KNO水溶液三效并流加料蒸發(fā)實驗設(shè)計說明書(共27頁)

1、廣西科技大學(xué)化工原理課程設(shè)計說明書課題名稱：KNO3水溶液三效并流加料蒸發(fā)實驗設(shè)計指導(dǎo)教師： 羅建平 班 級： 卓越化工121 姓 名： 學(xué) 號： 成績評定： 指導(dǎo)教師： （簽字） 2014 年 12 月 31 日 目錄1 概述11.1 蒸發(fā)及蒸發(fā)流程11.2 蒸發(fā)操作的分類11.3 蒸發(fā)操作的特點11.4 蒸發(fā)器選型22設(shè)計任務(wù)22.1設(shè)計題目22.2設(shè)計任務(wù)及操作條件22.2.1設(shè)計任務(wù)22.2.2.操作條件22.3設(shè)計項目33.設(shè)計條件及設(shè)計方案說明34物性數(shù)據(jù)及相關(guān)計算34.1蒸發(fā)工藝設(shè)計計算34.3 估計各效蒸發(fā)溶液的沸點和有效總溫度差54.4加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算7

2、4.5蒸發(fā)器傳熱面積的估算84.6有效溫度的再分配94.7重復(fù)上述計算步驟94.7.1計算各效料液94.7.2計算各效料液的溫度94.7.3各效的熱量衡算114.7.4 蒸發(fā)器傳熱面積的計算124.8計算結(jié)果列表135主體設(shè)備計算和說明135.1加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計135.2循環(huán)管的選擇135.3加熱室的直徑以及加熱管數(shù)目的確定145.4分離室直徑和高度的確定155.4.1分離室體積的計算式為155.4.2 分離室的高度和直徑的確定155.5接管尺寸的確定165.5.1溶液的進(jìn)出口165.5.2加熱管蒸汽進(jìn)口與二次蒸氣出口的確定165.5.3冷凝水進(jìn)出口的確定176輔助設(shè)備的選擇186

3、.1氣液分離器186.2蒸汽冷凝器186.2.1冷卻水量186.2.2冷凝器的直徑196.2.3淋水板的設(shè)計197 三效蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果208對本設(shè)計進(jìn)行評述219 參考資料221 概述1.1 蒸發(fā)及蒸發(fā)流程定義：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的相變過程。蒸發(fā)是采用加熱的方法，使含有不揮發(fā)性雜質(zhì)（如鹽類）的溶液沸騰，除去其中被汽化單位部分雜質(zhì)，使溶液得以濃縮的單元操作過程。蒸發(fā)操作廣泛用于濃縮各種不揮發(fā)性物質(zhì)的水溶液，是化工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)中較為常見的單元操作?；どa(chǎn)中蒸發(fā)主要用于以下幾種目的：（1）獲得濃縮的溶液產(chǎn)品；（2）將溶液蒸發(fā)增濃后，冷卻結(jié)晶，用以獲得固體產(chǎn)品，如燒堿、抗生素、

4、糖等產(chǎn)品；（3）脫除雜質(zhì)，獲得純凈的溶劑或半成品，如海水淡化。進(jìn)行蒸發(fā)操作的設(shè)備叫做蒸發(fā)器。蒸發(fā)器內(nèi)要有足夠的加熱面積，使溶液受熱沸騰。溶液在蒸發(fā)器內(nèi)因各處密度的差異而形成某種循環(huán)流動，被濃縮到規(guī)定濃度后排出蒸發(fā)器外。蒸發(fā)器內(nèi)備有足夠的分離空間，以除去汽化的蒸汽夾帶的霧沫和液滴，或裝有適當(dāng)形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，應(yīng)將其在冷凝器中加以冷凝。蒸發(fā)過程中經(jīng)常采用飽和蒸汽間壁加熱的方法，通常把作熱源用的蒸汽稱做一次蒸汽，從溶液蒸發(fā)出來的蒸汽叫做二次蒸汽。1.2 蒸發(fā)操作的分類按操作的方式可以分為間歇式和連續(xù)式，工業(yè)上大多數(shù)蒸發(fā)過程為連續(xù)穩(wěn)定操作的過程。按二次蒸汽的利用情況可以分為

