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甘蔗糖厂50th四效真空蒸发系统的优化设计.rar

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    甘蔗 糖厂 50 th 真空 蒸发 系统 优化 设计
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    毕业设计(论文)题目 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计学 院 化学化工学院 专 业 过程装备与控制工程班 级 装控 091 班学 号 09043101042姓 名 黄新指导老师 郑小平二〇一三年五月二十七日广西大学本科毕业论文 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计摘 要在已知蔗汁锤度为 15%的情况下,设计一个处理量为 50t/h 的四效蒸发器,蔗汁经过处理后锤度为 60%。本设计选择中央循环管式蒸发器进行并行法沸点进料,根据已知的加热蒸汽压及末效的冷凝器气压,由各效之间蒸汽压降相等来估算各效的加热蒸汽压,再假设各效蒸发量相等可以计算出各效传热温差。算出各效传热系数及各效传热量后后便可求出各效传热面积。用蒸发器传热面积相等的方法重新分配传热温差,可求出各效液的沸点进而求出新的有效传热温差及各效传热量,最后可计算出传热面积。计算出传热面积后,便可选择蒸发器加热管型号及确定管数,加热管进行三角形排列。由管板大小可确定加热室内径,蒸发室内径及高度由二次蒸汽流量确定。蒸发室、加热室筒体厚度及封头厚度由蒸汽压大小进行设计,设计后并进行受压元件的强度计算与应力校核。接管尺寸及型号的选择由蒸汽压及蒸汽流量共同决定。蒸发器辅助设备主要有气液分离器、蒸汽冷凝器、支座等,本设计选择惯性式气液分离器、水喷射冷凝器、耳式支座。本设备严格按照 GB150-1998《钢制压力容器》进行制造、检验、验收。设备设计细节、工艺尺寸、安装尺寸等详见 CAD 图纸。关键词:蒸发量 温度损失 有效温差 传热系数 传热面积 工艺尺寸设计广西大学本科毕业论文 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计The system optimized design of the process load 50t/h some sugar refinery 4 effect vacuum evaporateAbstractIn sugarcane juice hammer known degrees for 15% of the cases ,Design a capacity of 50 t/h four effect evaporator, Sugarcane juice processed hammer degree is 60% .This design choice central loop tube evaporator boiling point incoming parallel method.According to the known at the end of the heating steam pressure and the effect of condenser pressure, By the effect between steam pressure drop equal to estimate the effect of the heating vapor pressure, Suppose each equal effect evaporation can calculate the heat transfer temperature difference. Calculate the heat transfer coefficient of the effect and the effect after heat transfer to calculate the heat transfer area. Use the method of the evaporator heat transfer area is equal to redistribute heat transfer temperature difference, To find out the effect of liquid boiling point and then take the new effective heat transfer temperature difference and heat transfer, Finally to calculate the heat transfer area. To calculate the heat transfer area ,you can choose the evaporator heating tube type and determine the number of tube, heating pipe for triangular arrangement .Tube plate size can be determined by the heating chamber size, evaporation chamber diameter and height can be determined by the secondary steam flow. The evaporation chamber ,heating chamber shell thickness and the head thickness were designed by steam pressure .After that we have to Calculation and stress check for pressurized components strength .Pipe size and type selection by the steam pressure and steam flow together determine. Evaporator auxiliary equipment mainly have spirit liquid separator, steam condenser, bearings, etc., this design choice of inertia type gas-liquid separator, water jet condenser, ear type bearing. This equipment was in strict accordance with the GB150-1998 “steel pressure vessel manufacturing, inspection and acceptance. Equipment design details, size, installation dimensions was shown in the CAD drawings, etc. Key words: evaporation The temperature loss Effective temperature difference Heat transfer coefficient Heat transfer area Design size 广西大学本科毕业论文 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计目 录前 言 ......................................................................1第一章 蒸发过程流程设计方案 .................................................21.1 加热蒸汽压强的确定 ...................................................21.2 冷凝器操作压强的确定 .................................................21.3 蒸发器的类型及其选择 .................................................21.4 进料状况的选择 .......................................................31.5 多效蒸发效数的确定 ...................................................31.6 多效蒸发流程的选择 ...................................................4第二章 蒸发过程的工艺计算 ...................................................62.1 各效蒸发量和完成液浓度的估算 .........................................62.2 估算各效二次蒸汽温度 Tn' .............................................72.3 计算各效传热温度差 ...................................................82.4 计算各效蒸发量和传热量 ..............................................102.5 蒸发器的传热面积 ....................................................122.6 温差的重新分配与试差计算 ............................................132.6.1 有效温度差的重新分配 ...........................................132.6.2 各效溶液的组成 .................................................142.6.3 各效溶液的沸点 .................................................142.6.4 求加热蒸汽用量及各效蒸发量 .....................................172.6.5 蒸发器的传热面积 ...............................................182.7 计算结果总表 ........................................................18第三章 蒸发器主要结构工艺尺寸的设计 ........................................213.1 加热管的选择和管束的初步估计 ........................................213.2 循环管直径的选择 ....................................................213.3 加热室直径的确定 ..................................................223.4 分离室直径与高度的确定 ..............................................223.5 封头设计计算 ........................................................243.6 接管尺寸的确定 ......................................................243.6.1 溶液进出口管 ...................................................243.6.2 