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1、 学号： 敏感词 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2014届）题 目 15吨/小时废水降膜蒸发器 学 生 敏感词 学 院 机械工程学院 专 业 班 级 敏感词 校内指导教师 敏感词 专业技术职务 敏感词 校外指导老师 专业技术职务 二一四年六月standards and specifications, serial number a 1 GB3323-2005 steel fusion welded butt joints, welding engineering-Ray lighting and quality rating of 2 GB11345-89 steel welds manu
2、al methods of ultrasonic inspection and testing results for grade 3 GB50236-2002 industrial pipe welding engineering code for construction and acceptance of field equipment 4 HGJ222-92 technical specification for welding of aluminium and its alloys 5 low temperature steel welding procedure 6 SH3525-
3、2004 petrochemical JB/ T4708-2000 of welding procedure qualification for steel pressure vessels 7 JB/4709-2000 8 JB4730-2005 pressure vessel welding procedures of steel pressure vessel NDT 9 JB/T4744-2000 steel pressure vessel products mechanical properties test of welded plate II, mechanical equipm
4、ent installation engineering 1 GB150-98 2 GB50128-2005 vertical cylindrical steel pressure vessel steel welded tank code for construction and acceptance of 3 JB/ T4735-1997 steel welded atmospheric pressure vessel 4 GB50231-2009 mechanical equipment installation engineering construction and acceptan
5、ce specification for 5 GB50275-98 compressor, fan and pump installation engineering construction and acceptance specification for lifting 6 HG20201-2000 construction installation engineering construction standard 7, HG . Pressure gauges, using an installed spark arrestor for acetylene cylinders, ill
6、egal carrying, using gas cylinders, each operator fined 20 Yuan. Gas bottle without the hot sun exposure measures, responsibilities of team a fine of 50 Yuan. (7) at height and the opening and provisional protective measures have been taken, the responsible unit fined 200 Yuan, construction person i
7、n charge a fine of 50 Yuan. (8) no permit to work and the job in accordance with the provisions, on the job unit fined 300 yuan, the unit will charge15吨/小时废水降膜蒸发器 摘 要：蒸发浓缩结晶技术是工业中极其重视的一类化工技术，它具有高效节能环保的优点，同时又是企业减少能源消耗、降低生产成本的重要手段。其中用蒸发系统自身产生的二次蒸汽及其能量，经蒸汽压缩机压缩做功，提升二次蒸汽的热能，如此循环向蒸发系统供热，从而减少对外界能源的需求的一项节能
8、技术机械式蒸汽再压缩技术是作为较多采用的一种技术。其技术目标：一方面对废水进行低温节能蒸发，回收盐分，降低能源消耗；另一方面利用自身产生的二次蒸汽作为热源维持系统的热平衡工作。本文主要研究15吨废水降膜蒸发器的整体设计。主要设计内容：（1） 降膜蒸发器传热工艺设计：根据给定的设计参数，进行物料衡算、换热面积、管数、校核传热系数等的计算。（2） 强度计算以及结构设计：主要是设计降膜蒸发器的总体结构及各零部件（如接管、法兰、折流板、定距管、管箱、支座等），包括：材料的选择、具体尺寸确定、管板的计算校核、壳体法兰的计算、开孔补强计算、拉杆的结构形式等。（3） 绘制降膜蒸发器CAD总装图、装配图及若干
9、关键零部件CAD图。设计结果表明：（1）此次设计的降膜蒸发器的压降管、壳程分别为8.6 kPa和2.9 kPa所以具有压降小的特点；（2）蒸发器的传热系数为1596.2，具有蒸发能力高、节能降耗、运行费用低、压降小、效率高等特点；（3）加热室的公称直径为1600mm，厚度为14mm，分离室的公称直径为1600mm，高度为2.5mm，厚度为14mm；（4）设备结构简单、便于加工制造。关键词: 降膜蒸发器；热力计算；结构设计；强度校核；节能。I15 t/h Wastewater Falling Film Evaporator Abstract: Evaporating crystallizatio