5、單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)，若產(chǎn)生的二次蒸汽不加利用，直接經(jīng)冷凝器冷凝后排出，這種操作稱為單效蒸發(fā)。若把二次蒸汽引至另一操作壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸氣，并把若干個蒸發(fā)器串聯(lián)組合使用，這種操作稱為多效蒸發(fā)。多效蒸發(fā)中，二次蒸汽的潛熱得到了較為充分的利用，提高了加熱蒸汽的利用率。按操作壓力可以分為常壓、加壓或減壓蒸發(fā)。真空蒸發(fā)有許多優(yōu)點：（1）在低壓下操作，溶液沸點較低，有利于提高蒸發(fā)的傳熱溫度差，減小蒸發(fā)器的傳熱面積；（2）可以利用低壓蒸氣作為加熱劑；（3）有利于對熱敏性物料的蒸發(fā)；（4）操作溫度低，熱損失較小。在加壓蒸發(fā)中，所得到的二次蒸氣溫度較高，可作為下一效的加熱蒸氣加以利用。因此，單效蒸發(fā)多為

6、真空蒸發(fā)；多效蒸發(fā)的前效為加壓或常壓操作，而后效則在真空下操作。1.3 蒸發(fā)操作的特點從上述對蒸發(fā)過程的簡單介紹可知，常見的蒸發(fā)時間壁兩側(cè)分別為蒸氣冷凝和液體沸騰的傳熱過程，蒸發(fā)器也就是一種換熱器。但和一般的傳熱過程相比，蒸發(fā)操作又有如下特點 :(1)沸點升高 蒸發(fā)的溶液中含有不揮發(fā)性的溶質(zhì)，在港臺壓力下溶液的蒸氣壓較同溫度下純?nèi)軇┑恼魵鈮旱?，使溶液的沸點高于純?nèi)芤旱姆悬c，這種現(xiàn)象稱為溶液沸點的升高。在加熱蒸氣溫度一定的情況下，蒸發(fā)溶液時的傳熱溫差必定小于加熱唇溶劑的純熱溫差，而且溶液的濃度越高，這種影響也越顯著。(2)物料的工藝特性 蒸發(fā)的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在濃縮時可能析出晶

7、體，或易于結(jié)垢；有些則具有較大的黏度或較強(qiáng)的腐蝕性等。如何根據(jù)物料的特性和工藝要求，選擇適宜的蒸發(fā)流程和設(shè)備是蒸發(fā)操作彼此必須要考慮的問題。(3)節(jié)約能源 蒸發(fā)時汽化的溶劑量較大，需要消耗較大的加熱蒸氣。如何充分利用熱量，提高加熱蒸氣的利用率是蒸發(fā)操作要考慮的另一個問題。1.4 蒸發(fā)器選型隨著工業(yè)蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展，蒸發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與形式亦不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，其種類繁多、結(jié)構(gòu)各異。 本次設(shè)計要求采用中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，其結(jié)構(gòu)中，加熱室由一垂直的加熱管束（沸騰管束）構(gòu)成，在管束中央有一根直徑較大的管子，稱為中央循環(huán)管。 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、操作可靠等優(yōu)點，故在工業(yè)上應(yīng)用較廣，有“標(biāo)準(zhǔn)

