如图5所示，20℃的原料液三台列管式换热器换热后达到泡点进入第Ⅰ效蒸发器，在生蒸汽的给热下蒸发大量水蒸气形成二次蒸汽，同时生蒸汽损失热量发生相变冷凝成水，但此时其温度仍很高，是品味很高的热源，可做为第Ⅲ换热器的热流体，由并流加料法的特点知第Ⅱ效蒸发器压力较第Ⅰ效为低，故第Ⅰ效中产生的大量二次蒸汽作为第Ⅱ效的加热蒸汽进入第Ⅱ效，经加热料液冷凝成冷凝水，但较第Ⅰ效的冷凝水温度为低，作为第Ⅱ换热器的热源对原料液进行预热。第Ⅱ效料液的沸点较第Ⅰ效为低，故第Ⅰ效的完成液一进入第Ⅱ效便成过热状态而立即蒸发出大量二次蒸汽，同理，该二次蒸气作为加热蒸汽进入第Ⅲ效蒸发器，其冷凝水温度进一步降低，只能作为第Ⅰ 换热器的热源，对常温下的原料液进行初步的预热。第Ⅲ效蒸发器的二次蒸汽经冷却器冷却，冷凝成水后回收利用。从第三效蒸发器出来的料液已达到所需浓度要求，可输送到储槽储存利用。为实现能量利用的最大化，选择泡点进料，但经换热器Ⅰ～Ⅲ预热后的原料液无法达到泡点，故用高温的过热蒸汽在换热器Ⅳ中对原料液进行进一步加热使其达到泡点。
3. 物性数据及相关计算
3.1蒸发器设计计算
图6 并流加料三效蒸发的物料衡算及热量衡算图
对三效蒸发器进行物料衡算和热量衡算，得到下述结果：
表1 物料计算的结果
效次 加热蒸汽温度，0C 操作压力P'i,kPa 溶液温度（沸点）ti,0C 完成液浓度xi,% 蒸发量Wi，kg/h 蒸气消耗量D，kg/h 传热面积Si,m2 完成液流量kg/h
83.2 8073.4 Ⅰ 143.4 273.33 133.62 10.9 2897.5
Ⅱ 132.64 146.66 111.44 17.5 3078.3 2764.1 83.2 5028.6 83.2 1833.3 Ⅲ 109.95 20 64.15 48 3190.9
冷凝器 60.1 20 3.2换热器设计计算
对换热器进行物料衡算和热量衡算得到如下结果：
表2 物料计算结果
效次
管程进/出口温度，C 壳程进/出口温度，C 管程流量kg/s 壳程流量kg/s 管程流体密度kg/m 壳程流体密度kg/m
管程流体比热容kJ/（kg?℃） kJ/（kg?℃）壳程流体比热容kJ/（kg ?℃）
-7
管程流体粘度 10Pa?s
3300
Ⅰ 20/49 109.5/57.9
57.9 0.768
Ⅱ 49.0/76.5
76.5
132.6/8
3.1 0.805
1300
Ⅲ 76.5143.
Ⅳ 98.6/143.4
0.85
950.1 932.3
1.869
922.5 0.1307
4.233 4.18
43000
4.18 1.850
10Pa?s -7
壳程流体粘度10Pa?s
管程流体热导率W/m?℃
壳程流体热导率W/m?℃
-7
2.114 2.828
0.521
2.72 145
0.685 0.686 0.68 0.029 表3 换热器结构参数
效次 热流量，KW 传热系数，W/(mK)
裕度/% 形式 壳体内径 mm 管径 mm 管长 mm 管子根数 台数 管程数 管子排列 材质 2
ⅠⅡⅢ
5900 600 10
Ⅳ
固定板式换热器 273
400
?25?2.52000 38 3 1 △
碳钢
?25?2.53000 76 1 4 △
3.3管道选材及计算
流体进出口计算公式：
d?4Vsπu
表4 各效冷凝水密度
效次 溶液温度ti,0C 完成液浓度xi,% 冷凝水的密度?水i,kg/m 各效中溶液的平均密度计算：
3Ⅰ 133.62 10.9 931.7 Ⅱ 111.44 17.5 949.9 Ⅲ 64.15 48 981.0 ?i??FFF???水i VV水?F?FXi?/?水i1?Xi?1?931.7?1045.7kg/m3
1?0.109949.9?2??1151.4kg/m3
1?0.175?3?981.0?1886.5kg/m3
1?0.483.3.1料液管道管径的确定
为统一管径，按第Ⅰ效的流量计算，溶液的适宜流速按强制流动算，即
u?0.8~15 m/s,此处选取u?0.8 m/s则
VS?d?F11000??0.0029 m3/sρ11045.7?36004Vs4?0.0029??0.06795m=67.95mmπu??0.8
依据钢管的常用规格选为?76?3.5mm的标准管。 3.3.2加热蒸汽管道与二次蒸气管道管径的确定
表5 流体的适宜流速
强制流体的液体，m/s 自然流体的液体，m/s
0.8～15
饱和蒸汽适宜的流速
0.08～0.15
饱和蒸汽，m/s
20～30
空气及其他气体，m/s
15～20
u?20~30 m/s, 此处取u气?30 m/s
为统一管径，取体积流量最大的末效流量为计算管径的体积流量，则
VS3?d气?W33190.9??6.7816m3/sρ30.1307?36004VS3πu气?4?6.7816?0.5366m=536.6mm??30
依据无缝钢管的常用规格选用为?600?10mm的标准管。 3.3.3冷凝水管道管径的确定
冷凝水的排出属于自然流，u?0.08~0.15 m/s, 设u冷凝水?0.15 m/s 分别计算各效冷凝水的管径：
D2764.1VS1????8.24?10?4 m3/s
ρ水1931.7?3600 d1??4VS1?4?8.24?10?4??103?83.65mm
πu冷凝水??0.15W2897.5VS2??1??8.47?10?4 m3/s
ρ水2949.9?3600 d2??4VS2?4?8.47?10?4??103?84.83 mm
πu冷凝水??0.15W3190.9VS3??2??9.04?10?4 m3/s
ρ水3981.0?3600 d3??4VS3?4?9.04?10?4??103?87.60mm
πu冷凝水??0.15 为统一管径，取计算得到各效最大的管径为设计的管径，则
d3??87.60mm
依据无缝钢管的常用规格选用直径为?95?3.5mm的标准管。
表6 主要管道尺寸的确定
加热管主要结构 料液输送管道管径
加热蒸气与二次蒸气输送管道管径
冷凝水管道管径
设计尺寸
?76?3.5mm
?600?10mm ?95?3.5mm
3.4管材的选择
在进行压力管道设计时，管径经计算确定以后，就要选择管子的材料。压力管道常用管子材料的使用是根据所输送介质的操作条件(如压力、温度)及其在该条件下的介质特性决定的。材料选择不当，会造成浪费或埋下事故隐患。如可以用普通材料的管子时，选用了较昂贵材料的管子，就增加了不必要的基建投资。该用耐酸不锈钢的场合用了碳钢就会直接影响压力管道的正常运行，甚至留下祸根。所以在选择管子材料时，要求设计人员首先要了解管
化工设计课程设计-- 管道设计计算