10、n technology is extremely importance to a class of chemical technology in the industry, it has the advantages of high efficiency and saving energy, it can also make enterprises reduce energy consumption and cost. An energy saving technique scheme of mechanical vapor recompression has been developed
11、for the evaporation and concentration of high salinity wastewater. Its technical goals: on the one hand to low temperature energy-saving evaporation of waste water, recycling salt, reduce energy consumption; On the other hand to use itself to produce secondary steam as heat source of maintaining the
12、 system heat balance work. This paper mainly studies the integral design of the falling film evaporator 15 tons of waste water. (1) The heat transfer calculation of effect falling film evaporator was carried out. According to the given design parameters, heat exchanging area, the number of the pipe,
13、 pressure drop and check the heat transfer coefficient were calculated.(2) The structural design and strength calculation. The overall structure and parts of falling film evaporator, such as, tube sheets, pipe nozzles, flanges, baffle plates, pipe spacers, headers, supports and so on, including sele
14、cting materials, determining the specific sizes, determining the specific location, calculating and checking tube sheets, calculating shell flanges, calculating opening reinforcement and so on were mainly designed. (3) The general assembly CAD drawing, assembly drawing and key parts CAD drawings had
15、 been finished.The design results show that this falling film evaporator has low pressure drops. Tube side pressure drop is 8.6 kPa, shell side pressure drop is 2.9 kPa. The heat transfer coefficient of evaporator is 1596.2W/(m2). It has several benefit of high evaporation capacity, energy saving an
16、d consumption reducing, low pressure drop and high efficiency. Heating chamber is 14 mm thick and 9293 mm high with the nominal diameter of 1900 mm. Separation chamber is also 14 mm thick and 2500 mm high with the nominal diameter of 1900 mm. The equipment has a simple structure and it is manufactur
17、ed easily.Key words: MVR evaporation energy-saving system; falling film evaporator; heat calculation; architectural design; strength check; energy saving.V目 录摘要IAbstractII目 录III术 语 表VI1 引言11.1 蒸发器国内发展现状和发展趋势11.2 蒸发器国外发展现状和发展趋势11.3降膜蒸发器的原理与分类21.4 研究目的及其意义21.5 项目背景及主要设计内容21.5.1 项目来源及研究目标21.5.2 本文主要工作3
18、2 传热工艺设计42.1基本设计参数42.2 壳程，管程料液的物性参数的确定42.3 热力计算52.3.1 物料衡算52.3.2 热量衡算62.3.3 传热面积的计算62.3.4 加热室的工艺计算82.3.5 分离室的工艺计算92.3.6 加热室传热系数的校核102.4接管尺寸的确定122.4.1溶液进出口122.4.2加热蒸汽进口122.4.3壳程接管计算122.5 压力损失计算132.5.1管程压力降的计算132.5.2壳程压力降计算132.6蒸发器传热工艺计算结果汇总142.7 设计条件图163 结构设计及强度计算173.1 厚度计算173.1.1筒体厚度计算173.1.2封头厚度计算1
19、93.1.3 分离室的厚度计算223.2 降膜蒸发器分布器的设计223.3 法兰结构选型223.3.1 接管法兰选型223.3.2 压力容器法兰选型243.4 接管的开孔补强计算293.4.1加热蒸汽进口、出料口接管补强293.4.2 冷凝水出口开孔补强313.4.3 管箱开孔补强313.4.4 排气孔、排液孔开孔补强313.5 管板的选型计算323.6折流板的型式与布置423.6.1折流板型式423.6.2 折流板的布置443.7拉杆的选型计算453.7.1确定拉杆的结构形式453.7.2 拉杆直径和数量453.7.3 拉杆的尺寸463.8 定距管463.9 换热管孔及拉杆孔布置463.9.
