（化工过程机械专业论文）万吨72片碱生产蒸发分离装置模拟研究.pdf

硕士学位论文 摘要 蒸发工序是氯碱生产系统中的重要环节，它承担着把电解液浓缩成商品碱的 重要任务，同时也是烧碱生产中能耗较大的环节。在7 2 片碱生产的蒸发工序中， 采用外热式自然循环蒸发器，该蒸发装置具有结构紧凑、生产能力大、传热效率 高、能耗低、操作和维修便利等优点，因此在氯碱工业生产中的应用范围日益增 大。 在氯碱生产系统中，考虑蒸汽中携带的碱液具有腐蚀性，对后续生产装置造 成损害，因此分离工序也起着举足轻重的作用，它承担着去除蒸汽中所夹带碱雾 的任务。在7 2 片碱生产的分离工序中，通常采用旋流板式气液分离器，该设备 具有结构简单、分离效率高、压降小、便于安装和清洗等优点。 本文分别用理论分析和c f d 数值模拟方法，对不同操作参数的蒸发器内流 体流动和传热性能进行研究，为蒸发器的操作参数优化提供理论依据；同时对不 同类型的气液分离器进行性能研究，为生产中分离器的选型提供一定的指导，优 化了分离器的操作参数。论文主要研究工作及结论如下： ( 1 ) 总结了万吨7 2 片碱生产蒸发装置的工艺设计过程，并从流体力学和 传热学的角度，运用理论分析方法研究用于7 2 片碱生产的外热式自然循环蒸发 器的蒸发机理，由c l a u s i u s c l a p e y r o n 方程导出气化段高度的计算公式，建立了 蒸发过程的数学模型，为蒸发器操作参数的优化提供理论依据。 ( 2 ) 利用计算流体力学软件f l u e n t 6 2 ，采用v o f 两相流模型和r n gk s 双方程湍流模型，对蒸发器模型的流场、温度场和压力场进行数值模拟研究。建 立了沸腾模型来描述沸腾时气液界面间的质量传递和能量传递，并使用c 语言编 写u d f 源程序，对不同液面高度下的蒸发器模型进行数值模拟研究。结果表明： 液面高度在一定范围内，蒸发器加热管内具有较高的循环速率和传热系数，该结 论对蒸发器的操作工艺具有指导意义。 ( 3 ) 总结了万吨7 2 片碱生产的分离装置的结构设计方法。利用计算流体 力学软件f l u e n t 6 2 ，采用d p m 模型和r n gk 一占双方程湍流模型，对常用气液 分离器内的性能进行相同条件的数值模拟研究。结果表明：在相同的模拟条件下， 与折流板式分离器相比，旋流板式分离器拥有更低的压降，更好的分离效果。并 摘要 讨论气速的变化对旋流板式分离器性能的影响，发现该分离器的分离压降及出入 口速度增加值均随着气速的增大而增大，但对压降的影响较为显著； ( 4 ) 数值模拟取得的成果表明采用c f d 技术对蒸发器内的流场和温度场以 及分离器内的流场和压力场进行模拟研究的方法是可行的。 关键词：7 2 片碱 自然循环蒸发器分离器 硕士学位论文 a b s t r a c t e v a p o r a t i o np r o c e s si sa ni m p o r t a n tl i n ki nt h ec o l o r - a l k a l ip r o d u c t i o ns y s t e m i t p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc o n c e n t r a t i n gt h ee l e c t r o l y t ea l k a l il i q u o ri n t oc o m m e r c i a l c a u s t i cs o d a a n di ti sa l s oal i n kw i t hm u c hm o r ee n e r g yc o n s u m i n gi nt h ep r o d u c t i o n o fc a u s t i cs o d a n a t u r a lc i r c u l a t i o ne v a p o r a t o rw i t he x t e r n a lc a l a n d r i ai su s e di nt h e e v a p o r a t i o np r o c e s sf o r t h ep r o d u c t i o no f7 2 ( w t ) f l a k ec a u s t i cs o d a t h i sk i n do f d e v i c eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，g r e a tt h o