化工原理課程設(shè)計(jì)(付家新)課件4

1、 第4章蒸發(fā)裝置的工藝設(shè)計(jì) 4.1概述將含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液加熱至沸騰,使其中的揮發(fā)性溶劑部分汽化從而將溶液濃縮的過程稱為蒸發(fā)。蒸發(fā)操作廣泛應(yīng)用于化工、輕工、制藥、食品等領(lǐng)域。由于蒸發(fā)過程只是從溶液中分離出部分溶劑,而溶質(zhì)仍留在溶液中,因此,蒸發(fā)操作即為溶液中揮發(fā)性溶劑與不揮發(fā)性溶質(zhì)的分離過程。(1)蒸發(fā)過程的特點(diǎn)由于溶劑的汽化速率取決于傳熱速率,故蒸發(fā)操作屬于傳熱過程。但是,蒸發(fā)操作乃是含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液的沸騰傳熱,因此它具有某些不同于一般換熱過程的特殊性,主要體現(xiàn)在如下方面。 溶液沸點(diǎn)升高由于溶液含有不揮發(fā)性溶質(zhì),在相同的溫度下,溶液的蒸氣壓低于純?nèi)軇┑恼魵鈮骸Ｒ簿褪钦f,在相同壓力下,

2、溶液的沸點(diǎn)比純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)高。因此,當(dāng)加熱蒸汽溫度一定,蒸發(fā)溶液時(shí)的傳熱溫度差要小于蒸發(fā)溶劑時(shí)的溫度差;溶液的濃度越高,這種影響也越顯著。在進(jìn)行蒸發(fā)設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),必須考慮溶液沸點(diǎn)上升的這種影響。 物料工藝特性蒸發(fā)過程中,溶液的某些性質(zhì)隨著溶液的濃縮而改變,有些物料在濃縮過程中可能結(jié)垢、析出結(jié)晶或產(chǎn)生泡沫;有些物料是熱敏性的,在高溫下易變質(zhì)或分解;有些物料具有較大的腐蝕性或較高的黏度等。因此,在選擇蒸發(fā)的方法和設(shè)備時(shí),必須考慮物料的這些工藝特性。 能量利用與回收蒸發(fā)時(shí)需消耗大量的加熱蒸汽,而溶液汽化又產(chǎn)生大量的二次蒸汽,如何充分利用二次蒸汽的潛熱,提高加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)程度,是蒸發(fā)裝置設(shè)計(jì)中必須考

3、慮的問題。(2)蒸發(fā)裝置的分類根據(jù)溶液在蒸發(fā)裝置中的流動(dòng)方式,大致可將蒸發(fā)器分為循環(huán)型與單程型兩大類。循環(huán)型蒸發(fā)器主要有水平列管式、中央循環(huán)管式、懸筐式、外熱式、列文式及強(qiáng)制循環(huán)式等;單程型蒸發(fā)器主要有升膜式、降膜式、升-降膜式及刮板式等。無論何種結(jié)構(gòu)形式,它們均由加熱室、流動(dòng)或循環(huán)通道及汽液分離空間三部分組成。4.1.1蒸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(1)循環(huán)型蒸發(fā)器循環(huán)型蒸發(fā)器的基本特點(diǎn)是:溶液在蒸發(fā)器內(nèi)作連續(xù)的循環(huán)運(yùn)動(dòng),溶液每經(jīng)過加熱管一次,即蒸發(fā)出一部分水分,經(jīng)多次循環(huán)后被濃縮到指定要求。圖4-1圖4-6是幾種常用循環(huán)型蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式。 水平列管式蒸發(fā)器如圖4-1所示。其加熱管為?2040mm的

4、無縫鋼管或銅管,管內(nèi)通加熱蒸汽,管束浸沒于溶液中。這種蒸發(fā)器適用于蒸發(fā)無結(jié)晶析出而且黏度不高的溶液,由于在操作中溶液自然循環(huán)的速度受到橫管的阻攔而減低,所以隨后很快被中央循環(huán)管式蒸發(fā)器所取代。 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器亦稱標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器(見圖4-2)。其加熱室由許多垂直列管所組成,管徑為?2540mm,總長(zhǎng)12m。在加熱室中裝有中央循環(huán)管,中央循環(huán)管截面為加熱管總截面的40%100%。由于在循環(huán)管與加熱管中液體的密度不同,所以產(chǎn)生液體的循環(huán)。在蒸發(fā)器內(nèi),溶液由加熱管上升,受熱而達(dá)到沸騰,所產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)分離器與除沫器后由頂部排出,液體則經(jīng)中央循環(huán)管下降。降至蒸發(fā)器底的液體又沿加熱管上升,如此不斷循環(huán)

5、,溶液的循環(huán)速度也不斷加快,可達(dá)0.10.5m/s,因而可以提高蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)與生產(chǎn)強(qiáng)度。此種蒸發(fā)器適用于黏度大的溶液和易生結(jié)垢或易于結(jié)晶的溶液的蒸發(fā)。圖4-1水平列管式蒸發(fā)器圖4-2中央循環(huán)管式蒸發(fā)器圖4-3懸筐式蒸發(fā)器圖4-4外循環(huán)式蒸發(fā)器 懸筐式蒸發(fā)器如圖4-3所示。其加熱室像個(gè)懸筐懸掛于容器內(nèi),其結(jié)構(gòu)與中央循環(huán)管式蒸發(fā)器相似,可由頂部取出,便于清洗和更換。蒸發(fā)器中溶液的循環(huán)是沿加熱室與殼體間的環(huán)隙下降,而沿加熱管束上升。環(huán)形截面積為加熱管截面積的100%150%,循環(huán)速度比標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器大,約為1.01.5m/s。 外循環(huán)式蒸發(fā)器如圖4-4所示。這種蒸發(fā)器的特征在于加長(zhǎng)的加熱管(管長(zhǎng)與

6、直徑之比L/D=50100),并把加熱室安裝在蒸發(fā)器的外面,這樣就可以降低蒸發(fā)器的總高度,同時(shí)因循環(huán)管沒有受到蒸汽加熱,從而使溶液的自然循環(huán)速度較快(循環(huán)速度可達(dá)1.5m/s)。 列文式蒸發(fā)器如圖4-5所示。其特點(diǎn)是加熱室在液層深處,其上部增設(shè)直管段作為沸騰室。加熱室中的溶液由于受到附加液柱的作用,沸點(diǎn)升高使溶液不在加熱室中沸騰。當(dāng)溶液上升到沸騰室時(shí),壓力降低,開始沸騰。圖4-5列文式蒸發(fā)器圖4-6強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器 強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器如圖4-6所示。與其他自然循環(huán)蒸發(fā)器不同,強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器是在外熱式蒸發(fā)器的循環(huán)管上設(shè)置循環(huán)泵,使溶液沿一定方向以較高速度循環(huán)流動(dòng),增大了傳熱系數(shù),循環(huán)速度可達(dá)1.5

7、3.5m/s。(2)單程型蒸發(fā)器單程型蒸發(fā)器的基本特點(diǎn)是:溶液以膜狀形式通過加熱管,經(jīng)過一次蒸發(fā)即達(dá)到所需要的濃度。因此,溶液在蒸發(fā)器內(nèi)的停留時(shí)間短,適用于熱敏性物料的蒸發(fā)。又因溶液不循環(huán),所以對(duì)設(shè)計(jì)和操作的要求較高。圖4-7圖4-10是幾種常用單程型蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式。 升膜式蒸發(fā)器如圖4-7所示,升膜式蒸發(fā)器的加熱室由垂直長(zhǎng)管組成,管長(zhǎng)315m,直徑2550mm。管長(zhǎng)和管徑比為100150。原料液經(jīng)預(yù)熱后由蒸發(fā)器底部進(jìn)入,在加熱管內(nèi)溶液受熱沸騰汽化,所生成的二次蒸汽在管內(nèi)以高速上升,帶動(dòng)液體沿管內(nèi)壁呈膜狀向上流動(dòng)。溶液在上流的過程中不斷汽化,進(jìn)入分離室后,完成液與二次蒸汽分離,由分離室底部排

