塔板式混合冷凝器的工艺计算与结构设计.pdf

第 3 1 卷第 1 期 2 0 q 2 年 2月 发 酵 科 技 通 讯 塔板式混合冷凝器的工艺计算与结构设计 梅进 义(厦门侨星实业总公司味精厂3 6 1 0 1 2)在容器中形成真空的方法很多，味精的结晶 在真空容器结晶罐中进行。6 0 7 O年代味精生 产行业太都采用 w型机械真空泵抽真空系统装 置进行结晶味精生产，它可以形成较高的真空度，但水在低压下蒸发时，水蒸汽的比容很大，使用机 械真空泵抽真空结晶，抽气量很大，机械真空泵就 会非常庞大。随着味精生产 的发展，结 晶罐势必 扩大，w 型机械真空泵不能适应大生产 的需要。到 7 O年代末 8 0年代初改用具有抽真空、冷凝、排 水等三种有效能的水力喷射泵。由于它的结构简 单、安全、管理方便而在味精行业得到广泛应用，逐步替代了w 型机械真空泵。近几年来味精生 产规模越来越太，结晶罐向更大型的方向发展，有 的厂家 已制造 Z 0 m 3，2 5 m 3的结晶罐，这给配备水 力喷射泵和供水泵增加 了难度，投资及耗电量也 相当可观，同时该型号泵的喷咀很已磨损，夏天因 用水温度过高，真空度也不如人意。若以上二者能结合起来，取长补短，再作适当 的改进，即采用同样具有冷凝、排水，抽真空等三 种有效能的塔板式混合冷凝器替代水力喷射泵与 w型机械真空泵相串联的抽真空 系统装置，把结 晶罐顶部二次蒸汽在塔板式混合冷凝器内直接冷 凝成水被冷却水带走，少量二次蒸 汽和不凝结气 体再由 w型机械真空泵抽走。该装置系统由于 塔板式混凝器进水量可根据进水温度在 1 5 6 o)范围内调整，从而可保证春、夏、秋、冬 四季 结晶罐真空度的稳定，同时比单独安装机械真空 泵或水力喷射泵经济合理。下面对 1 2 m 3 结晶罐 需配备相应 的塔板式混合冷凝器的结构尺寸进行 较详细的工艺计算和结构设计。塔板式混合冷凝器一般均采用对流式，即冷 却水从上部供水管流人冷凝器，通过具有钴 L 的 塔板向下流动，蒸汽 由冷凝器底部进入向上与下 流的冷却水直接接触，进行热交换，绝大部分二次 蒸汽被冷却水冷凝成水随冷却水一起从下部排水 管排出，从而使器 内形成很高的真空度。一般混 合 式 冷 凝 器 的 冷 凝 操 作 真 空 度 为 0 0 8 0 0 8 6 MP a，冷却水不能直接排出，需将冷凝器安装 在 1 0 m高度 以上，才能 自流排水，放又称 大气 冷 凝器。它之优点，结构简单 容易制造，造价低廉，维修简便。1 2 m 3 结晶罐其底料投放量 6 ，浓缩 2 5 h料 液达饱和度，可投放晶种进行结 晶生产。在投加 晶种前料液量为 3 左右，蒸发掉 3 m 3 水，放每小 时蒸发量 G：3 x 1 0 13 0：1 2 0 0 k g h 3 1 冷却水消耗量计算 塔板式混凝器中需要的冷却水量，决定于被 冷凝蒸汽的放热量，冷却水的进水温度和排水温 度。冷却水排水温度等于冷凝器进 口处蒸 汽分压 相对应的温度减去最终温差(冷却水排水温 度与 冷凝温度间的温差称为最终温差)。最终温差可 取 1 2 5 。1 1 进口处蒸汽分压 的计算是假定进 口处 蒸汽 分压与混合气体总压的比值等于蒸汽的摩 尔数与 混合气体总摩尔数的比值。计算方法如下式。P m 一 式 中 蒸煎麈巫 混合气体 的总摩尔数 P 日 蒸汽的分压 M P a P 皿 混合气体的总压 M P a 取 P 皿=O 0 1 8 M P a ，(混凝器操作压力，即真 空度 O 0 8 2 M P a )设冷凝蒸汽量 G=1 2 0 0 k g h ，冷凝蒸 汽中 空气量 1 0 0 k g h 3。蒸汽分子量 l 8，空气分 子量 2 9。混合气体中蒸汽的摩尔数=6 6 6 7 混合气体中空气的摩尔数：1 0 0：34 5 混合 气体 中 的总 摩 尔数：6 6 6 7+3 4 5=7 O 1 2 由(1)式得 一39 维普资讯 发 酵 科 技 通 讯 第 3 l 卷=P m _o _ o =0 0 1 7 I M P a 以=0 0 1 7 M P a 查水蒸汽的物理性质表得 相应的温度 为 5 6。