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1、目录一、设计目的及要求-2二、设计任务-2三、设计分析-2四、升膜膜式浓缩设备结构简图-4五、升膜式浓缩器相关参数计算-51物料衡算-52热量衡算 -53换热面积计算 -64换热管计算-75二次蒸汽汽速及校核-76分离室体积计算-87管子在管板上的分布-88浓缩器筒体选择计算-9 9管板的选择-1010浓缩器两端封盖-1011分离室设计-1312补强计算-16技术要求-19参考资料-20设计感想-21一课程设计目的和要求目的：升膜式浓缩器课程设计的设计，全面综合应用了机械CAD、热工学、传热与传质、过程设备设计及化工机器等课程的知识，将理论和实践结合起来，使所学的知识得到更深刻的理解和升华。要
2、求：全面认识掌握传热的工程计算，化工设备的结构设计和强度计算，熟悉并掌握化工设备图的画法及有关的规范、标准和手册，为毕业设计打下坚实的基础。二课程设计主要内容1.课程设计题目：升膜式浓缩器设计升膜式茶液浓缩器：每小时处理量：（1）180Kg/h （2）360Kg/h （3）540Kg/h茶液浓度 5%25%;原茶液温度 20，沸点进料； 真空度650mmHg ; 加热蒸汽压力 0.1Mpa（表压）； 冷却水温度（进）30（喷射泵）。2.主要设备的工艺设计计算根据处理量对列管换热蒸发器部分进行物料衡算和能量衡算，确定换热面积；根据二次蒸汽的汽速的等要求确定换热管的直径和长度大小。根据蒸发强度等确
3、定分离器的体积大小。3.主要设备的强度设计计算根据真空度大小等条件按外压容器设计蒸发器和分离器的壁厚以及开孔补强计算。4.辅助设备的选型对真空泵进行选型。5.画设备总装图零号图，用CAD画6.编写设计说明书20页左右。三、升膜式浓缩器结构和原理由多根垂直管束加热器和一个蒸发分离室等组成，被浓缩液体从加热管底部进入管内，加热蒸汽在管间传热及冷凝，将热量传给管内料液。料液被加热沸腾，便迅速汽化，所产生的二次蒸汽及料液在管内高速上升，浓缩液被高速上升的二次蒸汽所带动，沿管内壁成薄膜上升，在此过程中继续蒸发。这样料液从加热器底部至管子顶部出口处，逐渐被浓缩，浓缩液并以较高的速度进入蒸发分离室，在离心力
4、作用下与二次蒸汽分离，二次蒸汽从分离室的顶部经水力喷射泵排出。为了保证物料有效地成膜状上升，蒸汽的速度应维持在一定的数值，如常压下一般2030m/s，减压下速度更高。因此，如果料液中蒸发的水量不够，就难以达到所要求的汽速，即升膜式蒸发器不适用于较浓溶液的蒸发，它对粘度很大，易结晶，结垢的物料也不适用。物料在管束中分为预热区，沸腾区和饱和区。沸腾区中成膜状流动，其传热膜系数最大，而预热区和饱和蒸汽区的传热膜系数则很小，因此希望膜状流动段尽可能扩大，而预热区和饱和蒸汽区则希望相对地缩短。四、升膜膜式浓缩设备结构简图接管：a. DN40PN6 进料口b. DN40PN6循环料口c. DN100PN6
5、蒸汽出口d. DN40PN6 蒸汽进口e. DN32PN6冷凝水出口f. DN150PN6二次蒸汽出口g. DN32PN6出料口h. DN80PN6视镜i. DN32PN6破真空口j. DN80PN6灯光口k. DN150PN6手孔l. DN32PN6真空表接口五、升膜式浓缩器相关参数计算1物料衡算1.传热膜系数K设计计算的关键是确定传热系数，目前确定传热膜系数的主要方法是依靠实验测得，第二种方法是利用有关准数方程计算传热膜系数。本次设计，根据参考书上推荐的值。（前人积累的经验或数据），根据相关书籍的推荐范围，传热膜系数K=12006000W/(K)，由于传热膜系数K的取值一般不大于1900
6、W/(K)，这里取传热膜系数K=1900W/(K)。2.换热面积A由已知条件知升膜式浓缩器处理量为m=360，由于浓缩前后，溶质质量守恒。根据浓缩前后茶液的浓度为5%25%列溶质的物料守恒：设处理前360Kg的溶液处理后的质量为x Kg，则360解得：x=72Kg/h所以每小时水的蒸发量为w=288Kg/h2热量衡算总传热为QQ=预热：由于沸点进料，预热段=0汽化： -汽化潜热换热管内的真空度大气压力所以，换热管内的绝对压力P=查饱和水蒸气表 汽化温度t=51.86 热损失列平衡方程：Q=解得：Q=7.23换热面积计算Q=KA 加热蒸汽表压查饱和水蒸气表T=120.2 则A 加热蒸汽消耗量D四