8、出。常壓下加熱管出口處的二次蒸汽速度不應(yīng)小于10m/s,一般為2050m/s,減壓操作時(shí),有時(shí)可達(dá)100160m/s或更高。升膜式蒸發(fā)器適用于蒸發(fā)量較大(即稀溶液)、熱敏性及易起泡沫的溶液,但不適于高黏度、有晶體析出或易結(jié)垢的溶液。 降膜式蒸發(fā)器如圖4-8所示。它與升膜式蒸發(fā)器的區(qū)別在于原料液由加熱管的頂部加入。溶液在自身重力作用下沿管內(nèi)壁呈膜狀向下流動(dòng),并被蒸發(fā)濃縮,汽液混合物由加熱管底部進(jìn)入分離室,經(jīng)汽液分離后,完成液由分離器的底部排出。為使溶液能在壁上均勻成膜,在每根加熱管的頂部均需設(shè)置液體布膜器。圖4-7升膜式蒸發(fā)器圖4-8降膜式蒸發(fā)器降膜式蒸發(fā)器可以蒸發(fā)組成較高的溶液,對(duì)于黏度較大的

9、物料也能適用。但對(duì)于易結(jié)晶或易結(jié)垢的溶液不適用。此外,由于液膜在管內(nèi)分布不易均勻,與升膜式蒸發(fā)器相比,其傳熱系數(shù)較小。 升-降膜蒸發(fā)器將升膜和降膜蒸發(fā)器裝在一個(gè)外殼中,即構(gòu)成升-降膜蒸發(fā)器。在升-降膜蒸發(fā)器中,原料液經(jīng)預(yù)熱后先由升膜加熱室上升,然后由降膜加熱室下降,再在分離室中和二次蒸汽分離后即得完成液。這種蒸發(fā)器多用于蒸發(fā)過程中溶液的黏度變化很大,水分蒸發(fā)量不大和廠房高度有一定限制的場(chǎng)合。圖4-9固定間隙式刮板蒸發(fā)器圖4-10轉(zhuǎn)子式刮板蒸發(fā)器 旋轉(zhuǎn)刮板蒸發(fā)器此種蒸發(fā)器是專為高黏度溶液的蒸發(fā)而設(shè)計(jì)的。蒸發(fā)器的加熱管為一根較粗的直立圓管,中、下部設(shè)有兩個(gè)夾套進(jìn)行加熱,圓管中心裝有旋轉(zhuǎn)刮板。刮板的

10、型式有兩種:一種是固定間隙式,見圖4-9,刮板端部與加熱管內(nèi)壁留有約1mm的間隙;另一種是可擺動(dòng)式轉(zhuǎn)子,如圖4-10,刮板借旋轉(zhuǎn)離心力緊壓于液膜表面。料液自頂部進(jìn)入蒸發(fā)器后,在重力和刮板的攪動(dòng)下分布于加熱管壁,并呈膜狀旋轉(zhuǎn)向下流動(dòng)。汽化后的二次蒸汽在加熱管上端無套管部分被旋轉(zhuǎn)刮板分去液沫,然后由上部抽出并加以冷凝,濃縮液由蒸發(fā)器底部放出。旋轉(zhuǎn)刮板式蒸發(fā)器的主要特點(diǎn)是借助外力強(qiáng)制料液成膜狀流動(dòng),能適應(yīng)于高黏度,易結(jié)晶、結(jié)垢的濃溶液的蒸發(fā),此時(shí)仍能獲得較高的傳熱系數(shù)。某些場(chǎng)合下可將溶液蒸干,而由底部直接獲得粉末狀的固體產(chǎn)物。這種蒸發(fā)器的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造要求高,加熱面不大,而且需消耗一定的動(dòng)力。

11、4.1.2蒸發(fā)裝置的選型原則蒸發(fā)設(shè)備在結(jié)構(gòu)上必須有利于過程的進(jìn)行,因此,選用和設(shè)計(jì)蒸發(fā)設(shè)備時(shí)應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn): 盡量保證較大的傳熱系數(shù); 要適合溶液的一些特性,如黏度、起泡性、熱敏性、溶解度,隨溫度變化的特性及腐蝕性; 能有效地分離液沫; 盡量減少溫差損失; 盡量減慢傳熱面上污垢的生成速度; 能排出溶液在蒸發(fā)過程中所析出的結(jié)晶體; 能方便地清洗傳熱面。除了從工藝過程的要求來考慮蒸發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)以外,還必須從機(jī)械加工的工藝性、設(shè)備的價(jià)格、操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)的經(jīng)濟(jì)分析來考慮,為此還需注意下列幾點(diǎn): 設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量小; 機(jī)械加工和制造,安裝應(yīng)該合理和方便; 檢修要容易; 設(shè)備的使用壽命要長(zhǎng);

12、 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度; 操作費(fèi)用要低。綜上所述,對(duì)蒸發(fā)器的要求是多方面的,但在選型的時(shí)候,首先要看它能否適應(yīng)所蒸發(fā)物料的工藝特性,包括濃縮液的結(jié)垢、黏度、熱敏性、有無結(jié)晶析出、發(fā)泡性及腐蝕性等?，F(xiàn)將這些情況列于表4-1。表4-1常見蒸發(fā)器的一些主要性能蒸發(fā)器型式造價(jià)總傳熱系數(shù)溶液在管內(nèi)的流速/(m/s)停留時(shí)間完成液濃度能否恒定濃縮比處理量對(duì)溶液性質(zhì)的適應(yīng)性稀溶液高黏度稀溶液高黏度易生泡沫易結(jié)垢熱敏性有結(jié)晶析出表4-1常見蒸發(fā)器的一些主要性能水平管型最廉良好低 長(zhǎng)能良好一般適適適不適不適不適標(biāo)準(zhǔn)型最廉良好低0.10.5長(zhǎng)能良好一般適適適尚適尚適稍適表4-1常見蒸發(fā)器的一些主要性能外循環(huán)型廉高良好

13、0.41.5較長(zhǎng)能良好較大適尚適較好尚適尚適稍適列文型高高良好1.52.5較長(zhǎng)能良好較大適尚適較好尚適尚適稍適表4-1常見蒸發(fā)器的一些主要性能強(qiáng)制循環(huán)高高高2.03.5較長(zhǎng)能較高大適好好適尚適適升膜式廉高良好0.41.0短較難高大適尚好好尚適良好不適降膜式廉良好高0.41.0短尚能較高大較適好適不適良好不適表4-1常見蒸發(fā)器的一些主要性能刮板式最高高低 短尚能較高較小較適好較好不適良好不適甩盤式較高高良好 較短尚能良好較小適尚適適不適較好不適旋風(fēng)式最廉高良好1.52.0短較難良好較小適適適尚適尚適適表4-1常見蒸發(fā)器的一些主要性能板式高高高 較短尚能良好較小適尚適適不適尚適不適浸沒燃燒廉高低