u g h p u t ，h i g hh e a t t r a n s f e re f f i c i e n c y , l o w e re n e r g yc o s ta n de a s yo p e r a t i o n & m a i n t a i n i tb e c o m e sm o r e a n dm o r ep o p u l a ri nt h ec h l o r a l k a l ii n d u s t r yp r o d u c t i o n s e p a r a t o rp r o c e s si sa ni m p o r t a n tl i n ki nt h ec h l o r - a l k a l ip r o d u c t i o ns y s t e m b e c a u s ec o r r o s i v ea l k a l i l i q u o rd r o p s w e r ec a r r i e d b ys t e a m ，w h i c h e r o d e e d s u b s e q u e n tp r o d u c t i o ne q u i p m e n t s i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nr e m o v i n ga l k a l i l i q u o rd r o p l e t si ns e c o n d a r ys t e a m w h i r l w i n db o a r ds e p a r a t o r i su s e di nt h e s e p a r a t i o np r o c e s s t h i sk i n do fd e v i c eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ， h i g hs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y , l o wp r e s s u r ed r o p ，e a s yi n s t a l l a t i o no p e r a t i o na n dc l e a n i n g i nt h i sp a p e r , t h ep l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r si nt h ee v a p o r a t o rw i t h d i f f e r e n to p e r a t i o np a r a m e t e r sw e r es t u d i e du s i n gt h et h e o r i e sa n a l y s i sa n dc f d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t h e r e f o r e ，t h et h e o r yb a s i st ot h eo p e r a t i o np a r a m e t e r o p t i m i z a t i o nw a sp r o v i d e d p e r f o r m a n c e so fd i f f e r e n tt y p e so fg a s l i q u i ds e p a r a t o r s w e r es t u d i e d ，w h i c hg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rt h es e l e c t i o no fs e p a r a t o r m e a n w h i l e ， t h et h e o r yb a s i st ot h eo p e r a t i o np a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nw a sp r o v i d e d t h em a i n w o r k sa n dc o n c l u s i o n si nt h i ss t u d ya r ei n c l u d i n g ： ( 1 ) t h ep r o c e s s i