升膜式濃縮器設計過程設備設計課程設計說明書正文

1、目錄一、設計目的及要求-2二、設計任務-2三、設計分析-2四、升膜膜式濃縮設備結構簡圖-4五、升膜式濃縮器相關參數計算-51物料衡算-52熱量衡算 -53換熱面積計算 -64換熱管計算-75二次蒸汽汽速及校核-76分離室體積計算-87管子在管板上的分布-88濃縮器筒體選擇計算-9 9管板的選擇-1010濃縮器兩端封蓋-1011分離室設計-1312補強計算-16技術要求-19參考資料-20設計感想-21一課程設計目的和要求目的：升膜式濃縮器課程設計的設計，全面綜合應用了機械CAD、熱工學、傳熱與傳質、過程設備設計及化工機器等課程的知識，將理論和實踐結合起來，使所學的知識得到更深刻的理解和升華。要

2、求：全面認識掌握傳熱的工程計算，化工設備的結構設計和強度計算，熟悉并掌握化工設備圖的畫法及有關的規(guī)范、標準和手冊，為畢業(yè)設計打下堅實的基礎。二課程設計主要內容1.課程設計題目：升膜式濃縮器設計升膜式茶液濃縮器：每小時處理量：（1）180Kg/h （2）360Kg/h （3）540Kg/h茶液濃度 5%25%;原茶液溫度 20，沸點進料； 真空度650mmHg ; 加熱蒸汽壓力 0.1Mpa（表壓）； 冷卻水溫度（進）30（噴射泵）。2.主要設備的工藝設計計算根據處理量對列管換熱蒸發(fā)器部分進行物料衡算和能量衡算，確定換熱面積；根據二次蒸汽的汽速的等要求確定換熱管的直徑和長度大小。根據蒸發(fā)強度等確

3、定分離器的體積大小。3.主要設備的強度設計計算根據真空度大小等條件按外壓容器設計蒸發(fā)器和分離器的壁厚以及開孔補強計算。4.輔助設備的選型對真空泵進行選型。5.畫設備總裝圖零號圖，用CAD畫6.編寫設計說明書20頁左右。三、升膜式濃縮器結構和原理由多根垂直管束加熱器和一個蒸發(fā)分離室等組成，被濃縮液體從加熱管底部進入管內，加熱蒸汽在管間傳熱及冷凝，將熱量傳給管內料液。料液被加熱沸騰，便迅速汽化，所產生的二次蒸汽及料液在管內高速上升，濃縮液被高速上升的二次蒸汽所帶動，沿管內壁成薄膜上升，在此過程中繼續(xù)蒸發(fā)。這樣料液從加熱器底部至管子頂部出口處，逐漸被濃縮，濃縮液并以較高的速度進入蒸發(fā)分離室，在離心力

4、作用下與二次蒸汽分離，二次蒸汽從分離室的頂部經水力噴射泵排出。為了保證物料有效地成膜狀上升，蒸汽的速度應維持在一定的數值，如常壓下一般2030m/s，減壓下速度更高。因此，如果料液中蒸發(fā)的水量不夠，就難以達到所要求的汽速，即升膜式蒸發(fā)器不適用于較濃溶液的蒸發(fā)，它對粘度很大，易結晶，結垢的物料也不適用。物料在管束中分為預熱區(qū)，沸騰區(qū)和飽和區(qū)。沸騰區(qū)中成膜狀流動，其傳熱膜系數最大，而預熱區(qū)和飽和蒸汽區(qū)的傳熱膜系數則很小，因此希望膜狀流動段盡可能擴大，而預熱區(qū)和飽和蒸汽區(qū)則希望相對地縮短。四、升膜膜式濃縮設備結構簡圖接管：a. DN40PN6 進料口b. DN40PN6循環(huán)料口c. DN100PN6

5、蒸汽出口d. DN40PN6 蒸汽進口e. DN32PN6冷凝水出口f. DN150PN6二次蒸汽出口g. DN32PN6出料口h. DN80PN6視鏡i. DN32PN6破真空口j. DN80PN6燈光口k. DN150PN6手孔l. DN32PN6真空表接口五、升膜式濃縮器相關參數計算1物料衡算1.傳熱膜系數K設計計算的關鍵是確定傳熱系數，目前確定傳熱膜系數的主要方法是依靠實驗測得，第二種方法是利用有關準數方程計算傳熱膜系數。本次設計，根據參考書上推薦的值。（前人積累的經驗或數據），根據相關書籍的推薦范圍，傳熱膜系數K=12006000W/(m2·K)，由于傳熱膜系數K的取值一般

