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2.1设计方案的确定以及蒸发器选型6
2.2工艺流程简介6
3.物性数据及相关计算7
3.2换热器设计计算8
3.3管道选材及计算9
3.3.1料液管道管径的确定10
3.3.2加热蒸汽管道与二次蒸气管道管径的确定10
3.3.3冷凝水管道管径的确定11
3.4管材的选择12
4对本次设计任务的评价17
1概述
1.1蒸发简介
在化工、轻工、医药、食品等工业中,常常需要将溶有固体溶质的稀溶液加以浓缩,以便得到浓溶液(固体产品)或制取溶剂,例如硝酸铵、烧碱、抗生素、食糖等生产以及海水淡化等。
工业上常用的浓缩方法是蒸发,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。
化工生产中蒸发主要用于以下几种目的:
(1)获得浓缩的溶液产品;
(2)将溶液蒸发增浓后,冷却结晶,用以获得固体产品,如烧碱、抗生素、糖等产品;
(3)脱除杂质,获得纯净的溶剂或半成品,如海水淡化。
进行蒸发操作的设备叫做蒸发器。
蒸发器内要有足够的加热面积,使溶液受热沸腾。
溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动,被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。
蒸发器内部有足够的分离空间,以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴,或装有适当形式的除沫器以除去液沫,排出的蒸汽可回收热量加以利用,或经过冷凝器冷凝
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二次蒸汽。
1.2蒸发操作的分类
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。
按操作压力,蒸发可以分为常压蒸发、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。
按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发,倘若将加热蒸汽通入一蒸发器,则液体受热而沸腾,所产生的二次蒸汽,其压力与温度比较原加热蒸汽(生蒸汽)为低。
但此二次蒸汽仍可设法加以利用。
最普遍的利用方法是将其当作加热蒸汽,引入另一个蒸发器,只要后者的蒸发室压力和溶液沸点均较原来蒸发器中为低,则引入的二次蒸汽仍能起到加热作用。
此时第二个蒸发器的加热室便是第一个蒸发器的冷凝器,这就是多效蒸发的原理。
将多个蒸发器这样连接起来一同操作,即组成一个多效蒸发器。
每一蒸发器称为一效,通入生蒸汽的,称为第一效,利用第一效的二次蒸汽为加热蒸汽的称为第二效,以此类推。
由于各效(最后一效除外)的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽,提高了生蒸汽的利用率,节省了生蒸汽用量,所以,在蒸发大量水分时,广泛采用多效蒸发,常用的多效蒸发有双效、三效或四效,有的多达六效。
多效蒸发按加料方式又可分为以下四种:
①溶液与蒸汽成并流的方法,简称并流法;
②溶液与蒸汽成逆流的方法,简称为逆流法;
③溶液与蒸汽在有些效间成并流而在有些效间则成逆流,简称错流法;
④每一效都加入原料液的方法,简称平流法。
以三效为例加以说明,当效数有所增减时,其原则不变。
(1)并流法
图1三效蒸发并流加料流程
并流法是工业中最常用的为并流加料法,如图1所示,溶液流向与蒸汽相同,即第一效顺序流至末效。
因为后一效蒸发室的压力较前一效为低,故各效之间可无须用泵输送溶液,此为并流法的优点之一。
其另一优点为前一效的溶液沸点较后一效的为高,因此当溶液自前一效至后一效内,即成过热状态而立即自行蒸发(常称为自蒸发或闪蒸),可以发生更多的二次蒸汽,使能在次一效蒸发更多的溶液。