加热蒸汽与二次蒸汽接管 .........................................243.6.3 冷凝水出口管 ...................................................253.6.4 不凝性气体排出管 ..............................................253.7 主要受压元件的强度校核 ..............................................263.7.1 筒体厚度的校核 .................................................263.7.2 封头强度校核 ...................................................28第四章 蒸发器辅助设备的设计 ................................................304.1 气液分离器 ..........................................................304.2 蒸汽冷凝器 ..........................................................314.3 支座设计 ............................................................32结 语 .....................................................................33参考文献 ...................................................................34广西大学本科毕业论文 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计附 件 .....................................................................35致 谢 .....................................................................59广西大学本科毕业论文 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计前 言国内外蔗糖厂蒸发器的改进目标,大致是趋向于节约能源、电能,提高效率、减小糖分转化损失、避免色值增加、节省投资,污垢少于易于清除等指标要求。从糖厂传统用的标准蒸发罐到长管升膜式蒸发罐、长管降膜式蒸发罐、到容器升膜板式蒸发罐、容器降膜板式蒸发罐,不断改进,进而不设计出一种塔式容器型降膜式蒸发器等不断的提高、改进蒸发设备。我国是世界上第三大产糖国家和食糖消费国,有大中小型制糖厂 400 多家,而广西是全国甘蔗的主产区,拥有发达的制糖工业,其总体规模和实力长期处在全国各省各区前茅。众所周知,糖厂是耗能大户,目前糖厂传统的蒸发工业大多采用多效蒸发,需要消耗大量的高温高压蒸汽,燃烧燃料以制水蒸气所耗能及所需费用,仅次于原料(甜菜或甘蔗) ,而占糖厂产品原料成本的第二位,传热设备的投资占总设备费的 40%左右。传统的蒸发工艺大多存在设备结构复杂,成本高,易结垢且维修、除垢过程费用高,传热系数低,能耗高等特点。因此可看出,我国制糖工业的节能潜力很大。我们通过研究应用新技术、新工艺和新设备,可以将制糖工艺节能水平提高一大步,显著增加企业的经济效益,减小能源的损耗,使广西的制糖业得到更好的发展。中央循环管式蒸发器也称标准蒸发器,是运用得较早的蒸发器,也是运用最广泛的蒸发器,它结构紧凑,制造方便,结构简单,但仍有较大的改进空间,因此,对中央循环进行优化设计对蔗糖工业尤为重要。其优化设计主要从以下几点入手:1、占地面积小,空间高度低,结构紧凑,造价低,投资少;2、常为连续操作,亦可间歇操作,提高操作可控性;3、污垢少,清洗方便,劳动强度低,并可用清洗液循环清洗;4、使物料循环较好,正常操作时不易结焦;5、低能耗,高效率,高产量;6、设备耐用,不易腐蚀;蒸发器的运用不仅仅局限与制糖行业,在氯碱、化工、轻工、食品、制药和环保等行业均为广泛的应用,因此,优化蒸发器的设计、提高蒸发器的效率、减少能源的消耗对资源日益趋少的当今世界来说意义十分重大。广西大学本科毕业论文 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计2第一章 蒸发过程流程设计方案1.1 加热蒸汽压强的确定通常被蒸发的溶液有一个允许的最高温度,若超过此温度,物料就会变质、破坏或分解,这是确定加热蒸汽压强的一个依据。应使操作在低于最大温度范围内进行,可以采用加压蒸发、常压蒸发或真空蒸发。一些化工厂,常装设蒸汽机或透平机以驱动发电机发电,因而蒸发用汽应考虑用蒸汽机、透平机的乏汽,直接采用未经做功的锅炉蒸汽进行减压蒸发式不经济的,乏汽压强一般在 200~400kPa 左右。蒸发式一个消耗大量加热蒸汽而又产生大量二次蒸汽的过程。从节能观点出发,应充分利用二次蒸汽作为后续蒸发过程或者其他加热用的热源,即要求蒸发装置能够提供温度较高的二次蒸汽。这样既可减少锅炉产生蒸汽的消耗量,又可减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量,提高蒸汽利用率。因此,参考《传热传质 过程设备设计》可知,此次加热蒸汽压强选取 300kPa。1.2 冷凝器操作压强的确定若一效采用较高压强的加热蒸汽,则末效可采用常压或加压蒸发,此时末效产生的二次蒸汽具有较高的温度,可以全部利用。而且各效操作温度高氏,溶液粘度低,传热效果好。若一效加热蒸汽压强低,末效应采用真空操作,此时各效二次蒸汽温度低,进入冷凝器冷凝需消耗大量冷却水,而且溶液粘度大,传热差。但对于那些热敏性物料的蒸发,为充分利用热源还是经常采用真空蒸发的。对混合式冷凝器,其最大的真空度取决于冷凝器人的水温和真空装置的性能。