20、1 换热管管孔尺寸463.9.2 布管限定圆463.10管子与管板的连接473.11接管的尺寸及位置473.11.1接管尺寸473.11.2 管箱接管位置的最小尺寸483.11.3 壳程接管位置的最小尺寸483.12 膨胀节的设计493.13 支座的选型及计算523.13.1质量计算533.13.2耳式支座的校核543.13.3吊耳的选型573.14加热室参数汇总573.15分离室的设计583.15.1 除沫器的设计583.15.2 分离室内二次蒸汽出口接管尺寸593.15.3 分离室二次蒸汽出口接管法兰593.15.4 分离室视镜的选型设计593.15.5 分离室耳式支座的选型603.16
21、焊后热处理604 蒸发器的制造、检验与验收614.1 蒸发器类别的判定614.2 设备制造要求614.2.1 封头614.2.2 圆筒体或壳体614.2.3 管板624.2.4 蒸发器组装624.3 无损检测624.4 设备用铭牌应注明的内容635 蒸发器的安装、试车与维护645.1 安装645.1.1 场地和基础645.1.2 安装前的准备645.2 试车646 结束语65参 考 文 献66致 谢68术 语 表DN：公称直径：公称压力：壳程设计压力：壳程圆筒和管箱圆筒内直径：管程设计压力：名义厚度：有效厚度：计算应力：设计温度下计算厚度：焊接接头系数：圆筒许用应力：圆筒弹性模量：许用压力，；
22、：屈服点：换热管许用应力：锻件的许用应力：换热管弹性模量：换热管回转半径：锻件的弹性模量：强度削弱系数 K：管子加强系数：系数：管子金属截面积：管板材料的弹性模量：管束的无量纲刚度：无量纲压力：管板刚度削弱系数：管板周边不布管区无量纲宽度：旋转刚度：壳体法兰材料弹性模量：旋转刚度无量纲参数：换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差：有效压力组合：边界效应压力组合：管板边缘力矩系数：管板边缘剪切系数：管板总弯矩系数：管板径向应力系数：管板布管区周边处径向应力系数：管板布管区周边剪切应力系数：管板径向应力：管板布管区周边处径向应力：管板布管区剪切应力：管子应力：壳程圆筒轴向应力：拉脱应力：壳程圆筒内横截面积
23、：换热管受压失稳当量长度：管板开孔后面积：校核圆筒应力：旋转刚度 ：水压试验压力：厚度附加量：换热管外径：钢板厚度负偏差：换热管中心距：腐蚀裕量：拉杆直径n：换热管根数：拉杆孔直径：均布载荷：支座反力N：竖直剪力N：力矩常州大学本科生毕业设计（论文）1 引言1.1 蒸发器国内发展现状和发展趋势随着能源价格的上涨和环保水平的不断提高，工业上对耗能设备的要求也越来越高，提高蒸发器的传热性能和蒸发效率对于工程投资和节能降耗都具有重要意义。国内外产生的工业污废水日益增多，环境治理的呼声也越来越大，所以废水处理回收以及再利用的研发愈显重要。将工业污废水降膜蒸发是较科学的污废水处理方法之一。 MVR节能蒸
24、发器技术是目前国际最为先进的蒸发器技术，仅需要极少量生蒸汽，极大地降低企业运行成本，减少环境污染。由于采供用压缩机提热源，和传统蒸发器相比，温差小得多，能够达到低温蒸发，极大地提高产品质量、降低结垢中国是一个“世界加工工厂”，并且是一个在资源方面消耗巨大的国家。在国内MVR蒸发器可以说具有广大的市场空间。国内对MVR的研究才刚开展，进展还暂时比不上国外一些发达国家，但是随着国家对生态环境愈发重视以及后来发布的节能环保减排政策，MVR技术得到了越来越关注，如今不断有MVR在海水淡化、制盐、废水处理等行业的经济性和能效性分析研究、实验研究和应用研究方面的成果报道1。作为MVR系统中的关键设备，蒸发
25、器的传热性能对整个系统的节能起着非常重要的作用。对于降膜蒸发器的研究，多集中于采用试验和模拟方法研究降膜蒸发器流动和传热情况以及影响因素情况。国内外文献中关于各参数的影响规律描述众多，但有些观点并不统一且大多数结论并不全面，甚至未能给出定性结论。这与所进行的试验研究工况不同有关，说明降膜蒸发器性能的影响因素复杂。无论在流动还是传热上都仍需要深入研究，具有可供很大的开发性。MVR节能蒸发器技术是目前国际最为先进的蒸发器技术，仅需要极少量生蒸汽，极大地降低企业运行成本，减少环境污染。由于采供用压缩机提热源，和传统蒸发器相比，温差小得多，能够达到低温蒸发，极大地提高产品质量、降低结垢。人们对MVR还