其缺点则为最后一效的溶液的浓度较前一效的大,而温度又较低,粘度增加显著,因而传热系数就小很多。
这种情况在最末一、二效尤为严重,使整个蒸发系统的生产能力降低。
因此,如果遇到溶液的粘度随浓度的增大而很快增加的情况,不宜采用并流法。
(2)逆流法
图2三效蒸发逆流加料流程
如图2所示,原料液由末效流入,而由泵打入前一效。
逆流法的优点在于溶液的浓度愈大时蒸发的温度亦愈高,使各效溶液均不致出现粘度太大的情况,因而传热系数也就不致过小。
其缺点是,除进入末效的溶液外,效与效之间皆需用泵输送溶液,且各效进料温度(末效除外)都较沸点为低,故与并流法比较,所产生的二次蒸汽量减少。
(3)平流法
图3三效蒸发平流加料流程
此法是按各效分别进料并分别出料的方式进行的,如图3所示。
此法适用于在蒸发过程中同时有结晶体析出的场合。
例如食盐溶液,当蒸发至27%左右的浓度即达饱和,若继续蒸发,就有结晶析出;
此结晶不便在效与效之间输送,故可采用此种流程将含结晶的浓溶液自各效分别取出。
(4)错流法
此法的特点是在各效间兼用并流和逆流加料法。
例如在三效蒸发设备中,溶液的流向可为312或231。
此法的目的是利用以上并流法和逆流法的优点,克服或减轻二者的缺点,但其操作比较复杂。
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。
1.3蒸发操作的特点
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纯溶剂的纯热温差,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工艺设计时必须要考虑的问题。
(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。
1.4蒸发设备
蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热,部分汽化,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。
蒸发的主体设备是蒸发器,它主要由加热室和蒸发室组成。
蒸发的辅助设备包括:
使液沫进一步分离的除沫器,和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。
减压操作时还需真空装置。
兹分述如下:
由于生产要求的不同,蒸发设备有多种不同的结构型式。
对常用的间壁传热式蒸发器,按溶液在蒸发器中的运动情况,大致可分为以下两大类:
(1)循环型蒸发器
特点:
溶液在蒸发器中做循环流动,蒸发器内溶液浓度基本相同,接近于完成液的浓度。
操作稳定。
此类蒸发器主要有:
a.中央循环管式蒸发器
b.悬筐式蒸发器
c.外热式蒸发器
d.列文式蒸发器
e.强制循环蒸发器
其中,前四种为自然循环蒸发器。
(2)单程型蒸发器
特点:
溶液以液膜的形式一次通过加热室,不进行循环。
优点:
溶液停留时间短,故特别适用于热敏性物料的
蒸发;
温度差损失较小,表面传热系数较大。
缺点:
设计或操作不当时不易成膜,热流量将明显下降;
不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。
此类蒸发器主要有:
a.升膜式蒸发器
b.降膜式蒸发器
c.刮板式蒸发器
2设计条件及设计方案说明
2.1设计方案的确定以及蒸发器选型
本次设计要求采用中央循环管式蒸发器,在工业上被称为标准蒸发器(如图4所示)。
其特点是结构紧凑,制造方便,传热较好,操作可靠等优点,应用十分广泛,有"
标准蒸发器"
之称。
它的加热室由垂直的加热管束组成,在管束中央有一根直径很大的管子,称为中央循环管。
当管内液体被加热沸腾时,中央循环管内气液混合物的平均密度较大;
而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。
在密度差的作用下,溶液由中央循环管下降,而由加热管上升,做自然循环流动。
溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数,强化了蒸发过程。
