2-6。
表2-2-6
效数
1
2
3
4
蒸发量Wi，kg/h
2816.4
2886.5
2901.5
2795.5
则各效料液的质量浓度：
；
；
因末效完成液浓度和末效的二次蒸汽压力均不变，则各种温差损失可视为恒定，故末效溶液的沸点℃。
4.重算各效料液沸点和温差损失
(1)液柱静压及流动阻力而引起的温差损失
由于各效蒸发器的结构、外界环境不变以及暂且忽略各种因素的影响，所以可认为各效蒸发器内因液柱静压及流动阻力而引起的温差损失不变，即和不变。
(2)溶液蒸汽压降所造成的温差损失
溶液蒸汽压降所造成的温差损失，即。
的计算方法很多，常用的是杜林法则。当缺乏数据时，可用下式估算。
式(2-2-15)
根据各效料液质量浓度，由图（见附录1）查得
；；
故，；
；
；
(3) 各效料液沸点
溶液的沸点与溶液的种类、浓度和压力有关。
式(2-2-16)
各效物料的沸点和各效的有效温差参数见表2-2-7。
表2-2-7
效数
1
2
3
4
有效温差△i，℃
6.4
7.5
9.8
13.5
物料沸点ti，℃
137.2
125.0
108.7
86.5
5.重算加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量
原料液的比热，水的比热，重算过程中所需的参数见表2-2-8。
表2-2-8
效数
1
2
3
4
冷凝器
蒸汽压力pi，kPa
400
—
—
—
20
蒸汽温度Ti，℃
143.6
132.5
118.5
100.0
60.1
蒸汽的汽化潜热ri，kJ/kg
2133.6
2166.7
2206.5
2256.6
2357.5
物料沸点ti，℃
137.2
125.0
108.7
86.5
—
有效温差△i，℃
6.4
7.5
9.8
13.5
—
压降温差△i′，℃
1.2
1.8
2.9
5.4
—
静降压温差△i″，℃
3
4
5
20
—
流阻温差，℃
0.5
0.7
0.8
1.0
—
二次蒸汽压力pi′，kPa
1.6108
1.0897
0.6110
0.1361

二次蒸汽温度Ti′，℃
133.0
119.2
100.8
61.1
—
二次蒸汽的气化潜热ri′，kJ/kg
2165.2
2204.6
2254.5
2354.9
—
第一效的热量恒算式为：
因沸点进料，则。
故，
第二效的热量恒算式为：

第三效的热量恒算式为：

第四效的热量恒算式为：

又因
联立式()～式()，可得
；
；

与第一次计算结果比较，其相对误差为

6.重算各效外加热蒸汽的传热量
实际传热量，
，其中，；
；
；
7.重算蒸发器的传热面积
由蒸发器的传热方程可得， 式(2-2-17)
由上式可见，计算传热面积需要知道传热温差和传热系数。
(1)传热温差
由上述重新分配各效有效温差，所计算的各效物料有效温差值见表2-2-9。
表2-2-9
效数
1
2
3
4
有效温差△ti，℃
6.4
7.5
9.8
13.5
(2)计算换热面积
因为，故：
；
；
8.重新校核蒸发器的换热面积
为了蒸发器的制造、安装、库存和操作的方便，通常是各效的传热面积相等。
一般用式进行检验，直至使传热面积相等或相近为宜。
因为，迭代计算结果合理，故取传热面积为158.2，为安全计，取安全系数为1.1，则换热面积。
生蒸汽的经济程度，即生蒸汽可以蒸发水。
九、计算结果
工艺计算需要设计项目的结果见表2-2-10。
表2-2-10
效数
1
2
3
4
加热蒸汽消耗量Di，kg/h
2907.1
2807.4
2892.4
2904.6
物料蒸发量Wi，kg/h
2807.4
2892.4
2904.6
2795.6
传热面积Ai，m2
174
174
174
174