n gd e s i g no fe v a p o r a t o re q u i p m e n to ft h e7 2 ( w t ) f l a k e c a u s t i cs o d ap r o d u c t i o nw a ss u m m e du p m e a n w h i l e ，t h ee v a p o r a t i o nm e c h a n i s mo f n a t u r a lc i r c u l a t i o ne v a p o r a t o rw i t he x t e r n a lc a l a n d r i au s e di n7 2 ( w t ) f l a k ec a u s t i c s o d a p r o d u c t i o n w a ss t u d i e db a s e do n t h e o r ya n a l y s i s f r o mt h ep o i n to f f l u i d - d y n a m i c sa n dh e a tt r a n s f e r af o r m u l au s e d t oe s t i m a t et h eh e i g h to f v a p o r i z a t i o ns e c t i o nw a sg i v e na c c o r d i n gt oc l a u s i u s - cl a p e y r o ne q u a t i o n a n dt h e i i i a b s t r a c t m a t h e m a t i c a lm o d e lo fe v a p o r a t i o np r o c e s sw a sp r o p o s e d i tp r o c i d e st h e o r yb a s i sf o r t h eo p e r a t i o np a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ee v a p o r a t o r ( 2 ) w i t hc f ds o f t w a r ef l u e n t 6 2 ，t w od i m e n s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h e b o i l i n gf l o w a n dh e a tt r a n s f e ri nt h ee v a p o r a t o rw e r ec o n d u c t e db yu s i n gv o f m u l t i p h a s em o d e la n dr n g 尼一s t u r b u l e n c em o d e l t h em a s st r a n s f e re q u a t i o nt o t h ev a p o rg e n e r a t i o nw a ss e tu p ，i tw a sp r o g r a m m e db yt h ecc o d ea sa nu d f p r o g r a m e v a p o r a t o rm o d e l w i t hd i f f e r e n tl i q u i dh e i g h t sw e r es i m u l a t e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w dt h a th i g h e rv i r v u l a t e dv e l o c i t ya n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t g o ti nh e a t i n gp i p e so fe v a p o r a t o rw i t ha c e r t a i nr a n g eo fl i q u i dh e i g h t s i tp r o v i d e s t h e o r yb a s i sf o ro p e r a t i o np a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h ee v a p o r a t o r ( 3 ) t