14、短較難良好較大適適適適不適適4.1.3蒸發(fā)操作壓力的選擇蒸發(fā)器操作壓力主要是指蒸發(fā)器加熱蒸汽的壓力(或溫度)和冷凝器的操作壓力或真空度。正確確定蒸發(fā)的操作條件,對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低能源消耗具有重要意義。加熱蒸汽最高壓力就是被蒸發(fā)溶液允許的最高溫度,如超過這個(gè)溫度,物料就可能變質(zhì)。如果被蒸發(fā)溶液的允許溫度較低,則可采用常壓蒸發(fā)和真空蒸發(fā)。蒸發(fā)是一個(gè)消耗大量加熱蒸汽而又產(chǎn)生大量二次蒸汽的過程。從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā),應(yīng)該充分利用蒸發(fā)所產(chǎn)生的二次蒸汽作為其他加熱設(shè)備的熱源,即要求蒸發(fā)裝置能提供溫度較高的二次蒸汽。這樣既可減少鍋爐發(fā)生蒸汽的消耗量,又可減少末效進(jìn)入冷凝器的二次蒸汽量。因此,能夠采用較高溫度的

15、飽和蒸汽對(duì)提高二次蒸汽的利用率是有利的。通常所用的飽和蒸汽的溫度一般不超過180,否則,相應(yīng)的壓力就很高,這就增加了加熱的設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用。多效蒸發(fā)旨在節(jié)省加熱蒸汽,應(yīng)該盡量采用多效蒸發(fā)。如果工廠提供的是低壓蒸汽,為了利用這些低壓蒸汽,并實(shí)現(xiàn)多效蒸發(fā),則末效應(yīng)在較高的真空度下操作,以保證各效具有必要的傳熱溫差,或者選用高效率的蒸發(fā)器,這種蒸發(fā)器在低溫差下仍有較大的蒸發(fā)強(qiáng)度。4.1.4多效蒸發(fā)的效數(shù)與流程4.1.4.1效數(shù)確定實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,大多采用多效蒸發(fā),其目的是為了降低蒸汽的消耗量,從而提高蒸發(fā)裝置的經(jīng)濟(jì)性。表4-2為不同效數(shù)蒸發(fā)裝置的蒸汽消耗量,其中實(shí)際消耗量包括蒸發(fā)裝置的各項(xiàng)熱損失。

16、表4-2不同效數(shù)蒸發(fā)裝置的蒸汽消耗量效數(shù)理論蒸汽消耗量實(shí)際蒸汽消耗量蒸發(fā)1kg水所需蒸汽量/(kg蒸汽/kg水)1kg蒸汽所能蒸發(fā)的水量/(kg水/kg蒸汽)蒸發(fā)1kg水所需蒸汽量/(kg蒸汽/kg水)1kg蒸汽所能蒸發(fā)的水量/(kg水/kg蒸汽)本裝置若再增加一效可節(jié)約的蒸汽量/%表4-2不同效數(shù)蒸發(fā)裝置的蒸汽消耗量單效雙效三效四效五效1.00.50.330.250.2123451.10.570.40.30.270.911.7542.53.333.748302510 雙效比單效節(jié)約的蒸汽量百分?jǐn)?shù)為(1.1-0.57)/1.1=48%,三效比二效節(jié)約的蒸汽量百分?jǐn)?shù)為(0.57-0.4)/0.5

17、7=30%,依此類推。從表4-2中數(shù)據(jù)可看出,隨著效數(shù)的增加,蒸汽消耗量在減少,但不是效數(shù)越多越好,這主要受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素的限制。 經(jīng)濟(jì)上的限制是指當(dāng)效數(shù)增加到一定程度時(shí)經(jīng)濟(jì)上并不合理。在多效蒸發(fā)中,隨效數(shù)的增加,總蒸發(fā)量相同時(shí)所消耗的蒸汽量在減少,使操作費(fèi)用下降。但效數(shù)越多,設(shè)備的固定投資越大,設(shè)備的折舊費(fèi)越多,而且隨效數(shù)的增加,所節(jié)約的蒸汽量越來越少,如從單效改為雙效時(shí),蒸汽節(jié)約48%;但從四效改為五效時(shí),僅節(jié)約蒸汽10%。最適宜的效數(shù)應(yīng)使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)的總和為最小。 技術(shù)上的限制蒸發(fā)裝置的效數(shù)過多,蒸發(fā)操作有可能不能順利進(jìn)行。在實(shí)際生產(chǎn)中,蒸汽的壓力和冷凝器的真空度都有一定的限制。因此,

18、在一定的操作條件下,蒸發(fā)器的理論總溫差為一定值。當(dāng)效數(shù)增加時(shí),由于各效溫差損失總和的增加,使總有效溫差減少,分配到各效中的有效溫差將有可能小至無法保證各效料液的正常沸騰,此時(shí),蒸發(fā)操作將難以正常進(jìn)行。在蒸發(fā)操作中,為保證傳熱的正常進(jìn)行,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),每一效的溫差不能小于57。通常,對(duì)于沸點(diǎn)升高較大的電解質(zhì)溶液,如NaCl、NaOH、NaNO3、Na2CO3、Na2SO4等可采用23效;對(duì)于沸點(diǎn)升高特大的物質(zhì),如MgCl2、CaCl2、KCl、H3PO4等,常采用單效蒸發(fā);對(duì)于非電解質(zhì)溶液,如有機(jī)溶劑等,其沸點(diǎn)升高較小,可取46效;在海水淡化中,溫差損失很小,可采用2030效。4.1.4.2流程選擇

19、根據(jù)加熱蒸汽與料液流向的不同,多效蒸發(fā)的操作流程可分為并流、逆流、平流、錯(cuò)流等流程。 并流流程也稱順流加料流程,如圖4-11所示,料液與蒸汽在效間流動(dòng)同向。因各效間有較大的壓力差,料液能自動(dòng)從前效流向后效,不需輸料泵;前效的溫度高于后效,料液從前效進(jìn)入后效時(shí)呈過熱狀態(tài),過料時(shí)有閃蒸。并流流程結(jié)構(gòu)緊湊,操作簡(jiǎn)便,應(yīng)用較廣。對(duì)于并流流程,后效溫度低、組成高,逐效料液的黏度增加,傳熱系數(shù)下降,并導(dǎo)致有效溫差在各效間的分配不均。因此,并流流程只適用于處理黏度不大的料液。 逆流流程逆流加料流程如圖4-12所示,料液與加熱蒸汽在效間呈逆流流動(dòng)。效間需過料泵,動(dòng)力消耗大,操作也較復(fù)雜;自前效到后效,料液組成

20、漸增,溫度同時(shí)升高,黏度及傳熱系數(shù)變化不大,溫差分配均勻,適合于處理黏度較大的料液,不適合于處理熱敏性料液。圖4-11并流加料蒸發(fā)流程圖4-12逆流加料蒸發(fā)流程 平流流程平流加料流程如圖4-13所示,每一效都有進(jìn)料和出料,適合于有大量結(jié)晶析出的蒸發(fā)過程。 錯(cuò)流流程錯(cuò)流流程也稱為混流流程,如圖4-14所示,它是并、逆流的結(jié)合,其特點(diǎn)是兼有并、逆流的優(yōu)點(diǎn),但操作復(fù)雜,控制困難。我國目前僅用于造紙工業(yè)及有色金屬冶煉的堿回收系統(tǒng)中。圖4-13平流加料蒸發(fā)流程圖4-14錯(cuò)流加料蒸發(fā)流程4.2多效蒸發(fā)過程的工藝計(jì)算多效蒸發(fā)工藝計(jì)算的主要依據(jù)是物料衡算、熱量衡算及傳熱速率方程。計(jì)算的主要項(xiàng)目有:加熱蒸汽消耗