第三章 蒸发装置结构设计
蒸发器结构的设计包含了机械、化工、力学、制图等方面的知识，本设计采用的方法属于简化的工程做法。

第一节 蒸发器加热室设计
一、加热管的选择和管数的初步估计
(1)加热管尺寸的选择：直径为，长为的钢管；
(2)加热管数的初步估计：
(根) 式(3-1-1)
二、加热管的排列
由于蒸发器的壳程走的是饱和水蒸气，不易结构，故采用结构紧凑的正三角
形排列。又由于加热管中心矩宜不小于1.25倍的加热管外径，故常用的加热管中心矩，故取中心矩。
三、加热室内径、壁厚及加热管根数的确定
1. 确定加热室的内径和壁厚
加热室内径和加热管数采用作图法来确定，具体作法是：先计算管束中心线上管数，管子按正三角形排列时， 式(3-1-2)
故
估算加热室内径，即，其中，～。
故，～ 式(3-1-3)
～ 根据标准取整得，。
由筒体内径查取最小壁厚。
2. 壁厚的较核
壁厚的最小厚度计算公式： 式(3-1-4)
其中，——工作压力，取0.6MPa；——壳体直径，1100mm
——许用应力，111Mpa；—— 焊缝系数，取值为0.85
—— 腐蚀余量，3mm
，故壁厚合适且满足强度要求。
3. 加热管数目的确定
加热管在管板上的分布按照等边三角形排列，最接近筒体内壁的管子与内壁的距离大于等于10+d/2的原则排列管子，管子均匀对称，见管板布置图3-1-1。
图3-1-1 管板布置图

依据筒体内径，考虑到物料结垢，蒸汽流量不稳定等元素影响有效传热面积。综合考虑，故取加热管根数为223根，则蒸发器的换热面积。
由得，换热面积。
四、管板与筒体法兰设计
1.管板设计
管板是蒸发器装置的一个重要元件，它除了与管子和壳体等连接外，还是一个主要的受压元件。对管板的设计，除满足强度要求外，还应合理的考虑其结构设计。根据DN=1100mm，P=0.6Mpa，选择整体管板兼作法兰，结构如图3-1-2。
图3-1-2 整体管板

查文献[1]和[2]得：
表3-1-1 整体管板尺寸
DN
D
D1
D3
D4
螺柱规格
1100
1230
1190
1097
1138
M20
D5
C
d
bf
b
螺柱数量
1100
16.5
23
44
50
44
查文献[12]，得管板管孔直径及允许偏差为。
2.管箱法兰设计
管箱法兰是蒸发装置中的一个重要元件，与壳体和封头等连接。对管箱法兰的设计，不仅要满足强度要求，还应合理的考虑其结构设计。根据DN=1100mm，P=0.6Mpa，查文献[15]，选择乙型平焊法兰，结构如图3-1-3。
图3-1-3 筒体法兰

查文献[15]得：
表3-1-2 筒体法兰尺寸
DN
D
D1
D2
D3
δ
螺栓孔d
螺栓规格
螺栓数量
1100
1230
1190
1155
1141
55
23
M20
44
五、折流板设计
为了提高壳程流体的流速，增加湍流程度，并使壳程流体垂直冲刷管束，以改善传热，增大壳程流体的传热系数，同时减少结垢。
折流板采用单弓形折流板如图3-1-4，折流板缺口弦高，折流板间距，折流板厚度取。
图3-1-4 单弓形折流板

折流板板数块，故取折流板数=5块。
那么离管板最近的折流板距离。
查文献[1]和[2]得，折流板管孔直径及允许偏差为。
六、拉杆、定距管设计
折流板一般采用拉杆与定距管等元件与管板固定，采用拉杆定距管形式。
图3-1-5 拉杆

查文献[4]表45得：
表3-1-3 拉杆尺寸
拉杆直径d，mm
拉杆数量n
La，mm
Lb，mm
b，mm
16
6
20
60
2.0

第二节 蒸发器接管设计
蒸发器有如下主要接管：物料的进出接管、冷凝水出口接管、加热蒸汽进口与二次蒸汽出口的接管和不凝气体接管。
流体进出口接管的内径按下式计算：
式(3-1-5)
式中 ——溶液的质量流量，；——溶液的密度，；
——溶液流速，； ——溶液接管内径，；
一、物料进口接管
对于并流加料的四效蒸发，第一效溶液的流量最大，若各效设备采用统一尺寸，应根据第一效溶液流量来确定接管。溶液的适宜流速按强制流动考虑。
第一效进口溶液参数见表。
表3-2-1

溶液的质量流量，kg/h
溶液流速，m/s
溶液的密度，kg/m3
第一效进口溶液参数
15000
1.0
1000
故物料进口接管的内径：
式(3-1-6)
为了方便起见，物料进口接管可取统一管径。查文献[12]得：
进料进口接管外径为108mm，公称通径为100mm，壁厚为4mm。
物料进口管内流速的核算：
管内流速 式(3-1-7)
物料进口接管内流速在范围之列，符合要求。
二、冷凝水出口接管
冷凝水的排出一般属于自然流动（有泵抽出的情况除外），接管直径应由各效加热蒸汽消耗量较大者确定，故取加热蒸汽消耗量。
第一效进口溶液参数见表。
表3-2-2