h ep r o c e s sd e s i g no ft h es e p a r a t o re q u i p m e n to ft h e7 2 ( w t ) f l a k ec a u s t i c s o d ap r o d u c t i o nw a ss u m m e du p w i t hc f ds o f t w a r ef l u e n t 6 2 ，t h r e e d i m e n s i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fl i q u i d f i e l da n dp r e s s u r e - f i e l di nc o m m o n l y u s e ds e p a r a t o r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tw h i r l w i n db o a r ds e p a r a t o rh a dl o w e rp r e s s u r ed r o p a n db e t t e rs e p a r a t i o ne f f e c tw i t hb a f f l es e p a r a t o ru n d e rt h es a m es i m u l a t e dc o n d i t i o n s a l s o ，t h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n tp a s s e dv e l o c i t i e st ow h i r l w i n d b o a r ds e p a r a t o r , t h e p r e s s u r ed r o pi n c r e a s e dw i t hi n c r e m e n to fg a sv e l o c i t y ( 4 ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ec f dt e c h n i q u ew a s f e a s i b l ei nt h es t y d uo fm ef l o w f i e l d ，t e m e r a t u r e - f i e l da n dp r e s s u r e - f i e l di nt h e e v a p o r a t o ra n ds e p a r a t o r k e y w o r d s ：7 2 ( w t ) f l a k ec a u s t i cs o d a ；n a t u r a lc i r c u l a t i o n ；e v a p o r a t i o n ； s e p a r a t o r i v 硕士学位论文 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 蒸发设备介绍与选型2 1 2 1 循环型蒸发器2 1 2 2 单程型蒸发器3 1 2 3 蒸发设备性能比较及选型4 1 3 分离设备介绍与选型6 1 3 1 惯性式分离器- 6 1 3 2 丝网式分离器6 1 3 3 折流板式分离器7 1 3 4 旋流板式分离器7 1 3 5 分离设备性能比较及选型8 1 4 设备研究现状9 1 4 1 外热式蒸发器的研究现状9 1 4 2 分离器研究现状1o 1 5 沸腾传热和气液两相流一11 1 5 1 沸腾传热的机理1 l 1 5 2 垂直管内的沸腾两相流1 2 1 5 3 空隙率1 3 1 6 本文研究的主要内容一1 3 第二章外热式蒸发器传热理论研究及结构设计1 5 2 1 万吨7 2 片碱生产蒸发装置工艺流程一1 5 2 27 2 片碱生产蒸发工艺理论1 6 目录 2 2 1 蒸发水量16 2 2 2 加热蒸汽量16 2 2 3 传热面积16 2 2 4 平均传热温度差1 7 2 3 蒸发器蒸发过程分析一19 2 4 传热计算模型一2 0 2 4 1 总传热系数2 0 2 4 2 蒸发速率2 1 2 4 3 加热管壁温2 1 2 4 4 空隙率2 1 2 4 5 气化段高度2 2 2 4 6 管外加热蒸汽冷凝传热系数2 3 2 4 7 管内传热系数2 4 2 5 压力降模型2 5 2 5 1 单相管段2 5 2 5 2 两相管段2 6 2 6 