8、蒸發(fā)器”之稱。但實際上，由于結(jié)構(gòu)上的限制，其循環(huán)速度較低（一般在 0.5m/s 以下）；而且由于溶液在加熱管內(nèi)不斷循環(huán)，使其組成始終接近完成液的組成，因而溶液的沸點高、有效溫度差減小。此外，設(shè)備的清洗和檢修也不夠方便。 2設(shè)計任務(wù) 2.1設(shè)計題目 設(shè)計題目：KNO3水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置設(shè)計2.2設(shè)計任務(wù)及操作條件2.2.1設(shè)計任務(wù)1.處理能力：年處理硝酸鉀水溶液（8.0104+30X）噸注：X代表學(xué)號最后兩位數(shù)。2.設(shè)備型式：中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。2.2.2.操作條件 （1）原料液濃度15%，完成液濃度45%，原料液溫度80；原料液比熱容3.5kJ/kg。（2）加熱蒸汽壓為.400kPa（

9、絕壓），冷凝器壓強(qiáng)為20kPa（絕壓）。（3）各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：K1=2000W/m2；K2=1000W/m2； K3=500W/m2; （4）各效蒸發(fā)器中液面的高度1.5m。（5）各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出。各效傳熱面積相等，并忽略濃縮熱和熱損失。不計靜壓效應(yīng)和流體阻力對沸點的影響。（6）每年按330天計，每天24小時連續(xù)運(yùn)行。2.3設(shè)計項目1設(shè)計方案簡介：對確定的工藝流程及蒸發(fā)器型式進(jìn)行簡要論述。2蒸發(fā)器的工藝計算：確定蒸發(fā)器的傳熱面積。3蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。4主要輔助設(shè)備設(shè)計選型，包括汽液分離器及蒸汽冷凝器。5繪制工藝流程圖及蒸發(fā)設(shè)備工藝簡圖（3圖紙）。6對本設(shè)計

10、的評述。3設(shè)計條件及設(shè)計方案說明本次設(shè)計要求采用中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，在工業(yè)上被稱為標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、傳熱較好及操作可靠等。它的加熱室由垂直的加熱管束組成，在管束中央有一根直徑很大的管子，稱為中央循環(huán)管。 在蒸發(fā)操作中，為保證傳熱的正常進(jìn)行，根據(jù)經(jīng)驗，每效分配到的溫差不能小于57。通常，對于沸點升高較大的電解質(zhì)溶液，應(yīng)采取23效。由于本次設(shè)計任務(wù)是處理KNO3溶液。這種溶液是一種沸點升高較大的電解質(zhì)，故選用三效蒸發(fā)器。另外，由于KNO3溶液是一種粘度不大的料液，故多效蒸發(fā)流程采用并流操作。多效蒸發(fā)器工藝設(shè)計的主要依據(jù)是物料衡算、熱量衡算及傳熱速率方程。計算的主要項目有：加熱

11、蒸氣(生蒸氣)的消耗量，各效溶劑蒸發(fā)量以及各效的傳熱面積等。多效蒸發(fā)器的計算一般采用迭代計算法。4.物性數(shù)據(jù)及相關(guān)計算4.1蒸發(fā)工藝設(shè)計計算年產(chǎn)量：（8.0104+30X）噸 ，且每年按照330天計算，每天24小時。 總蒸發(fā)量：因并流加料，蒸發(fā)中無額外蒸氣引出，可設(shè)4.3 估計各效蒸發(fā)溶液的沸點和有效總溫度差 設(shè)各效間壓力降相等，則總壓力差為 各效間的平均壓力差為 由各效的壓力差可求得各效蒸發(fā)室的壓力，即 由各效的二次蒸氣壓力，從手冊中可查得相應(yīng)的二次蒸氣的溫度和氣化潛熱列于下表中。表4-1 二次蒸氣的溫度和氣化潛熱效數(shù) 二次蒸氣壓力273.33146.6620二次蒸氣溫度(即下一效加熱蒸汽的

