KNO3水溶液三效并流加料蒸发装置的设计
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
6.2蒸发器设备条件图
参考文献
[1]刘光启，马连湘，邢志有主编.化工物性算图手册.北京：化学工业出版 社，2002. [2]柴诚敬主编.化工原理第二版（上册）.北京：高等教育出版社，2010. [3]贾绍义，柴诚敬主编.化工单元操作课程设计.天津：天津大学出版社， 2011. [4]方书起主编. 化工设备课程设计指导.北京：化学工业出版社，2010. [5]董大勤，高炳军，董俊华编. 化工设备机械基础.北京：化学工业出版社， 2011. [6]黄振仁，魏新利主编.过程装备成套技术.北京：化学工业出版社，2008. [7]中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册（下册）.北京： 化学工业出版社，2003.
表11 蒸气冷凝器的性能
冷凝器形式
多层多孔板式 单层多孔板式
水帘式
填充塔式
水喷射式
水气接触面积
大
较小
较大
大
最大
压降/Pa
1067～2000 小，可不计 1333～3333
较小
大
塔径范围/mm
大小均可
不宜过大
≤350
≤100
不宜过大
结构与要求
较简单
简单
较简单，安装有 一定要求
简单
不简单，加工有 一定的要求
I 143.4 290.08 134.58 18.8 2200 3217 70.62 0.68
II 132.09 128.30 111.70
26.0 2430
69.27 1.10
III 106.45
20 63.76
45 2703
70.90 1.11
冷凝器 60.1 20
5、设计结果汇总
5.2蒸发器及辅助设备的结构尺寸设计
课题
KNO3水溶液三效并流 加料蒸发装置的设计
设计任务及操作条件
（1）处理能力 （2）设备形式
7.92104 t/a KNO3水溶液。
中央循环管式蒸发器。
（3）操作条件
①KNO3水溶液的原料液质量分数为0.15，完成液质量分数为0.4Leabharlann Baidu， 原料液温度为80oC、恒压比热容为3.5kJ/(kg·oC)。
1.1工艺流程
三效：
在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，对于沸点升高 较大的电解质溶液可采用3～5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。
1、设计方案简介
并流：
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。
4、辅助设备结构尺寸设计
由下表可知，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。
示意图
1、设计方案简介
示意图：
并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算示意图
1、设计方案简介
1.2蒸发器形式
中央循环管式蒸发器：
本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，在工业上应用较广，有“标 准蒸发器”之称。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。
63.75 m3 / h 460 mm
淋水板数
淋水板间距 L1 淋水板间距 L2 淋水板间距 L3 淋水板间距 L4
弓形淋水板的宽度 淋水板堰高 淋水板孔径
5 0.462 m 0.323m 0.226 m 0.158m 391mm / 280mm 40 mm 10 mm
最上层板的实际淋水孔数
356
其他各板的实际淋水孔数
4、辅助设备结构尺寸设计
（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。 所以本次设计选用带直边和折边的锥形封头。
见《化工设备机械基 础》[5]第217页。
5、设计结果汇总
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1310mm，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。如图，通过作图，求得加热管 数 n 210 ，而初步估算 n' 207 ，其相对误差为
1 207 0.014 0.05 210
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/mm
19
管心距t/mm
25
25
38
57
32
48
70
3、蒸发器主要结构尺寸设计
由上表查得型号为 57mm3.5mm 的管心距为 t 70mm 管子按正三角形排列时，管束中心线上的管数为
水量 其他
较大 孔易堵塞
较大
较大
较大 适用于腐蚀性 蒸气的冷凝
最大
4、辅助设备结构尺寸设计
4.3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。 所以本次设计顶盖选用标准椭圆形封头。
见《化工设备机械基 础》[5]第214页。
蒸发器和接管的结构尺寸设计
加热管长度 加热管管径 循环管管径 加热室内径 加热管数目 分离室直径 分离室高度 溶液进出口管 加热蒸汽与二次蒸汽进出口管 冷凝水出口管