通常冷凝器的最大真空度为 70~90kPa。此次设计选择冷凝器的真空度为 80kPa,大气压强按 100kPa 进行计算,则绝对压强为 100-80=20kPa。1.3 蒸发器的类型及其选择蒸发器是一种特殊的传热设备,它与一般换热器的区别是:需要不断地将蒸发所产生的二次蒸汽出去。因此,蒸发器在结构上除设有用于进行热量交换的加热室外,还设有汽-液分离的蒸发室。此外,为了使蒸汽和液沫能有效地分离,还设有除沫器。在化工生产中,大多数蒸发器都是利用饱和水蒸汽作为加热介质,因而蒸发器中热交换的一侧是饱和水蒸气冷凝,另一侧是溶液沸腾,所以传热的关键在于料液沸腾一侧。广西大学本科毕业论文 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计3为了适应各种不同物料的蒸发浓缩,出现了各种不同结构型式的蒸发器,而且随着生产技术的发展,其结构在不断改进。工业中常用的间壁式换热蒸发器,按溶液在蒸发器中的流动特点,可分为循环型(中央循环管式、悬筐式、外加热式、列文式、强制循环管式等)和非循环型(升膜式、降膜是、升降膜式、刮板式等)两大类型。由于非循环型蒸发器适用于处理热敏性物料,本次设计任务中料液为糖水,不是热敏性物料,故选用循环型蒸发器,常见的循环型蒸发器比较见表 1-1。表 1-1 常见循环型蒸发器的比较中央循环管式 悬筐式 列文管 强制循环式优点料液呈自然循环流动,蒸发器的结构紧凑,制造方便,操作可靠,有“标准蒸发器”之称。料液循环流动,循环速度高,热损失小,适于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液。循环管内流动阻力小,循环速度大,传热效果好,适用于处理有晶体析出或易结垢的溶液。传热系数大,适于处理黏度较大或易结垢的物料。缺点设备清洗和检修不太方便结构复杂,单位传热面需要的设备材料量较大。设备庞大,需要的厂房高,所需要加热蒸汽压力较高。动力消耗大,利用外加动力。面对种类繁多的蒸发器,在结构和操作上必须有利于蒸发过程的进行,为此在选用时应考虑以下原则:(1) 尽量保证较大的传热系数,满足生产工艺要求;(2) 生产能力大,能完善分离液沫,尽量减慢传热面上垢层的生成;(3) 构造简单,操作维修和清洗方便,造价低,使用寿命长;(4) 能适应所蒸发物料的一些工艺特性(如粘性、起泡性、热敏性、结垢性、腐蚀性等) 。本设计选用中央循环管式蒸发器。1.4 进料状况的选择进料状况影响蒸发器的生产能力:(1)低于沸点进料时,需消耗部分热量将溶液加热至沸点,因而降低了生产能力;(2)沸点进料时,通过传热面的热量全部用于蒸发水分, 生产能力有所增加;(3)高于沸点进料时,由于部分原料液的自动蒸发,使生产能力有所增加。因此,根据经验和实验得出沸点进料有利于蒸发和传质过程的进行,减少蒸发过程的热损失,增大蒸发过程的处理量,本设计采用沸点进料。1.5 多效蒸发效数的确定在流程设计时首先应考虑内采用单效还是多效蒸发,为充分利用热能,生产中一般广西大学本科毕业论文 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计4采用多效蒸发。因在多效蒸发中,将前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽,可节省生蒸汽耗量。但不是效数愈多愈好,效数受经济上和技术上的因素所限制。经济上的限制是指效数超过一定时经济上不合算。多效蒸发中,随效数的增加,总蒸发量相同时所需生蒸汽量减少,使操作费用降低。但随效数的增加,设备费成倍增长,而所节省的生蒸汽量愈来愈少,所以无限制增加效数已无实际意义,最适宜的效数应使设备费和操作费二者之和为最小。技术上限制是指效数过多,蒸发操作将难以进行。一般工业生产中加热蒸汽压强和冷凝器的操作压强都有一定限制,因此在一定操作条件下,蒸发器的理论总传热温度差为一定值。在效数增加时,由于各效温度差损失之和的增加,使总有效传热温度差减小。当分配到各效的有效温度差小到无法保证操作呈正常的沸腾状态时,蒸发操作将无法进行下去。因此基于上述因素考虑,实际的多效蒸发过程效数并不多。多效蒸发在实践上最常采用 n=2~4,本设计采用 4 效蒸发。1.6 多效蒸发流程的选择多效蒸发的操作流程根据加热蒸汽与料液的流向不同,可分为并流、逆流、平流及错流四种。(1)并流法 溶液与蒸汽流动方向相同,均由第一效顺序流至末效。并流法的优点:溶液从压力和温度较高的蒸发器流向压力和温度较低的蒸发器,故溶液在效间的输送可以利用效间的压差,而不需要泵送。同时,当前一效溶液流入温度和压力较低的后一效时,会产生自蒸发(闪蒸) ,因而可以多产生一部分二次蒸汽。此外,此法的操作简便,工艺条件稳定。随着溶液从前一效逐效流向后面各效,其浓度增高,而温度反而降低,致使溶液的粘度增加,蒸发器的传热系数下降。因而并流法操作通常适用于溶液黏度随浓度变化不大的料液的蒸发。(2)逆流法 溶液的流向与蒸汽的流向相反,即加热蒸汽由第一效进入,而原料液由末效进入,由第一效排出。逆流法的优点:随溶液的浓度沿着流动方向的增高,其温度也随之升高。因此因浓度增高使粘度增大的影响大致与温度升高使粘度降低的影响相抵,故各效溶液的粘度较为接近,各效的传热系数也大致相同,适用于溶液黏度随浓度变化大的料液的蒸发。逆流法的缺点:溶液在效间的流动是由低压流向高压,由低温流向高温,必须用泵输送,故耗能大,对浓缩液在高温时易分解的料液不适用。(3)平流法 平流法系指原料液平行加入各效,完成液也分别自各效排出。蒸汽的流向仍由第一效流向末效。此种流程适合处理蒸发过程中有结晶析出的溶液。(4)错流法 亦称混流法,它是并、逆流的结合。其特点是兼有并、逆流的优点而避免其缺点,但操作过程复杂,控制困难,应用不多。广西大学本科毕业论文 甘蔗糖厂 50t/h 四效真空蒸发系统的优化设计5根据以上特点,本设计采用并流方式。综上所得,本设计选用中央循环管式蒸发器,并流法四效蒸发器,其图如下:四效并流蒸发器流程图 1-1
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