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