12、溫度）130.2110.560.1二次蒸氣的氣化潛熱（即下一效加熱蒸汽的氣化潛熱）2177.32230.22354.9(1)各效由于溶液沸點而引起的溫度差損失蒸發(fā)操作常常在加壓或減壓下進(jìn)行，從手冊中很難直接查到非常壓下的溶液沸點。所以用以下方法估算。 常壓下(101.3kPa)由于溶質(zhì)引起的沸點升高，即溶液的沸點-水的沸點 常壓下水的沸點為100。查表得常壓下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KNO沸點如下表質(zhì)量分?jǐn)?shù)kg/l18.8%26.10%45%沸點/t101.5102.3？105經(jīng)查表知400 kPa下飽和蒸汽溫度為143.4，氣化潛熱為2138.5 由于不考慮液柱靜壓效應(yīng)和流動阻力對沸點的影響，所以總的

13、溫差損失為：（3） 各效料液的溫度和有效總溫差由各效二次蒸氣Pi及溫度差損失，即可由下式估算各效料液的溫度: 各效料液溫度為： 有效總溫度差由手冊可查得400kPa飽和蒸汽的溫度為、氣化潛熱為2138.5kJ/kg，所以 4.4加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算第i效的熱量衡算式為當(dāng)無額外蒸汽抽出時由上式求得第i效蒸發(fā)水量的計算式由于忽略溶液的濃縮熱和熱損失，所以熱利用系數(shù) 第效的蒸發(fā)水量為 第效的蒸發(fā)水量為 對于第效，同理可得 又因為 聯(lián)解上面式，可得 4.5蒸發(fā)器傳熱面積的估算 誤差為，誤差較大，應(yīng)調(diào)整各效的有效溫度差，重復(fù)上述計算過程，使三個蒸發(fā)器的傳熱面積盡量相等。4.6有效溫度的

14、再分配重新分配有效溫度差，可得4.7重復(fù)上述計算步驟4.7.1計算各效料液 由所求得的各效蒸發(fā)量，可求各效料液的濃度，即 4.7.2計算各效料液的溫度 因末效完成液濃度和二次蒸氣壓力均不變，各種溫度差損失可視為恒定，故末效溶液的溫度仍為63.76,即則第效加熱蒸汽的溫度（也即第效料液二次蒸氣溫度)為 在此溫度下汽化潛熱用公式 再次對料液溫度進(jìn)行估算 不計液柱靜壓力及流動阻力而引起的溫度差損失，故第效料液的溫度為 同理 在此溫度下汽化潛熱： 由于不考慮液柱靜壓和流動阻力對沸點的影響，且溶液溫差損失變化不大，故有效總溫差不變,即 溫度差重新分配后各效溫度情況列于下表：表4-2 三效蒸發(fā)器各效的溫度

15、效次加熱蒸汽溫度，T1=143.4T1=132.08T2=106.45有效溫度差,料液溫度，t1=133.9t2=108.89t3=63.764.7.3各效的熱量衡算效次，132.08106.4560.1,2171.652246.662354.9 第效 第效 第效 又因為 聯(lián)解上面式得 與第一次計算結(jié)果比較，其相對誤差為計算相對誤差均在0.05以下，故各效蒸發(fā)量的計算結(jié)果合理。其各效溶液無明顯變化，不需要重新計算。4.7.4 蒸發(fā)器傳熱面積的計算 誤差為，迭代計算結(jié)果合理。 平均傳熱面積為4.8計算結(jié)果列表表4-3 物料計算的結(jié)果效次冷凝器加熱蒸汽溫度，0C143.4132.08106.456

16、0.1操作壓力Pi,kPa290.08128.152020溶液溫度（沸點）ti,0C133.92108.8963.76完成液濃度xi,%18.826.045蒸發(fā)量Wi，kg/h2060.702299.312538.14蒸氣消耗量D，kg/h3005.88傳熱面積Si,m266.0464.9166.755 主體設(shè)備計算和說明5.1加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計管子長度的選擇應(yīng)根據(jù)溶液結(jié)垢后的難以程度、溶液的起泡性和廠房的高度等因素來考慮，易結(jié)垢和易起泡沫溶液 的蒸發(fā)易選用短管。根據(jù)我們的設(shè)計任務(wù)和溶液性質(zhì)，我們選用以下的管子。加熱管的型號選用：573.5mm加熱管長度選用：2.0m初步估算所需管子

