蒸发装置结构计算优化方案

循环型蒸发器的种类也较多[23],计算方法也有所不同。本章仅介绍外加热室蒸发器的计算方法。

8.3.3.1　蒸发器加热室尺寸的确定

加热室的计算与列管换热器的计算相同[23],具体可按下述步骤进行。

(1)由式(8-17)求得各效加热室的传热面积,必要时,可取Ai实=(1.1～1.2)Ai计。

(2)选取加热管的管长和管径。一般加热管长有2 m、3 m、4.5 m、6 m等几种。加热管管径有38×2.5 mm、45×3.5 mm、57×3.5 mm等几种。加热管根数ni可由下式求得

(3)确定管子的排列方式。列管排列方式有正三角形(六角形)、正方形、同心圆三种(如图8-4所示),常用正三角形和同心圆两种排列方式。管子在管板上的排列间距t(指管子与管子的中心距),随连接方法不同而不同。通常胀管法的t=(1.3～1.5)do,焊接法的t=1.25do。相邻两管的外壁间距一般应使t≥(6+do)(mm)。

图8-4　管子在管板上的排列方式

(4)确定加热室壳径。加热室壳体直径可按式(8-22)计算。

式中,D为壳体内径,mm;t为管间距,mm;b为最外层的六角形(或同心圆)直径上的管数;e为最外层管中心到壳体内壁距离,一般取e=(1～1.5)do。

b值的确定有以下两种方法。

①作图法:已知管数n和管间距t后,从中心开始排至n根,再统计b值(如图8-4所示)。

②计算法:由表8-3查得层数a,然后由式(8-23)求得b。对于正三角形排列:

壳径的计算值应圆整到标准尺寸(见表8-4)。

当冷热流体温差大于50℃时,应考虑采用膨胀节或有热补偿的(如浮头式)换热器。

表8-3　管板上排管数目

表8-4　壳径的标准尺寸

(5)其他附件的确定。加热室尚有其他附件需要确定,主要有如下各项。

①管板　决定管板厚度时,主要应考虑能很好地固定管子,与管子连接后不变形,有足够的强度以及能抗介质的腐蚀性。一般钢制管板的最小厚度为d=10 mm,对胀管而言,常取:

图8-5　管板与壳体的连接结构

式中,d为管板厚度,mm;do为管子外径,mm;δ为管壁厚度,mm。

管板与壳体的连接型式可参考图8-5和图8-6。

②封头　封头型式有方形和圆形两种,方形用在小直径的壳体(一般D小于400 mm),壳体直径较大时用圆形。

③防冲挡板　为防止蒸汽进入加热室壳程时直接冲击管束,可在蒸汽进口处装置防冲挡板,其型式如图8-14～图8-16所示。

④放气孔、排液孔　在加热室壳体上常装有放气口(焊上一个管接头)和排液口,以排除不凝性气体和冷凝液。冷凝液排出口应尽可能靠近加热室底部,以免加热室底部积水而降低传热面利用率。图8-7表示冷凝液出口常用的配置方法,图8-17、图8-18都是冷凝液排出口结构。

⑤材料选用　列管换热器的材料,主要根据操作温度、压强和物料的腐蚀性来选用。表8-5为列管换热器各部件常用材料的参考表。

图8-6　管板与壳体的连接

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图8-7　冷凝水出口的配置

表8-5　列管换热器的常用材料

⑥疏水器　蒸汽冷凝液的排出口都应装有疏水器。疏水器的型式很多,国内常用的有偏心热动力式、钟型浮子式和脉冲式三种。其中热动力式(如图8-8所示)以结构简单、操作性能好的优点而得到较为广泛的应用。

图8-8　偏心热动力式结构示意

1—冷凝水入口;2—冷凝水出口;3—排出管;4—变压室;5—滤网;6—阀片

疏水器的型号表示为S19 H—16或S19AH—16。其中,S—疏水器,1—内螺纹连接,9—热动力式,(5—钟形浮子式,8—脉冲式),A—偏心,H—密封面材料(合金钢),16—公称压力(105 Pa)。

选择疏水器主要根据两个参数:需排除的冷凝水量(kg/h)和疏水器前、后蒸汽压差(MPa)。

冷凝水排水量:对于连续操作且排水量较大时,疏水器的排水量是2～3倍的设备冷凝量;当冷凝水量较小或为间歇操作时,疏水器的排水量是3～4倍的设备冷凝量;当冷凝量大于现有规格时,可用多个并联使用。

疏水器压差:型号上公称压力是疏水器的使用条件(还应注意使用温度不大于250℃),选用时应使疏水器的压差小于公称压力。

疏水器的规格可参阅文献[5]。

8.3.3.2　蒸发器蒸发室尺寸的确定

外加热式蒸发器蒸发室的尺寸主要有蒸发室直径、高度和循环管直径。

(1)蒸发室直径

蒸发室直径D可按“蒸发体积强度法”或“近似比例法”估算。

①蒸发体积_强度法是指每秒钟从每立方米蒸发室中排出的二次蒸汽体积(m3)。允许的蒸发体积强度=1.1～1.5 m3/(s·m3)。根据式(8-25),由产生的二次蒸汽体积流量Vw(m3/s)、蒸发体积强度和蒸发室高度,可求得蒸发室直径D。

式中,H为蒸发室高度,m;D为蒸发室直径,m。

H难以较为准确地计算,目前是根据经验确定,通常取H/D=1～2。设计时,应注意蒸发器操作时,蒸发室内需维持一定的液位,该液位越高,则蒸发室的有效高度越低。为防止溶液被二次蒸汽带走,有效高度必须足够。

②近似比例法是以气体通过气、液分离器的基础速度为依据计算蒸发室直径的。蒸发室实际上是气、液分离器,设计分离器时,可根据气体实际速度与基础速度之比(称为速度比)Rd来计算直径D,即

将式(8-26)与(8-27)联立,并令

则

Rd值根据经验可取0.44,若蒸发器内装有丝网除沫器(见蒸发辅助设备),则Rd可取1.15。

以上各式中,为基础速度,m/s;ρV,ρL分别为蒸汽和溶液的密度,kg/m3。

(2)循环管直径

蒸发器内液体的循环可分为自然循环和强制循环。

对自然循环蒸发器,上循环管直径可取d1=(20%～30%)×蒸发室直径。下循环管直径d2可按下式求取。

即

以上各种直径的取值,必须圆整至规范尺寸。