蒸發(fā)工段設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果報(bào)告

吸收液后處理中蒸發(fā)工段設(shè)計(jì)報(bào)告1.概述在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，往往需蒸發(fā)大量水分，這就需要消耗大量能源加熱水產(chǎn)生蒸汽。為了減少加熱蒸汽的消耗，可采用多效蒸發(fā)。將加熱蒸汽通入一蒸發(fā)器，則溶液受熱而沸騰，而產(chǎn)生的二次蒸汽其壓力與溫度較原加熱蒸汽（即生蒸汽）為低，但此二次蒸汽仍可設(shè)法加以利用。在多效蒸發(fā)中，則可將二次蒸汽當(dāng)作加熱蒸汽，引入另一個(gè)蒸發(fā)器，只要后者蒸發(fā)室壓力和溶液沸點(diǎn)均較原來(lái)蒸發(fā)器中的為低，則引入的二次蒸汽即能起加熱熱源的作用。同理，第二個(gè)蒸發(fā)器新產(chǎn)生的新的二次蒸汽又可作為第三蒸發(fā)器的加熱蒸汽。這樣，每一個(gè)蒸發(fā)器即稱為一效，將多個(gè)蒸發(fā)器連接起來(lái)一同操作，即組成一個(gè)多效蒸發(fā)系統(tǒng)。加入生蒸汽的蒸發(fā)器稱為第一效，利用第一效二次蒸汽加熱的稱為第二效，依此類推。產(chǎn)生循環(huán)利用，于多次重復(fù)利用了熱能，顯著地降低了熱能耗用量，這樣大大降低了成本，也增加了效率。基于本工段中的蒸發(fā)任務(wù)濃度升較小，料液沸點(diǎn)升高較小，無(wú)相變過程發(fā)生，我們選定利用雙效蒸發(fā)裝置來(lái)完成蒸發(fā)任務(wù)。蒸發(fā)目的：去除液體中的部分水，保持全流程中液體總量平衡和水平衡。蒸發(fā)手段：多效蒸發(fā)。2.物流原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)規(guī)定物流原始數(shù)據(jù)如下表表2-1物流原始數(shù)據(jù)表1hr內(nèi)/kgPOORRICHH2O5000035757Na+32893289OH-24512451即：每小時(shí)蒸發(fā)14243kg水。2.1蒸發(fā)裝置的選擇根據(jù)物流情況，純凈的氫氧化鈉堿性溶液，液體量較大，濃度較低，沸點(diǎn)升高較大，但粘度小，無(wú)熱敏性，不易結(jié)垢，整個(gè)過程中不涉及到結(jié)晶，選擇使用外循環(huán)式蒸發(fā)器，與料液接觸的部分選擇耐堿性能良好的304不銹鋼。2.2 蒸發(fā)動(dòng)力的選擇：采用MVR技術(shù)為系統(tǒng)提供蒸汽動(dòng)力，如額外需要蒸汽，采用4bar（143）低壓蒸汽。2.3 蒸發(fā)效數(shù)的選擇：從經(jīng)濟(jì)角度和技術(shù)角度來(lái)看，雙效比單效節(jié)約蒸汽量約48%，三效蒸發(fā)比雙效蒸發(fā)節(jié)約30%。因?yàn)榭傮w濃度提升不大，在保證級(jí)之間的溫差的情況下，選擇雙效蒸發(fā)。2.4 蒸發(fā)流程選擇：傾向于簡(jiǎn)單，自然地流動(dòng)狀態(tài)，不需額外的泵送能量，且結(jié)構(gòu)緊湊，易于操作和控制，選擇并流流程。3.工藝計(jì)算原料液量F：55400kg/h總蒸發(fā)量W及各效蒸發(fā)量：W=F(1-X0Xn）=50-35.757=14.24 t/h根據(jù)并流蒸發(fā)的多效蒸發(fā)，考慮到其中的閃蒸現(xiàn)象，取兩效蒸發(fā)的蒸發(fā)量之比：W1:W2=1：1.1即W1=6.78 t/h，W2=7.46 t/h估算各效溶液沸點(diǎn)和有效總溫差：設(shè)定總壓力差為30kpa表3-1一效與二效對(duì)比表效數(shù)一效二效二次蒸汽壓力pi/kPa180100二次蒸汽溫度Ti/117.199.7二次蒸汽汽化潛熱ri/（kJ/kg）2210.62257因?yàn)槿芤航M成變化等因素導(dǎo)致的溶液沸點(diǎn)升高在aspen中會(huì)根據(jù)物性數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算（濃度很低，沸點(diǎn)升高很小）液柱靜壓力產(chǎn)生的溫度差損失：pm1=p1+m1gL2=180+1120*9.81*22*103=196 kPapm2=p2+m2gL2=100+1190*9.81*22*103=112 kPa兩個(gè)時(shí)刻下對(duì)應(yīng)的水的飽和溫度是119.2與103.0，溫度差損失總計(jì)119.2-117.1+103.0-99.7=5.4此時(shí)，有效總溫差略小于143-99.7-5.4=47.9溶液沸點(diǎn)的變化和有效總溫度差的計(jì)算：Aspen Plus中會(huì)自動(dòng)根據(jù)物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于低濃度的濃縮，影響很小。