7、、换热管计算根据标准，换热管的管径规格为，常用的，这里取换热管的规格为。长径比：常压下l/d=100150 真空下l/d=130180本次设计取l/d=130则l=130管束n根五、二次蒸汽汽速及校核二次蒸汽的汽速必须足够大才能使料液在管子内壁拉成膜状，并沿管壁上升。常压下，水的最小成膜汽速约为10m/s，在一定的范围内传热膜系数随蒸汽速度的增加而增加，但汽速不能太高，汽速过高会使料液成雾状喷出，破坏了膜状上升，传热系数会明显下降。对水溶液适宜的操作汽速常压下 2030m/s在绝对压力 50mmHg 为100160 m/s( 在不同的真空度下汽速不同，换算成常压下2030m/s的范围内即可)二
8、次蒸汽体积V真空度650mmHg情况下，解得：V验算二次蒸汽汽速 A则u校核：常压下则u六、分离室体积计算分离室内的真空度与换热管内相同。根据分离室内绝对压力为P=0.015MPa查得二次蒸汽的体积蒸发强度(0.10.15) 取取则 七、管子在管板上的分布参考过程设备设计，管径的管子，管心距为25mm，最外层管与筒壁的距离不小于d，换热管在管板上的分布主要有正三角形分布和正方形分布，这里选用正三角形分布。分布图形如下：8、浓缩器筒体选择计算1.筒体的基本尺寸参数由上图算的所需的筒体直径为200mm，这里选用DN200的钢管作为浓缩器的筒体，其具体参数参见材料与零部件手册。筒体长度，由于筒体与管
9、板的连接采用焊接工艺焊接而成：开槽的深度定为5mm，则筒体的实际长度为2480mm。筒体材料选定为低碳钢材料16MnR。2.筒体的强度校核由已知条件知，加热蒸汽的表压为0.1MPa则筒体内加热室的绝对压力为0.2MPa，为内压容器进行设计 由已知条件 选用材料16MnR查饱和水蒸气表，加热蒸汽的温度为120.2在616mm之间，t 取求得：规定不包括腐蚀裕量，最小厚度应不小于3mm 取则材料与零部件手册规定的6mm壁厚是合适的。9、管板的选择工业设计中管板的厚度一般取不小于20mm，这里取管板的厚度为25mm。管板的公称直径：考虑焊接、美观以及节省材料的要求，取管板的公称直径与筒体的公称直径相
10、同，为DN200.管板的材料，由于筒体的材料为16MnR，考虑焊接接口的热应力等因素，管板的材料同样也选用16MnR。管板的数量为2。管板的强度校核：根据浓缩器的结构，管板的一侧为内压容器，另外一侧为外压容器。对管板按内压容器设计方法设计，并按外压容器设计法进行校核。具体的设计及校核方法参见浓缩器加热室筒体的内压设计法及分离室筒体的外压设计法。经计算与校核，管板厚度取25mm是合理的。10、浓缩器管板两端封盖及其结构 浓缩器上端封盖结构 浓缩器下端封盖结构升膜式浓缩器上下两端的封盖结构如上两图所示。1.封盖的连接形式：由于浓缩器的下端封盖不需要打开，采用坡口焊接工艺将其与管板直接焊接成一体。上
11、端封盖应可以打开，采用管法兰与法兰平盖连接密封形式，设计为活密封结构。2.圆筒的参数选择：圆筒的长度不应过长，同时要满足设计的工艺要求，如上图浓缩器上端封盖结构所示，上端的圆筒连接有DN100的蒸汽出口管。选定圆筒的长度为150mm，上下两端采用对称结构，皆选用筒长为150mm。圆筒的公称直径的选择：选用公称直径为DN200的钢管。圆筒与管板焊接，管板的的开槽深度为5mm,等于筒体与管板焊接的开槽深度。圆筒的材料：根据管板的材料并考虑焊接工艺的要求，圆筒的材料同样选择16MnR，以保证焊接结构的工艺性及稳定性，降低焊接结构的热应力，提高焊接结构的稳定性。3.圆筒强度的校核：圆筒内的与换热管联通
12、，真空度为650mmHg，为外压容器设计。取定圆筒的厚度为6mm，根据外压设计法进行设计，具体的设计方法参见分离室筒体的设计。经计算，6mm的厚度是合适的。4.下端端面圆板的设计计算参阅过程设备设计P147表4-8，选用序号4的结构形式。圆板厚度的计算： K结构特征系数，K=0.44m,m= 选用材料为16MnR,查得：在616mm之间，t 取解得4.5mm取端面圆板的厚度最终圆整后取为10mm。5.升膜式浓缩器上端管法兰的选择根据圆筒的公称直径DN200，查阅材料与零部件手册，选用与之相对应的管法兰，具体的连接尺寸等均参见材料与零部件手册。法兰的形式选择凹凸面法兰。公称压力选择6Kg/6.凹
13、凸面法兰盖查阅材料与零部件手册选择DN=200由于管法兰采用凹凸面法兰形式，法兰盖同样采用凹凸面法兰盖与之相配合。11、分离室的设计 1.分离室筒体的尺寸及材料选择 由前述分离室体积计算知，分离室的体积为 取分离室筒体的长径比约为4:3由分离室体积列方程 解得分离室筒体直径为580mm考虑分离室上端连接椭圆形封头，如下图：查阅材料与零部件手册根据椭圆形封头的标准系列，取筒体的直径为550mm。由得L=864mm2.分离室筒体的壁厚设计计算筒体的材料选用低碳钢材料16MnR筒体与换热管内压力相同，真空度为650mmHg 假定名义厚度取则C=2mm 由L/，查阅过程设备设计P130A=0.003查
