KNO3水溶液三效并流加料蒸发装置的设计.docx

广东石油化工学院化工单元操作课程设计说明书 课 题：水溶液三效并流加料蒸发装置的设计专 业： 应用化学 班 级： 应化11-1班 学 号： 姓 名： 指导老师： 日 期： 2014.07.03 目 录第一章 蒸发装置设计任务书31.1设计题目 31.2设计任务及操作条件 31.3设计项目 3第二章 设计方案简介42.1 设计方案论证42.2 蒸发器简介5第三章 设计任务63.1 估算各效蒸发量和完成液浓度63.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差63.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算93.4 蒸发器传热面积的估算113.5 有效温差的再分配123.6 重复上述计算步骤123.7 计算结果列表17第四章 蒸发器的主要结构尺寸的计算174.1 加热管的选择和管数的初步估算174.2 循环管的选择184.3 加热室直径及加热管数目的确定184.4 分离室直径和高度的确定194.5 接管尺寸的确定20第五章 蒸发装置的辅助设备的选用计算225.1 气液分离器225.2 蒸汽冷凝器的选型设计235.3 封头尺寸的确定26第六章 5设计结果汇总276.1 多效蒸发的工艺计算276.2 蒸发器及辅助设备的结构尺寸设计27第七章 装置流程图及蒸发器设备条件图29第八章 设计评语29附录 30参考文献 33第一章蒸发装置设计任务书1.1 设计题目KNO3 水溶液三效并流加料蒸发装置的设计。1.2 设计任务及操作条件3（1）处理能力5.20 104 t/a KNO3 水溶液（2）设备形式中央循环管式蒸发器。（3）操作条件KNO3 水溶液的原料液质量分数为 0.15，完成液质量分数为 0.45，原料 液温度为 80oC、恒压比热容为 3.5kJ/(kgoC)。加热蒸汽压力为 400kPa（绝压），冷凝器压力为 20kPa（绝压）。各效蒸发器的总传热系数为：K1=2000W/(m oC)，K2=1000W/(m oC)，K3=500W/(m oC)。各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。假设各效传热面积相等，并忽略溶液的浓缩热和蒸发器的热损失，不考虑液柱静压和流动阻力对沸点的影响。每年按 300 天计，每天 24 小时连续运行。厂址：天津地区。1.3 设计项目（1）设计方案简介，对确定的工艺流程及蒸发器形式进行简要论述。（2）蒸发器的工艺计算确定蒸发器的传热面积。（3）蒸发器的主要结构尺寸设计。（4）蒸发装置的辅助设备（5）绘制 KNO3 水溶液三效并流加料蒸发装置的流程图及蒸发器设备工艺简 图。（6）对本设计进行评述。第二章设计方案简介2.1 工艺流程实际工业生产中，大多采用多效蒸发，其目的是降低蒸汽的消耗量，从而提高蒸发装置的经济性。在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，每一效的温差不能小于 57oC。通常，对于沸点升高较大的电解质溶液可采用353效，由 化工物性算图手册1第304 页图 5.9 硝酸盐等水溶液的沸点可知，KNO3溶液沸点升高较大，所以本次设计取 3 效。根据加热蒸汽与物料流向的不同，多次蒸发的操作流程可分为并流、逆流、平流、错流等流程。并流流程也称顺流加料流程，料液与蒸汽在效间流动同向。因各效间有较大的压力差，液料自动从前效流到后效，不需输料泵；前效的温度高于后效，料液从前效进入后效时呈过热状态，过料时有闪蒸出现。并流流程结构紧凑，操作简便，应用广泛。对于并流流程，后效温度低、组成高，料液的黏度逐效增加，传 热系数逐效下降，并导致有效温差在各效间的分配不均。因此，本流程只适用于处理黏度不大的料液。由化工物性算图手册1第 169 页图 2.50 硝酸盐水溶液的粘度可知，KNO3 溶液的黏度不大，所以适用本流程。并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算示意图如图 1 所示。