26、不是很了解，但随着逐渐国内外研究的进展，MVR蒸发器必将会逐步取代传统多效蒸发器2。1.2 蒸发器国外发展现状和发展趋势早期，德国和法国已经成功将MVR蒸发技术应用于化工、造纸、制药、污水处理、海水淡化等行业。它的工作原理是将料液自降膜蒸发器加热室上管箱加入，经液体分布及成膜装置，均匀分配到各换热管内，在重力和真空诱导及气流作用下，成均匀膜状自上而下流动。流动过程中，被课程加热介质加热汽化，产生的蒸汽与液相共同进入蒸发器的分离室，汽液经充分分离，蒸汽进入冷凝器冷凝（单效操作）或进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实现多效操作，液相则由分离室排出3。国外已经申请了相当一部分专利,如加拿大米诺扎拉吉
27、的机械蒸汽再压缩分离处理，日本大川原制作所研制出一种新型真空蒸发器，这种蒸发器将动力蒸汽再压缩与高速涡流蒸发器结合在一起,以减少能耗和其他运行费用。它的投资与普通蒸发器大体相同,但运行费用低1/3，德国的GEA公司板式蒸发器，美国PSI公司蒸汽压缩型高浓度废水蒸发浓缩设备等都具有颇为成熟的技术与成产条件4。英国每年由此造成的损失较大Van Nostrand等人估计，其中蒸发器占25%左右。污垢带来的经济损失主要表现在：，导致设备投资上升；污垢使介质流动的摩擦阻力增大，；污垢的清洗费用以及由于污垢清洗使工厂停工带来的损失5。1.3降膜蒸发器的原理与分类，通过物料循环泵在加热管内循环。初始蒸汽用新
28、鲜蒸汽在管外给热，产生的二次汽由涡轮增压风机吸入，经增压后，二次汽温度提高，作为加热热源进入加热室循环蒸发。正常启动后，涡轮压缩机将二次蒸汽吸入，经增压后变为加热蒸汽，就这样源源不断进行循环蒸发。蒸发出的水分最终变成冷凝水排出。蒸发设备由蒸发器、冷凝器和抽气泵等部分组成。由于各种溶液的性质不同，蒸发要求的条件差别很大，因此蒸发浓缩设备的形式很多，按不同的分类：(1) 常压蒸发浓缩设备；(2) 真空蒸发浓缩设备；(3) 升膜式蒸发浓缩器；(4) 降膜式蒸发浓缩设备；(5) 薄膜式蒸发浓缩器；(6) 中央循环管式蒸发浓缩设备；(7) 盘管式蒸发浓缩设备等。1.4 研究目的及其意义蒸发器作为MVR
29、系统中的关键设备，其传热性能对整个系统的节能起有着非常重要的作用，特别是对低温蒸发的MVR 系统来说，蒸发器的高效传热显得尤为重要，关系到整个MVR 系统是否能利用系统自身蒸发产生的二次蒸汽能量维持系统的正常运行。此次的毕业设计主要是：15吨废水降膜蒸发器设计。设计的前半部分是传热工艺设计部分，主要是根据给定的设计设计参数，进行换热面积、管数、校核传热系数、压力降等的计算。设计的后半部分则是关于结构和强度的设计，主要是设计蒸发器各零部件（如管板、接管、法兰、折流板、定距管、管箱、支座等），包括：材料的选择、具体尺寸确定、具体位置的确定、管板的计算校核、壳体法兰的计算、开孔补强计算等。1.5 项
30、目背景及主要设计内容1.5.1 项目来源及研究目标降膜蒸发器是一种高效的蒸发设备，具有温差小、停止时间短、结构紧凑、不受限制等优点。，：竖直管降膜蒸发器、板式降膜蒸发器及水平管降膜蒸发器4。的日益提高，工业上对耗能设备的要求也逐渐升高，提高蒸发器的传热性能及蒸发效率对于工程投资和节能降耗具有重要意义。针对降膜蒸发器的研究也逐渐增多，主要是用于海水淡化、吸收式制冷、蒸汽压缩式制冷系统中蒸发器等领域，研究内容主要是流动模式、单管换热性能、强化传热等方面。本着节能减排的原则，常州大学张琳教授课题组在常州生物科技有限公司小试装置运行的基础上，应企业的需求，提出采用MVR蒸发节能系统对高含盐废水进行蒸发