6、不大于1900 W/(m2·K)，這里取傳熱膜系數K=1900W/(m2·K)。2.換熱面積A由已知條件知升膜式濃縮器處理量為m=360Kg/h，由于濃縮前后，溶質質量守恒。根據濃縮前后茶液的濃度為5%25%列溶質的物料守恒：設處理前360Kg的溶液處理后的質量為x Kg，則360×5%=x×25%解得：x=72Kg/h所以每小時水的蒸發(fā)量為w=288Kg/h2熱量衡算總傳熱為QQ=Q1+Q2+Q3預熱Q1：由于沸點進料，預熱段Q1=0汽化Q2：Q2='w '-汽化潛熱換熱管內的真空度Pv=650mmHg大氣壓力Pb=760mmHg所以，

7、換熱管內的絕對壓力P=Pb-Pv=760-650=110mmHg=0.015MPa查飽和水蒸氣表'=2372.4KJ/Kg 汽化溫度t=51.86 Q2=2372.4×288=6.8×105KJ/h熱損失Q3:Q3=Q×5%列平衡方程：Q=Q1+Q2+Q3=0+6.8×105+Q×5%解得：Q=7.2×105KJ/h3換熱面積計算Q=KAtt=T-tm 加熱蒸汽表壓Pe=0.1MPa，絕對壓強P=0.2MPa查飽和水蒸氣表T=120.2tm=t1+t22=51.86+51.862=51.86 t=120.2-51.86=68.

8、34 則A=QKt=7.2×1051900×68.34=5.545m2 加熱蒸汽消耗量D=Q=7.2×1052372.4=303.5Kg四、換熱管計算根據標準，換熱管的管徑規(guī)格為1950，常用的19和25，這里取換熱管的規(guī)格為19×2。長徑比：常壓下l/d=100150 真空下l/d=130180本次設計取l/d=130則l=130×19=2470mm管束n=Ad0l=5.5453.14×0.019×2.4736.9837根五、二次蒸汽汽速及校核二次蒸汽的汽速必須足夠大才能使料液在管子內壁拉成膜狀，并沿管壁上升。常壓下，水的

9、最小成膜汽速約為10m/s，在一定的范圍內傳熱膜系數隨蒸汽速度的增加而增加，但汽速不能太高，汽速過高會使料液成霧狀噴出，破壞了膜狀上升，傳熱系數會明顯下降。對水溶液適宜的操作汽速常壓下 2030m/s在絕對壓力 50mmHg 為100160 m/s( 在不同的真空度下汽速不同，換算成常壓下2030m/s的范圍內即可)二次蒸汽體積V=v真空度650mmHg情況下，v=0.0997Kg/m3解得：V=2880.0977=2888.666m3/h驗算二次蒸汽汽速u=VA' A'=14d2n=14×3.14×(0.015)2×37=0.00495則u=28

10、88.6660.00945×3600=162.25m/s校核：常壓下v=0.5977Kg/m3則u=2880.00495×0.5977×3600=27.07m/s六、分離室體積計算分離室內的真空度與換熱管內相同。根據分離室內絕對壓力為P=0.015MPa查得二次蒸汽的體積蒸發(fā)強度0: m3/(m3·h)(0.10.15)×105Pa 0=20000180000 m3/(m3·h)取0=20000 m3/(m3·h)取=0.7則=0=0.7×20000=14000m3/(m3·h)蒸發(fā)室體積V'=w

11、v=2880.0977×14000=0.2052m3=205200000mm3 七、管子在管板上的分布參考過程設備設計，管徑=19mm的管子，管心距為25mm，最外層管與筒壁的距離不小于d，換熱管在管板上的分布主要有正三角形分布和正方形分布，這里選用正三角形分布。分布圖形如下：8、濃縮器筒體選擇計算1.筒體的基本尺寸參數由上圖算的所需的筒體直徑為200mm，這里選用DN200的鋼管作為濃縮器的筒體，其具體參數參見材料與零部件手冊。筒體長度，由于筒體與管板的連接采用焊接工藝焊接而成：開槽的深度定為5mm，則筒體的實際長度為2480mm。筒體材料選定為低碳鋼材料16MnR。2.筒體的強度