2.2 蒸发器形式随着工业蒸发技术的发展，蒸发设备的结构与形式亦不断改进与创新，其种 类繁多、结构各异。本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，其结构中，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。中央循环管式蒸发器具有结构紧凑、制造方便、操作可靠等优点，故在工业 上应用较广，有“标准蒸发器”之称。但实际上，由于结构上的限制，其循环速 度较低（一般在 0.5m/s 以下）；而且由于溶液在加热管内不断循环，使其组成 始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温度差减小。此外，设备的清洗和检修也不够方便。第三章蒸发器的工艺计算确定蒸发器的传热面积3.1 估算各效蒸发量和完成液浓度总蒸发量因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设 3.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差 设各效间压力降相等，则总压力差为各效间的平均压力差为由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即由各效的二次蒸气压力，从化工原理（上册）第341页饱和水蒸气表可查得相应的二次蒸气的温度和汽化潜热,列于下表中表1 各效二次蒸汽物化数据效数二次蒸气压力，kPa 273.33146.6620二次蒸气温度，（即下一效加热蒸汽的温度）130.05110.4760.1二次蒸气的气化潜热，kJ/kg(即下一效加热蒸汽的气化潜热)2177.332231.002354.9蒸发操作常常在加压或减压下进行，但从手册中很难直接查到非常压下溶液的沸点。当缺乏实验数据时，由化工单元操作课程设计3第 87 页可知，可用下式估算。 a式中常压（101.3kPa）下由于溶质存在而引起的沸点升高，oC；D 操作压力下由于溶质存在而引起的沸点升高，oC;f 校正系数；T 操作压力下二次蒸气的温度，oC；r 操作压力下二次蒸气的汽化潜热，kJ/kg。常压下水的沸点为 100 oC。由化工原理（上册）2第 349页无机盐水溶液的沸点表知，常压下不同 质量分数的 KNO3 沸点如下表表2 常压下不同质量分数的 KNO3 沸点质量分数18.8%26.1%45%沸点101.5102.3104.8（1）各效由于溶液沸点升高而引起的温度差损失为 oC oC oC由于不考虑液注静压和流动阻力对沸点的影响，所以蒸发装置的总的温度差损失为（2）各效料液的温度和有效总温差根据已估算的各效二次蒸气压力 p i 及温度差损失 Di ，可根据下式估算各效溶液的沸点 titi = T i + Di各效料液温度为 有效总温度差由由化工原理（上册）2第 341页饱和水蒸气表可查得400kPa饱和蒸汽的温度为143.4 ,汽化潜热为2138.5kJ/kg，所以3.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步估算由化工单元操作课程设计3第 88 页可知第 i 效的热量衡算式为由于忽略溶液的浓缩热及蒸发器的热损失，即可忽视热利用系数（ =1），所以式中 第 i 效加热蒸汽量，t/a，当无额外蒸汽抽出时，Di = Wi -1 ； 第 i 效加热蒸汽的汽化潜热，kJ/kg；第 i 效二次蒸气的汽化潜热，kJ/kg；原料液的比热容，kJ/(kgoC)；水的比热容，kJ/(kgoC)；ti 、 ti -1 分别为第 i 效和第 i-1 效溶液的温度（沸点）oC。第I 效的热量衡算式为 第II 效的热量衡算式为 第III 效的热量衡算式为 又t/a 联立 ，计算得 W1=10517t/a W2=11434 t/a W3=12715 t/a D1=15121 t/a与第一次计算结果比较，其相对误差为计算相对误差均在 0.05 以下，故各效蒸发量的计算结果合理。