塔板式混凝器的排 水温度 一般 比 冷 凝 温 度 低 12 5，即 啡=5 5 5 3 5 ，取：5 4 1 2 塔板式混合冷凝器热负荷计算 冷凝状态参数 混凝器操作压力 P =O 0 1 8 M P a 冷凝温度 t o：5 6 进水温度 t 1=3 5 排水温度 t 2：5 4 冷凝蒸汽量 G=1 2 0 0 k g h 冷凝温度下(5 6)蒸汽的焙 I=6 2 1 4 1 8 6 k J k g J 冷凝温度下凝结水的焓-_ 5 6 4 1 8 6 k J 冷凝蒸汽的比容 v=9 2 m 3 k g 热负荷计算 蒸汽冷凝时放出的热量 Q=G(I i)=1 2 0 0(6 2 14 1 8 65 6 4 1 8 6)=2 8 3 8 1 0 8 k J h (2)1 3 塔板式混凝器用冷却水量的计算 面=3 6 m 3 h (3)2 塔板式温合冷凝器结构尺寸计算 混合冷凝器 的内径大小与被冷凝蒸汽量有 关，且与蒸汽速度和冷却水的分布以及水与水蒸 汽的接触有关。冷凝中蒸汽的速度，显然不应 高 于可将 下落水滴 向上带走 之速 度。在 真空条件 下，蒸汽的空塔速度可取 W=1 2 2 0 m s。2 1 混凝器直径计算 混凝器的自由截面积按下式计算 F：(4)4 3 6 0 0 W 1一 一 式中：混凝器的内径 m G 冷凝蒸汽量 G=1 2 0 0 k g h v 冷凝温度下(5 6 C)蒸汽 比容 V=9 2 m 3 k g w一蒸汽流速 取 W=1 3 m s 一般混凝器的生产能力比实际需要生产能力 多 5 o，故 一4O一 -1 5 G丽V 由(5)式整理得 D=(5)0 6 6 m ”(6)取 D=0 7【m 2 2 塔板尺寸的确定 设计塔板式混合冷凝器时要考虑大部分冷却 水通过塔板上的 J,g，其余部分的水则通过塔板 边缘溢流，为此，多孔塔板边缘须有一定高度。塔 板的宽度，主要应保证冷却水从一块塔板溢流到 另一块塔板上，而且在相 同的时间内通过蒸汽的 截面大致相等。因此，塔板的宽度一般取冷凝器 内半径加 5 0 m m，即 b：+5 o ：1(3 00 x0一7+5 0：4 0 0 m m 塔板上钻有很多小 L，小孔直径不宜太小，以 免阻塞，可取孔径 q,5 1 0 ra m，钻 L 交错排列成等 边三角形，夹角 6 o孔 距取决于 L 径和冷却水消 耗量，而水 消耗量一般在 1 56 0(G)的范围 内变 动。为此，根据 L 径 帖 和水量 w=3 6 m 3 h，选取 t =1 5 mm 图 1 塔 板 结构 简 图 塔板上需要的水头高度 h 按下式计算。=爱=-o-_ (6)式中：W 水通过小孔 的流速，一般 0 5 一 1 5 m s 维普资讯 第 1 期 梅进叉：塔板式混合夸凝嚣的工艺计算与结 构设计 取 W=0 9 m s 则筛板的边缘高度 I2 h 2=h 1 一h=O 0 40 0 2=O 0 2 m 式 中：溢流水头 m，取 h=O 0 2 m 详见图 1 2 3 混凝器高度的确定 混凝器 高度根据 塔板 的块数 和板 间距离 确 定，而塔板的块数又根据冷却水需要加热的温度 确定，一般为 6 7块，现取七块。塔板 阃距离也 不等，愈到上部板问距可愈小，这主要是根据二次 蒸汽在塔 内被上部下流的冷却水冷凝成水使其体 积随上升而减小 的缘故。因此，淋水塔 板的距离 亦可适 当地由下 而上地依 次减少 5 0 m m。其塔内 最低一块塔板的最小高度按下式计算=l o)幽=1 5 S E ru m1 0 0 0 D 1 0 0 0X0 7 叫 一 一 一 -(7)考虑 涡流 和摩擦 的产 生，取=2 0 0 m m 混凝器每块塔板问高度确定如下 不凝结气体 _、。一 L 。1 P L 。一 一。一 集 图 2 塔板式混合冷凝嚣 塔头取 L 0=5 0 0 mm =2 0 0 m ini =2 5 o 1 4=3 0 0 m m L 4=3 5 O m m L s：4 0 0 i,L 6=4 5 0 I ml j 塔尾取=7 0 0 r m,混合式塔板冷凝器高度 H，详见 图 2。