化工设计课程设计-- 管道设计计算.docx
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1、中南民族高校化工专业课程设计学院:化学及材料科学学院专业:化学工程及工艺年级:2019级题目:KNos水溶液三效蒸发工艺设计学生姓名:*学号1*指导老师姓名,*职称:教授2019年12月29日化工专业课程设计任务书设计题目:KN(),水溶液三效蒸发工艺设计设计条件:1.年处理实力为7.92X10,t/aKNQ,水溶液:2 .设备型式中心循环管式蒸发器;3 .KN03水溶液的原料液浓度为8乐完成液浓度为48乐原料液温度为20C,比热容为3.5kJ(kg.C);4 .加热蒸汽压力为40OkPa(绝压),冷凝器压力为20kPa(绝压);5 .各效加热蒸汽的总传热系数:K1.=2000W/(m2);K
2、2=1000W/(m2eC);K3=500W/(m24C);6 .各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。各效传热面枳相等,并忽视浓缩热和热损失,不计静压效应和流体阻力对沸点的影响;7 .每年按300天计,每天24小时运行:设计任务:1 .设计方案简介:对确定的工艺流程进行简要论述。2 .蒸发器和换热器的工艺计算:确定蒸发器、换热器的传热面积。3 .蒸发器的主要结构尺寸设计。4 .主要协助设备选型,包括气液分别器及换热器等。5 .绘制KN03水溶液一:效蒸发装置的流程图及蒸发器设备工艺简图。姓名:班级:化学工程及工艺专业学号:指导老师签字:书目1概述错谀未定义书签.1.1 蒸发简介11.2 蒸
3、发操作的分类21.3 蒸发操作的特点52设计条件及设计方案说明71. 1设计方案的确定以及蒸发器选型72. 2工艺流程简介93.物性数据及相关计算93. 2换热器设计计算103. 3管道选材及计算111. 3.1料液管道管径的确定123. 3.2加热蒸汽管道及二次蒸气管道管径的确定124. 3.3冷凝水管道管径的确定123.4管材的选择管谀侏定义书签.4对本次设计任务的评价251概述1.1 蒸发简介在化工、轻工、医药、食品等工业中,常常须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,例如硝酸筱、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
4、采纳加热的方法,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:(I)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淌,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别空间,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
5、冷凝蒸发过程中常常采纳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。真空蒸发有很多优点:(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。按二次蒸汽的利用状况可以分为单效蒸发和多效蒸发,倘如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,其压力及温度比较原加热蒸
6、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。此时其次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。每蒸发器称为一效,通入生蒸汽的,称为第效,利用第一效的二次蒸汽为加热蒸汽的称为其次效,以此类推。由于各效(最终一效除外)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,节约了生蒸汽用量,所以,在蒸发大量水分时,广泛采纳多效蒸发,常用的多效蒸发有双效、三效或四效,有的多达
7、六效。多效蒸发按加料方式又可分为以下四种:溶液及蒸汽成并流的方法,简称并流法:溶液及蒸汽成逆流的方法,简称为逆流法;溶液及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;每一效都加入原料液的方法,筒称平流法。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,溶液流向及蒸汽相同,即第效依次流至末效。因为后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,因此当溶液自前效至后效内,即成过热状态而马上自行蒸发(常称为自蒸发或闪蒸),可以发
8、生更多的二次蒸汽,使能在次效蒸发更多的溶液。其缺点则为最终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。这种状况在最末一、二效尤为严峻,使整个蒸发系统的生产实力降低。因此,假如遇到溶液的粘度随浓度的增大而很快增加的状况,不宜采纳并流法。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状况,因而传热系数也就不致过小。其缺点是,除进入未效的溶液外,效及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,故及并流法比较,所产生的二次蒸汽量削减。(3
9、)平流法此法是按各效:图3三效蒸发平流加式进行的,如图3所示。此法适f料流程吉晶体析出的场合。例如食盐溶液,当蒸发至27%左右的浓度即达饱和,若接着蒸发,就有结晶析出;此结晶不便在效及效之间输送,故可采纳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。例如在三效蒸赢神,赢而向可为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,但其操作比较困难。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
10、从上述对蒸发过程的简洁介绍可知,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)沸点上升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上升。在加热蒸气温度肯定的状况下,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;有些则具有较大的翦度或较强的腐蚀性等。如何依据物料的特性和工艺要求,选择相宜
11、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,须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,同时须要排出二次蒸气,并使之及所夹带的液滴和雾沫相分别。蒸发的主体设备是蒸发器,它主要由加热室和蒸发室组成。蒸发的协助设备包括:使液沫进一步分别的除沫器,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C兹分述如F: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状况,大致可分
12、为以下两大类:(1)循环型蒸发器特点:溶液在蒸发胫中做循环流淌,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.中心循环管式蒸发器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,一次通过加热空,不进行循环。优点:溶液停留时间短,故特殊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1.1 设计方案
13、的确定以及蒸发器选型本次设计要求采纳中心循环管式蒸发器,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,制造便利,传热较好,操作牢靠等优点,应用非常广泛,有”标准蒸发器”之称。它的加热室由垂直的加热管束组成,在管束中心有根直径很大的管子,称为中心循环管。当管内液体被加热沸腾时,中心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,溶液由中心循环管下降,而由加热管上升,做自然循环流淌。溶液的循环流淌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,中心循环管的截面积,一般为其余加热管总截面枳的40%100乳加热管的高度一般为12m;
14、加热管径多为2575mm之间。但事实上,由于结构上的限制,其循环速度一般在0.40.5ms以卜k蒸发器内溶液浓度始终接近完成液浓度;清洗和修理也不够便利。在蒸发操作中,为保证传热的正常进行,依据阅历,每效安排到的温差不能小于57C。通常,对于沸点上升较大的电解质溶液,应实行23效。由于本次设计任务是处理KWA溶液。这种溶液是一种沸点上升较大的电解质,故选用三效蒸发器。另外,由于KM)3溶液是一种粘度不大的料液,故多效蒸发流程采纳并流操作。多效蒸发器工艺设计的主要依据是物料衡匏、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
15、计算一般采纳迭代计算法。图4中心循环管式蒸发器2. 2工艺流程简介图5蒸发工艺流程简图如图5所示,20C的原料液三台列管式I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,是品尝很高的热源,可做为第In换热器的热流体,由并流加料法的特点知第11效蒸发需压力较第1效为低,故第1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H换热器的热源对原料液进行预热。第H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效便成过热状态而马上蒸发出大
16、量二次蒸汽,同理,该二次蒸气作为加热蒸汽进入第In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In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1山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N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,得到卜.述结果:表1物料计算的结果效次IIIIII冷凝器加热蒸汽温
17、度,143.4132.64109.956().I操作压力PkPa273.33146.662020溶液温度(沸点)t.,0C133.62111.4464.15完成液浓度xi.%10.917.548蒸发量kg/h2897.53078.33190.9蒸气消耗量D,kg/h2764.1传热面积S1,m283.283.283.2完成液流量kg/h8073.45028.61833.33. 2换热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物料计算结果效次IIIIIIIV管程进/出口温度,20/4949.0/76.76.98.6壳程进/出口温度,109.5/57132.143143.管程流量kg
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