3.4 蒸发器传热面积的估算任一效的传热面积为式中Qi 第 i 效的传热速率，W；Ki 第 i 效的总传热系数，W/(m2 )；iS 第 i 效的传热面积，m2；oDti 第 i 效的传热温差， 。所以误差为，误差较大，应调整各效的有效温差，重复上述计算过程。3.5 有效温差的再分配 重新分配有效温度差,得3.6 重复上述计算步骤（1）计算各效料液浓度由所求得的各效蒸发量，可求各效料液的浓度，即（2）计算各效料液的温度因末效完成液浓度和二次蒸气压力均不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液的温度仍为63.76，即则第效加热蒸汽的温度（也即第效二次蒸气温度）为 由化工原理（上册）2第349页无机盐水溶液的沸点表知，常压下不同质量分数溶液的沸点如下表表3 常压下不同 质量分数的 KNO3 沸点质量分数18.8%26.1%45%沸点101.5102.3104.8 由化工原理（上册）【2】第 341 页饱和水蒸气表可查得106.45水的二次蒸气的汽化潜热为2241.66 kJ/kg，所以同样也可由化工原理（上册）2第 341 页饱和水蒸气表可查得128.00的二次蒸气的汽化潜热列于表4表4 温度差更新分配后各效二次蒸气的温度和汽化潜热效数二次蒸气温度，（即下一效加热蒸汽的温度）128.00106.4560.1二次蒸气的气化潜热，kJ/kg(即下一效加热蒸汽的汽化潜热)2183.132241.662354.9各效由于溶质存在和大气压而引起的温度差损失 D 各效料液的温度为温度差重新分配后各效温度情况列于下表。表5 温度差更新分配后各效温度情况效数加热蒸汽温度，/有效温度差，/13.6119.1642.69料液温度（沸点），/129.79108.8463.76（3）各效的热量衡算第I 效的热量衡算式为 第II 效的热量衡算式为 第III 效的热量衡算式为 又 W1+W2+W3=34667 联解式，可得 与第一次计算结果比较，其相对误差为 计算相对误差均在 0.05 以下，故各效蒸发量的计算结果合理。各效溶液浓度无明显变化，不需重新计算。(4)蒸发器传热面积的估算误差为，迭代计算合理，取平均传热面积 。由化工原理（上册）2第 294 页经济性的定义可知，各效经济性：3.7计算结果列表表6 计算结果效数冷凝器加热蒸汽温度143.4128.00106.4560.1操作压力256.56128.302020溶液温度（沸点）129.79108.8463.76完成液浓度18.826.045蒸发量1456.81598.11760.1蒸汽消耗量2075.7传热面积46.0146.0146.01经济性0.701.101.10第四章蒸发器的主要结构尺寸设计中央循环管式蒸发器的主要结构尺寸包括：加热室和分离室的直径和高度， 加热管与中央循环管的规格、长度及在管板上的排列方式。这些尺寸的确定取 决于工艺计算结果，主要是传热面积。4.1 加热管的选择和管数的初步估算蒸发器的加热管通常选用F25 mm 2.5 mm、F38 mm 2.5 mm、F57 mm 3.5 mm等几种规格的无缝钢管。此次设计选用加热管型号为F57 mm 3.5 mm。根据实际情况选择加热管长度为 1.5m。由化工单元操作课程设计3第91页可知，当加热管的规格与长度确定后，可由下式初步估算所需的管子数 ：所需管子数 其中S蒸发器的传热面积，m2，由前面的工艺计算决定d0加热管外径，mL加热管长度，m,所以根4.2 循环管的选择由化工单元操作课程设计3第92页可知，循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减小的原则来考虑的。中央循环管式蒸发器的循环管截面积可取加热管总截面积的40%100%。本次计算取 55% 。则循环管的总截面积为根据上述结果，在附录1无缝钢管规格型号表大全中，选取管径相近的标准管型号为F530 mm10 mm。循环管的管长与加热管相等，为1.5m。4.3 加热室直径及加热管数目的确定加热室的内径取决于加热管和循环管的规格、数目及在管板上的排列方式。