为使溶液有良好的循环,中央循环管的截面积,一般为其余加热管总截面积的40%~100%;
加热管的高度一般为1~2m;
加热管径多为25~75mm之间。
但实际上,由于结构上的限制,其循环速度一般在0.4~0.5m/s以下;
蒸发器内溶液浓度始终接近完成液浓度;
清洗和维修也不够方便。
在蒸发操作中,为保证传热的正常进行,根据经验,每效分配到的温差不能小于5~7℃。
通常,对于沸点升高较大的电解质溶液,应采取2~3效。
由于本次设计任务是处理KNO3溶液。
这种溶液是一种沸点升高较大的电解质,故选用三效蒸发器。
另外,由于KNO3溶液是一种粘度不大的料液,故多效蒸发流程采用并流操作。
多效蒸发器工艺设计的主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。
计算的主要项目有:
加热蒸气(生蒸气)的消耗量,各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积等。
多效蒸发器的计算一般采用迭代计算法。
图4中央循环管式蒸发器
2.2工艺流程简介
图5蒸发工艺流程简图
如图5所示,20℃的原料液三台列管式换热器换热后达到泡点进入第Ⅰ效蒸发器,在生蒸汽的给热下蒸发大量水蒸气形成二次蒸汽,同时生蒸汽损失热量发生相变冷凝成水,但此时其温度仍很高,是品味很高的热源,可做为第Ⅲ换热器的热流体,由并流加料法的特点知第Ⅱ效蒸发器压力较第Ⅰ效为低,故第Ⅰ效中产生的大量二次蒸汽作为第Ⅱ效的加热蒸汽进入第Ⅱ效,经加热料液冷凝成冷凝水,但较第Ⅰ效的冷凝水温度为低,作为第Ⅱ换热器的热源对原料液进行预热。
第Ⅱ效料液的沸点较第Ⅰ效为低,故第Ⅰ效的完成液一进入第Ⅱ效便成过热状态而立即蒸发出大量二次蒸汽,同理,该二次蒸气作为加热蒸汽进入第Ⅲ效蒸发器,其冷凝水温度进一步降低,只能作为第Ⅰ换热器的热源,对常温下的原料液进行初步的预热。
第Ⅲ效蒸发器的二次蒸汽经冷却器冷却,冷凝成水后回收利用。
从第三效蒸发器出来的料液已达到所需浓度要求,可输送到储槽储存利用。
为实现能量利用的最大化,选择泡点进料,但经换热器Ⅰ~Ⅲ预热后的原料液无法达到泡点,故用高温的过热蒸汽在换热器Ⅳ中对原料液进行进一步加热使其达到泡点。
3.物性数据及相关计算
3.1蒸发器设计计算
图6并流加料三效蒸发的物料衡算及热量衡算图
对三效蒸发器进行物料衡算和热量衡算,得到下述结果:
表1物料计算的结果
效次
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
冷凝器
加热蒸汽温度,0C
143.4
132.64
109.95
60.1
操作压力P'
i,kPa
273.33
146.66
20
溶液温度(沸点)ti,0C
133.62
111.44
64.15
完成液浓度xi,%
10.9
17.5
48
蒸发量Wi,kg/h
2897.5
3078.3
3190.9
蒸气消耗量D,kg/h
2764.1
传热面积Si,m2
83.2
完成液流量kg/h
8073.4
5028.6
1833.3
3.2换热器设计计算
对换热器进行物料衡算和热量衡算得到如下结果:
表2物料计算结果
Ⅳ
管程进/出口温度,0C
20/49
49.0/76.5
76.5
76.5/98.6
98.6/133.6
壳程进/出口温度,0C
109.5/57.9
57.9
132.6/81.1
143.4/102
管程流量kg/s
3.1
壳程流量kg/s
0.768
0.805
0.855
管程流体密度kg/m3
1300
壳程流体密度kg/m3
950.1
932.3
922.5
0.1307
管程流体比热容kJ/(kg•℃)
kJ/(kg•℃)
1.869
壳程流体比热容kJ/(kg•℃)
4.233
4.18
1.850
管程流体粘度10-7Pa•s
10-7Pa•s
43000
壳程流体粘度10-7Pa•s
2.114
2.828
2.72
145
管程流体热导率W/m•℃