溶液的质量流量，kg/h
溶液流速，m/s
溶液的密度，kg/m3
最大加热蒸汽消耗量对应冷凝水参数
2907.1
1.0
998
故冷凝水出口接管的内径：
式(3-1-8)
为了方便起见，冷凝水出口接管可取统一管径。查文献[12]表1-2-2，得：
冷凝水出口管外径为45mm，公称通径为40mm，壁厚为2.5mm。
冷凝水管内流速的核算：
管内流速 式(3-1-9)
冷凝水管内流速在范围之列，符合要求。
三、加热蒸汽进口与二次蒸汽出口的接管
若各效结构尺寸一致，则二次蒸气体积流量应取各效中最大者。一般情况下，末效体积流量最大，故取二次蒸气蒸发量。
第一效进口溶液参数见表。
表3-2-3

溶液的质量流量，kg/h
溶液流速，m/s
溶液的密度，kg/m3
末效二次蒸气参数
2795.6
50
0.1361
故加热蒸汽进口与二次蒸汽出口的接管内径：
式(3-1-10)
为了方便起见，进出口可取统一管径。查文献[12]表1-2-2，得：
加热蒸汽进口与二次蒸汽出口的接管外径为426mm，公称通径为400mm，壁厚为13mm。
加热蒸汽进口与二次蒸汽出口的接管内流速的核算：
管内流速 式(3-1-11)
蒸汽接管流速在范围之列，符合要求。
四、物料出口接管
若各效结构尺寸一致，则物料体积流量应取各效中最大者。一般情况下，末效体积流量最大，故取二次蒸气蒸发量。
第一效进口溶液参数见表。
表3-2-4

溶液的质量流量，kg/h
溶液流速，m/s
溶液的密度，kg/m3
末效二次蒸气参数
2795.6
50
0.1361
故加热蒸汽进口与二次蒸汽出口的接管内径：
式(3-1-12)
为了方便起见，物料出口接管可取统一管径。查文献[12]表1-2-2，得：
物料出口接管外径为426mm，公称通径为400mm，壁厚为13mm。
物料出口接管内流速的核算：
管内流速 式(3-1-13)
物料出口接管流速在范围之列，符合要求。
五、不凝气体出口接管
若各效结构尺寸一致，则不凝气体体积流量应取各效中最大者。为了方便起
见，不凝气体出口接管可取统一管径，可取参数与冷凝水出口接管一致。
查文献[12]得：不凝气体出口接管外径为45mm，公称通径为40mm，壁厚为2.5mm。
六、防冲挡板的确定
为了防止壳程蒸汽进口处流体对加热管表面的直接冲刷，而引起侵蚀及震　　动，以保护换热管，设计防冲挡板，结构如图3-2-1。
图3-2-1 防冲挡板

防冲板外表面到壳体内壁的距离，防冲板直径，防冲板厚度取，厚度取，采用Q235B-B材料，防冲板固定形式为防冲板焊接在圆筒上。
七、蒸发器接管法兰的确定
蒸发器接管法兰选用凸面管法兰。
图3-2-2 接管法兰

查文献[2]得
表3-2-5 接管法兰尺寸
接管
DN
D
d
K
螺纹Th
L
n
C
进料口
100
210
148
170
M16
18
4
18
出料口
400
540
465
495
M20
22
16
28
二次蒸汽进口
400
540
465
495
M20
22
16
28
蒸汽进口
400
540
465
495
M20
22
16
28
冷凝液出口
40
130
80
100
M12
14
4
16
不凝气体出口
40
130
80
100
M12
14
4
16
八、蒸发器接管伸出长度的确定
蒸发器接管伸出长度按下式计算：
式(3-1-14)
式中 ——接管伸出长度，； ——保温层厚度，；
——接管法兰厚度，； ——接管法兰的螺母厚度，；
蒸发器接管中各参数见表。
表3-2-6 接管各参数

进料接管伸出长度
出料接管伸出长度
进蒸汽接管伸出长度
二次蒸汽接管伸出长度
冷凝液接管伸出长度
不凝气接管伸出长度
接管法兰厚度h
18
24
24
24
16
16
接管法兰的螺母厚度h1
30
30
30
30
30
30
保温层厚度δ
30
30
30
30
30
30
伸出长度余量
15
15
15
15
15
15
(1)进料接管伸出长度确定
，故取
(2)出料口接管伸出长度确定