外热式蒸发器结构设计一2 7 2 6 1 加热室2 7 2 6 2 循环管2 8 2 6 3 沸腾室2 8 2 6 4 蒸发室2 8 2 7 分离器结构设计2 9 2 8 万吨7 2 片碱生产蒸发分离设备结构尺寸一3 0 2 9 小结一31 第三章万吨7 2 片碱蒸发装置性能研究3 2 3 1 计算流体力学方法3 2 3 1 1 计算流体力学概述3 2 3 1 2 计算流体力学基本过程3 2 3 2 计算流体力学模型3 4 硕士学位论文 3 2 1 控制方程3 4 3 2 2 湍流模型3 5 3 2 3 两相流模型3 7 3 2 4 v o f 模型3 8 3 2 5 沸腾模型4 0 3 3 蒸发器数值模拟过程4 1 3 3 1 蒸发器几何模型的建立4 2 3 3 2 边界条件4 3 3 3 3 模拟步骤4 3 3 4 模拟结果与分析4 4 3 4 1 温度场与压力场4 4 3 4 2 速度场4 4 3 4 3 液面高度影响分析4 5 3 5 操作参数对蒸发器性能的影响4 7 3 5 1 进料温度4 7 3 5 2 操作真空度4 7 3 5 3 加热蒸汽温度4 8 3 6 多管外加热式蒸发器数值模拟一4 8 3 6 1 几何模型的建立及边界条件的设定4 8 3 6 2 结果分析与讨论4 9 3 6 3 液面高度影响分析5 0 3 7 小结一5l 第四章万吨7 2 片碱分离装置性能研究5 2 4 1 基本方程一5 2 4 2 湍流方程一5 3 4 2 1 连续相模型5 3 4 2 2 壁面函数法5 4 4 2 3 离散相模型5 7 4 3 分离器数值模拟过程一5 8 目录 4 3 1 几何模型和网格划分5 8 4 3 2 边界条件5 9 4 3 3 模拟步骤5 9 4 4 模拟结果分析一6 0 4 4 1 折流板式分离器6 0 4 4 2 旋流板式分离器6 0 4 4 3 两种分离器性能对比6 l 4 5 分离效果对比一6 2 4 6 旋流板式分离器分离过程模型分析”6 3 4 6 1 沉降速度6 3 4 6 2 分离时间6 4 4 6 3 停留时间6 4 4 7 数值模拟过程一6 4 4 7 1 物理模型及边界条件6 4 4 7 2 模拟步骤6 4 4 7 3 模拟结果与分析6 5 4 8 分离器性能研究比较一6 7 4 9 小结6 7 第五章结论与展望6 9 5 1 本文主要工作总结6 9 5 2 工作展望一7 0 参考文献7 1 附录i 符号与符号说明7 6 附录i i 数值模拟的u d f 函数7 8 在读期间发表论文8 l 致谢8 2 硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 烧碱即n a o h ，又称苛性钠，广泛应用于化工、造纸、纺织、肥皂、炼铝、 石油、合成纤维、橡胶等工业部门，是重要的无机化工原料。它在国民经济中占 有重要地位。 我国氯碱工业经历了半个多世纪的发展，已经取得了很高的成就。我国的烧 碱产量在2 0 0 2 年为8 0 8 9 万吨，2 0 0 3 年达到9 3 9 3 8 万吨，产量跃居世界第2 位。 2 0 0 4 年发展了离子膜烧碱，保持了烧碱行业继续增长的势头，需求量同比增长 1 4 2 担j 。到2 0 0 8 年，烧碱产量达到1 8 5 6 1 6 万吨。截止今年，有9 1 家企业扩大 了生产规模，新增产量6 3 3 万吨。但是与发达国家相比，仍然有一定的差距 3 】， 生产规模小、技术水平低、能耗高和氯产品附加值低等问题依然存在。全球近几 年来烧碱的总体走势平稳，价格起伏不大，但随着国际经济一体化进程步伐加快， 国内市场趋于国际化，在相关耗碱项目的引进与开发、世界加工工厂的优势以及 一些耗氯产品需求旺盛的强劲带动下，烧碱市场容量会进一步增加。 烧碱按其形态分为液碱和固碱两大类，为了满足用户的特殊要求以及方便运 输和贮存，通常都会对液碱进一步浓缩出去水分生产固体烧碱。工业上有两种固 碱的生产方法，即间歇法锅式蒸煮和连续法膜式蒸发 4 】。间歇法锅式熬制固碱采 用铸铁锅在常压下直接加热，该方法简单，但工艺落后、设备笨重、生产能力小、 占地面积大、劳动条件差以及热能利用低。同时在熬制过程中形成的高浓度碱对 设备有一定的腐蚀，并增加产品中的杂质。连续法膜式蒸发是使碱液与加热源的 传热蒸发过程中在薄膜传热状态下进行蒸发浓缩，与间歇法相比，连续法具有设 备紧凑、容易操作、传热系数高、蒸发强度大等优点。 7 2 烧碱在6 2 4 。c 的情况下就可以凝固成固体状态，可以直接装桶，也可以 进一步加工成粒碱或片碱，便于储存和运输。