21、量、各效溶劑蒸發(fā)量以及各效傳熱面積。計(jì)算的已知參數(shù)包括:料液的流量、溫度和組成,最終完成液的組成,加熱蒸汽的壓力和冷凝器中的壓力等?，F(xiàn)以多效并流流程(見圖4-15)為例介紹多效蒸發(fā)裝置的工藝計(jì)算方法。圖4-15多效并流蒸發(fā)流程的工藝計(jì)算符號(hào)規(guī)定示意4.2.1各效蒸發(fā)量和完成液組成的估算總蒸發(fā)量 W=F(4-1)在蒸發(fā)過程中,總蒸發(fā)量為各效蒸發(fā)量之和,即W=W1+W2+Wn=Wi(4-2)任一效中完成液的組成為xi=(4-3)一般地,各效蒸發(fā)量可按總蒸發(fā)量的平均值估算,即Wi=(4-4)對(duì)于并流操作的多效蒸發(fā),因存在閃蒸現(xiàn)象,可按如下比例進(jìn)行估算。例如,對(duì)于三效蒸發(fā):W1 W2 W3=1 1.1

22、 1.2(4-5)以上各式中,F為原料液量,kg/h;W為總蒸發(fā)量,kg/h;W1,W2,Wn為各效的蒸發(fā)量,kg/h;x0,x1,x2,xn為原料液及各效完成液溶質(zhì)的質(zhì)量分率,量綱為1。4.2.2各效溶液沸點(diǎn)及有效總溫度差的估算為求各效料液的沸點(diǎn),首先應(yīng)假定各效的壓力。一般加熱蒸汽的壓力和冷凝器的壓力(或末效壓力)是給定的,其他各效的壓力可按各效間蒸汽壓力降相等的假設(shè)來確定,即p=(4-6)式中,p為各效加熱蒸汽壓力與二次蒸汽壓力之差,Pa;p1為第1效加熱蒸汽的壓力,Pa;pK為末效冷凝器中的壓力,Pa。多效蒸發(fā)中的有效傳熱溫差可用下式計(jì)算:t=(T1-TK)-(4-7)式中,t為有效總溫

23、差,為各效有效溫差之和, ;T1為第1效加熱蒸汽的溫度, ;TK為冷凝器操作壓力pK下二次蒸汽的飽和溫度, ;為總的溫度差損失,為各效溫差損失之和, 。=+(4-8)式中,為由于溶質(zhì)的存在而引起的沸點(diǎn)升高(溫度差損失), ;為由液柱靜壓力而引起的沸點(diǎn)升高(溫度差損失), ;為由于管路流動(dòng)阻力存在而引起的沸點(diǎn)升高(溫度差損失), 。下面分別介紹各種溫度差損失的計(jì)算。(1)由于溶液中溶質(zhì)存在引起的沸點(diǎn)升高由于溶液中含有不揮發(fā)性溶質(zhì),阻礙了溶劑的汽化,因而溶液的沸點(diǎn)永遠(yuǎn)高于純水在相同壓力下的沸點(diǎn)。如在101.3kPa下,水的沸點(diǎn)為100,而71.3%的NH4NO3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水溶液的沸點(diǎn)則為120

24、。但二者在相同壓力下(101.3kPa)沸騰時(shí)產(chǎn)生的飽和蒸汽(二次蒸汽)具有相同的溫度(100)。由于溶液中溶質(zhì)存在引起的沸點(diǎn)升高可定義為=tB-T(4-9)式中,tB為溶液的沸點(diǎn), ;T為與溶液液面壓力相等時(shí)水(溶劑)的沸點(diǎn),即二次蒸汽的飽和溫度, 。溶液的沸點(diǎn)tB主要與溶液的種類、組成及壓力有關(guān),一般需由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。常壓下某些常見溶液的沸點(diǎn)可從有關(guān)手冊(cè)查閱,非常壓下溶液的沸點(diǎn)查閱比較困難,當(dāng)缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),可用下式估算=fa(4-10)f=(4-11)式中,a為常壓下(101.3kPa)由于溶質(zhì)存在而引起的沸點(diǎn)升高, ;為操作壓力下由于溶質(zhì)存在而引起的沸點(diǎn)升高, ;f為校正系數(shù);T為操作壓力

25、下二次蒸汽的溫度, ;r為操作壓力下二次蒸汽的汽化潛熱,kJ/kg。溶液的沸點(diǎn)亦可用杜林規(guī)則(Duhring rule)估算。杜林規(guī)則表明:一定組成的某種溶液的沸點(diǎn)與相同壓力下標(biāo)準(zhǔn)液體(純水)的沸點(diǎn)呈線性關(guān)系。由于不同壓力下水的沸點(diǎn)可以從水蒸氣表中查得,故一般以純水作為標(biāo)準(zhǔn)液體。根據(jù)杜林規(guī)則,以某種溶液的沸點(diǎn)為縱坐標(biāo),以同壓力下水的沸點(diǎn)為橫坐標(biāo)作圖,可得一直線,即=k(4-12)或tB=ktw+m(4-13)式中,tB、tB分別為壓力p和p下溶液的沸點(diǎn), ;tw、tw分別為壓力p和p下純水的沸點(diǎn), ;k為杜林直線的斜率;m為直線的截距,為常數(shù)。由式(4-13)可知,只要已知溶液在兩個(gè)壓力下的沸

26、點(diǎn),即可求出杜林直線的斜率,進(jìn)而可以求出任何壓力下溶液的沸點(diǎn)。(2)由于液柱靜壓力而引起的沸點(diǎn)升高由于液層內(nèi)部的壓力大于液面上的壓力,故相應(yīng)的溶液內(nèi)部的沸點(diǎn)高于液面上的沸點(diǎn)tB,二者之差即為液柱靜壓力引起的沸點(diǎn)升高。為簡(jiǎn)便計(jì),以液層中部點(diǎn)處的壓力和沸點(diǎn)代表整個(gè)液層的平均壓力和平均溫度,則根據(jù)流體靜力學(xué)方程,液層的平均壓力為pm=p+(4-14)式中,pm為液層的平均壓力,Pa;p為液面處的壓力,即二次蒸汽的壓力,Pa;m為溶液的平均密度,kg/m3;L為液層高度,m;g為重力加速度,m/s2。溶液的沸點(diǎn)升高為=tm-tB(4-15)式中,tm為平均壓力pm下溶液的沸點(diǎn), ;tB為液面處壓力(即

27、二次蒸汽壓力)p下溶液的沸點(diǎn), 。作為近似計(jì)算,式(4-15)中的tm和tB可分別用相應(yīng)壓力下水的沸點(diǎn)代替。應(yīng)當(dāng)指出,由于溶液沸騰時(shí)形成氣液混合物,其密度大為減小,因此按上述公式求得的值比實(shí)際值略大。因此有人建議按pm=p+pmgL/5計(jì)算,其結(jié)果更符合實(shí)際情況。(3)由于流動(dòng)阻力而引起的溫度差損失在多效蒸發(fā)中,末效以前各效的二次蒸汽,在流到次效加熱室的過程中,由于管路流動(dòng)阻力使其壓力下降,蒸汽的飽和溫度也相應(yīng)下降,由此造成的溫度差損失以表示。與二次蒸汽在管道中的流速、物性以及管道尺寸有關(guān),但很難定量確定,一般取經(jīng)驗(yàn)值。對(duì)于多效蒸發(fā),效間的溫度差損失一般取1,末效與冷凝器間約為11.5。根據(jù)已

28、估算的各效二次蒸汽壓力pi及溫度差損失i,即可由下式估算各效溶液的溫度(沸點(diǎn))ti。ti=Ti+i(4-16)4.2.3加熱蒸汽消耗量及各效蒸發(fā)水量的初步估算第i效的熱量衡算式為Qi=Diri=(FCp0-W1Cpw-W2Cpw-Wi-1Cpw)(ti-ti-1)+Wiri(4-17)由上式可求得第i效的蒸發(fā)量Wi。在熱量衡算式中計(jì)入溶液的濃縮熱及蒸發(fā)器的熱損失時(shí),還需考慮熱利用系數(shù)。對(duì)于一般溶液的蒸發(fā),熱利用系數(shù)可取為0.960.7x(式中x為以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示的溶液組成變化)。第i效的蒸發(fā)量Wi的計(jì)算式為Wi=i(4-18)式中,Di為第i效加熱蒸汽量,kg/h,當(dāng)無額外蒸汽抽出時(shí),Di=Wi