2.0 m 57 mm 3.5 mm 610 mm12 mm 1430 mm15 mm
210 1400 mm 2658mm 48 mm 2.5 mm 562 mm10 mm 121mm 4 mm
误差不大，所以加热室的规格 选定1340mm15mm 。
4、辅助设备结构尺寸设计
4.1气液分离器 4.2蒸气冷凝器 4.3封头尺寸的确定
见《化工单元操作课程 设计》[3]第94～99页。
4、辅助设备结构尺寸设计
4.1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。
340
5、设计结果汇总
封头结构尺寸设计
曲面深度 直边高度 直边高度 折边半径
半锥角
327.5mm 25mm 25mm 131mm 49o
6、装置流程图及蒸发器设备条件图
6.1三效并流加料蒸发装置流程图 6.2蒸发器设备条件图
6、装置流程图及蒸发器设备条件图
6.1三效并流加料蒸发装置流程图
6、装置流程图及蒸发器设备条件图
流动阻力对沸点的影响。
⑤每年按300天计，每天24小时连续运行。
⑥厂址：天津地区。
设计项目
目录
1、设计方案简介 2、工艺计算蒸发器传热面积 3、蒸发器主要结构尺寸设计 4、辅助设备结构尺寸设计 5、设计结果汇总 6、装置流程图及蒸发器设备条件图
1、设计方案简介
1.1工艺流程 1.2蒸发器形式
1、设计方案简介
2、工艺计算蒸发器传热面积
多效蒸发的计算一般采用迭代计算法。
1、初步估 计各效蒸发 量和完成液
组成
见《化工单元操作课程设 计》[3]第85～90页。
3、根据热 量衡算求个 小的蒸发量 和传热速率
2、估算各 效溶液沸 点和有效
总温差
确定各效 传热面积
ε≧0.05
4、根据传 热速率方程 式计算各效 的传热面积
②加热蒸汽压力为400kPa（绝压），冷凝器压力为20kPa（绝压）。
③各效蒸发器的总传热系数为：K1=2000W/(m2·oC)， K2=1000W/(m2·oC)，K3=500W/(m2·oC)。 ④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
ε≦0.05
3、蒸发器主要结构尺寸设计
3.1加热管的选择和管数的初步估算 3.2循环管的选择 3.3加热室直径及加热管数目的确定 3.4分离室直径和高度的确定 3.5接管尺寸的确定
见《化工单元操作课程设 计》[3]第90～94页。
3、蒸发器主要结构尺寸设计
3.3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。
5.1多效蒸发的工艺计算 5.2蒸发器及辅助设备的结构尺寸设计
5、设计结果汇总
5.1多效蒸发的工艺计算
效数
加热蒸汽温度 Ti /o C 操作压力 p 'i / kPa
溶液温度（沸点）ti /o C 完成液浓度xi / % 蒸发量 Wi / kg h-1 蒸汽消耗量 D / kg h-1 传热面积 Si / m2 经济性 Ei
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。
4、辅助设备结构尺寸设计
表10 各种气液分离器的性能
形式 简易式
分离效率 捕集雾滴的直径/μm 压力降/Pa
/%
>50
98～147 80～88
气速范围/m·s-1 3～5
惯性式
常压12～25（进口）
>50
196～588 85～90
nc 1.1 n' 1.1 207 16
然后初步估算加热室内径，即
Di t nc 1 2b 7016 1 21.457 1210 mm
壳体内径的标准尺寸列于表8中
表8 壳体的标准尺寸
壳体内径/mm
400～700
800～1000
1100～1500
1600～2000
最小壁厚/mm
8
10
12
14
3、蒸发器主要结构尺寸设计
5、设计结果汇总
气液分离器结构尺寸设计
二次蒸汽的管径 除沫器内管的直径 除沫器外罩管的直径 除沫器外壳直径 除沫器的总高度
除沫器的内管顶部与器顶的距离
541mm 541mm 812 mm 1082 mm 1082 mm 271mm
5、设计结果汇总
蒸汽冷凝器结构尺寸设计
冷凝器类型
多层多孔式冷凝器
冷却水量 冷凝器的直径
减压>25（进口）
网式
>5
245～735 98～100
1～4
二次蒸汽气速为25m/s，所以此次设计选用惯性式除沫器。 惯性式除沫器的原理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。
4、辅助设备结构尺寸设计
4.2蒸气冷凝器
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。
参考文献
[1]刘光启，马连湘，邢志有主编.化工物性算图手册.北京：化学工业出版 社，2002. [2]柴诚敬主编.化工原理第二版（上册）.北京：高等教育出版社，2010. [3]贾绍义，柴诚敬主编.化工单元操作课程设计.天津：天津大学出版社， 2011. [4]方书起主编. 化工设备课程设计指导.北京：化学工业出版社，2010. [5]董大勤，高炳军，董俊华编. 化工设备机械基础.北京：化学工业出版社， 2011. [6]黄振仁，魏新利主编.过程装备成套技术.北京：化学工业出版社，2008. [7]中国石化集团上海工程有限公司编.化工工艺设计手册（下册）.北京： 化学工业出版社，2003.