这样用户在使用过程中只需要将其 加热至l j 7 0 。c 以上，待其熔化后就可以取出使用。同时包装还可以重复使用，因此 可以节约资源，降低能耗。 第一章绪论 1 2 蒸发设备介绍与选型 蒸发过程是使溶剂与溶质分离的一种操作。工业上通常用来浓缩溶液以满足 生产工艺上的要求引。它是氯碱生产系统中的重要环节，承担着把电解液浓缩成 商品碱的重要任务嘲。 蒸发器是碱液蒸发浓缩的主要设备，它由加热室、蒸发室和循环系统三部分 组成。按加热室结构和待蒸发溶液的流动情况，蒸发器可大致分为循环型( 非膜 式) 和单程型( 膜式) 两大类；也可按蒸发器沸腾区在加热管内或管外划分为内 沸式和外沸式蒸发器，无论哪种型式的蒸发器，其主要结构和工作机理都是相同 的。 1 2 1 循环型蒸发器 在循环型蒸发器中，料液在蒸发器中循环流动，可以提高传热效率，由引起 循环运动的原因不同可以分为自然循环型蒸发器和强制循环型蒸发器，前者是由 于溶液受热程度的不同产生的密度差引起的，后者是用循环系统强制溶液沿着一 定的方向流动。 1 2 1 1 自然循环型蒸发器 常见的自然循环型蒸发器包括：标准式蒸发器、悬筐式蒸发器、外热式蒸发 器。 ( 1 ) 标准式蒸发器 标准式蒸发器又称为中央循环管式蒸发器，是一种内热式自然循环蒸发器。 其加热室是由垂直管束组成，中间有一根较大直径的中央循环管。一般情况下， 中央循环管的截面积不小于加热管截面积的3 5 ，一般为4 0 5 0 ，加热管直 径为2 5 7 6 m m ，长度为1 2 m 。标准式蒸发器具有结构简单、制作方便、投资省 等特点。缺点是循环速度低( 约为o 4 0 5 r n s ) ，更换和检修加热室比较不容易， 一般适合生产3 0 质量分数碱液且产量要求不高的中小型企业。 ( 2 ) 悬筐式蒸发器 悬筐式蒸发器也是一种内热式自然循环蒸发器，其结构特点是：加热室依靠 一根从顶部插入的加热蒸汽管悬吊在蒸发器中，因此称悬筐式蒸发器。悬筐式蒸 发器中的液体是在壳体和加热室之间的环形间隙中加热浓缩，利用形成的密度差 向下流动，形成循环。由于间隙面积通常为加热管总截面积的1 o 1 5 倍，所以， 2 硕士学位论文 其循环速度比标准式蒸发器大。此外，由于加热室采用悬吊结构，因此检修和更 换比较方便，缺点是其结构比较复杂。 ( 3 ) 外热式蒸发器 外热式蒸发器是将加热室移至蒸发器体外的一种自然循环蒸发器，这种蒸发 器是本课题的研究重点。蒸发室通过导管和循环管与加热室相连接。溶液在加热 室中受热，部分溶液气化使热能转化为动能；气液混合物与未沸腾料液间产生了 密度差，从而引起溶液的循环【7 o 循环速度与沸腾情况相关，沸腾越好，循环速 度越高。这种蒸发器加热室的清洗、检修也比较方便，适合在真空下操作，能够 获得更高的循环速度，适用于热敏性物料的低温真空浓缩。 1 2 1 2 强制循环型蒸发器 根据强制循环泵在蒸发器的主体外还是体内，强制循环型蒸发器通常可分为 强制外循环蒸发器与强制内循环蒸发器，此类蒸发器的传热系数高，蒸发能力大。 ( 1 ) 强制外循环蒸发器 强制外循环蒸发器主要由蒸发分离室、加热室、循环管和循环泵四部分组成。 料液进入蒸发器后经过循环管由循环泵送至加热室加热，料液与加热蒸汽进行热 交换，温度升高至料液沸腾后，进入蒸发室中蒸发同时完成气液分离，二次蒸汽 由顶部出口排出，完成液由料液出口送出。 ( 2 ) 强制内循环蒸发器 它是由蒸发室、加热室、液体箱三部分组成，其中，轴流泵叶轮安装在液体 箱内。该蒸发器结构紧凑，双管程加热室的结构使循环泵的流量比外循环蒸发器 少了一半，降低了循环泵的功率。物料在蒸发器内的循环速度一般为1 8 2 5 m s 。 1 2 2 单程型蒸发器 也称为不循环蒸发器，这类蒸发器的特点是溶液沿加热管壁成膜状流动，一 次通过加热室即达到所要求的组成，而停留时间仅数秒或十几秒。这种蒸发器传 热效率高，蒸发速度快，溶液停留时间短，尤其适用于热敏性物料的蒸发 8 1 。 ( 1 ) 升膜式蒸发器 这种蒸发器的加热室由一根或数根垂直长管组成，加热管直径一般为 2 5 5 0 m m ，长径比为1 0 0 1 5 0 。预热后的原料液由蒸发器底部进入加热管内，蒸 汽在管外对其进行加热。溶液受热沸腾后迅速气化，生成的二次蒸汽在管内高速 第一章绪论 上升，带动液体沿管内壁成膜状向上流动，上升的液膜因受热而继续蒸发。蒸发 后的溶液进入分离室与二次蒸汽分离后由分离器底部排出。常压下加热管出口处 的二次蒸汽速度不小于1 0 m s ，一般为2 0 5 0 m s ；减压操作时，二次蒸汽速度可 以达到1 0 0 1 6 0 m s 或更高。 