加热管在管板上的排列方式有三角形、正方形、同心圆等，目前以三角形排列居多。此次设计排列方式取正三角形。不同尺寸加热管的管心距如下表表7 不同加热管尺寸的管心距加热管外径 d0/mm19253857管心距 t/mm25324870由上表查得型号为的管心距为F57 mm 3.5 mm为70mm管子按正三角形排列时，管束中心在线管数根然后采用下式初步估算加热室内径，即式中，=1.4d0所以 表8 壳体的标准尺寸壳体内径/mm400-700800-10001100-15001600-2000最小壁厚/mm8101214根据初估加热室内径值和容器的公称直径系列，选取加热室壳体内径11180mm，壁厚15mm。以此内径和循环管外径作同心圆，在同心圆的环隙中，按加热管的排列方式和管心距作图。如附图1，通过作图，求得加热管数n=180 ，而初步估算 n = 184 ，其相对误差为误差不大，计算合理，所以加热室的规格选定F1210 mm15 mm。4.4 分离室直径和高度的确定分离室的直径和高度取决于分离室的体积，而分离室的体积又与二次蒸气的 体积流量及蒸发体积强度相关。分类室体积的计算式为 其中 V分离室的体积，m3；W为某效蒸发器的二次蒸气流量，kg/h，为某效蒸发器的二次蒸气的密度，kg/m3，U为蒸气体积强度，1.5m3/(m3s)， 一般允许值为1.11.5m3/（m3s）取W=W3=1760.1kg/h，=0.13068kg/m3 U=1.5m3/(m3s)。所以分离室体积确定后，分离室高度H与直径D符合下列关系：V=D2H, 在利用此关系确定高度和直径时应考虑如下原则分离室的高度与直径之比在允许的条件下，分离室直径应尽量与加热室相同，这样可使结构简单， 加工制造方便。高度和直径均应满足施工现场的安装要求。所以有D=Di=1210mm4.5 接管尺寸的确定流体进出口接管的内径按下式计算：式中 流体的体积流量，m3/s；u 流体的适宜流速，m/s。流体的适宜流速列于下表。表9 流体的适宜流速强制流动的液体，m/s自然流动的液体，m/s饱和蒸汽，m/s空气及其他气体，m/s0.8-150.08-0.1520-3015-20估算出接管内径后，应从管子的标准系列中选用相近的标准管。蒸发器有如下主要接管。（1）溶液的进出口对于并流加料的三效蒸发，第I效溶液的流量最大，若各效设备采用统一尺 寸，应根据第 I 效溶液流量来确定接管。溶液的适宜流速按强制流速考虑，取流体流速为 2.5m/s，由相关文献查得=1104。故所以选取规格F39 mm 3.5 mm标准管。此时在流速范围内，计算合理。（2）加热蒸汽进口与二次蒸气出口若各效尺寸一致，则二次蒸气体积流量应取各效中较大者。第III效体积流量最大，取流体的流速为25m/s，故所以选取规格为 F480 mm15mm 标准管。此时在流速范围内，计算合理。（3）冷凝水出口接管直径应由各效加热蒸汽消耗量较大者确定。流体的适宜流速按自然流动考虑，取流体的流速为0.1m/s。因为第一效加热蒸汽消耗量最大，故所以选取规格为 F102mm 5mm 标准管。此时在流速范围内，计算合理。第五章 蒸发装置的辅助设备结构尺寸设计蒸发装置的辅助设备主要包括气液分离器和蒸汽冷凝器。5.1 气液分离器蒸发操作时，二次蒸气中夹带大量的液体，虽在分离室得到初步分离，但为了防止损失有用的产品或防止污染冷凝液体，还需设置气液分离器，以使雾沫中的液体聚集并与二次蒸气分离，故气液分离器又称捕沫器或除沫器。为节省空间， 将除沫器设置在蒸发器分离室顶部，其类型有简易式、惯性式及网式除沫器等。二次蒸汽气速为25m/s，所以此次选用惯性式除沫器。惯性式除沫器是利用带有液滴的二次蒸气在突然改变运动方向时，液滴因惯性作用而与蒸气分离。 惯性式除沫器的主要尺寸可按下列关系确定：D0D1 D1：D2：D3：=1：1.5：2.0 H=D3H=（0.40.5）D1其中 D0二次蒸汽的管径，m D1除沫器内管的直径，m D2除沫器外罩管的直径，m D3除沫器外壳的直径，m H除沫器的总高度，m h除沫器的内管顶部与器顶的距离，m 由二次蒸气的出口接管尺寸得所以 D1= D0=0.53 m D2=0.795m D3=1.06m所以除沫器内管选用 F480 mm15 mm除沫器外罩管选用 F710 mm 20 mm除沫器外壳选用 F960 mm20 mm5.2 蒸气冷凝器蒸气冷凝器的作用是用冷却水将二次蒸气冷凝。