蒸发工段设计优化结果报告

吸收液后处理中蒸发工段设计报告1.概述在大规模工业生产中，往往需蒸发大量水分，这就需要消耗大量能源加热水产生蒸汽。为了减少加热蒸汽的消耗，可采用多效蒸发。将加热蒸汽通入一蒸发器，则溶液受热而沸腾，而产生的二次蒸汽其压力与温度较原加热蒸汽（即生蒸汽）为低，但此二次蒸汽仍可设法加以利用。在多效蒸发中，则可将二次蒸汽当作加热蒸汽，引入另一个蒸发器，只要后者蒸发室压力和溶液沸点均较原来蒸发器中的为低，则引入的二次蒸汽即能起加热热源的作用。同理，第二个蒸发器新产生的新的二次蒸汽又可作为第三蒸发器的加热蒸汽。这样，每一个蒸发器即称为一效，将多个蒸发器连接起来一同操作，即组成一个多效蒸发系统。加入生蒸汽的蒸发器称为第一效，利用第一效二次蒸汽加热的称为第二效，依此类推。产生循环利用，于多次重复利用了热能，显著地降低了热能耗用量，这样大大降低了成本，也增加了效率。基于本工段中的蒸发任务浓度升较小，料液沸点升高较小，无相变过程发生，我们选定利用双效蒸发装置来完成蒸发任务。蒸发目的：去除液体中的部分水，保持全流程中液体总量平衡和水平衡。蒸发手段：多效蒸发。2.物流原始数据及设计规定物流原始数据如下表表2-1物流原始数据表1hr内/kgPOORRICHH2O5000035757Na+32893289OH-24512451即：每小时蒸发14243kg水。2.1蒸发装置的选择根据物流情况，纯净的氢氧化钠碱性溶液，液体量较大，浓度较低，沸点升高较大，但粘度小，无热敏性，不易结垢，整个过程中不涉及到结晶，选择使用外循环式蒸发器，与料液接触的部分选择耐碱性能良好的304不锈钢。2.2 蒸发动力的选择：采用MVR技术为系统提供蒸汽动力，如额外需要蒸汽，采用4bar（143）低压蒸汽。2.3 蒸发效数的选择：从经济角度和技术角度来看，双效比单效节约蒸汽量约48%，三效蒸发比双效蒸发节约30%。因为总体浓度提升不大，在保证级之间的温差的情况下，选择双效蒸发。2.4 蒸发流程选择：倾向于简单，自然地流动状态，不需额外的泵送能量，且结构紧凑，易于操作和控制，选择并流流程。3.工艺计算原料液量F：55400kg/h总蒸发量W及各效蒸发量：W=F(1-X0Xn）=50-35.757=14.24 t/h根据并流蒸发的多效蒸发，考虑到其中的闪蒸现象，取两效蒸发的蒸发量之比：W1:W2=1：1.1即W1=6.78 t/h，W2=7.46 t/h估算各效溶液沸点和有效总温差：设定总压力差为30kpa表3-1一效与二效对比表效数一效二效二次蒸汽压力pi/kPa180100二次蒸汽温度Ti/117.199.7二次蒸汽汽化潜热ri/（kJ/kg）2210.62257因为溶液组成变化等因素导致的溶液沸点升高在aspen中会根据物性数据进行自动计算（浓度很低，沸点升高很小）液柱静压力产生的温度差损失：pm1=p1+m1gL2=180+1120*9.81*22*103=196 kPapm2=p2+m2gL2=100+1190*9.81*22*103=112 kPa两个时刻下对应的水的饱和温度是119.2与103.0，温度差损失总计119.2-117.1+103.0-99.7=5.4此时，有效总温差略小于143-99.7-5.4=47.9溶液沸点的变化和有效总温度差的计算：Aspen Plus中会自动根据物性参数进行计算，对于低浓度的浓缩，影响很小。加热蒸汽消耗量及各效蒸发除水量：通过多效蒸发各级焓衡算式和效水分蒸发量公式迭代计算即可，由于溶液浓度变化仅有2%左右，故近似认为每效热利用系数相等。=0.98W1=D1r1r1W2=W1r2r2-(FCp0-W1CPw)t2-t1r2W1+W2=14243通过Aspen Plus对整个过程进行模拟，并综合以上的理论计算，得到以下数据：第一效蒸发量：6549kg/h，第二效蒸发量：7812kg/h，蒸汽消耗量：6938kg/h传热系数估算：外循环式蒸发器与自然流动相结合，其中管内溶液沸腾传热系数受影响因素较多，且均为经验关联式，通过查阅手册，自然对流的外加热式蒸发器总传热系数选定为：第一效1600W/（m2），第二效2000W/（m2）蒸发器的传热面积：Q1=D1r1S1=D1r1Kt1利用Aspen Plus对设计好的两效蒸发进行核算，第一效的有效传热温差为143-119.2=23.8，第二效的有效传热温差为119.2-103=16.2可以计算得到：S1=126.5m2S2=126.8m2客观值误差小于0.3m2，试差结果合理可行。