文献综述-亚硫酸钠工段二效外强制循环式蒸发器设计.doc

科研训练论文(文献综述)（题 目：亚硫酸钠工段二效外强制 循环式蒸发器设计学生姓名：学 号：201330506046学 院：化工学院班 级：过程装备与控制工程 专业 4班2016年12月亚硫酸钠工段二效外强制循环式蒸发器设计内蒙古工业大学化工学院，呼和浩特，010051 摘要：本课题主要研究的是亚硫酸钠工段二效外强制循环式蒸发器设计。本课题的主要目的是设计亚硫酸钠工段二效蒸发器，我们分为三部分进行研究。1.本课研究了对亚硫酸钠的生产工艺，工业用途；并根据研究选择出最适合的生产亚硫酸钠的生产工艺，即二氧化硫纯碱法，所以此设计有助于亚硫酸钠的生产。2.本课题对蒸发工艺有所研究，我们研究了一次蒸发与多效蒸发的区别，还研究得出了真空蒸发的特点以及优点。3本课题对蒸发器的研究，循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作循环流动，根据造成液体循环的原理不同，又可将其分为自然循环和强制循环两种类型，并分析研究了目前常用的循环型蒸发器。关键词：亚硫酸钠；工段二效；循环式蒸发器；引言本课题主要研究的是亚硫酸钠工段二效外强制循环式蒸发器设计。无水亚硫酸亚生产工艺有二氧化硫纯碱法，二氧化硫烧碱法，二氧化硫氯化钠法，焦亚硫酸钠法，芒硝石灰法，其中最传统的为二氧化硫纯碱法。其原理为碳酸钠溶液吸收二氧化硫 生成碳酸氢钠和亚硫酸钠碳酸氢钠继续吸收二氧 化硫生成亚硫酸钠和亚硫酸氢钠并释放出二氧化 碳。酸性吸收液用氢氧化钠溶液中和生成亚硫酸钠 溶液亚硫酸钠溶液经脱水并干燥得到无水亚硫酸钠。 3S02+2Na2C03+H20Na2S03+2NaHS03+2C02 NaHS03+Na0HNa2SO3+H20 该工艺制得亚硫酸钠产品质量较好，技术成熟 原料来源丰富。由于原料纯碱中含有较高含量 的氯化钠，影响了产品质量：设备投资大，连续工艺 难度大，且生产过程中有大量废气CO，产生。为了改善亚硫酸钠的生产工艺，对其设备进行设计。本课题主要设计的是循环式蒸发器，这类蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作连续的循环运动，以提高传热效果、缓和溶液结垢情况。由于引起循环运动的原因不同，可分为自然循环和强制循环两种类型。前者是由于溶液在加热室不同位置上的受热程度不同，产生了密度差而引起的循环运动；后者是依靠外加动力迫使溶液沿一个方向作循环流动。本课题选用设计强制循环式蒸发器。一、无水亚硫酸钠介绍及生产工艺综述（一）、亚硫酸钠作用与用途：1. 用于碲和铌的微量分析测定和显影液的配制，还用作还原剂；2. 用于人造纤维稳定剂、织物漂白剂、照相显影剂、染漂脱氧剂、香料和染料还原剂、造纸木质素脱除剂等；3. 用作普通分析试剂和光敏电阻材料；4. 还原性漂白剂，对食品有漂白作用和对植物性食品内的氧化酶有强烈的抑制作用。我国规定可用于蜜饯，最大使用量为2.0g/kg；也可用于葡萄糖、液体葡萄糖、食糖、冰糖、饴糖、糖果、竹笋、蘑菇和蘑菇罐头、葡萄、黑加仑浓缩汁，最大使用量0.60g/kg。竹笋、蘑菇及蘑菇罐头、蜜饯、葡萄和黑加仑浓缩汁的残留量(以SO2计)0.05g/kg；薯类淀粉残留量0.03g/kg；饼干、食糖、粉丝及其他品种的残留量小于0.1g/kg；液体葡萄糖的残留量不得超过0.2g/kg；5. 印染工业作为脱氧剂和漂白剂，用于各种棉织物的煮炼，可防止棉布纤维局部氧化而影响纤维强度，并提高煮炼物的白度。感光工业用作显影剂。有机工业用作间苯二胺、2，5-二氯吡唑酮、蒽醌-1-磺酸、1-氨基蒽醌、氨基水杨酸钠等生产的还原剂，可防止反应过程中半成品的氧化。造纸工业用作木质素脱除剂。纺织工业用作人造纤维的稳定剂。电子工业用于制造光敏电阻。水处理工业用于电镀废水、饮用水的处理；6. 食品工业用作漂白剂、防腐剂、疏松剂、抗氧化剂。也用于医药合成，生产脱水蔬菜时用作还原剂；7. 用于制亚硫酸纤维素酯、硫代硫酸钠、有机化学药品、漂白织物等, 还用作还原剂、防腐剂、去氯剂等；8 .实验室用于制备二氧化硫（二）、生产工艺：1、二氧化硫纯碱法。碳酸钠溶液吸收二氧化硫 生成碳酸氢钠和亚硫酸钠碳酸氢钠继续吸收二氧 化硫生成亚硫酸钠和亚硫酸氢钠并释放出二氧化 碳。酸性吸收液用氢氧化钠溶液中和生成亚硫酸钠 溶液亚硫酸钠溶液经脱水并干燥得到无水亚硫酸钠。 