17、數(shù)為5.2循環(huán)管的選擇循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減小的原則來考慮的。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的循環(huán)管截面積可取加熱管總截面積的40%100%。本次計算取60% 。則循環(huán)管的總截面積為 因為S較大，根據(jù)上式結(jié)果，選取管徑相近的標(biāo)準(zhǔn)管型號為56010mm。 循環(huán)管的管長與加熱管相等，為2.0 m。循環(huán)管的規(guī)格一次確定。循環(huán)管的管長與加熱管相等，循環(huán)管的表面積不計入傳熱面積中。5.3加熱室的直徑以及加熱管數(shù)目的確定加熱室的內(nèi)徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)目及在管板上的排列方式。加熱管在管板上的排列方式為正三角形,不同加熱管尺寸的管心距查表得 表5-1 不同加熱管尺寸的管心距加熱管外徑192538

18、57管心距25324870 由上表查得型號為573.5mm的管心距為 估計加熱室的內(nèi)徑 其中， 取 所以 表5-2 殼體的尺寸標(biāo)準(zhǔn)殼體內(nèi)徑，4007008001000110015001600200最小壁厚，8101214 根據(jù)估算，及容器的公稱直徑表，試選用D=1300mm作為加熱室的內(nèi)徑，并以此內(nèi)徑和循環(huán)管外徑作同心圓，在同心圓的環(huán)隙中，按加熱管的排列方式和管心距作圖。當(dāng)內(nèi)徑為1300mm時，獲得管數(shù)大于估算的管數(shù)，滿足要求。所以加熱室的型號選用：130012mm。5.4分離室直徑和高度的確定5.4.1分離室體積的計算式為 其中，U為蒸發(fā)體積強(qiáng)度，一般允許值為，在此取。 將工藝計算中二次蒸氣

19、的溫度和流量以及根據(jù)溫度所查得的二次蒸氣的密度列于下 表5-3 二次蒸氣相應(yīng)密度 效次二次蒸氣溫度132.08106.4560.1二次蒸汽流量Wi，kg/h2060.7042299.312538.15二次蒸氣密度1.5860.7390.131 依據(jù)上表數(shù)據(jù)，分別算出各效分離室數(shù)據(jù) 為方便起見，各效分離室的尺寸均取一致，所以體積V取最大值V=4.5195m3。5.4.2 分離室的高度和直徑的確定確定需考慮的原則：H:D=12在允許的條件下，分離室直徑應(yīng)盡量與加熱室相同，這樣可使結(jié)構(gòu)簡單， 加工制造方便。所以：D取1.3m根據(jù)可得： 5.5接管尺寸的確定 流體進(jìn)出口計算公式：表5-5 各效冷凝水密

20、度效次溶液溫度ti,0C132.86112.9363.76完成液濃度xi,%18.826.045冷凝水的密度932.31948.69981.17各效中溶液的平均密度計算：5.5.1溶液的進(jìn)出口 為統(tǒng)一管徑，按第效的流量計算，溶液的適宜流速按強(qiáng)制流動算，即則 依據(jù)無縫鋼管的常用規(guī)格選為的標(biāo)準(zhǔn)管。5.5.2加熱管蒸汽進(jìn)口與二次蒸氣出口的確定表5-4 流體的適宜流速強(qiáng)制流體的液體，m/s自然流體的液體，m/s飽和蒸汽，m/s空氣及其他氣體，m/s0.8150.080.1520301520 飽和蒸汽適宜的流速 為統(tǒng)一管徑，取體積流量最大的末效流量為計算管徑的體積流量，則 依據(jù)無縫鋼管的常用規(guī)格選用為的

