升膜式濃縮器設(shè)計(jì)過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書正文

1、目錄一、設(shè)計(jì)目的及要求-2二、設(shè)計(jì)任務(wù)-2三、設(shè)計(jì)分析-2四、升膜膜式濃縮設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖-4五、升膜式濃縮器相關(guān)參數(shù)計(jì)算-51物料衡算-52熱量衡算 -53換熱面積計(jì)算 -64換熱管計(jì)算-75二次蒸汽汽速及校核-76分離室體積計(jì)算-87管子在管板上的分布-88濃縮器筒體選擇計(jì)算-9 9管板的選擇-1010濃縮器兩端封蓋-1011分離室設(shè)計(jì)-1312補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算-16技術(shù)要求-19參考資料-20設(shè)計(jì)感想-21一課程設(shè)計(jì)目的和要求目的：升膜式濃縮器課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)，全面綜合應(yīng)用了機(jī)械CAD、熱工學(xué)、傳熱與傳質(zhì)、過程設(shè)備設(shè)計(jì)及化工機(jī)器等課程的知識(shí)，將理論和實(shí)踐結(jié)合起來，使所學(xué)的知識(shí)得到更深刻的理解和升華。要

2、求：全面認(rèn)識(shí)掌握傳熱的工程計(jì)算，化工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，熟悉并掌握化工設(shè)備圖的畫法及有關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二課程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容1.課程設(shè)計(jì)題目：升膜式濃縮器設(shè)計(jì)升膜式茶液濃縮器：每小時(shí)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(diǎn)進(jìn)料； 真空度650mmHg ; 加熱蒸汽壓力 0.1Mpa（表壓）； 冷卻水溫度（進(jìn)）30（噴射泵）。2.主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)處理量對(duì)列管換熱蒸發(fā)器部分進(jìn)行物料衡算和能量衡算，確定換熱面積；根據(jù)二次蒸汽的汽速的等要求確定換熱管的直徑和長(zhǎng)度大小。根據(jù)蒸發(fā)強(qiáng)度等確

3、定分離器的體積大小。3.主要設(shè)備的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)真空度大小等條件按外壓容器設(shè)計(jì)蒸發(fā)器和分離器的壁厚以及開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。4.輔助設(shè)備的選型對(duì)真空泵進(jìn)行選型。5.畫設(shè)備總裝圖零號(hào)圖，用CAD畫6.編寫設(shè)計(jì)說明書20頁左右。三、升膜式濃縮器結(jié)構(gòu)和原理由多根垂直管束加熱器和一個(gè)蒸發(fā)分離室等組成，被濃縮液體從加熱管底部進(jìn)入管內(nèi)，加熱蒸汽在管間傳熱及冷凝，將熱量傳給管內(nèi)料液。料液被加熱沸騰，便迅速汽化，所產(chǎn)生的二次蒸汽及料液在管內(nèi)高速上升，濃縮液被高速上升的二次蒸汽所帶動(dòng)，沿管內(nèi)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(jìn)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(jīng)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(yīng)維持在一定的數(shù)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(dá)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(duì)粘度很大，易結(jié)晶，結(jié)垢的物料也不適用。物料在管束中分為預(yù)熱區(qū)，沸騰區(qū)和飽和區(qū)。沸騰區(qū)中成膜狀流動(dòng)，其傳熱膜系數(shù)最大，而預(yù)熱區(qū)和飽和蒸汽區(qū)的傳熱膜系數(shù)則很小，因此希望膜狀流動(dòng)段盡可能擴(kuò)大，而預(yù)熱區(qū)和飽和蒸汽區(qū)則希望相對(duì)地縮短。四、升膜膜式濃縮設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖接管：a. DN40PN6 進(jìn)料口b. DN40PN6循環(huán)料口c. DN100PN6

5、蒸汽出口d. DN40PN6 蒸汽進(jìn)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(guān)參數(shù)計(jì)算1物料衡算1.傳熱膜系數(shù)K設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵是確定傳熱系數(shù)，目前確定傳熱膜系數(shù)的主要方法是依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)得，第二種方法是利用有關(guān)準(zhǔn)數(shù)方程計(jì)算傳熱膜系數(shù)。本次設(shè)計(jì)，根據(jù)參考書上推薦的值。（前人積累的經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)），根據(jù)相關(guān)書籍的推薦范圍，傳熱膜系數(shù)K=12006000W/(m2·K)，由于傳熱膜系數(shù)K的取值一般