3s02+2Na2C03+H20Na 03+2NaHS03+2C02 T NaHS03+Na0HNa2SO3+H20 该工艺制得亚硫酸钠产品质量较好，技术成熟 原料来源丰富。但是。由于原料纯碱中含有较高含量 的氯化钠，影响了产品质量：设备投资大，连续工艺 难度大，且生产过程中有大量废气CO，产生。 2、二氧化硫烧碱法。氢氧化钠溶液吸收二氧化 硫生成亚硫酸钠亚硫酸钠溶液经脱水并干燥得到无水亚硫酸钠2Na0H+S02Na2S03+H20 该工艺用烧碱直接吸收二氧化硫由于气液直接接触，使得反应剧烈。导致局部产品浓度太高影响装置的连续稳定运行。同时产品纯度也很难控制 在较高水平。3、二氧化硫氯化钠法。卤水与碳酸氢铵进行 复分解反应生成碳酸氢钠与氯化铵分出碳酸氢钠 溶液吸收二氧化硫生成亚硫酸氢钠亚硫酸氢钠用 氢氧化钠中和得到亚硫酸钠。 NaCl+NH4HC0rNaHC03+NH4Cl NaHc03+s02+NaOHNaS03+H20+c02 该工艺原料卤水与碳酸氢铵成本比较低在产 品的成本竞争上有优势。但是，由于产品中含有胺盐 等杂质因而限制了产品的应用领域。 4、焦亚硫酸钠法。焦亚硫酸钠水解生成亚硫 酸氢钠。亚硫酸氢钠用纯碱中和得到亚硫酸钠。 Na2S2O5+H202NaHS03 NaHS03+NaOHNa2SO3+H20 该工艺采用焦亚硫酸钠水解法生产亚硫酸钠 可以得到纯度很高的产品。但是。由于其生产原料成 本相对较高，因而限制了其产业化的应用。 5、芒硝石灰法。二氧化硫和消石灰反应生成 亚硫酸钙继续吸收二氧化硫转变为可溶性亚硫酸 氢钙再与硫酸钠反应生成亚硫酸氢钠和生石膏沉 淀，亚硫酸氢钠用石灰中和得到亚硫酸钠。 Ca(0H)2+Na2SOl4+S02+H20Na2s03+CaS042H20 该工艺将成本相对比较高的烧碱用氢氧化钙来 替代用价格相对较低的芒硝来替代碳酸钠大大降 低了原料成本但是产品质量较差。二、蒸发工艺在工业生产中，蒸发大量的水分必须消耗大量的加热蒸汽。为了减少加热蒸汽消耗量，可采用多效蒸发操作。多效蒸发时，要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效为低，因此可以引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽。一般干燥离心分离产品包装材料多效蒸发装置的末效或后几效是在负压（真空）条件下操作蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化单位部分杂质，使溶液得以浓缩的单元操作过程。蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。蒸发过程中经常采用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做而次蒸汽。按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有许多优点：（1）、在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积；（2）、可以利用低压蒸气作为加热剂；（3）、有利于对热敏性物料的蒸发；（4）、操作温度低，热损失较小。在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。因此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点: (1)沸点升高蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较同温度下纯溶剂的蒸气压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。在加热蒸气温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热唇溶剂的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。 (2)物料的工艺特性蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出晶体，或易于结垢；有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。