21、標(biāo)準(zhǔn)管。5.5.3冷凝水進(jìn)出口的確定 冷凝水的排出屬于自然流，u=0.080.15m/s，設(shè) 分別計算各效冷凝水的管徑： 為統(tǒng)一管徑，取計算得到各效最大的管徑為設(shè)計的管徑，則依據(jù)無縫鋼管的常用規(guī)格選用直徑為的標(biāo)準(zhǔn)管。6 輔助設(shè)備的選擇6.1氣液分離器 根據(jù)蒸氣流速和各氣液體分離器的性能，選擇慣性式除沫器作為氣液分離器。其主要尺寸確定為： 除沫器內(nèi)管的直徑 且 ,二次蒸汽的管徑 除沫器外罩管的直徑 除沫器外殼的直徑 除沫器的總高度 除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x 選取 除沫器內(nèi)管： 除沫器外罩管： 除沫器外殼：6.2蒸汽冷凝器蒸汽冷凝器的作用是用冷卻水將二次蒸汽冷凝。當(dāng)二次蒸汽為有價值的產(chǎn)品需要回收

22、或會嚴(yán)重地污染冷卻水時，應(yīng)采用間壁式冷卻器。當(dāng)二次蒸汽為水蒸氣不需要回收時，可采用直接接觸式冷凝器。二次蒸汽與冷凝水直接接觸進(jìn)行熱交換，其冷凝效果好，被廣乏采用。 選用多層多孔板式冷凝器6.2.1冷卻水量 冷卻水進(jìn)出口壓力為20 kPa，取冷卻水進(jìn)出口溫度為。 由板式蒸汽冷凝器的性能曲線可查得1m3冷卻水可冷卻的蒸汽量為X=46.5kg/m。6.2.2冷凝器的直徑D根據(jù)進(jìn)入冷凝器的二次蒸氣的體積流量，由流量公式計算冷凝器的直徑：二次蒸氣流速為1520m/s，此處取=20m/s。故取D=630mm6.2.3淋水板的設(shè)計 淋水板數(shù)：淋水板間距：當(dāng)79塊板時,取根據(jù)則 則淋水板間距符合條件。 弓形淋

23、水板的寬度： 淋水板堰高： 淋水板孔徑： 冷卻水循環(huán)使用，d取8 mm 淋水板孔數(shù)： 孔數(shù)應(yīng)取整數(shù)，故為441個?？紤]到長期操作易堵,則: 最上一板孔數(shù)N1 =n（1+12%）=441（1+12%）=493.92取整為494個其他各板孔數(shù)為 N2 =n*（1+5%）=471（1+5%）=494.55 取整為495個7 三效蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 表7-1 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定加熱管主要結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸加熱管（無縫鋼管）管徑規(guī)格573.5mm加熱管（無縫鋼管）長度2.0 m循環(huán)管規(guī)格56010mm 加熱室內(nèi)徑130012mm分離室直徑1300mm分離室高度3410 mm溶液進(jìn)出口管徑60

24、3.5mm加熱蒸氣進(jìn)口與二次蒸氣出口管徑50010mm冷凝水出口管徑1084.0mm表7-2 氣液分離器結(jié)構(gòu)尺寸的確定氣壓分離器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸除沫器內(nèi)管的直徑50010mm除沫器外罩管的直徑 82015mm除沫器外殼的直徑100015mm除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x 265 mm 表7-3 蒸汽冷凝器主要結(jié)構(gòu)的確定蒸氣冷凝器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸蒸汽冷凝器類型多層多孔式冷凝器冷卻水量67.13 m3/h冷凝器的直徑D630 mm淋水板數(shù)8淋水板間距L12.5m淋水板間距L21.625m淋水板間距L31.056m淋水板間距L40.686m淋水板間距L50.446m淋水板間距L60.290m淋水板間距L70.188m弓形淋水板最上面一塊的寬度405 mm弓形淋水板的寬度567 mm淋水板堰高60 mm淋水板孔徑8 mm淋水板孔數(shù)4718對本設(shè)計進(jìn)行評述經(jīng)過兩周的課程設(shè)計，讓我對設(shè)計類型的