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=2.9 m前面已经计算求得各效面积A 取500m 2n= = =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=1.53 m2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)+2eD-----壳体直径，m；t------管间距，m；b-----沿直径方向排列的管子数目；,在此取 e-----外层管的中心到壳体内壁的距离，一般取e=(1.0～1.5)d1.5。

b =2a-1=2×19-1=37D=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-5502400φ42300054600140.250.104×100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外循环管直入汁直径设备质量/t负荷质量试水质量/t直径/ mm 有效高度/ mm汽汁管直径最大工作压力 /MPa内压外压/ mm量径/mm/ mm/t 300049008000.20.1惯性230012526.7534783.3 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t i（℃）101.488.3774.4255.32汁汽汽化潜热r i（kJ/kg）2254.82287.12317.52365.8效蒸汽密度（kg/m3）0.68870.40010.23650.1060= 16340（kg/h） =11093（kg/h）=3699（kg/h）＝2242（kg/h）蒸发体积强度一般允许值为1.1-1.5 m3/( m3.s),在此取Ui=1.5m3/( m3.s)。

则各效的分离室体积如下：V 1= /3600ρ1U1=16340/(3600×0.68874×1.5)=4.39 m3V 2= /3600ρ2U2=11093/(3600×0.4001×1.5)=5.13 m3V 3= /3600ρ3U3=3699/(3600×0.2365×1.5)=2.90 m3V 4= /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=5.13 m3，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1685mmH=1.5D=1.5×1685=2527.5mm 计算结果与上表3-2-1,3-2-1相比,D=1685＜3000 H=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）1/23.4.1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)=0.01136 m3/s，则d=[(4×0.01136)/(3.1416×1.2)]1/2=0.11m，即取d=110 mm与上表3-2-1,3-2-1相比, d=110﹤125 mm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=30 m/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450～500 mm，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/mm4~810~18>203~910~18>20直边高度/mm254050254050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500mm3.8 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）汽凝冷水管汁汽管外循环管入汁管连接件上封头下封头加热蒸汽入口管公称直径φ3000φ2400φ600φ100φ800φ300φ125所选法兰Dg3000Dg2400Dg600Dg100Dg800Dg300Dg125螺栓M39M39M24M16M27M20M27×24×24×20×4×24×12×8螺母M39×24M39×24M24×20M16×4M27×24M20×12M27×8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。