升膜式蒸发器适用于蒸发量较大、具有热敏性质以及易起泡的溶液，但不适 于高粘度、有晶体析出或易结垢的溶液。 ( 2 ) 降膜式蒸发器 料液从该蒸发器加热管的顶部进入，通过自身重力作用沿着管内壁呈膜状向 下流动，同时受热浓缩。气液混合物由加热管底部进入分离室，分离后的完成液 由分离器的底部排出。为了使溶液在内壁上均匀成膜，在每根加热管的顶部均安 装液体布膜器。 这类蒸发器适用于蒸发粘度较大的物料，但不适用于处理易结晶或易结垢的 溶液。因为液膜在管内分布不易均匀，因此与升膜式蒸发器相比，降膜式蒸发器 的传热系数较小。 ( 3 ) 升降膜式蒸发器 此类蒸发器是将升膜式和降膜式蒸发器装在一个外壳中，预热后的原料液先 由升膜式蒸发器的加热室上升，然后由降膜式蒸发器的加热室下降，通过分离室 将二次蒸汽分离后即得完成液。由于这类蒸发器在蒸发过程中溶液的粘度变化很 大，水分蒸发量也不大，对厂房高度有一定限制，因此在实际生产中应用较少。 ( 4 ) 刮板式薄膜蒸发器 刮板式薄膜蒸发器壳体外部装有加热蒸汽夹套，内部装有可旋转的刮片。通 过旋转刮片的刮擦作用，使液体均匀分布在加热管壁上。旋转刮片有固定和活动 两种型式。料液由蒸发器上部沿切线方向加入，在重力和旋转刮片带动下，在壳 体内壁上形成下旋的薄膜，期间不断被蒸发浓缩，在底部得到完成液。 这种蒸发器的优点是对物料的适应性很强，尤其是对高粘度、热敏性以及易 结晶、结垢的物料。但是结构复杂、动力消耗大、传热面积小、因此处理量较小。 1 2 3 蒸发设备性能比较及选型 在7 2 片碱的生产过程中，蒸发设备是核。t 5 设备，在对蒸发器的选型过程中， 首先要考虑选用高传热效率的蒸发器型式，其次要对蒸发物料的性质进行考虑。 4 硕士学位论文 因此在对7 2 片碱生产蒸发器进行选型的过程中，需要考虑下列几个因素的影 响： 1 ) 料液的性质：包括料液的成分组成、粘度、热稳定性、发泡性、腐蚀性， 是否容易结垢，是否容易结晶以及是否含有固体悬浮物等。 2 ) 工程技术要求：包括蒸发器的处理量、蒸发量，料液进出口的浓度和温 度，安装现场设备占用空间大小、设备投资限额、连续或间歇生产方式等。 3 ) 公用系统情况：包括可以利用的热源、蒸汽供应量、蒸汽压力、能反复 利用的冷却水水量、水质和温度等。 对以上几种类型蒸发器具体性能的比较，见下表： 表l 一1 蒸发器的主要性能 t a b l e1 1t h em a j o rf u n c t i o n so fe v a p o r a t o re q u i p m e n t 对于高浓度碱的蒸发，烧碱溶液的腐蚀性会随其浓度的增加而增大，溶液浓 度变化会影响加热管材料的选择，如氢氧化钠浓度低于3 0 时，加热管采用碳钢 管即可；浓度高于4 0 时，需要选用镍管或不锈钢管。在浓缩蒸发过程中，碱液 不断析出盐分，因此会增加碱液的粘度。蒸发过程中有易于结晶和结垢的物料可 第一章绪论 以选用强制循环型蒸发器，因其具有较高的传热系数，所需的传热面积较小，可 以缩小设备规格，节省材料，但强制循环型蒸发器在蒸发操作中所需能耗较大， 因此在选择蒸发器时需要将动力能耗考虑进去。对于质量分数在4 0 以上烧碱溶 液的蒸发，由于烧碱溶液的强腐蚀性以及在蒸发过程中料液性质的变化引起的不 确定性给高浓度烧碱蒸发设备的研制工作带来较大的困难。 本文采用外热式蒸发器生产7 2 片碱，该蒸发器与强制型循环蒸发器相比， 虽然循环速度相对较低，传输能量较小，但它具有以下优点：1 ) 无需外加驱动设 备( 如泵等) ，因此可以减少额外的动能消耗，还能免除机械故障和断电等引发 的安全问题，系统噪音较小；2 ) 该设备依靠自身料液的密度差形成的浮升力驱 动流体循环加热，设备安全性、自我适应性和自我调节性比较好：3 ) 采用外置加 热室对料液进行加热，设备的规格尺寸不会受到蒸发室的结构限制，有利于实现 设备大型化。 1 3 分离设备介绍与选型 万吨7 2 片碱生产装置中，分离工序是其中一个重要单元。料液受热产生的 蒸汽会夹带一定的烧碱雾沫，不仅会影响烧碱的产量，还会损害后续装置设备。 因此必须要有分离设备对蒸汽中的碱液雾沫进行分离回收。目前，常用的分离器 包括惯性式分离器、丝网式分离器、折流板式分离器和旋流板式分离器。 1 3 1 惯性式分离器 常见的惯性式分离器是通过改变气流的速度和方向，利用惯性作用使被携带 的液滴附着在分离器内壁上，集结后靠流体重力作用流回。这种分离器是依靠惯 性碰撞和直接拦截原理进行分离的。它结构简单、处理量大、适用于分离要求不 太高的场合，但由于设备尺寸较大，厂房安装受到一定的限制，很多分离场合都 不采用这种设备。 