当二次蒸气为水蒸气不需要回收时，可采用直接接触式冷凝器，二次蒸气与冷却水直接接触进行热交换，冷凝效果好、结构简单、操作方便、价格低廉，因此被广泛采用。表11 蒸气冷凝器的性能由上表可知，单层多孔板式冷凝器水气接触面积较小，不适合；填充塔式冷凝器适用于腐蚀性蒸气的冷凝，不适合；水帘式和水喷射式冷凝器安装或加工有一定要求，较繁琐，不适合；多层多孔板式冷凝器虽孔易堵塞，但水气接触面积大，结构简单，通过水量大，较适合。 所以本次设计选用多层多孔板式冷凝器。（1）冷却水量式中 冷却水量，kg/h；进入冷凝器二次蒸气的流量，kg/h。与实际数据相比，计算的值偏低，故设计时取利用化工单元操作课程设计3第 98 页图 4-13 所示的多孔板式冷凝器的性能曲线，已知冷凝器进口蒸气压力 20kPa，取冷却水进口温度 20oC，故取（2）冷凝器的直径利用化工单元操作课程设计3第98 页图4-14 所示的冷凝器内径与蒸气流量的关系图，可得蒸汽压为20kPa，蒸气流量为1760.1kg/h 时，冷凝器直径 D=370mm所以冷凝器选取F390 mm10 mm（3）淋水板的设计淋水板的设计主要包括以下内容。淋水板数：当D=370mm500mm时，取46块，本次设计取5块；淋水板间距：当取5 块板时，所以，取弓形淋水板的宽度：最上面一块 B = (0.8 0.9)D ，m；其他各块淋水板 B = 0.5D + 0.05 m 。所以，取淋水板堰高h：当D=370mm500mm时，h=40mm淋水板孔径：冷却水循环使用，取d=10mm淋水板孔数：淋水孔流速u0可采用下式计算： 其中 -淋水孔的阻力系数，=0.950.98 -水孔收缩系数，=0.800.82h-淋水板堰高,m取=0.97 =0.81 则孔数个考虑到长期操作时易造成孔的堵塞，最上层板的实际淋水孔数应加大10%15%，其他各板孔数应加大5%，即取最上层孔数为 个，其它各板孔数应加大5%，即个淋水孔采用正三角形排列。5.3 封头尺寸的确定（1）顶部封头由化工设备课程设计指导4第21 页可知，中低压化工设备上经常使用的封头（或顶盖）大多为标准的椭圆形封头。 由化工设备机械基础5第214 页可知，标准椭圆形封头的曲面深度封头的直边高度h0 与封头公称直径相关。当封头的公称直径2000mm 时 （2）底部封头由化工设备机械基础5第 217 页可知，锥形封头广泛用于立式容器底部以便于卸除物料。为解决边界应力，最好的办法是在圆柱形壳体与锥形壳体之间 加上一个过渡圆弧，这就是带直边和折边的锥形封头。折边半径 r 不能小于0.1Di，则取直边高度半锥角最大可取 60o，则取第六章 设计结果汇总6.1 多效蒸发的工艺计算表12 多效蒸发的工艺计算效数冷凝器加热蒸汽温度143.4128.00106.4560.1操作压力256.56128.302020溶液温度（沸点）129.79108.8463.76完成液浓度18.826.045蒸发量1456.81598.11760.1蒸汽消耗量2075.7传热面积46.0146.0146.01经济性0.701.101.106.2 蒸发器及辅助设备的结构尺寸设计表13 蒸发器及辅助设备的结构尺寸设计蒸发器加热管长度1.5m加热管管径F57 mm 3.5 mm循环管管径F530 mm10 mm加热室内径F1210 mm15 mm加热管数目180分离室直径1210mm分离室高度2278mm接管溶液进出口管F39 mm 3.5 mm加热蒸汽与二次蒸汽进出口管F480 mm10 mm冷凝水出口管F102mm 5 mm气液分离器二次蒸汽的管径450mm除沫器内管的直径450mm除沫器外罩管的直径675mm除沫器外壳直径900mm除沫器的总高度900mm除沫器的内管顶部与器顶的距离225mm蒸汽冷凝器冷凝器类型多层多孔式冷凝器冷却水量41.51m3/h冷凝器的直径370mm淋水板数5淋水板间距