12、校核由已知條件知，加熱蒸汽的表壓為0.1MPa則筒體內加熱室的絕對壓力為0.2MPa，為內壓容器進行設計=pcDi2t-pc 由已知條件pc=0.1MPa Di=219mm選用材料16MnR查飽和水蒸氣表，加熱蒸汽的溫度為120.2在616mm之間，t150時t=170MPa 取=0.85單面焊對接接頭，局部無損檢測求得：=0.09mm規(guī)定不包括腐蝕裕量，最小厚度應不小于3mm=3mm 取C1=0，C2=2mm 則C=2mm則n=5mm6mm材料與零部件手冊規(guī)定的6mm壁厚是合適的。9、管板的選擇工業(yè)設計中管板的厚度一般取不小于20mm，這里取管板的厚度為25mm。管板的公稱直徑：考慮焊接、美

13、觀以及節(jié)省材料的要求，取管板的公稱直徑與筒體的公稱直徑相同，為DN200.管板的材料，由于筒體的材料為16MnR，考慮焊接接口的熱應力等因素，管板的材料同樣也選用16MnR。管板的數量為2。管板的強度校核：根據濃縮器的結構，管板的一側為內壓容器，另外一側為外壓容器。對管板按內壓容器設計方法設計，并按外壓容器設計法進行校核。具體的設計及校核方法參見濃縮器加熱室筒體的內壓設計法及分離室筒體的外壓設計法。經計算與校核，管板厚度取25mm是合理的。10、濃縮器管板兩端封蓋及其結構 濃縮器上端封蓋結構 濃縮器下端封蓋結構升膜式濃縮器上下兩端的封蓋結構如上兩圖所示。1.封蓋的連接形式：由于濃縮器的下端封蓋

14、不需要打開，采用坡口焊接工藝將其與管板直接焊接成一體。上端封蓋應可以打開，采用管法蘭與法蘭平蓋連接密封形式，設計為活密封結構。2.圓筒的參數選擇：圓筒的長度不應過長，同時要滿足設計的工藝要求，如上圖濃縮器上端封蓋結構所示，上端的圓筒連接有DN100的蒸汽出口管。選定圓筒的長度為150mm，上下兩端采用對稱結構，皆選用筒長為150mm。圓筒的公稱直徑的選擇：選用公稱直徑為DN200的鋼管。圓筒與管板焊接，管板的的開槽深度為5mm,等于筒體與管板焊接的開槽深度。圓筒的材料：根據管板的材料并考慮焊接工藝的要求，圓筒的材料同樣選擇16MnR，以保證焊接結構的工藝性及穩(wěn)定性，降低焊接結構的熱應力，提高焊

15、接結構的穩(wěn)定性。3.圓筒強度的校核：圓筒內的與換熱管聯(lián)通，真空度為650mmHg，為外壓容器設計。取定圓筒的厚度為6mm，根據外壓設計法進行設計，具體的設計方法參見分離室筒體的設計。經計算，6mm的厚度是合適的。4.下端端面圓板的設計計算參閱過程設備設計P147表4-8，選用序號4的結構形式。圓板厚度的計算：p=DcKpct Dc=207mm K結構特征系數，K=0.44m,m=/e-圓筒的厚度 e-設計厚度 pc=0.085MPa 選用材料為16MnR,查得：在616mm之間，t150時t=170MPa 取=0.85單面焊對接接頭，局部無損檢測解得p=4.5mm取C1=0，C2=2mm 則C

16、=2mm端面圓板的厚度最終圓整后取為10mm。5.升膜式濃縮器上端管法蘭的選擇根據圓筒的公稱直徑DN200，查閱材料與零部件手冊，選用與之相對應的管法蘭，具體的連接尺寸等均參見材料與零部件手冊。法蘭的形式選擇凹凸面法蘭。公稱壓力選擇6Kg/cm36.凹凸面法蘭蓋查閱材料與零部件手冊選擇Pg=6Kg/cm3DN=200由于管法蘭采用凹凸面法蘭形式，法蘭蓋同樣采用凹凸面法蘭蓋與之相配合。11、分離室的設計 1.分離室筒體的尺寸及材料選擇 由前述分離室體積計算知，分離室的體積為V'=0.2052m3=205200000mm3 取分離室筒體的長徑比約為4:3由分離室體積列方程V'=14

17、d2·34d 解得分離室筒體直徑為580mm考慮分離室上端連接橢圓形封頭，如下圖：查閱材料與零部件手冊根據橢圓形封頭的標準系列，取筒體的直徑為550mm。由R2l=205200000mm3得L=864mm2.分離室筒體的壁厚設計計算筒體的材料選用低碳鋼材料16MnR筒體與換熱管內壓力相同，真空度為650mmHg分離室為外壓容器，按外壓容器設計方法進行設計 假定名義厚度n=7mm取C1=0，C2=2mm則C=2mme=5mm 由Di=550mm，D0=Di+2n=564mmL/D0=864564=1.5540，D0e=5643=185.3333查閱過程設備設計P130A=0.003查閱