29、-1;ri為第i效加熱蒸汽的汽化潛熱,kJ/kg;ri為第i效二次蒸汽的汽化潛熱,kJ/kg;Cp0為原料液的比熱容,kJ/(kg);Cpw為水的比熱容,kJ/(kg);ti、ti-1分別為第i效和第i-1效溶液的溫度(沸點(diǎn)), ;i為第i效的熱利用系數(shù),量綱為1。對(duì)于蒸汽的消耗量,可列出各效熱量衡算式與式(4-2)聯(lián)解而求得。4.2.4傳熱系數(shù)K的確定蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)的表達(dá)式原則上與普通換熱器相同,即K=(4-19)式中,為對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2);d為管徑,m;Rs為垢層熱阻,(m2)/W;b為管壁厚度,m;為管材的熱導(dǎo)率,W/(m);下標(biāo)i表示管內(nèi)側(cè),o表示外側(cè),m表示對(duì)數(shù)平均。式(

30、4-19)中,管外蒸汽冷凝的傳熱系數(shù)o可按膜狀冷凝的傳熱系數(shù)公式計(jì)算,垢層熱阻值Rs可按經(jīng)驗(yàn)值估計(jì)。但管內(nèi)溶液沸騰傳熱系數(shù)則受較多因素的影響,例如溶液的性質(zhì)、蒸發(fā)器的型式、沸騰傳熱的形式以及蒸發(fā)操作的條件等。由于管內(nèi)溶液沸騰傳熱的復(fù)雜性,現(xiàn)有的計(jì)算關(guān)聯(lián)式的準(zhǔn)確性較差。下面僅給出強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器管內(nèi)沸騰傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,其他情況可參閱有關(guān)專著或手冊(cè)。在強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器中,加熱管內(nèi)的液體無沸騰區(qū),因此可采用無相變時(shí)管內(nèi)強(qiáng)制湍流的計(jì)算式,即i=0.023RP(4-20)式中,L為液體的熱導(dǎo)率,W/(m);di為加熱管的內(nèi)徑,m;PrL為液體的普朗特?cái)?shù),量綱為1;ReL為液體的雷諾數(shù),量綱為1。實(shí)驗(yàn)表

31、明,式(4-20)的i計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值約低25%。需要指出,由于i的關(guān)聯(lián)式精度較差,目前在蒸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)算中,總傳熱系數(shù)K大多根據(jù)實(shí)測(cè)或經(jīng)驗(yàn)值選定。表4-3列出了幾種常用蒸發(fā)器K值的大致范圍,可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。表4-3蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)K的概略值蒸發(fā)器型式總傳熱系數(shù)K/W/(m2)蒸發(fā)器型式總傳熱系數(shù)K/W/(m2)水平浸沒加熱式標(biāo)準(zhǔn)式(自然循環(huán))標(biāo)準(zhǔn)式(強(qiáng)制循環(huán))懸筐式60023006003000120060006003000外加熱式(自然循環(huán))外加熱式(強(qiáng)制循環(huán))升膜式降膜式120060001200600012006000120035004.2.5蒸發(fā)器傳熱面積和有效溫差在各效中的分配任一效的傳熱

32、速率方程為Qi=KiSiti(4-21)式中,Qi為第i效的傳熱速率,W;Ki為第i效的傳熱系數(shù),W/(m2);Si為第i效的傳熱面積,m2;ti為第i效的傳熱溫差, 。確定總有效溫差在各效間分配的目的是為了求取蒸發(fā)器的傳熱面積Si,現(xiàn)以三效為例加以說明(4-22)式中 (4-23) (4-24)在多效蒸發(fā)中,為了便于制造和安裝,通常采用各效傳熱面積相等的蒸發(fā)器,即S1=S2=S3=S若由式(4-22)求得的傳熱面積不等,應(yīng)根據(jù)各效傳熱面積相等的原則重新分配各效的有效溫度差,具體方法如下。設(shè)以t表示各效傳熱面積相等時(shí)的有效溫差,則t1=, t2=, t3=(4-25)與式(4-22)比較可得t

33、1=t1, t2=t2, t3=t3(4-26)將式(4-26)相加,得t=t1+t2+t3=t1+t2+t3即S=(4-27)式中,t為各效的有效溫差之和,稱為有效總溫差, 。由式(4-27)求得傳熱面積S后,即可由式(4-26)重新分配各效的有效溫差,重復(fù)上述計(jì)算步驟,直到求得的各效傳熱面積相等(或達(dá)到所要求的精度)為止,該面積即為所求傳熱面積。由上可知,多效蒸發(fā)的計(jì)算非常繁瑣,在實(shí)際設(shè)計(jì)中多采用編程電算,編程時(shí)可參考圖4-16多效蒸發(fā)計(jì)算框圖(以各效傳熱面積相等為原則)。圖4-16多效蒸發(fā)計(jì)算框圖4.3蒸發(fā)器主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算下面以中央循環(huán)管式蒸發(fā)器為例說明蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)

34、計(jì)計(jì)算方法。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸包括:加熱室和分離室(也稱蒸發(fā)室)的直徑和高度;加熱管與中央循環(huán)管的規(guī)格、長(zhǎng)度及在管板上的排列方式。這些尺寸的確定取決于工藝計(jì)算的結(jié)果(主要是傳熱面積)。4.3.1加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計(jì)蒸發(fā)器的加熱管通常選用?25mm2.5mm、?38mm2.5mm、?57mm3.5mm等幾種規(guī)格的無縫鋼管。加熱管的長(zhǎng)度一般為0.62.0m,但也有選用2m以上的管子。管子長(zhǎng)度的選擇應(yīng)根據(jù)溶液結(jié)垢的難易程度、溶液的起泡性和廠房的高度等因素來考慮。易結(jié)垢和易起泡沫溶液的蒸發(fā)宜選用短管。當(dāng)加熱管的規(guī)格與長(zhǎng)度確立后,可由下式初步估計(jì)所需的管子數(shù)nn=(4-28)式中,

35、S為蒸發(fā)器的傳熱面積,m2,由前面的工藝計(jì)算決定;do為加熱管外徑,m;L為加熱管長(zhǎng)度,m。因加熱管固定在管板上,考慮管板厚度所占據(jù)的傳熱面積,則計(jì)算管子數(shù)n時(shí)的管長(zhǎng)應(yīng)取(L-0.1)m。為完成傳熱任務(wù)所需的最小實(shí)際管數(shù)n,只有在管板上排列加熱管后才能確定。4.3.2循環(huán)管的選擇循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減小的原則來考慮的。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的循環(huán)管截面積可取加熱管總截面積的40%100%。加熱管的總截面積可按n計(jì)算,循環(huán)管內(nèi)徑以Dl表示,則=(40%100%)n(4-29)對(duì)于加熱面積較小的蒸發(fā)器,應(yīng)取較大的百分?jǐn)?shù)。按上式計(jì)算出D1后,應(yīng)從管子規(guī)格中選取管徑相近的標(biāo)準(zhǔn)管,只要n與n相