6、不大于1900 W/(m2·K)，這里取傳熱膜系數(shù)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(zhì)質(zhì)量守恒。根據(jù)濃縮前后茶液的濃度為5%25%列溶質(zhì)的物料守恒：設(shè)處理前360Kg的溶液處理后的質(zhì)量為x Kg，則360×5%=x×25%解得：x=72Kg/h所以每小時(shí)水的蒸發(fā)量為w=288Kg/h2熱量衡算總傳熱為QQ=Q1+Q2+Q3預(yù)熱Q1：由于沸點(diǎn)進(jìn)料，預(yù)熱段Q1=0汽化Q2：Q2='w '-汽化潛熱換熱管內(nèi)的真空度Pv=650mmHg大氣壓力Pb=760mmHg所以，

7、換熱管內(nèi)的絕對(duì)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(jì)算Q=KAtt=T-tm 加熱蒸汽表壓Pe=0.1MPa，絕對(duì)壓強(qiáng)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(jì)算根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，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(zhǎng)徑比：常壓下l/d=100150 真空下l/d=130180本次設(shè)計(jì)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(nèi)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(nèi)傳熱膜系數(shù)隨蒸汽速度的增加而增加，但汽速不能太高，汽速過高會(huì)使料液成霧狀噴出，破壞了膜狀上升，傳熱系數(shù)會(huì)明顯下降。對(duì)水溶液適宜的操作汽速常壓下 2030m/s在絕對(duì)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(nèi)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(yàn)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(jì)算分離室內(nèi)的真空度與換熱管內(nèi)相同。根據(jù)分離室內(nèi)絕對(duì)壓力為P=0.015MPa查得二次蒸汽的體積蒸發(fā)強(qiáng)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(shè)備設(shè)計(jì)，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(jì)算1.筒體的基本尺寸參數(shù)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(shù)參見材料與零部件手冊(cè)。筒體長(zhǎng)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(shí)際長(zhǎng)度為2480mm。筒體材料選定為低碳鋼材料16MnR。2.筒體的強(qiáng)度

12、校核由已知條件知，加熱蒸汽的表壓為0.1MPa則筒體內(nèi)加熱室的絕對(duì)壓力為0.2MPa，為內(nèi)壓容器進(jìn)行設(shè)計(jì)=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(shí)t=170MPa 取=0.85單面焊對(duì)接接頭，局部無損檢測(cè)求得：=0.09mm規(guī)定不包括腐蝕裕量，最小厚度應(yīng)不小于3mm=3mm 取C1=0，C2=2mm 則C=2mm則n=5mm6mm材料與零部件手冊(cè)規(guī)定的6mm壁厚是合適的。9、管板的選擇工業(yè)設(shè)計(jì)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(yīng)力等因素，管板的材料同樣也選用16MnR。管板的數(shù)量為2。管板的強(qiáng)度校核：根據(jù)濃縮器的結(jié)構(gòu)，管板的一側(cè)為內(nèi)壓容器，另外一側(cè)為外壓容器。對(duì)管板按內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，并按外壓容器設(shè)計(jì)法進(jìn)行校核。具體的設(shè)計(jì)及校核方法參見濃縮器加熱室筒體的內(nèi)壓設(shè)計(jì)法及分離室筒體的外壓設(shè)計(jì)法。經(jīng)計(jì)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(jié)構(gòu) 濃縮器上端封蓋結(jié)構(gòu) 濃縮器下端封蓋結(jié)構(gòu)升膜式濃縮器上下兩端的封蓋結(jié)構(gòu)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(yīng)可以打開，采用管法蘭與法蘭平蓋連接密封形式，設(shè)計(jì)為活密封結(jié)構(gòu)。2.圓筒的參數(shù)選擇：圓筒的長(zhǎng)度不應(yīng)過長(zhǎng)，同時(shí)要滿足設(shè)計(jì)的工藝要求，如上圖濃縮器上端封蓋結(jié)構(gòu)所示，上端的圓筒連接有DN100的蒸汽出口管。選定圓筒的長(zhǎng)度為150mm，上下兩端采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，皆選用筒長(zhǎng)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(jù)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(jié)構(gòu)的工藝性及穩(wěn)定性，降低焊接結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力，提高焊