14、阅过程设备设计P132表4-8B=39MPa则P= 3.分离室椭圆形封头的选择与计算查阅材料与零部件手册取的椭圆形封头取封头厚度具体计算方法筒筒体的设计方法，同样采用外压法进行设计校核，其中A 椭圆形封头的材料选用16MnRB最后解得P=0.2258MPa 4.锥形封头的选择与计算查阅材料与零部件手册，选用90的折边锥形封头公称直径其具体尺寸参见材料与零部件手册锥形封头的厚度计算：选用材料为16MnR外压锥壳的计算按外压容器设计方法进行计算首先假定锥壳的名义厚度再计算锥壳的有效厚度算得锥壳的厚度为7mm是合适的。12、补强计算由于设备有开孔，由GB150知，需对开孔进行补强。本次设计中，开孔的
15、公称直径有DN32、DN40、DN80、DN100、DN150参阅GB150，其中DN32、DN40开孔均满足不另行补强的条件，因此只需对DN100、DN150的开孔进行补强。这里以DN=100的蒸汽出口为例进行补强计算，其余的开孔补强计算与此相同。DN100的蒸汽出口补强：1.补强及补强方法的判别参考过程设备设计P174表4-14，允许不另行补强的最大接管外径为。本开孔外径等于114，因此须进行开孔补强计算。2.补强计算方法判别：开孔直径d=114mm满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。3.开孔补强所需补强面积a.圆筒计算厚度：圆筒的计算厚度取b.开孔所需补强
16、面积：选用材料16MnR ，先计算强度削弱系数 接管有效厚度由前面计算已知为开孔所需补强面积按过程设备设计式4-76计算A=d3+24.有效补强范围a.有效宽度B 按过程设备设计4-79式确定B=2d=2B=114+2取以上B的最大值，所以取B=228mmb.有效高度外侧有效高度 取小值，内侧有效高度按式4-81确定 故5.有效补强面积a.圆筒多余金属面积圆筒有效厚度圆筒多余金属面积 =（B-d）( b.接管多余金属面积 取接管多余金属面积按过程设备设计式4-83计算 =2 ( =2c.接管区焊缝面积（焊脚取6.0） d.有效补强面积 6.所需的另行补强面积 343-36=307拟采用补强圈补
17、强7.补强圈设计根据接管公称直径DN100选补强圈，参照补强圈标准JB/T4736取补强圈外径内径。因B=228mm补强圈厚度为 考虑钢板副偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为14mm。六、各接管及法兰的选择由各接管的公称直径，查材料与零部件手册P587，确定接管的管长，并查材料与零部件手册选择合适的凹凸面法兰。各接管及法兰如装配图所示。七、焊接结构容器设计中的接管及其余的焊接工艺均采用坡口单面焊，局部无损检测，八、技术要求、技术特性表、管口表以及明细表装配图上各图表的绘制尺寸标准参阅化工制图。按照化工制图的规定标准进行绘制。参考书目工程热力学 沈维道、蒋智敏 高等教育出版社2007.12机械制图
18、 何铭新、钱可强 高等教育出版社2004.1化工原理课程设计指导 任晓光 化学工业出版社2009.2化工原理课程设计 申迎华、郝晓刚 化学工业出版社2009.5食品工厂机械与设备 无锡轻工大学 中国轻工业出版社1981.2化工原理 郭宗新 高等教育出版社2008.9化工制图 熊洁羽 化学工业出版社2007.2化工设备设计手册材料与零部件 上海人民出版社1973.8过程设备设计 郑津洋 化学工业出版社2009.1轻化工与食品设备 王友纶 中国轻工业出版社1994.10过程设备设计课程设计心得体会进行本次课程设计之前，我认为化工设备的设计应该不太难的，包括化工设备的参数的选择计算，壁厚的校核，还有
19、标准的确定，但是等深入做设计才发现，并没有那么好做，还好老师把好多重要的参数都给我们了，像化工设备管件在连接方面应该有哪些注意点，就只能查参考书了，把图书馆找了个遍终于找到了想要的。有些书上没有就只能问老师和同学了，比如冷凝水出口和蒸汽出口不应有死角等等，并且不了解化工设备的制图与机械设计制图方面有哪些区别。多亏了催老师和同学的帮助，才使我的设计顺利的进行。的通过这次课程设计，我了解了过程设备设计的基本设计思路，以及要用到的各类参考书，以及设计中的某些需要注意的细节，标准件的选择，为我以后做这方面的工作打下了坚实的基础。使我养成了勤动手的好习惯，再次感谢老师的不厌其烦的指导，文档来源网络，版权归原作者。如有侵权，请告知，我看到会立刻处理。