36、差不大,循環(huán)管的規(guī)格可一次確定。循環(huán)管的管長(zhǎng)與加熱管相等,循環(huán)管的表面積不計(jì)入傳熱面積中。4.3.3加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定加熱室的內(nèi)徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)目及在管板上的排列方式。加熱管在管板上的排列方式有三角形、正方形、同心圓等,目前以三角形排列居多。管心距的數(shù)值已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,見第3章表3-6,設(shè)計(jì)時(shí)可選用。加熱室內(nèi)徑和加熱管數(shù)采用作圖法來確定,具體做法與第3章3.2.2.2節(jié)相同。首先按單程管子的排列方式計(jì)算管束中心線上管數(shù)nc。正三角形排列:nc=1.1(4-30)正方形排列:nc=1.19(4-31)式中,n為總加熱管數(shù)。然后按式(4-32)初步估算加熱室內(nèi)徑,即Di=t(

37、nc-1)+2b(4-32)其中,b=(11.5)do。根據(jù)初估加熱室內(nèi)徑值和容器公稱直徑系列,試選一個(gè)內(nèi)徑作為加熱室內(nèi)徑,并以此內(nèi)徑和循環(huán)管外徑作同心圓,在同心圓的環(huán)隙中,按加熱管的排列方式和管心距作圖。作圖所得管數(shù)n不能小于初估值n,如不滿足,應(yīng)另選一設(shè)備內(nèi)徑,重新作圖,直至合適為止。殼體內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)尺寸列于表4-4中,設(shè)計(jì)時(shí)可作為參考。表4-4殼體的尺寸標(biāo)準(zhǔn)殼體內(nèi)徑/mm40070080010001100150016002000最小壁厚/mm8101214采用這種作圖的方法可同時(shí)確定加熱室內(nèi)徑和加熱管數(shù),簡(jiǎn)便易行。4.3.4分離室直徑和高度的確定分離室的直徑和高度取決于分離室的體積,而分離

38、室的體積又與二次蒸汽的體積流量及蒸發(fā)體積強(qiáng)度有關(guān)。分離室體積的計(jì)算式為V=(4-33)式中,V為分離室的體積,m3;W為某效蒸發(fā)器的二次蒸汽流量,kg/s;為某效蒸發(fā)器的二次蒸汽密度,kg/m3;U為蒸發(fā)體積強(qiáng)度,m3/(m3s),即每立方米分離室每秒產(chǎn)生的二次蒸汽量,一般允許值為1.11.5m3/(m3s)。根據(jù)蒸發(fā)器工藝計(jì)算得到的各效二次蒸汽量,再從蒸發(fā)體積強(qiáng)度的數(shù)值范圍內(nèi)選取一個(gè)值,即可由上式計(jì)算出分離室的體積。一般情況下,各效的二次蒸汽量是不相同的,且密度也不相同,按上式算出的分離室體積也不相同,通常末效體積最大。為方便起見,設(shè)計(jì)時(shí)各效分離室的尺寸可取一致。分離室體積宜取其中較大者。分

39、離室體積確定后,其高度H與直徑D符合下列關(guān)系:V=D2H(4-34)在利用此關(guān)系確定高度和直徑時(shí)應(yīng)考慮如下原則。 分離室的高度與直徑之比H/D=12。對(duì)于中央循環(huán)管式蒸發(fā)器,其分離室的高度一般不能小于1.8m,以保證足夠的霧沫分離高度。分離室的直徑也不能太小,否則二次蒸汽流速過大,將導(dǎo)致嚴(yán)重霧沫夾帶。 在允許的條件下,分離室直徑應(yīng)盡量與加熱室相同,這樣可使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工制造方便。 高度和直徑均應(yīng)滿足施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝要求。4.3.5接管尺寸的確定流體進(jìn)出口接管的內(nèi)徑d按下式計(jì)算d=式中,Vs為流體的體積流量,m3/s;u為流體的適宜流速,m/s。流體的適宜流速列于表4-5中,設(shè)計(jì)時(shí)可作為參考。表4

40、-5流體的適宜流速單位:m/s估算出接管內(nèi)徑后,應(yīng)從管子的標(biāo)準(zhǔn)系列中選用相近的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制流動(dòng)的液體自然流動(dòng)的液體飽和蒸汽空氣及其他氣體0.81.50.080.1520301520管。蒸發(fā)器有如下主要接管。 溶液的進(jìn)出口接管對(duì)于并流加料的三效蒸發(fā),第1效溶液的流量最大,若各效設(shè)備采用統(tǒng)一尺寸,應(yīng)根據(jù)第1效溶液流量來確定接管。溶液的適宜流速按強(qiáng)制流動(dòng)考慮。為方便起見,進(jìn)出口可取統(tǒng)一管徑。 加熱蒸汽進(jìn)口與二次蒸汽出口接管若各效結(jié)構(gòu)尺寸一致,則二次蒸汽體積流量應(yīng)取各效中較大者。一般情況下,末效的體積流量最大。 冷凝水出口接管冷凝水的排出一般屬于自然流動(dòng)(有泵抽出的情況除外),接管直徑應(yīng)由各效加熱蒸汽消耗

41、量較大者確定。4.4蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備主要包括氣液分離器與蒸汽冷凝器。4.4.1氣液分離器蒸發(fā)操作時(shí),二次蒸汽中夾帶大量的液體,雖在分離室得到初步分離,但為了防止損失有用的產(chǎn)品或防止污染冷凝液體,還需設(shè)置氣液分離器,以使霧沫中的液體聚集并與二次蒸汽分離,故氣液分離器又稱為捕沫器或除沫器。氣液分離器類型很多,設(shè)置在蒸發(fā)器分離室頂部的有簡(jiǎn)易式、慣性式及絲網(wǎng)式除沫器等,如圖4-17所示;設(shè)置在蒸發(fā)器外部的有折流式、旋流式及離心式除沫器等,如圖4-18所示。圖4-17內(nèi)置于分離室頂部的氣液分離器圖4-18置于蒸發(fā)器外部的氣液分離器慣性式除沫器是利用帶有液滴的二次蒸汽在突然改變運(yùn)動(dòng)方向

42、時(shí),液滴因慣性作用而與蒸汽分離。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,中小型工廠中應(yīng)用較多,其主要尺寸可按下列關(guān)系確定:D0=D1D1 D2 D3=1 1.5 2H=D3h=(0.40.5)D1式中,D0為二次蒸汽的管徑,m;D1為除沫器內(nèi)管的直徑,m;D2為除沫器外罩管的直徑,m;D3為除沫器外殼直徑,m;H為除沫器的總高度,m;h為除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x,m。絲網(wǎng)式除沫器是讓蒸汽通過大比表面積的絲網(wǎng),使液滴附在絲網(wǎng)表面而除去。除沫效果好,絲網(wǎng)空隙率大,蒸汽通過時(shí)壓降小,因而絲網(wǎng)式除沫器應(yīng)用廣泛。絲網(wǎng)式除沫器的金屬網(wǎng)一般采用三層或四層,絲網(wǎng)的規(guī)格型號(hào)可參閱有關(guān)手冊(cè)。各種氣液分離器的性能列于表4-6中,設(shè)計(jì)時(shí)可作為

43、參考。表4-6各種氣液分離器的性能型式捕集霧滴的直徑/m壓降/Pa分離效率/%氣速范圍/(m/s)表4-6各種氣液分離器的性能簡(jiǎn)易式 慣性式 絲網(wǎng)式 波紋折板式旋流式 離心式 5050515505098147196588245735186785392735約1968088859098100909985949035常壓1225(進(jìn)口),減壓25(進(jìn)口)14310常壓1225(進(jìn)口),減壓25(進(jìn)口)34.54.4.2蒸汽冷凝器4.4.2.1主要類型蒸汽冷凝器的作用是用冷卻水將二次蒸汽冷凝。當(dāng)二次蒸汽為有價(jià)值的熱源產(chǎn)品需要回收或嚴(yán)重污染冷卻水時(shí),應(yīng)采用間壁式冷卻器,如列管式、板式、螺旋管式及淋水管