31、浓缩处理。本毕业设计团队就是在常州大学张琳教授课题组的指导下，根据企业提供的工艺参数和要求，本毕业设计对MVR蒸发节能系统的总体设计方案、系统中关键设备的传热工艺设计计算、结构设计及其强度校核、制造加工检验等工作进行设计和研究。帮助企业实现高含盐废水的高效节能蒸发浓缩处理ben 。1.5.2 本文主要工作具体设计内容：（1）了解废水降膜蒸发器的处理工艺过程；（2）效降膜蒸发器热力设计计算，包括： 热平衡计算：根据效降膜蒸发器管程原料蒸发提供给壳程的二次蒸汽量进行冷、热流体间的热平衡计算，确定管程原料进口流量、管程蒸发量及传热对数平均温差； 总传热系数的计算：初步确定蒸发器的结构，冷、热侧流体的
32、对流换热系数及总传热系数的计算； 总传热面积的确定：根据传热方程，确定蒸发器的总换热面积和最后结构参数； 流动阻力计算：根据所确定的设备结构参数，确定冷、热流体的流动压力降。（3）蒸发器结构设计及强度校核计算： 蒸发器总体结构及零部件进行设计（如管板、接管、法兰、折流板、定距管、管箱、支座等），包括：材料的选择、具体尺寸确定、具体位置的确定、管板的计算校核、壳体法兰的计算、开孔补强计算等； 对主要受压元件进行强度校核计算；（4）设备工程图纸绘制：绘制效降膜蒸发器CAD装配图、若干关键零部件CAD图及效降膜蒸发器三维结构立体图。第 67 页 共 68 页2 传热工艺设计2.1基本设计参数按照团队
33、组长给定的设计任务书，本设计的基本设计参数如表2.1所示。表2.1基本设计参数参数名称数据管程进料温度 73管程饱和液温度 73管程进料浓度 10饱和液浓度 30壳程蒸汽进口温度 85壳程凝结水出口温度 85管程料流量 kg/h150002.2 壳程，管程料液的物性参数的确定由任务书给定数据可知：（1）壳程饱和蒸汽的定性温度二次蒸汽温度：壳程冷凝水温度：所以，壳程饱和蒸汽的定性温度为： (2.1)（2）管程加热定性温度进料温度：。出料温度：。所以，管程的定性温度为： (2.2)根据壳程和管程的定性温度查化工工艺设计手册6得到相应温度下的物性参数如表2.2，表2.3所示。表2.2 壳程料液的物性
34、参数参数名称数据参数名称数据饱和蒸汽的定性温度 =85汽相比热 汽相密度 汽相导热系数汽相粘度 汽相普朗特数二次蒸汽的密度 汽化潜热 kJ/kgr =2294.6表2.3 管程料液的物性参数参数名称数据参数名称数据加热定性温度 =73液相密度 液相比热液相导热系数 液相粘度 液相普朗特数汽化潜热 kJ/kgr =2356.57比容 kJ/（kg.K)Cp=3.7242.3 热力计算2.3.1 物料衡算对整个蒸发系统做溶质的物料衡算，根据化工原理7P317按式（2.3）进行计算： (2.3)式中：； ； ，%； ，%。 得W=100002.3.2 热量衡算根据任务书的已知条件，进行热量平衡计算，
35、可以算出蒸发器加热蒸汽的消耗量，取整个蒸发器为系统，根据文献7P317按式（2.4）进行热量衡算： (2.4)式中：； ； ； ； ； ； 。故加热蒸汽用量可用以下公式计算： (2.5)设蒸发器的热损失=0，根据二次蒸汽温度：，壳程冷凝水温度，加热蒸汽查表得：（1）加热蒸汽的焓：=2651.1；（2）二次蒸汽的焓：=2629.82；（3）冷凝水的焓：=354.88；（4）进料液的焓：；（5）完成液的焓：；将相应的数据代入（2.5）得： 9987.262 kg/h2.3.3 传热面积的计算蒸发器所需的传热面积A，根据文献7P320公式（5-27）进行传热速率方程计算： (2.6)式中：（1） 蒸
36、发器加热室的传热速率（热负荷） (2.7) =22962200KJ/h=6378000W（2） 对数平均温度差 对于只有相变无温度变化对数平均温差按式（2.6）计算，即 (2.8)T加热蒸汽的温度t操作条件下溶液的沸点 （3） 试选传热系数根据文献7得蒸发器的总传热系数值如表2.4所示。表2.4 蒸发器的总传热系数K值蒸发器的型式总传热系数水平沉浸加热式6002300标准式（自然循环）6003000标准式（强制循环）12006000悬筐式6003000外加热式（自然循环）12006000外加热式（强制循环）12007000升膜式12006000降膜式12003500蛇管式3502300查文献7