平均值取整后为126.6 m2.4.工程设计利用现代计算方法对再沸器进行工程设计（Aspen EDR），首先对其进行理论计算蒸发器的主要结构尺寸：选用25mm2.5mm不锈无缝钢管，但考虑到NaOH溶液浓缩期间，据不可能出现少量结晶引起结垢，管长度不宜太长，取3m。加热管的根数n=Sd0（L-0.1）=126.63.140.025（2-0.1）=846（根）加热室直径及加热管数量：加热管取正三角形排列，管心距取标准化值32mm，正三角排列系数为1.1，直径排列管数为3801.1=32根，边界管系数为1.5，理论直径为32*32=1024mm，可取直径为1000mm。分离室直径与高度：V=W3600U其中U为蒸发体积强度，第二效的蒸发体积最大，为了保持各效蒸发室的尺寸一致，故利用第二效U值进行计算。取U值为1.2V=781236000.5791.2=3.2m亦可取加热室与蒸发室相同，可得分离室总高度H=4VD2=1.6m高径比为1:1，在适合范围内。接管尺寸：以最大的溶液进量为准，取第一效的流量，且保持流速使得液体处于强制湍流状态。D1=4Vu=45540038=0.133m 取DN=125mm。其余管道直径均可同理获得（同理可得第一效蒸汽出口D2=4Vu=465493.143036002.347=0.182m 取DN=200mm。加热蒸汽进口D3=4Vu=478113.143036002.529=0.191m 取DN=200mm第一效出口液体D4=4Vu=44887030.129m 取DN=125mm外循环循环管D5=4Vu=410670330.192m 取DN=200mm加热蒸汽出口D6=4Vu=478113.1420360010.62=0.114m 取DN=125mm）但基于实际工程经验，在EDR中，我们选择最接近TEMA换热标准的接管尺寸，进液接管（料液与回流液）尺寸为DN150，再沸器蒸汽出口DN300，加热蒸汽进口DN300，冷凝蒸汽液体出口DN80。蒸发装置的辅助设备设计和选型：气液分离器：选择丝网式除沫器，丝网直径选择与分离室相同，层数为2，厚度选100mm蒸汽冷凝器：根据节能的需要，蒸汽中的热量需要被二次利用，故不选择常规的冷却水淋水冷却。此处利用一个固定管板式换热器对蒸汽进行冷凝，冷凝后的液体为蒸汽冷凝水，可进行二次利用。计算结果列表表4-1计算结果列表效数第一效第二效加热蒸汽温度Ti/143119.2操作压力pi/kpa180100溶液沸点ti/117.1103完成液浓度xi/%11.0513.15蒸发水分量W/kg65497812蒸汽用量D/kg6938传热面积S/m2126.6126.65.蒸发节能优化MVR是机械式蒸汽再压缩技术（mechanical vapor recompression）的简称，是利用蒸发系统自身产生的二次蒸汽及其能量，将低品位的蒸汽经压缩机的机械做功提升为高品位的蒸汽热源。如此循环向蒸发系统提供热能，从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。利用MVR技术，可以为系统高效提供值（有效能），而传统的加热所采用的蒸汽中有大量的无效能，会浪费大量能量，从而在总消耗费用上有所体现，需要考虑蒸汽费用、电费、材料费用等三个方面。以蒸汽价格200元/吨为例，热压泵型二效蒸发一吨水所需蒸汽成本在200/2=100元，MVR则主要是蒸汽压缩机的电费，其蒸发一吨水电费约为30元，很显然每蒸发一吨水，MVR能省下70元，以本装置的蒸发任务为例，每小时能省下约1000元，节能效果显著。将余热进行高效利用也是另一个可以大幅度节能的关键点，两效蒸发过后的蒸汽经过MVR圧缩过程后能量品位升高，对一效再沸器提供能量至完全冷凝成液体，同样的，经过浓缩后的液体同样具有较高的能量品位，以上二者的能量均可对待蒸发液体进行相应的余热，在预热阶段我们选择对待蒸发液体进行物流拆分，分别匹配两者的热量，相比串级余热，可以进一步利用两者的余热。最大化的节省额外蒸汽用量。最终的优化结果显示，蒸发工段处MVR压缩消耗电能之外，无需外加蒸汽，即可完成蒸发任务。（优势，无需蒸汽的并联预热方案）（劣势，串级余热需额外提供蒸汽完成换热任务）其他方案均无明显优势：表5-1对比表方案蒸发所需蒸汽t/