44、式等熱交換器(詳細(xì)內(nèi)容可參閱第3章)。當(dāng)二次蒸汽為水蒸氣不需要回收時(shí),可采用直接接觸式冷凝器,如多孔板式、水簾式、填充塔式及水噴射式等。二次蒸汽與冷卻水直接接觸進(jìn)行熱交換,其冷凝效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格低廉,因此被廣泛采用。圖4-19是幾種常用的直接接觸式蒸汽冷凝器。多層多孔板式是目前廣泛使用的型式之一,其結(jié)構(gòu)如圖4-19(a)所示。冷凝器內(nèi)部裝有49塊不等距的多孔板,冷卻水通過板上小孔分散成液滴而與二次蒸汽接觸,接觸面積大,冷凝效果好。但多孔板易堵塞,二次蒸汽在折流過程中壓力增大,所以也采用壓力較小的單層多孔板式冷凝器,但冷凝效果較差。水簾式冷凝器的結(jié)構(gòu)如圖4-19(b)所示。器內(nèi)裝

45、有34對(duì)固定的圓形和環(huán)形隔板,使冷卻水在各板間形成水簾,二次蒸汽通過水簾時(shí)被冷凝。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,壓力較大。填充塔式冷凝器的結(jié)構(gòu)如圖4-19(c)所示。塔內(nèi)上部裝有多孔板式液體分布板,塔內(nèi)裝填拉西環(huán)填料。冷水與二次蒸汽在填料表面接觸,提高了冷凝效果。適用于二次蒸汽量較大的情況及冷凝具有腐蝕性氣體的情況。水噴射式冷凝器的結(jié)構(gòu)如圖4-19(d)所示。冷卻水依靠泵加壓后經(jīng)噴嘴霧化使二次蒸汽冷凝。不凝氣也隨冷凝水由排水管排出。此過程產(chǎn)生真空,因此不需要真空泵就可造成和保持系統(tǒng)的真空度。但單位二次蒸汽所需的冷卻水量大,二次蒸汽量過大時(shí)不宜采用。圖4-19常用直接接觸式蒸汽冷凝器結(jié)構(gòu)示意各種型式蒸汽冷凝器的性

46、能列于表4-7中,設(shè)計(jì)時(shí)可作為參考。表4-7蒸汽冷凝器的性能冷凝器型式多層多孔板式單層多孔板式水簾式填充塔式水噴射式水汽接觸面積大較小較大大最大壓降 10672000Pa小,可不計(jì)13333333Pa較小大塔徑范圍 大小均可不宜過大350mm100mm二次蒸汽量2t/h表4-7蒸汽冷凝器的性能結(jié)構(gòu)與要求 較簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單,安裝有一定要求簡(jiǎn)單不簡(jiǎn)易,加工有一定的要求水量 較大較大較大較大最大其他 孔易堵塞 適用于腐蝕性蒸汽的冷凝 4.4.2.2設(shè)計(jì)與選用在此僅介紹常用的多層孔板式蒸汽冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算及水噴射式蒸汽冷凝器的選用。填充塔式冷凝器及水簾式冷凝器的設(shè)計(jì)與選用可參閱有關(guān)手冊(cè)。(1)多層多孔

47、板式蒸汽冷凝器 冷卻水流量G冷卻水的流量由冷凝器的熱量衡算來確定:G=(4-35)式中,G為冷卻水流量,kg/h;h為進(jìn)入冷凝器二次蒸汽的焓,J/kg;W為進(jìn)入冷凝器二次蒸汽的流量,kg/h;Cpw為水的比熱容,4.187103J/(kg);tw為冷卻水的初始溫度, ;tk為水、冷凝液混合物的排出溫度, 。冷凝器出口處水蒸氣和混合液之間的溫度差應(yīng)為35,所以混合液的排出溫度tk取低于冷凝蒸汽溫度35。另一種確定冷卻水流量的方法是利用圖4-20所示的板式蒸汽冷凝器的性能曲線,由冷凝器進(jìn)口蒸汽壓力和冷卻水進(jìn)口溫度可查得1m3冷卻水可冷卻的蒸汽量Xkg,則G=W/X(4-36)與實(shí)際數(shù)據(jù)相比,由圖4

48、-20所計(jì)算的G值偏低,故設(shè)計(jì)時(shí)取G=(1.21.25)W/X(4-36a)圖4-20多孔板式蒸汽冷凝器的性能曲線圖4-21冷凝器內(nèi)徑與蒸汽流量的關(guān)系 冷凝器的直徑二次蒸汽流速u為1520m/s。若已知進(jìn)入冷凝器的二次蒸汽的體積流量,即可根據(jù)流量公式求出冷凝器直徑D。此外,也可根據(jù)圖4-21來確定蒸汽冷凝器的直徑。 淋水板的設(shè)計(jì)淋水板板數(shù):當(dāng)D500mm時(shí),取46塊;當(dāng)D500mm時(shí),取79塊。淋水板間距:當(dāng)46塊板時(shí),Ln+1=(0.50.7)Ln,L0=D+(0.150.3)m;當(dāng)79塊板時(shí),Ln+1=(0.60.7)Ln,L末0.15m。弓形淋水板的寬度:最上面一塊B=(0.80.9)D

49、,m;其他各塊淋水板,B=0.5D+0.05m。淋水板堰高h(yuǎn):當(dāng)D500mm時(shí),h=40mm;當(dāng)D500mm時(shí),h=5070mm。淋水板孔徑:若冷卻水質(zhì)較好或冷卻水不循環(huán)使用時(shí),d可取45mm;反之,可取610mm。淋水板孔數(shù):淋水孔流速u0可采用下式計(jì)算u0=(4-37)式中,為淋水孔的阻力系數(shù),=0.950.98;為水流收縮系數(shù),=0.800.82;h為淋水板堰高,m。淋水孔數(shù)n=(4-38)考慮到長(zhǎng)期操作時(shí)易造成孔的堵塞,最上層板的實(shí)際淋水孔數(shù)應(yīng)加大10%15%,其他各板孔數(shù)應(yīng)加大5%。淋水孔采用正三角形排列。(2)水噴射式蒸汽冷凝器冷凝器所使用的噴射水水壓大于或等于1.96105Pa(

50、表壓)時(shí),水蒸氣的抽吸壓力為5.333kPa。水噴射式冷凝器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸及性能列于表4-8中。當(dāng)蒸發(fā)器采用減壓操作時(shí),需要在冷凝器后安裝真空裝置,不斷抽出蒸汽所帶的不凝汽,以維持蒸發(fā)系統(tǒng)所需的真空度。常用的真空泵有水環(huán)式、往復(fù)式真空泵及噴射泵。對(duì)于有腐蝕性的氣體,宜采用水環(huán)泵,但真空度不太高。噴射式真空泵又分為水噴射泵、水-汽串聯(lián)噴射泵及蒸汽噴射泵。蒸汽噴射泵的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,產(chǎn)生的真空度較水噴射泵高,可達(dá)99.99100.6kPa,還可按不同真空度要求設(shè)計(jì)成單級(jí)或多級(jí)。當(dāng)采用水噴射式冷凝器時(shí),不需安裝真空泵。表4-8水噴射式冷凝器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸及性能D1/mmD2/mmD3/mmC/mm冷凝水量/(m3

51、/h)冷凝蒸汽流量/(kg/h)5333Pa8000Pa10666Pa表4-8水噴射式冷凝器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸及性能75100150200250300350450500385063758810012515017538637588100125125150200570750100012601410174020702500280071321305490136194252601251902703103601320188024707515023032061010301600230030009519029042080013602100300039204.5蒸發(fā)裝置工藝設(shè)計(jì)示例【例4-1】某工廠擬定采用三效蒸發(fā)流程