表11 蒸气冷凝器的性能
冷凝器形式
多层多孔板式 单层多孔板式
水帘式
填充塔式
水喷射式
水气接触面积
大
较小
较大
大
最大
压降/Pa
1067～2000 小，可不计 1333～3333
较小
大
塔径范围/mm
大小均可
不宜过大
≤350
≤100
不宜过大
结构与要求
较简单
简单
较简单，安装有 一定要求
简单
不简单，加工有 一定的要求
I 143.4 290.08 134.58 18.8 2200 3217 70.62 0.68
II 132.09 128.30 111.70
26.0 2430
69.27 1.10
III 106.45
20 63.76
45 2703
70.90 1.11
冷凝器 60.1 20
5、设计结果汇总
5.2蒸发器及辅助设备的结构尺寸设计
课题
KNO3水溶液三效并流 加料蒸发装置的设计
设计任务及操作条件
（1）处理能力 （2）设备形式
7.92104 t/a KNO3水溶液。
中央循环管式蒸发器。
（3）操作条件
①KNO3水溶液的原料液质量分数为0.15，完成液质量分数为0.4Leabharlann Baidu， 原料液温度为80oC、恒压比热容为3.5kJ/(kg·oC)。
1.1工艺流程
三效：
在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，对于沸点升高 较大的电解质溶液可采用3～5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。
1、设计方案简介
并流：
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。
4、辅助设备结构尺寸设计
由下表可知，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。
示意图
1、设计方案简介
示意图：
并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算示意图
1、设计方案简介
1.2蒸发器形式
中央循环管式蒸发器：
本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，在工业上应用较广，有“标 准蒸发器”之称。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。
63.75 m3 / h 460 mm
淋水板数
淋水板间距 L1 淋水板间距 L2 淋水板间距 L3 淋水板间距 L4
弓形淋水板的宽度 淋水板堰高 淋水板孔径
5 0.462 m 0.323m 0.226 m 0.158m 391mm / 280mm 40 mm 10 mm
最上层板的实际淋水孔数
356
其他各板的实际淋水孔数
4、辅助设备结构尺寸设计
（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。 所以本次设计选用带直边和折边的锥形封头。
见《化工设备机械基 础》[5]第217页。
5、设计结果汇总
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1310mm，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。如图，通过作图，求得加热管 数 n 210 ，而初步估算 n' 207 ，其相对误差为
1 207 0.014 0.05 210
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/mm
19
管心距t/mm
25
25
38
57
32
48
70
3、蒸发器主要结构尺寸设计
由上表查得型号为 57mm3.5mm 的管心距为 t 70mm 管子按正三角形排列时，管束中心线上的管数为
水量 其他
较大 孔易堵塞
较大
较大
较大 适用于腐蚀性 蒸气的冷凝
最大
4、辅助设备结构尺寸设计
4.3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。 所以本次设计顶盖选用标准椭圆形封头。
见《化工设备机械基 础》[5]第214页。
蒸发器和接管的结构尺寸设计
加热管长度 加热管管径 循环管管径 加热室内径 加热管数目 分离室直径 分离室高度 溶液进出口管 加热蒸汽与二次蒸汽进出口管 冷凝水出口管
2.0 m 57 mm 3.5 mm 610 mm12 mm 1430 mm15 mm