加熱蒸汽消耗量及各效蒸發(fā)除水量：通過多效蒸發(fā)各級(jí)焓衡算式和效水分蒸發(fā)量公式迭代計(jì)算即可，由于溶液濃度變化僅有2%左右，故近似認(rèn)為每效熱利用系數(shù)相等。=0.98W1=D1r1r1W2=W1r2r2-(FCp0-W1CPw)t2-t1r2W1+W2=14243通過Aspen Plus對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行模擬，并綜合以上的理論計(jì)算，得到以下數(shù)據(jù)：第一效蒸發(fā)量：6549kg/h，第二效蒸發(fā)量：7812kg/h，蒸汽消耗量：6938kg/h傳熱系數(shù)估算：外循環(huán)式蒸發(fā)器與自然流動(dòng)相結(jié)合，其中管內(nèi)溶液沸騰傳熱系數(shù)受影響因素較多，且均為經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，通過查閱手冊(cè)，自然對(duì)流的外加熱式蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)選定為：第一效1600W/（m2），第二效2000W/（m2）蒸發(fā)器的傳熱面積：Q1=D1r1S1=D1r1Kt1利用Aspen Plus對(duì)設(shè)計(jì)好的兩效蒸發(fā)進(jìn)行核算，第一效的有效傳熱溫差為143-119.2=23.8，第二效的有效傳熱溫差為119.2-103=16.2可以計(jì)算得到：S1=126.5m2S2=126.8m2客觀值誤差小于0.3m2，試差結(jié)果合理可行。平均值取整后為126.6 m2.4.工程設(shè)計(jì)利用現(xiàn)代計(jì)算方法對(duì)再沸器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)（Aspen EDR），首先對(duì)其進(jìn)行理論計(jì)算蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸：選用25mm2.5mm不銹無(wú)縫鋼管，但考慮到NaOH溶液濃縮期間，據(jù)不可能出現(xiàn)少量結(jié)晶引起結(jié)垢，管長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)，取3m。加熱管的根數(shù)n=Sd0（L-0.1）=126.63.140.025（2-0.1）=846（根）加熱室直徑及加熱管數(shù)量：加熱管取正三角形排列，管心距取標(biāo)準(zhǔn)化值32mm，正三角排列系數(shù)為1.1，直徑排列管數(shù)為3801.1=32根，邊界管系數(shù)為1.5，理論直徑為32*32=1024mm，可取直徑為1000mm。分離室直徑與高度：V=W3600U其中U為蒸發(fā)體積強(qiáng)度，第二效的蒸發(fā)體積最大，為了保持各效蒸發(fā)室的尺寸一致，故利用第二效U值進(jìn)行計(jì)算。取U值為1.2V=781236000.5791.2=3.2m亦可取加熱室與蒸發(fā)室相同，可得分離室總高度H=4VD2=1.6m高徑比為1:1，在適合范圍內(nèi)。接管尺寸：以最大的溶液進(jìn)量為準(zhǔn)，取第一效的流量，且保持流速使得液體處于強(qiáng)制湍流狀態(tài)。D1=4Vu=45540038=0.133m 取DN=125mm。其余管道直徑均可同理獲得（同理可得第一效蒸汽出口D2=4Vu=465493.143036002.347=0.182m 取DN=200mm。