15、接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。3.圓筒強(qiáng)度的校核：圓筒內(nèi)的與換熱管聯(lián)通，真空度為650mmHg，為外壓容器設(shè)計(jì)。取定圓筒的厚度為6mm，根據(jù)外壓設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)方法參見分離室筒體的設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，6mm的厚度是合適的。4.下端端面圓板的設(shè)計(jì)計(jì)算參閱過程設(shè)備設(shè)計(jì)P147表4-8，選用序號(hào)4的結(jié)構(gòu)形式。圓板厚度的計(jì)算：p=DcKpct Dc=207mm K結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，K=0.44m,m=/e-圓筒的厚度 e-設(shè)計(jì)厚度 pc=0.085MPa 選用材料為16MnR,查得：在616mm之間，t150時(shí)t=170MPa 取=0.85單面焊對(duì)接接頭，局部無損檢測(cè)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(jù)圓筒的公稱直徑DN200，查閱材料與零部件手冊(cè)，選用與之相對(duì)應(yīng)的管法蘭，具體的連接尺寸等均參見材料與零部件手冊(cè)。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(cè)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(shè)計(jì) 1.分離室筒體的尺寸及材料選擇 由前述分離室體積計(jì)算知，分離室的體積為V'=0.2052m3=205200000mm3 取分離室筒體的長(zhǎng)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(cè)根據(jù)橢圓形封頭的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)計(jì)算筒體的材料選用低碳鋼材料16MnR筒體與換熱管內(nèi)壓力相同，真空度為650mmHg分離室為外壓容器，按外壓容器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì) 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(shè)備設(shè)計(jì)P130A=0.003查閱

18、過程設(shè)備設(shè)計(jì)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(jì)算查閱材料與零部件手冊(cè)取Dg=550mm的橢圓形封頭取封頭厚度=7mm具體計(jì)算方法筒筒體的設(shè)計(jì)方法，同樣采用外壓法進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì)算查閱材料與零部件手冊(cè)，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(cè)

19、錐形封頭的厚度計(jì)算：選用材料為16MnR外壓錐殼的計(jì)算按外壓容器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算首先假定錐殼的名義厚度nc再計(jì)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(bǔ)強(qiáng)計(jì)算由于設(shè)備有開孔，由GB150知，需對(duì)開孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。本次設(shè)計(jì)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(bǔ)強(qiáng)的條件，因此只需對(duì)DN100、DN150的開孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。這里以DN=100的蒸汽出口為例進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，其余的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算與此相同。DN100的蒸汽出口補(bǔ)強(qiáng)：1.補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法的判別參考過程設(shè)備設(shè)計(jì)P174表4-14，

20、允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑為89mm。本開孔外徑等于114，因此須進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。2.補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法判別：開孔直徑d=114mm<Di2=219mm滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。3.開孔補(bǔ)強(qiáng)所需補(bǔ)強(qiáng)面積a.圓筒計(jì)算厚度：圓筒的計(jì)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(bǔ)強(qiáng)面積：選用材料16MnRt=163MPa ，nt=108MPa先計(jì)算強(qiáng)度削弱系數(shù)fr:fr=ntr=108163=0.663 接管有

21、效厚度由前面計(jì)算已知為e=5mm開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按過程設(shè)備設(shè)計(jì)式4-76計(jì)算A=d+2eg(1-fr)=114×3+2×0.06×5×1-0.663=342.2mm343mm4.有效補(bǔ)強(qiáng)范圍a.有效寬度B 按過程設(shè)備設(shè)計(jì)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(cè)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(nèi)側(cè)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(bǔ)強(qiáng)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(shè)備設(shè)計(jì)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(shè)備設(shè)計(jì)式4-83計(jì)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(bǔ)強(qiáng)面積Ae=A1+A2+A3=36mm2 6.所需的另行補(bǔ)強(qiáng)面積A4=A-A1+A2+A3= 343-36=307mm2擬采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)7.補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)根據(jù)接管公稱直徑DN100選補(bǔ)強(qiáng)圈，參照補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)JB/T4736取補(bǔ)強(qiáng)圈外徑D'=125mm內(nèi)徑d'=100mm。因B=228mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度為=A4D'-d'=307125-100=12.8mm 考慮鋼板副偏差并經(jīng)圓整，取補(bǔ)強(qiáng)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(cè)P587，確定接管的管長(zhǎng)，并查