1 3 2 丝网式分离器 丝网式分离器是夹带液滴的气流通过多层丝网时，与其发生如下作用：惯性 碰撞、截留作用、布朗扩散、重力沉降、气体吸收作用 9 1 。使小的雾沫聚集成较 大的液滴，沿着丝网下滑，同时吸附其余雾沫，在分离器底部聚集成液滴滴落。 适宜的气速是影响丝网分离器除雾效率的主要因素：气速过低，雾沫为悬浮状态， 6 硕士学位论文 不容易撞击丝网；气速过高，液滴来不及与丝网进行碰撞凝聚就被气流带走。因 此，在适宜气流气速的情况下，可以将两段丝网串联起来使用，第一段的比表面 积取的比第二段的大，这样第二段可以除去第一段中未除去的已凝结的大颗粒液 滴 9 1 ，提高分离效率。 丝网式分离器在除去直径大于1 9 m 的液滴时，效率可以高达9 9 以上 1 们， 同时它具有结构简单、比表面积大、重量轻、压降小、分离效率高和使用方便等 优点，因此广泛应用于各个领域的气液分离中。但长时间使用该设备时，容易形 成积垢而影响分离效率，也不易清洗，因此在分离高粘度、有腐蚀性雾滴时具有 一定的局限性。 1 3 3 折流板式分离器 折流板式分离器是由一系列v 型折板平行排列组成的，流体流经折板时，蒸 汽与其夹带的液滴碰撞板壁，在连续碰撞过程中，液滴会在板壁上聚集并沿着板 壁流下，从而达到气液分离的效果。气流通过折流板式分离器时，有平行逆流和 垂直流动两种分流方式，实际应用中通常采用垂直流动方式进行分离，这样在第 一个拐角处便可完成对大部分液滴的捕捉，对于含有大量液滴的气流具有很高的 分离效率，但也需要对第一个拐角处的板壁进行防腐措施。 影响折流板式分离器除雾效率的主要因素包括折流板的折角和板间距，而板 间距和设备尺寸决定了折流板数。折流板的折角一般为9 0 。1 2 0 0 ，板间距一般 为2 0 6 0 r a m ，二者的取值越小，分离效率就会越高，同时也会增大压力降。因 此要综合考虑来确定最优的结构尺寸【l l 】。 1 3 4 旋流板式分离器 旋流板式分离器是典型基于离心分离原理的分离器，它是本课题的研究重 点。旋流板是由许多按一定仰角倾斜的叶片组成，当气体穿过叶片间隙时形成旋 转气流，夹带的液滴在惯性的作用下就以一定的仰角射出而被甩向外侧，汇集流 到溢流槽内来达到分离目的。该分离器分为单程旋流板式分离器和双程旋流板式 分离器。 ( 1 ) 单程旋流板式分离器 这种分离器的主体是一个圆柱形筒体，上、下部均有一段锥体，筒体中部放 置了由许多按一定规则排列叶片组成的旋流伞 1 2 】。依靠旋流板间形成的旋流作用 第一章绪论 来对气液进行分离。旋流效果主要取决于旋流板的几何结构，即叶片形状、径向 角、仰角、叶片长宽比、高径比等 1 3 】，其中叶片仰角、径向角和叶片数是影响分 离器分离效率和压降的重要参数。 叶片仰角是指旋流板在竖直方向的倾斜程度，分离器的分离效率和压降都会 随之增加而增大，仰角的最佳角度为3 5 。；径向角是指旋流板在径向的排列方式， 仰角一定时，分离效率和压降会随径向角角度的增大而增大，径向角的最佳选择 范围是5 0 。6 0 。 1 4 】；同时，设备的分离效率和压降都会随叶片数量的增加而增 大，因此要根据设备外径进行综合考虑。 ( 2 ) 双程旋流板式分离器 在单程旋流板式分离器的基础上设计了双程旋流板式分离器。其结构是在单 程旋流板式分离器的外围设计了一个外程柱形罩及外程旋流板，因此该设备有两 个流体通道，即内套筒的圆形通道和内外套筒之间的环形通道，为了保证内外套 筒的压降保持平衡，通常内外旋流板叶片的倾角和径向角都相同。在设计双程旋 流板结构的时候，要保证内外层通道中的流体获得稳定的旋流结构，即二者的旋 流强度需要相等。 1 3 5 分离器性t 月- , 匕v , 比较及选型 在分离器的选型过程中，首先要选用具有较高分离效率的分离器，其次考虑 分离器的结构形式、所分离液滴是否具有腐蚀性、产生的阻力降以及是否容易安 装清洗等。常用分离器的性能比较，见表1 2 。 表1 - 2 分离器的特性 t a b l e1 2t h ec h a r a c t e r i s t i co fg a s - l i q u i ds e p a r a t o r 本文在万吨7 2 片碱生产中选用旋流板式分离器，该分离器安装方便、便于 清洗、拥有较高的分离效率，应用分离场合范围较广，因此广泛应用于7 2 片碱 生产分离装置中。对于分离要求较高的场合，还可以将丝网式分离器作为二次分 离设备，可以大大提高分离装置的分离效率。 硕士学位论文 1 4 设备研究现状 1 4 1 外热式自然循环蒸发器的研究现状 从上世纪初开始，随着