18、過程設備設計P132表4-8B=39MPa則P=BD0/e=39564/3=0.2089MPa0.085MPan的選擇是合理的 3.分離室橢圓形封頭的選擇與計算查閱材料與零部件手冊取Dg=550mm的橢圓形封頭取封頭厚度=7mm具體計算方法筒筒體的設計方法，同樣采用外壓法進行設計校核，其中A=0.125(R0/e)R0=K1D0 K1=D0/(2h0) h0=hi+n 橢圓形封頭的材料選用16MnRB=23EA最后解得P=0.2258MPapcn的選擇是合理的 4.錐形封頭的選擇與計算查閱材料與零部件手冊，選用90°的折邊錐形封頭公稱直徑Dg=550mm其具體尺寸參見材料與零部件手冊

19、錐形封頭的厚度計算：選用材料為16MnR外壓錐殼的計算按外壓容器設計方法進行計算首先假定錐殼的名義厚度nc再計算錐殼的有效厚度ec=(nc-C)cos算得錐殼的厚度為7mm是合適的。12、補強計算由于設備有開孔，由GB150知，需對開孔進行補強。本次設計中，開孔的公稱直徑有DN32、DN40、DN80、DN100、DN150參閱GB150，其中DN32、DN40開孔均滿足不另行補強的條件，因此只需對DN100、DN150的開孔進行補強。這里以DN=100的蒸汽出口為例進行補強計算，其余的開孔補強計算與此相同。DN100的蒸汽出口補強：1.補強及補強方法的判別參考過程設備設計P174表4-14，

20、允許不另行補強的最大接管外徑為89mm。本開孔外徑等于114，因此須進行開孔補強計算。2.補強計算方法判別：開孔直徑d=114mm<Di2=219mm滿足等面積法開孔補強計算的適用條件，故可用等面積法進行開孔補強計算。3.開孔補強所需補強面積a.圓筒計算厚度：圓筒的計算厚度=K1pcDi2t-0.5pc=0.9×0.085×2192×163×0.85-0.5×0.085=0.06mm取=3mmb.開孔所需補強面積：選用材料16MnRt=163MPa ，nt=108MPa先計算強度削弱系數fr:fr=ntr=108163=0.663 接管有

21、效厚度由前面計算已知為e=5mm開孔所需補強面積按過程設備設計式4-76計算A=d+2eg(1-fr)=114×3+2×0.06×5×1-0.663=342.2mm343mm4.有效補強范圍a.有效寬度B 按過程設備設計4-79式確定B=2d=2×114=228mmB=114+2×6+2×7=140mm取以上B的最大值，所以取B=228mmb.有效高度外側有效高度h1按式4-80確定h1=dng=114×7=28.25mm h1=183mm 取小值，h1=28.25mm內側有效高度h2按式4-81確定h2=dng=

22、114×7=28.25mm h2=0故h2=05.有效補強面積a.圓筒多余金屬面積圓筒有效厚度e=4mm圓筒多余金屬面積A1按過程設備設計式4-82確定A1 =（B-d）(e-)-2ege-1-fr =228-114×3-3-2×5×3-3×(1-0.663)=0mm2 b.接管多余金屬面積g=K1pcDi2t-0.5pc=0.9×0.085×1142×163×0.85-0.5×0.085=0.03 取g=3mm接管多余金屬面積按過程設備設計式4-83計算A2 =2h1 (eg-g)fr-2h2

23、eg-C2fr =2×28.25×3-3×0.663+0=0mm2c.接管區(qū)焊縫面積（焊腳取6.0）A3=2×12×6.0×6.0=36mm2 d.有效補強面積Ae=A1+A2+A3=36mm2 6.所需的另行補強面積A4=A-A1+A2+A3= 343-36=307mm2擬采用補強圈補強7.補強圈設計根據接管公稱直徑DN100選補強圈，參照補強圈標準JB/T4736取補強圈外徑D'=125mm內徑d'=100mm。因B=228mm補強圈厚度為=A4D'-d'=307125-100=12.8mm 考慮鋼板副偏差并經圓整，取補強圈名義厚度為14mm。六、各接管及法蘭的選擇由各接管的公稱直徑，查材料與零部件手冊P587，確定接管的管長，并查