如何根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的问题。(3)节约能源蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸气。如何充分利用热量，提高加热蒸气的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。三、蒸发器的作用及分类蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作循环流动，根据造成液体循环的原理不同，又可将其分为自然循环和强制循环两种类型。前者是借助在加热室不同位置上溶液的受热程度不同，使溶液产生密度差而引起的自然循环；后者是依靠外加动力使溶液进行强制循环。（一）、目前常用的循环型蒸发器有以下几种：1、中央循环管式蒸发器简介：中央循环管式蒸发器的加热室由一垂直的加热管束（沸腾管束）构成，在管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为加热管束总截面积的40100%。当加热介质通入管间加热时，由于加热管内单位体积液体的受热面积大于中央循环管内液体的受热面积，因此加热管内液体的相对密度小，从而造成加热管与中央循环管内液体之间的密度差，这种密度差使得溶液自中央循环管下降，再由加热管上升，形成自然循环流动。操作时，管束内单位体积溶液的受热面积大于粗管内的，即前者受热好，溶液汽化的多，因此细管内的溶液含汽量多，致使密度比粗管内溶液的要小，这种密度差促使溶液作沿粗管下降而沿细管上升的循环运动，故粗管除称为中央循环管外还称为降液管，细管称为加热管或沸腾管。应用：中央循环管式蒸发器在过程工业中应用十分广泛，故又称为标准式蒸发器。它适用于蒸发结垢不严重、有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液。这种蒸发器的传热面积可高达数百平方米，传热系数约为600w/(m.)-3000w/(m.)优缺点：中央循环管式蒸发器是从水平加热室及蛇管加热室蒸发器发展而来。相对于这些老式蒸发器而言，它具有溶液循环好、传热速率快等优点。但实际上这类蒸发器由于受总高度的限制，所以加热管长度较短，一般为1至2m，直径：25至75mm，所以循环速度一般在0.4m/s-0.5m/s以下。另外，由于溶液不断循环，使加热管内溶液始终接近完成液的浓度，故有溶液粘度大、沸点高等缺点。此外，蒸发器的加热室不易清洗。2、悬筐式蒸发器简介：悬筐式蒸发器是在中央循环管蒸发器的基础上进行的改进，其加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出。加热介质由中央蒸汽管进入加热室，而在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间有环隙通道，其作用类似于中央循环管。应用：悬筐式蒸发器适用于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液，常用于烧碱工业中。优缺点：悬筐式蒸发器的优点是循环速度较高（约为11.5m/s），传热系数较大。由于与壳体接触的是温度较低的溶液，其热损失较小，且加热室的一端可自由膨胀，避免了管子与管板之间的温差应力。此外，由于悬挂的加热室可以由蒸发器上方取出，故其清洗和检修都比较方便。其缺点是结构复杂，金属消耗量大。3、外热式蒸发器外热式循环蒸发器具有制造简单、维修方便等优点，是循环型蒸发器中应用最广泛的蒸发器之一，也是最典型的一种蒸发器。外热式循环蒸发器可分为外热式自然循环蒸发器和外热式强制循环蒸发器。外热式自然循环蒸发器简介：外热式自然循环蒸发器由循环管、加热室、沸腾管、分离室四个主要部分组成。蒸发过程中，料液进入加热室加热升温，由于未达到该状态下的饱和温度，溶液并不沸腾，随着加热和管内压强的降低，当溶液的温度达到该状态下的饱和压强后，开始沸腾，从而产生大量气泡。溶液的密度也随之减小，这样在沸腾管中的气液混合物和循环管侧的未沸腾的料液间存在密度差，形成了外热式自然循环蒸发器的循环推动力。应用：可以在真空条件下操作，适用于中药、西药、葡萄糖、淀粉、味精、乳品等热敏性物料的低温真空浓缩，应用范围较广。