37、P321表5-2如表2.3.1，选=1250用式（2.7）初算传热面积： (2.9）为了保证安全，取安全系数10% (2.10)2.3.4 加热室的工艺计算查化工原理课程设计参考资料蒸发器8P146附录J，选用直径为453、长为6的无缝钢管作为加热管，则换热管外径 =0.045 ，换热管内径 =0.039，管长 L=6。（1） 根据加热管的规格和长度初步估计蒸发器加热室所需的加热管数： (2.11)式中：； ； ； 。（2） 加热管按正三角形排列如图2.1所示:图2.1 加热管排布方式 由GB151-19999P77得，管束中心线上的管数约为：1.1x=25 (2.12)式中： 。取=25，则
38、半圆内管排为25，22，10，4共15排，整圆内管排为29排，实际排管共593根加热管。（3） 通过上述计算可得实际换热面积：503 (2.13)（4） 由此可得，实际换热面积与估算面积之比为 (2.14)符合要求。（5） 确定换热管中心距：查GB150-201110P244表6-2如下表2.5得换热管中心距为0.057。表2.5 常用的换热管中心距换热管外 1214192532384557换热管中心距 1619253240485772（6） 管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离为：查文献8P281得： (2.15)（7）管束最大布管圆直径为 (2.16)（8）查文献7P288得加热室内
39、径为 (2.17) 加热室内径取1600mm式中：加热室内径，m； S管子中心距，m； 管束中心线管子数； 管束中心线最外层管子的中心至壳体内壁的距离，取。取 。 2.3.5 分离室的工艺计算(1) 取分离室的高度为。(2) 二次蒸汽的密度为0.2245，取允许的蒸发体积强度，所以由文献7P79公式（2-22）分离室体积为： (2.18)(3) 可得分离室内径为： (2.19)(4) 高径比 (2.20)符合高径比在12范围内的这个规定。2.3.6 加热室传热系数的校核（1）回流量的估算如式（2.21）所示： (2.21) （2） 管程流体流量为： (2.22)（3）根据经验，取管程流速=1.
40、5，则管程雷诺数为： (2.23)（4） 管程换热系数的计算：由文献7P289-290得： (2.24) 因为， （2.25）所以管程换热系数：（2.27） （2.28）式中（1）q沸腾热流密度， （2）饱和液体的动力粘度，（3）r=2356569汽化潜热，J/Kg（4）饱和液体和饱和蒸汽密度 (5)蒸汽-液体界面的表面张力，N/m查化学化工物性数据手册P472(6)取决于加热表面-液体组合情况的经验常数见石油化工设备设计选用手册P100(7)s=1经验指数，对于水s=1其他液体s=1.7(8)饱和液体普朗特数（9）壁面与液体温差（5）壳程传热系数的校核计算：查文献7得 （2.29）（6）加热
41、室换热系数的校核计算文献7附录22，取管程的污垢热阻 ，壳程的污垢热阻 ，由此计算加热室的传热系数为： (2.30) （16）传热系数与假设值之比为： (2.31)传热系数有15.8%的余量所以说明设计满足要求。 2.4接管尺寸的确定由文献7P289得流体进出口接管的内径计算式如式（2.38）所示： (2.32)2.4.1溶液进出口根据文献7P289取u=1.5m/s溶液体积流量： (2.33)溶液进出口直径： (2.34)据GBT17395-2008取标准管65mm。2.4.2加热蒸汽进口 根据文献7P289取u=30m/s。蒸汽体积流量： (2.35)加热蒸汽进口、二次蒸汽出口直径： (2.36)选用标准尺寸80020mm的无缝钢管。2.4.3壳程接管计算（1）壳程入口接管尺寸 (2.37) 取6009mm无缝钢管（2） 冷凝水出口接管尺寸 (2.38) 取503mm的无缝钢管2.5 压力损失计算