52、將NaOH隔膜電解液從10%濃縮至30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),要求年處理電解液為9.504104 t。原料液預(yù)熱至第一效沸點(diǎn)溫度后進(jìn)料,料液平均比熱容為3.77 kJ/(kg);各效蒸發(fā)器中溶液的平均密度分別為:1=1120kg/m3,2=1290kg/m3,3=1330kg/m3。加熱蒸汽的壓力為500kPa(絕壓),冷凝器壓力設(shè)定為20kPa(絕壓)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),取各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)分別為:K1=1800W/(m2),K2=1200W/(m2),K3=600W/(m2)。各效蒸發(fā)器中液面高度設(shè)定為2m,且各效蒸發(fā)器中冷凝液均在飽和溫度下排出。試完成滿足上述要求的蒸發(fā)裝置的工藝設(shè)計(jì)。設(shè)備工藝設(shè)計(jì)計(jì)

53、算如下一、確定設(shè)計(jì)方案考慮到隔膜電解液NaOH水溶液中含有相當(dāng)數(shù)量的NaCl,在蒸發(fā)過程中會(huì)結(jié)晶析鹽,同時(shí)隨著蒸發(fā)過程的進(jìn)行,溶液的黏度會(huì)明顯增大,故選用中央循環(huán)管式蒸發(fā)器,此種蒸發(fā)器適用于黏度較大的溶液和易生結(jié)垢或易于結(jié)晶的溶液的蒸發(fā)。又由于電解液中含有Cl-且為強(qiáng)堿液,對(duì)蒸發(fā)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕作用,同時(shí)完成液的濃度并不是很高,末效黏度并不是很大,故采用三效并流流程比較合理。這樣可省去效間的輸料泵,并且料液從前效進(jìn)入后效時(shí)因過熱有閃蒸,這有利于燒堿溶液的蒸發(fā)。由于末效真空厚度不是很高,故選用水環(huán)真空泵,二次蒸汽采用多層多孔板式蒸汽冷凝器。具體的工藝流程見圖4-22。圖4-22三效并流蒸發(fā)裝

54、置的流程示意1原料液貯槽;2,10泵;3預(yù)熱器;46蒸發(fā)器;7蒸汽冷凝器;8真空泵;9液封槽;11蒸濃液貯槽;12冷凝液排出器為方便工藝計(jì)算,現(xiàn)將計(jì)算過程中所使用的符號(hào)規(guī)定如圖4-23所示。圖4-23并流加料三效蒸發(fā)的物料衡算與熱量衡算示意二、估算各效蒸發(fā)量和各效完成液濃度以年工作日330天,每天24h連續(xù)運(yùn)行,有 總蒸發(fā)量W=F=12000=8000kg/h 各效蒸發(fā)量因并流加料,且無額外蒸汽引出,故可設(shè)W1 W2 W3=1 1.1 1.2 W=W1+W2+W3=3.3W1W1=W/3.3=8000/3.3=2424kg/h W2=1.1W1=1.12424=2666kg/hW3=1.2W1

55、=1.22424=2909kg/h 各效完成液組成x1=0.125x2=0.174x3=0.30三、估算各效溶液的沸點(diǎn)和有效總溫度差設(shè)各效間壓力降相等,則總壓差為p=p1-pK=500-20=480(kPa)各效間的平均壓差為pi=p/3=480/3=160(kPa)各效蒸發(fā)室的壓力(絕壓)p1=p1-pi=500-160=340(kPa)p2=p1-2pi=500-2160=180(kPa)p3=p1-3pi=pK=20(kPa)由各效的二次蒸汽壓力,從手冊(cè)中可查得相應(yīng)二次蒸汽的溫度和汽化潛熱,并列于下表:效數(shù)一效二效三效二次蒸汽的壓力pi/kPa34018020二次蒸汽的溫度Ti/(即下一

56、效加熱蒸汽的溫度)137.7116.660.1二次蒸汽的汽化潛熱ri/(kJ/kg)(即下一效加熱蒸汽的汽化潛熱)215522142355(1)各效由于溶液沸點(diǎn)升高而引起的溫度差損失根據(jù)各效二次蒸汽溫度(亦即相同壓力下純水的沸點(diǎn))和各效完成液的濃度,由NaOH水溶液的杜林線圖查得各效溶液的沸點(diǎn)分別為:tB1=142,tB2=124,tB3=78。則各效由于溶液蒸氣壓下降所引起的溫度差損失為1=tB1-T1=142-137.7=4.32=tB2-T2=124-116.6=7.43=tB3-T3=78-60.1=17.9=4.3+7.4+17.9=29.6(2)由于液柱靜壓力而引起的溫度差損失為p

57、m1=p1+=340+=351kPapm2=p2+=180+=193kPapm3=p3+=20+=33kPa根據(jù)=tm-tB,以相應(yīng)壓力下水的沸點(diǎn)代替tm和tB,由平均壓力pmi查得對(duì)應(yīng)水的飽和溫度為:Tpav1=139.5,Tpav2=119.1,Tpav3=68.9。由于液柱靜壓力而引起的溫度差損失為1=Tpav1-T1=139.5-137.7=1.82=Tpav2-T2=119.1-116.6=2.53=Tpav3-T3=68.9-60.1=8.8=1.8+2.5+8.8=13.1(3)由于不計(jì)流動(dòng)阻力產(chǎn)生的壓降所引起的溫度差損失=0,故蒸發(fā)裝置的總溫度差損失為=+=29.6+13.1+

58、0=42.7。(4)各效溶液的沸點(diǎn)和有效總溫度差溶液的沸點(diǎn)為1=1+1+1=4.3+1.8+0=6.12=2+2+2=7.4+2.5+0=9.93=3+3+3=17.9+8.8+0=26.7t1=T1+1=137.7+6.1=143.8t2=T2+2=116.6+9.9=126.5t3=T3+3=60.1+26.7=86.8有效總溫度差t=(T1-TK)-=151.7-60.1-42.7=48.9式中,151.7為500kPa時(shí)蒸汽的飽和溫度,其對(duì)應(yīng)的汽化潛熱為2113kJ/kg。四、加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計(jì)算第i效的焓衡算式為Qi=Diri=(FCp0-W1Cpw-W2Cpw-W

59、i-1Cpw)(ti-ti-1)+Wiri第i效的水分蒸發(fā)量為Wi=i第一效的水分蒸發(fā)量為W1=1,因?yàn)榉悬c(diǎn)進(jìn)料,故t0=t1?？紤]到NaOH水溶液濃縮熱的影響,熱利用系數(shù)為1=0.98-0.7x1=0.98-0.7(0.125-0.10)=0.9625W1=1=0.9625=0.944D1第二效的水分蒸發(fā)量為W2=22=0.98-0.7x2=0.98-0.7(0.174-0.125)=0.9457W2=0.9457=0.889W1+334.3第三效的水分蒸發(fā)量為W3=33=0.98-0.7x3=0.98-0.7=0.8918W3=0.8918=0.775W2-0.063W1+680又W1+W

60、2+W3=8000聯(lián)立上述、四式求解得D1=2834kg/hW2=2712kg/hW1=2675kg/hW3=2613kg/h五、估算蒸發(fā)器的傳熱面積Si=Q1=D1r1=28342113103/3600=1.66106Wt1=T1-t1=151.7-143.8=7.9S1=116.7m2Q2=W1r1=26752155103/3600=1.6106Wt2=T2-t2=T1-t2=137.7-126.5=11.2S2=119m2Q3=W2r2=27122214103/3600=1.67106Wt3=T3-t3=T2-t3=116.6-86.8=29.8S3=93.4m2誤差為1-=1-=0.2