0.521
壳程流体热导率W/m•℃
0.685
0.686
0.029
表3换热器结构参数
ⅠⅡⅢ
热流量,KW
5900
传热系数,W/(m2K)
600
裕度/%
10
形式
固定板式换热器
壳体内径mm
273
400
管径mm
管长mm
2000
3000
管子根数
38
76
台数
3
1
管程数
4
管子排列
△
材质
碳钢
3.3管道选材及计算
流体进出口计算公式:
表4各效冷凝水密度
溶液温度ti,0C
冷凝水的密度
931.7
949.9
981.0
各效中溶液的平均密度计算:
3.3.1料液管道管径的确定
为统一管径,按第Ⅰ效的流量计算,溶液的适宜流速按强制流动算,即
则
依据钢管的常用规格选为
的标准管。
3.3.2加热蒸汽管道与二次蒸气管道管径的确定
表5流体的适宜流速
强制流体的液体,m/s
自然流体的液体,m/s
饱和蒸汽,m/s
空气及其他气体,m/s
0.8~15
0.08~0.15
20~30
15~20
饱和蒸汽适宜的流速
为统一管径,取体积流量最大的末效流量为计算管径的体积流量,则
依据无缝钢管的常用规格选用为
3.3.3冷凝水管道管径的确定
冷凝水的排出属于自然流,
分别计算各效冷凝水的管径:
为统一管径,取计算得到各效最大的管径为设计的管径,则
依据无缝钢管的常用规格选用直径为
表6主要管道尺寸的确定
加热管主要结构
设计尺寸
料液输送管道管径
加热蒸气与二次蒸气输送管道管径
冷凝水管道管径
3.4管材的选择
在进行压力管道设计时,管径经计算确定以后,就要选择管子的材料。
压力管道常用管子材料的使用是根据所输送介质的操作条件(如压力、温度)及其在该条件下的介质特性决定的。
材料选择不当,会造成浪费或埋下事故隐患。
如可以用普通材料的管子时,选用了较昂贵材料的管子,就增加了不必要的基建投资。
该用耐酸不锈钢的场合用了碳钢就会直接影响压力管道的正常运行,甚至留下祸根。
所以在选择管子材料时,要求设计人员首先要了解管子的种类、规格、性能、使用范围,最好还要调查该管子在其他类似的压力管道的应用情况,再根据以下的原则确定管子的材料。
(1)优先选用的管材
在选用管子材料时,一般先考虑采用金属材料,金属材料不适用时,再考虑非金属材料。
金属材料优先选择钢制管材,后考虑选用有色金属材料。
钢制管材中,先考虑采用碳钢,不适用时再选用不锈钢。
在考虑碳钢材料时,先考虑焊接钢管,不适用时再选用无缝钢管。
(2)介质压力的影响
输送介质的压力越高,管子的壁厚就越厚,对管子材料的要求一般也越高。
介质压力在1.6MPa以上时,可选用无缝钢管或有色金属管子。
压力很高时,如在合成氨、尿素和甲醇生产中,有的管子介质压力高达32MPa,一般选用材料为20钢或15MnV的高压无缝钢管。
在真空设备上的管子及压力大于10MPa时的氧气管子,一般采用铜管和黄铜管。
介质压力在1.6MPa以下时,可考虑采用焊接钢管、铸铁管或非金属管子。
但铸铁管子承受介质的压力不得大于1.0MPa。
非金属管子所能承受的介质压力,与非金属材料品种有关,如硬聚氯乙烯管子,使用压力小于或等于1.6MPa;
增强聚丙烯管子,使用压力小于或等于1.0MPa;
ABS管子,使用压力小于或等于0.6MPa。
对水管,当水的压力在1.0MPa以下时,通常采用材料为Q235A的焊接钢管;
当水的压力大于2.5MPa时,一般采用材料为20钢的无缝钢管。
(3)介质温度的影响
不同材料的管子,适用于不同的温度范围。
压力为1.0MPa的氢气,当氢气的温度小于350℃时,一般采用20无缝钢管,当氢气的温度在351~400℃范围时,一般采用15MnV或12CrMo无缝钢管。
表7不同材料管道的使用温度范围
材料牌号
受压管子使用温度范围℃
Q235AF
0~250
纯钛
≤350
Q235A
0~350
铝
-268~150
20R
-20~475
铜、黄铜
-196~200
20g
纯铝
≤120
16MnR
-14~475
硬铝
≤140
16Mn
-40~475
灰铸铁
≤250
0.5Mo
≤520
球墨铸铁
Cr18Ni9
-196~700
