化工设计课程设计-- 管道设计计算

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中南民族大学
化工专业课程设计
学院：化学与材料科学学院
专业：化学工程与工艺年级：2011级题目:KNO3水溶液三效蒸发工艺设计
学生姓名：** 学号：******
指导教师姓名：*** 职称: 教授
2014年12 月29 日
化工专业课程设计任务书
水溶液三效蒸发工艺设计
设计题目：KNO
3
设计条件：
1.年处理能力为7.92×104 t/a KNO3水溶液；
2.设备型式中央循环管式蒸发器；
3.KNO3水溶液的原料液浓度为8%，完成液浓度为48%，原料液温度为20℃，比热容为3.5kJ/(kg. ℃)；
4.加热蒸汽压力为400kPa（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•℃）；K2=1000W/（m2•℃）；K3=500W/（m2•℃）；
6.各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。

各效传热面积相等，并忽略浓缩热和热损失，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.主要辅助设备选型，包括气液分离器及换热器等。

5.绘制KNO3水溶液三效蒸发装置的流程图及蒸发器设备工艺简图。

姓名：
班级：化学工程与工艺专业
学号：
指导教师签字:
目录
1 概述 .............................................................................................................. 错误!未定义书签。

1.1 蒸发简介.................................................................................................... 错误!未定义书签。

1.2 蒸发操作的分类........................................................................................ 错误!未定义书签。

1.3 蒸发操作的特点....................................................................................... 错误!未定义书签。

2设计条件及设计方案说明............................................................................ 错误!未定义书签。

2.1设计方案的确定以及蒸发器选型............................................................. 错误!未定义书签。

2.2工艺流程简介............................................................................................. 错误!未定义书签。

3. 物性数据及相关计算.................................................................................. 错误!未定义书签。

3.2换热器设计计算......................................................................................... 错误!未定义书签。

3.3管道选材及计算......................................................................................... 错误!未定义书签。

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3.4管材的选择................................................................................................. 错误!未定义书签。

4对本次设计任务的评价................................................................................ 错误!未定义书签。

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3 1 2或2 3 1。

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ⅠⅡⅢ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 20 溶液温度（沸点）t i,0C 133.62 111.44 64.15
完成液浓度x i,% 10.9 17.5 48
蒸发量W i，kg/h 2897.5 3078.3 3190.9
蒸气消耗量D，kg/h 2764.1
传热面积S i,m283.2 83.2 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
效次ⅠⅡⅢⅣ
管程进/出口温度，0C 20/49 49.0/76.5
76.5 76.598.6/
壳程进/出口温度，0C 109.5/57.9
57.9 132.6/8143.143.4
管程流量kg/s 3.1
壳程流量kg/s 0.768 0.805 0.85
管程流体密度kg/m31300
壳程流体密度kg/m3950.1 932.3 922.5 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 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 0.680.029
表3 换热器结构参数
效次ⅠⅡⅢⅣ
热流量，KW5900
传热系数，W/(m2K) 600
裕度/% 10
形式固定板式换热器
壳体内径 mm273400
管径 mm
管长 mm 2000 3000
管子根数3876
台数 3 1 管程数 1 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
各效中溶液的平均密度计算：
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
u 0.8~15 m /s,u 0.8 m /s ==此处选取则
依据钢管的常用规格选为76 3.5mm φ⨯的标准管。

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
u 20~30 m /s, u 30 m /s ==气此处取
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60010mm φ⨯的标准管。

冷凝水的排出属于自然流，u 0.08~0.15 m /s, u 0.15 m /s ==冷凝水设 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95 3.5mm φ⨯的标准管。

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
（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：
综上原则，原料液输送的KNO3水溶液温度和压力较低，呈中性，腐蚀性较小，使用碳素无缝钢管。

蒸汽压力和温度也较低，选用焊接钢管。

4对本次设计任务的评价
刚刚开始这项工作的时候，我的队友们都感到很迷茫，不知道该从什么地方入手，因为有很多东西都要我们亲自去查，拖了好久终于入手了，但是知道怎么做以后发现更难，和以前那种单纯的单元操作根本是两个概念，那段时间由于我又在准备考试的事情没有多少时间帮他们，说实话我感到特别惭愧，我发自内心的感谢我的队友们。

这个设计的难点是需要我们去查原料的各种物性，查处了以后还要进行各种计算，比如物料衡算和热量衡算，其次就是设备的选型和连接方式，蒸发器是采用并联还是采用串联都是我们要认真思考的地方。

个人觉得最难的地方是热量衡算，因为很多地方需要估算，怎么估算呢？这需要我们有扎实的基础知识，需要化工热力学和物理化学知识。

所以我觉得我们不要好高骛远一定要注重基础知识的学习，好的基础是做好工作的前提。

从这次合作当中我终于真正明白三个和尚没水喝的道理，有时候并不是人越多越好，关键是每个人都要发挥自己的作用，如果都把责任推给别人，那这项工作将永无完成之日。

既然是团队合作，那就要多多交流，做好自己的本职工作，这样才能把事情做好。

参考文献
[1] 大连理工大学化工原理教研室《化工原理》。

[2] 天津大学化工原理教研室《化工原理》。

[3] 国家医药管理局上海医药设计院《化工工艺设计手册》。

[4] 《化学工程手册》编辑委委员会：《化学工程手册（第8篇）传热设备及工业生产》、
《化学工程手册（第9篇）蒸发与结晶》。

[5] 贺匡国主编《化工容器及设备简明设计手册》。

[6] 华东化工学院，浙江大学合编《化工容器设计》。

[7] 茅晓东，李建伟编《典型化工设备机械设计指导》。

[8] 兰州石油机械研究所. 换热器（上册）. 烃加工出版社，1986。