化工设计课程设计 管道设计计算讲解.docx

1、化工设计课程设计 管道设计计算讲解 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设计题目：KNO3水溶液三效蒸发工艺设计设计条件：1.年处理能力为 7.92104 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(

2、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

3、签字: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

4、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

5、）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

6、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：溶液与蒸汽成并流的方法，简称并流法；溶液与蒸汽成逆流的方法，简称为逆流法；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；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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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。（

12、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

13、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12m；加热管径多为2575mm之间。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度一般在0.40.5m/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57。通常，对于沸点

14、升高较大的电解质溶液，应采取23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，

15、但此时其温度仍很高，是品味很高的热源，可做为第换热器的热流体，由并流加料法的特点知第效蒸发器压力较第效为低，故第效中产生的大量二次蒸汽作为第效的加热蒸汽进入第效，经加热料液冷凝成冷凝水，但较第效的冷凝水温度为低，作为第换热器的热源对原料液进行预热。第效料液的沸点较第效为低，故第效的完成液一进入第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效蒸发器，其冷凝水温度进一步降低，只能作为第 换热器的热源，对常温下的原料液进行初步的预热。第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

16、大化，选择泡点进料，但经换热器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冷凝器加热蒸汽温度，0C143.4132.64109.9560.1操作压力Pi,kPa273.33146.662020溶液温度（沸点）ti,0C133.62111.4464.15完成液浓度xi,%10.917.548蒸发量Wi，kg/h2897.53078.33190.9蒸气消耗量D，kg/h2764.1传热面积S

17、i,m283.283.283.2完成液流量kg/h8073.45028.61833.33.2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 物料计算结果效次管程进/出口温度，0C20/4949.0/76.576.576.5/98.698.6/133.6壳程进/出口温度，0C109.5/57.957.9132.6/81.1143.4/102143.4管程流量kg/s3.13.13.13.1壳程流量kg/s0.7680.8050.855管程流体密度kg/m313003190.9壳程流体密度kg/m3950.1932.3922.50.1307管程流体比热容kJ/（kg）kJ/（kg

18、）1.869壳程流体比热容kJ/（kg）4.2334.184.181.850管程流体粘度10-7Pas10-7Pas43000壳程流体粘度10-7Pas2.1142.8282.72145管程流体热导率W/m0.521壳程流体热导率W/m0.6850.6860.6850.029表3 换热器结构参数效次热流量，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 mm20003000管子根数3876台数31管程数14管子排列材质碳钢83.23.3管道选材及计算 流体进出口计算公式：表4 各效冷凝水密度效次溶液温度ti,0C133.6211

19、1.4464.15完成液浓度xi,%10.917.548冷凝水的密度931.7949.9981.0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/s0.8150.080.1520301520 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的标准管。3.3.3冷凝水管道管径的确定 冷凝水的

20、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，

21、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16MPa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

22、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16MPa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10MPa。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16MPa；增强聚丙烯管子，使用压力小于或等于10MPa；ABS管子，使用压力小于或等于06MPa。对水管，当水的压力在10MPa以下时，通常采用材料为Q235A的焊接钢管；当水的压力大于25MPa时，一般采用材料为20钢的

23、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10MPa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351400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材料牌号受压管子使用温度范围Q235AF0250纯钛350Q235A0350铝-26815020R-20475铜、黄铜-19620020g-20475纯铝12016MnR-14475硬铝14016Mn-40475灰铸铁2500.5Mo520球墨铸铁350Cr18Ni9-196700（4）介质化学性质的影响输送不同介质，采用

24、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

25、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1无缝钢管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GB8163-87GB3082-82GB9948-88高压用20、15MnV等合成氨、尿素、甲醇生产中大量使用GB6479-86不锈钢1Cr18Ni9Ti等液碱、丁醛、丁醇、液氨、硝酸、硝铵溶液的输送GB2270-802焊接钢管水煤气输送钢管Q235A适用于输送水、压

26、缩空气、煤气、乏汽，冷凝水和采暖系统的管路GB3091-93螺旋缝电焊钢管Q235、16Mn等SY5036-83不锈钢焊接钢管1Cr18Ni9Ti等HG20537-3.4-923金属软管纤焊不锈钢软管1Cr18Ni9Ti一般适用于输送带有腐蚀性气体P2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P3型吸尘管低碳镀锌钢一般用于通风、吸尘的管道PM1型耐压管低碳镀锌钢一般用于输送中性液体4有色金属铜管和黄铜管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GB15271530-87铅及其合金管纯铅，P

27、b4、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1565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。GB6893-86GB4436-845纤维缠

28、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0.61.6MPa、公称直径大于50mm的管道上HGJS34-91玻璃钢烯管玻璃钢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。HG20539-927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15400mm，PN小于等于1.6MPa管道上。HG20520-928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。HGJ515-879钢衬改性聚丙燃复合管钢、聚丙烯使用压力可大于1.6MPa。10钢衬聚四氟乙燃推压管钢、聚四氟乙烯使用压力可大于1.6MPaHG/T21562-9411钢衬高性能聚乙烯管钢、聚乙烯具有耐腐蚀、耐磨损等特点12钢喷涂聚乙烯管钢、聚乙烯使用压力小于等于0.6MPa13钢衬橡胶管钢、橡胶使用压力可大于1.6MPaHG21501-9314钢衬玻璃管钢、玻璃使用压力可大于1.6MPa15搪玻璃管钢、瓷釉使用压力小于0.6MPaHG/T2130-911