210 1400 mm 2658mm 48 mm 2.5 mm 562 mm10 mm 121mm 4 mm
误差不大，所以加热室的规格 选定1340mm15mm 。
4、辅助设备结构尺寸设计
4.1气液分离器 4.2蒸气冷凝器 4.3封头尺寸的确定
见《化工单元操作课程 设计》[3]第94～99页。
4、辅助设备结构尺寸设计
4.1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。
340
5、设计结果汇总
封头结构尺寸设计
曲面深度 直边高度 直边高度 折边半径
半锥角
327.5mm 25mm 25mm 131mm 49o
6、装置流程图及蒸发器设备条件图
6.1三效并流加料蒸发装置流程图 6.2蒸发器设备条件图
6、装置流程图及蒸发器设备条件图
6.1三效并流加料蒸发装置流程图
6、装置流程图及蒸发器设备条件图
流动阻力对沸点的影响。
⑤每年按300天计，每天24小时连续运行。
⑥厂址：天津地区。
设计项目
目录
1、设计方案简介 2、工艺计算蒸发器传热面积 3、蒸发器主要结构尺寸设计 4、辅助设备结构尺寸设计 5、设计结果汇总 6、装置流程图及蒸发器设备条件图
1、设计方案简介
1.1工艺流程 1.2蒸发器形式
1、设计方案简介
2、工艺计算蒸发器传热面积
多效蒸发的计算一般采用迭代计算法。
1、初步估 计各效蒸发 量和完成液
组成
见《化工单元操作课程设 计》[3]第85～90页。
3、根据热 量衡算求个 小的蒸发量 和传热速率
2、估算各 效溶液沸 点和有效
总温差
确定各效 传热面积
ε≧0.05
4、根据传 热速率方程 式计算各效 的传热面积
②加热蒸汽压力为400kPa（绝压），冷凝器压力为20kPa（绝压）。
③各效蒸发器的总传热系数为：K1=2000W/(m2·oC)， K2=1000W/(m2·oC)，K3=500W/(m2·oC)。 ④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
ε≦0.05
3、蒸发器主要结构尺寸设计
3.1加热管的选择和管数的初步估算 3.2循环管的选择 3.3加热室直径及加热管数目的确定 3.4分离室直径和高度的确定 3.5接管尺寸的确定
见《化工单元操作课程设 计》[3]第90～94页。
3、蒸发器主要结构尺寸设计
3.3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。
5.1多效蒸发的工艺计算 5.2蒸发器及辅助设备的结构尺寸设计
5、设计结果汇总
5.1多效蒸发的工艺计算
效数
加热蒸汽温度 Ti /o C 操作压力 p 'i / kPa
溶液温度（沸点）ti /o C 完成液浓度xi / % 蒸发量 Wi / kg h-1 蒸汽消耗量 D / kg h-1 传热面积 Si / m2 经济性 Ei
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。
4、辅助设备结构尺寸设计
表10 各种气液分离器的性能
形式 简易式
分离效率 捕集雾滴的直径/μm 压力降/Pa
/%
>50
98～147 80～88
气速范围/m·s-1 3～5
惯性式
常压12～25（进口）
>50
196～588 85～90
nc 1.1 n' 1.1 207 16
然后初步估算加热室内径，即
Di t nc 1 2b 7016 1 21.457 1210 mm
壳体内径的标准尺寸列于表8中
表8 壳体的标准尺寸
壳体内径/mm
400～700
800～1000
1100～1500
1600～2000
最小壁厚/mm
8
10
12
14
3、蒸发器主要结构尺寸设计
5、设计结果汇总
气液分离器结构尺寸设计
二次蒸汽的管径 除沫器内管的直径 除沫器外罩管的直径 除沫器外壳直径 除沫器的总高度
除沫器的内管顶部与器顶的距离
541mm 541mm 812 mm 1082 mm 1082 mm 271mm
5、设计结果汇总
蒸汽冷凝器结构尺寸设计
冷凝器类型
多层多孔式冷凝器
冷却水量 冷凝器的直径
减压>25（进口）
网式
>5
245～735 98～100
1～4
二次蒸汽气速为25m/s，所以此次设计选用惯性式除沫器。 惯性式除沫器的原理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。
4、辅助设备结构尺寸设计
4.2蒸气冷凝器
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。