文档介绍：第一章设计方案的确定
概述
在化工、制药、食品、生物等生产过程中进行着大量的蒸发操作。蒸发操作的主要目的是浓缩溶液、纯溶剂的制取和回收,工业上通常采用加热的方式使大量溶剂汽化。为充分利用热能,生产商普遍采用多效蒸发。蒸发装置的设计任务是:确定蒸发过程的操作条件、蒸发器型式及蒸发流程的选择;进行蒸发过程工艺计算,确定加热蒸汽的用量、蒸发器的传热面积及结构尺寸等。蒸发作为化工产品工艺制造过程中的一个单元操作,有多种不同的设备、不同的流程与不用的操作方式。它们均具有各自不同的技术特性及经济性、适用性。设计者应根据满足工艺条件要求和提高经济效益两大原则,结合实际进行综合考虑,确定较为先进的蒸发方案。
蒸发操作条件的确定
蒸发操作条件的确定主要指蒸发器加热蒸汽压强、冷凝器操作压强的选定。正确选择蒸发过程的操作条件,对保证产品质量和降低能耗极为重要。
加热蒸汽压强的确定原则
通常被蒸发的溶液有一个允许的最高温度,若超过此温度物料就会变质、破坏或分解,这是确定加热蒸汽压强的一个依据。应使操作在低于最大温度范围内进行,可以采用加压蒸发、常压蒸发或真空蒸发。
蒸发是一个消耗大量加热蒸汽而又产生大量二次蒸汽的过程。从节能的观点出发,应充分利用二次蒸汽作为后续蒸发过程或其他加热用的热源,即要求蒸发装置能够提供温度较高的二次蒸汽。这样既可以减少锅炉产生蒸汽的消耗量,又可以减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量,提高蒸汽的利用率。因此,能够采用较高温度的饱和蒸汽作为加热蒸汽式有利的,但通常所用的饱和蒸汽温度不超过180℃,超过时相应的压强就很高,这将增加加热的设备费用和操作费用。一般的加热蒸汽压强在300~800kPa范围之内。
本次设计任务中,加热蒸汽设计压强取650kPa。
冷凝器操作压强的确定原则
若一效采用较高压强的加热蒸汽,则末效可采用常压或加压蒸发,此时末效产生的二次蒸汽具有较高的温度,可以全部利用。而且各效操作温度高时,溶液粘度低,传热效果好。若一效加热蒸汽压强低,末效应采用真空操作,此时各效二次蒸汽温度低,进入冷凝器冷凝需消耗大量冷却水,而且溶液粘度大、传热差。但对于那些热敏性物料的蒸发,为充分利用热源还是经常采用真空蒸发的。对混合式冷凝器,其最大的真空度取决于冷凝器内的水温和真空装置的性能。通常冷凝器的最大真空度为80~90kPa。
本次设计任务中,冷凝器设计绝压取25kPa。
蒸发器的类型及选择
在化工、制药、食品、生物等生产中,大多数蒸发器都是利用饱和水蒸气作为加热介质,因而蒸发器中热交换的一侧是饱和水蒸气冷凝,另一侧是溶液的沸腾,所以传热的关键在于料液沸腾的一侧。为了适应各种不同物料的蒸发浓缩,出现了各种不同结构型式的蒸发器,而且随着生产技术的发展,其结构在不断改进。工业中常用的间壁式换热蒸发器,按溶液在蒸发器中的流动特点,可分为循环型(中央循环管式、悬筐式、外加热式、列文式、强制循环式等)和非循环型(升膜式、降膜式、升-降膜式、刮板式等)两大类型。
由于单程型蒸发器适用于处理热敏性材料,本次设计任务中料液为NaOH水溶液,不是热敏性物料,故选用循环型蒸发器。
面对种类繁多的蒸发器,在结构和操作上必须有利于蒸发过程的进行,为此在选用时应考虑以下原则:
,满足生产工艺过程的要求;
,能完善分离液沫,尽量减缓传热壁面上污垢的生成;
,操作维修和清洗方便,造价低,适用寿命长;
(如粘性、起泡性、热敏性、结垢性、腐蚀性等)。
中央蒸发器结构紧凑、制造方便、操作可靠,故在工业上应用广泛,有所谓“标准蒸发器”之称。
综合上述条件考虑,本次设计任务中,选用中央循环管式蒸发器。
多效蒸发效数的确定
在流程设计时首先应考虑采用单效还是多效蒸发,为充分利用热能,生产中一般采用多效蒸发。因为在多效蒸发中,将前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽加以利用,可节省生蒸汽的耗量。但也不是效数越多越好,效数受经济上和技术上的因素限制。
经济上的限制是指效数超过一定时经济上不合算。多效蒸发中,随着效数的增加,总蒸发量相同时所需生蒸汽量减少,使操作费用降低。但随着效数的增加,设备费用成倍增长,而所节省的生蒸汽量越来越少,所以无限制的增减效数已无实际意义,最适宜的效数应使设备费和操作费二者之和最小。
技术上的限制是指效数过多,蒸发操作将难以进行。一般工业生产中加热蒸汽压强和冷凝操作压强都有一定的限制,因此在一定操作条件下,蒸发器的理论总传热温度差为一定值。在效数过多时,由于各效温度差损失之和的增加,使总的有效传热温度差减小。当分配大