(4)介质化学性质的影响
输送不同介质,采用不同的管材。
有的介质呈中性,一般对材料要求不高,可选用普通碳钢管;
有的介质呈酸性或碱性,就要选择耐酸或耐碱的管材。
强酸强碱与弱酸弱碱对管子的材料要求也不一样,同样的酸或碱,浓度不同对管子的材料要求也有区别。
如输送水及水蒸汽,采用碳钢材料的管子就可以了。
如在尿素装置中,输送二氧化碳的管子,一般采用不锈钢管,因为二氧化碳遇水形成碳酸,碳酸对一般钢管有腐蚀作用。
如发烟硫酸可选用碳钢管子,稀硫酸就不得用碳钢管子,因为稀硫酸和碳钢能起化学反应,对碳钢有腐蚀,可采用硬铝管。
(5)管子本身功能的影响
有些管子除需具备输送介质的功能外,还要具有吸震的功能、吸收热胀冷缩的功能,在工作状况下,能经常移动的功能。
如民用液化石油气、氧气、乙炔气在灌瓶的部位,管子常采用高压钢丝编织胶管,而不能使用移动不方便的硬质钢管。
(6)常用管道的类型
一般用途及选用材料情况参见下表:
表8常用管道的类型、选材、一般用途一览表
序号
管道类型
选用材料
一般用途
标准号
无缝钢管
①中低压用
普通碳素钢、优质碳素钢、
低合金钢、合金结构钢
输送对碳钢无腐蚀或腐蚀速度很小的
各种流体
GB8163-87
GB3082-82
GB9948-88
②高压用
20、15MnV等
合成氨、尿素、甲醇生产中大量使用
GB6479-86
③不锈钢
1Cr18Ni9Ti等
液碱、丁醛、丁醇、液氨、硝酸、硝
铵溶液的输送
GB2270-80
2
焊接钢管
①水煤气输送钢管
Q235—A
适用于输送水、压缩空气、煤气、乏
汽,冷凝水和采暖系统的管路
GB3091-93
②螺旋缝电焊钢管
Q235、16Mn等
SY5036-83
③不锈钢焊接钢管
HG20537-3.4-92
金属软管
①纤焊不锈钢软管
1Cr18Ni9Ti
一般适用于输送带有腐蚀性气体
②P2型耐压软管
低碳镀锌钢
一般用于输送中性的液体、气体及混合物
③P3型吸尘管
一般用于通风、吸尘的管道
④PM1型耐压管
一般用于输送中性液体
有色金属
①铜管和黄铜管
T2、T3、T4、TUP、
TU1、TU2、H68、H62
适用于一般工业部门,用作机器和真空设备上的管路及压力小于10MPa时的氧气管路
GB1527~1530-87
②铅及其合金管
纯铅,Pb4、Pb5、Pb6,
铅锑合金(硬铅),
PbSb4、PbSb6、PbSb8
适用于化学、染料、制药及其它工业部门
作耐酸材料和管道,如输关15~65%的硫
酸、干或湿的二氧化硫、60%的氢氟酸、
浓度小于80%的醋酸、铅管的最高使用温
度为200℃,但温度高于140℃时,不宜在
压力下使用。
GB1472-88
铝及其合金
L2、L3、工业纯铝
铝管用于输送脂及酸、硫化氢及二氧化碳,
铝管最高使用温度℃,温度高于160℃时,
不宜在压力下使用,铝管还可以用于输送浓
硝酸、醋酸、蚁酸、硫的化全物及硫酸盐。
不能用于盐酸、碱液,特别是含氯离子的化
合物。
铝管不可用对铝有腐蚀的碳酸镁、含
碱玻璃棉保温。
GB6893-86
GB4436-84
5
纤维缠绕
玻璃钢管
承插胶粘直管、
对接直管和O型
环承插连进管
玻璃钢
一般在公称压力0.6~1.6MPa、公称直径大
于50mm的管道上
HGJS34-91
玻璃钢烯管
低压接触成型进管使用压力小于等于0.6MPa,长丝缠绕直管,合用压力小等于1.6MPa。
6
增强聚丙烯管
聚丙烯
具有轻质高强、耐腐蚀性好、致密性好,价格低等特点。
使用温度为120℃,合用压力为小于等于1.0MPa。
HG20539-92
7
玻璃管增强聚气乙烯复合管
玻璃、聚气乙烯
一般用于公称直径15~400mm,PN小于等于
1.6MPa管道上。
HG20520-92
8
玻璃钢增强聚气乙烯复合管
玻璃钢、聚气乙烯
使用压力小于等于1.6MPa。
HGJ515-87
9
钢衬改性聚丙燃复合管
钢、聚丙烯
使用压力可大于1.6MPa。
钢衬聚四氟乙燃推压管
钢、聚四氟乙
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