优缺点：外热式蒸发器的加热管长径比为60100，常压蒸发时，溶液在循环管内的循环速度小于一米每秒。由于其采用的是外置加热室，便于清洗和更换，并且不受分离室结构以及加热室尺寸的影响，一个蒸发器可配一到四个加热室，因此能够达到很大的蒸发能力。但人无完人，物也一样，外热式自然循环蒸发器也有一些不足之处。主要就是溶液的循环速度不高，传热效果欠佳，溶液温度较高。外热式强制循环蒸发器简介：外热式强制循环蒸发器是由加热室和蒸发室组成，靠循环管、循环泵连接成一个整体，它适合于有结晶颗粒或粉粒的溶液蒸发浓缩。应用：可用于工业废水处理、城市污水处理等。优缺点：其结构简单，容易操作，唯一不足的是电耗相对较高。这种蒸发器利用外加动力促使料液循化，工业中一般用轴流泵提供动力。在同样条件下，提高蒸发器内液体的循环速度，则单位时间内通过加热管的溶液越多，溶液温度越低，越有利于热敏性物质的蒸发，且还有利于传热系数的提高。同时，由于降低了单程气化率，溶液在加热管壁面附近的局部浓度增高现象得到了控制，减缓了加热管上的结构现象。但是强制循环蒸发器在蒸发过程中，随着溶液浓度的逐渐增大，在动设备（如循环泵）处易发生结晶结构等现象，并且设备运行时动力消耗大，通常为0.40.8kW（每1m?传热面积）。因此，加热面积越大，所需循环泵的动力越大，其维修和操作费用也越大。4、列文蒸发器简介：列文蒸发器的结构特点是在加热室上增设沸腾室。加热室中的溶液因受到沸腾室液柱附加的静压力的作用，而并不在加热管内沸腾，直到上升至沸腾室内当其所受压力降低后才能开始沸腾，因而溶液的沸腾汽化由加热室移到了没有传热面的沸腾室。应用：适用于处理有晶体析出或易结垢的溶液。优缺点：优点是循环速度大，传热效果好。由于溶液在加热管中不沸腾，可以避免在加热管中析出晶体。另外，这种蒸发器的循环管截面积约为加热管的总截面积的2至3倍，溶液循环速度可达2.5至3m/s以上，故总传热系数亦较大。主要缺点是液柱静压头效应引起的温度差损失较大，为了保持一定的有效温度差，要求加热蒸汽有较高的压力。此外，设备庞大，消耗的材料多，需要高大的厂房等。5、强制循环蒸发器简介：强制循环蒸发器是利用外加动力（循环泵）使溶液沿一定方向作高速循环流动。循环速度的大小可通过调节泵的流量来控制，一般循环速度在2.5m/s以上。它的加热室有卧式和立式两种结构，液体循环速度大小由泵调节。根据分离室循环料液进出口的位置不同，它又可以分为正循环强制蒸发器及逆循环强制蒸发器，循环料液进口位置在出口位置上部的称为正循环，反之为逆循环。应用：强制循环蒸发器用于避免在加热面上沸腾的产品而形成结垢或产生结晶。为此，管中的流动速度必须高。当循环液体流过热交换器时被加热，然后在分离器的压力降低时部分蒸发，从而将液体冷却至对应该压力下的沸点温度。 由于循环泵的原因，蒸发器的操作与温差基本无关，物料的再循环速度可以精确调节，蒸发速率设定在一定的范围内。在结晶应用中，晶体可以通过调节循环流动速度和采用特殊的分离器设计从循环晶体泥浆中分离出来。设备采用泵强制循环，具有蒸发速率高，浓缩比重大的特点，特别适用于浓度或粘度较高物料的蒸发。优缺点：这种蒸发器的优点是传热系数大，对于粘度较大或易结晶、结垢的物料，适应性较好，但其动力消耗较大。（二）、外循环蒸发器外循环蒸发器其包括加热室和蒸发室，加热室和蒸发室通过循环管相连接，加热室上分别设有蒸汽进口、料液进口和冷凝水排出口，蒸发室上分别设有二次蒸汽出口和浓缩液出口，二次蒸汽出口处连接有回收装置。该外循环蒸发器，通过在二次蒸汽出口处连接回收装置，可以实现料液的再循环蒸发，有效减少了料液的浪费。结论：亚硫酸钠在生活中有很广泛的作用，怎样低成本、简便的制取亚硫酸钠是前进的方向。经分析制作亚硫酸亚使用二氧化硫纯碱法，而蒸发器选择循环型亚硫酸钠二效蒸发器，而亚硫酸钠在工业中有很广泛的应用，所有设计循环型亚硫酸钠二效蒸发器是很重要的参考文献1耿斌,丁小兵,朱学文,冯雪. 高纯无水亚硫酸钠生产工艺研究 . 无机盐工业. 2014, 46(3)2王雪峰. 一种强制再循环式蒸发器. CN201510550868.33张成,牟建强. 二效蒸发器换热管滑移的处理. 化工设备与电气. （2010年05期）4颜守保. 二效升膜蒸发器在草甘膦母液浓缩系统的应用. 经验交流. （2008年01期）5肖建国,刘殿宇. 热泵抽吸一效二次蒸汽与抽吸二效二次蒸汽作为一效加热热源蒸汽消耗比较. 机械设施. （2014