H=L 0+=5 0 0+2 0 0+2 5 0+3 0 0+3 5 0+4 0 0+4 5 0+7 0 0=3 1 0 0 f i r l l i!3 冷却水被加热的情况 在混合式塔板冷凝器 中冷却水通过多孔板向 下流动与蒸汽直接接触，冷却水被加热。冷却水 与蒸汽的接触有水柱状 水膜状和水滴状，水滴状 最好，水膜状最差。现在，我们以冷却水通过每一 层塔板钻孔成水柱状时计算冷却水通过每一层塔 板之升温值。通常假定混合蒸汽在冷凝器 中的温 度不变。设塔顶进水温度 3 5 1 2，与下部塔底进汽 温度5 6 在塔内进行热交换，蒸汽热量 自表面渗 入水中的深度 按下式计算 1 n u n (8)式中：一冷却水加热的时间 s r=I-一冷却水下落高度 m 广重力加速度 g=9 8 1 珂 s 2 以t：代人(8)式经 整 理得 E 1：一 (9)1 i 面L“j t 9 通过每层塔板升温值按下式计算：呜 I _ (1 o)一 d 2 式中：r一 冷却水与蒸汽间温差 d 水柱直径 m md=5 i r ll i!冷却水通过每块塔板升温情况详细计算如下 冷却水通过第一块塔板的温升计算 7 2 h|1 x 0 2 ；1 ql g。6 9 4 0 6 9 4 0 5 4 m i l 1 t l ：O 8 6 t t q l (2d-0 4)：一4 一 维普资讯 发 酵 科 技 通 讯 第 3 1 卷 0 8 6(5 63 5)0 5 4 x(50 4 x0 5 4 (5)(=1 8 7 水柱温度 3 5+1 8 7=3 6 8 7(冷却水通过第二块塔板的温升计算 厂 广 而 厂丁 一 069 4 百 =O 5 7 n t 2 ：旦：0 8 6(5 6 3 6 8 7)0 5 7 x(50 4 x 0 5 7)(5)1 7 9 水柱温度为 3 6 8 7+i 7 9=3 8 6 6(冷却水通过第三块塔板的温升计算 4 匾 4 嘶f _ r 丽 丽 0 6 9 4 0 6(T m1 一：垒 堡!=一 b 一 巫 3 8 ：17 0 (5)一 水柱温度为 3 8 6 6+1 7 0=4 0 3 6(冷却水通过第四块塔板的温升计算 2 T 丽 一 1 i 丽 8 l 、丽 0 6 2(m m =：0 8 6(5 6 4 0 3 6)x0 6 2 x(5 0 4 x 0 6 2)(5)1 5 9 水柱温度为 4 0 3 6+1 5 9=4 1 9 5 冷却水通过第五块塔板的温升计算：瓣=0 6 4(ram 0 8 6 x ：垒 堡!=：2 d 2 0 6 4(50 40 6 4 冷却水通过第六块塔板的温升计算 2 L 6 厂 广 百 厂T一 面 0 6 9 4 0 6 6(r n m r 一0 8 6 Ate(d-0 4 q 6)一 一 d 2 0 8 6(5 6 4 3 4 2)x 0 6 6 x(5 0 4 0 6 6)(5)1 3 5 水柱温度为 4 3 4 2+1 3 5=4 4 7 7(冷却水通过第七块塔板的温升计算=湾：瓣 ir 1=0 7 3(n m a 一0 8 6 t T(d-0 4 r 0 )一 d 2 0 8 6 x(5 6 4 4 7 7)0 7 3 x(5 0 40 7 3)(5)一 1 3 3(水柱温度为 4 4 7 7+1 3 3=4 6 1 0 冷却水通过七块塔板的温升t=4 6 1 0 3 5=1 1 1 0 。上面所述，实 际上，在有多孔 塔 板冷凝器中不仅有大小不同的水柱，而且还有水 滴和水膜。因此，冷却水通过塔板的温升实际值 要比计算值高得多。冷却水的实际排出温度一般 较计算值约高出2 0 3 0，考虑 2 5 增加量，升 温即为At=1 1 i+1 1 1 2 5 =1 3 8 8。由此 可见，若进塔冷却水 3 5 12 由上向下流动与塔底上 升的 5 6 C 蒸汽直接接触进行热交换，经七块塔板 后塔底排水 温度为 3 5+l 3 8 8=4 8 8 8 L m 2 3 I 式中：v混凝器排水管 的体积 供水管端部至溢流面间的体积，一般按 3 6 m in 循环水量计算。维普资讯