加熱蒸汽進(jìn)口D3=4Vu=478113.143036002.529=0.191m 取DN=200mm第一效出口液體D4=4Vu=44887030.129m 取DN=125mm外循環(huán)循環(huán)管D5=4Vu=410670330.192m 取DN=200mm加熱蒸汽出口D6=4Vu=478113.1420360010.62=0.114m 取DN=125mm）但基于實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，在EDR中，我們選擇最接近TEMA換熱標(biāo)準(zhǔn)的接管尺寸，進(jìn)液接管（料液與回流液）尺寸為DN150，再沸器蒸汽出口DN300，加熱蒸汽進(jìn)口DN300，冷凝蒸汽液體出口DN80。蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備設(shè)計(jì)和選型：氣液分離器：選擇絲網(wǎng)式除沫器，絲網(wǎng)直徑選擇與分離室相同，層數(shù)為2，厚度選100mm蒸汽冷凝器：根據(jù)節(jié)能的需要，蒸汽中的熱量需要被二次利用，故不選擇常規(guī)的冷卻水淋水冷卻。此處利用一個(gè)固定管板式換熱器對(duì)蒸汽進(jìn)行冷凝，冷凝后的液體為蒸汽冷凝水，可進(jìn)行二次利用。計(jì)算結(jié)果列表表4-1計(jì)算結(jié)果列表效數(shù)第一效第二效加熱蒸汽溫度Ti/143119.2操作壓力pi/kpa180100溶液沸點(diǎn)ti/117.1103完成液濃度xi/%11.0513.15蒸發(fā)水分量W/kg65497812蒸汽用量D/kg6938傳熱面積S/m2126.6126.65.蒸發(fā)節(jié)能優(yōu)化MVR是機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)（mechanical vapor recompression）的簡(jiǎn)稱，是利用蒸發(fā)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的二次蒸汽及其能量，將低品位的蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)的機(jī)械做功提升為高品位的蒸汽熱源。如此循環(huán)向蒸發(fā)系統(tǒng)提供熱能，從而減少對(duì)外界能源的需求的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。利用MVR技術(shù)，可以為系統(tǒng)高效提供值（有效能），而傳統(tǒng)的加熱所采用的蒸汽中有大量的無(wú)效能，會(huì)浪費(fèi)大量能量，從而在總消耗費(fèi)用上有所體現(xiàn)，需要考慮蒸汽費(fèi)用、電費(fèi)、材料費(fèi)用等三個(gè)方面。以蒸汽價(jià)格200元/噸為例，熱壓泵型二效蒸發(fā)一噸水所需蒸汽成本在200/2=100元，MVR則主要是蒸汽壓縮機(jī)的電費(fèi)，其蒸發(fā)一噸水電費(fèi)約為30元，很顯然每蒸發(fā)一噸水，MVR能省下70元，以本裝置的蒸發(fā)任務(wù)為例，每小時(shí)能省下約1000元，節(jié)能效果顯著。將余熱進(jìn)行高效利用也是另一個(gè)可以大幅度節(jié)能的關(guān)鍵點(diǎn)，兩效蒸發(fā)過后的蒸汽經(jīng)過MVR圧縮過程后能量品位升高，對(duì)一效再沸器提供能量至完全冷凝成液體，同樣的，經(jīng)過濃縮后的液體同樣具有較高的能量品位，以上二者的能量均可對(duì)待蒸發(fā)液體進(jìn)行相應(yīng)的余熱，在預(yù)熱階段我們選擇對(duì)待蒸發(fā)液體進(jìn)行物流拆分，分別匹配兩者的熱量，相比串級(jí)余熱，可以進(jìn)一步利用兩者的余熱。最大化的節(jié)省額外蒸汽用量。最終的優(yōu)化結(jié)果顯示，蒸發(fā)工段處MVR壓縮消耗電能之外，無(wú)需外加蒸汽，即可完成蒸發(fā)任務(wù)。（優(yōu)勢(shì)，無(wú)需蒸汽的并聯(lián)預(yù)熱方案）（劣勢(shì)，串級(jí)余熱需額外提供蒸汽完成換熱任務(wù)）其他方案均無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)：表5-1對(duì)比表方案蒸發(fā)所需蒸汽t/