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1、第一章 绪论第一节 课题背景与物料简介一、课题背景CaCl2是一种用途极广的无机化工原料，广泛地用于生产多种用途的干燥剂、致冷剂、食物防腐剂、制造钙盐及某些染料的原料3。它主要应用于玻璃制造、电视显像管、食品添加剂等方面，还用于日用化工、陶瓷、化工脱水液、建筑行业早强剂、生产涂料的凝固剂、橡胶行业乳胶凝结剂、微生物工业和化学工业，如化工原料、脱除剂和用作单倍体育种的培养基。此外，还用作织物的防火剂、海港的消雾剂和路面的集尘剂等。在水处理、公路除雪、制冷冷藏等方面，CaCl2也有广泛的用途。在CaCl2溶液蒸发装置系统中，形成了由水蒸汽、氯化钙溶液、晶体和惰性固体颗粒所组成的多相流工质，其中Ca
2、Cl2有去除磷的作用。该蒸发装置解决了装置中的结垢问题，避免了由于结垢严重而频繁停车清洗造成的损失，提高了生产效率；具有高的传热效率，结构紧凑，容易安装与维修等优点。该系统运行稳定，实现了节能、节水、环保、降耗、增产的目的，具有明显的经济效益、社会效益和环境效益。二、物料简介 1. CaCl2的性质 CaCl2白色晶体或块状物，无毒、无臭、味微苦，不规则颗粒或粉末状，熔点782，沸点1600，密度2.15g/cm3(25)。它在水中的溶解度很大，能形成含结晶水化合物。CaCl2吸湿性极强，暴露于空气中极易潮解；能溶于醇、丙酮和醋酸；易溶于水，同时放出大量的热，其水溶液呈微酸性，有弱腐蚀性。 2
3、. CaCl2的用途CaCl2是一种用途极广的无机化工产品，广泛地用于生产多种用途的干燥剂、致冷剂、食物防腐剂、制造钙盐及某些染料的原料3。它主要应用于玻璃制造、电视显像管、食品添加剂等方面。CaCl2溶液是致冷工业中重要的冷冻剂。在使用过程中，会因吸收空气中的水分而使其浓度降低，通过蒸发吸热，与外界空气进行热交换，以达到制冷效果。氯化钙水溶液对设备有腐蚀性，使用时应该注意。CaCl2是工业和实验室常用干燥剂，如用于氮气、氧气、氢气、氯化氢、二氧化硫等气体的干燥，但不能用来干燥乙醇和氨；是生产醇、酯、醚和丙烯酸树脂时用作脱水剂。在无机工业中被用作制造金属钙、氯化钡、各种钙盐(如磷酸钙等)的原料
4、。在建筑工业中被用作防冻剂，以加速混凝土硬化和增加建筑砂浆的耐寒能力。在微生物工业中被用作单倍体育种的培养基。此外，还用作织物的防火剂、海港的消雾剂、路面的集尘剂和食品的防腐剂等。第二节 蒸发与流程概述一、蒸发概述蒸发装置广泛应用于化工、轻工、食品、医药、制冷、废水处理、海水淡化等工业领域，其目的是使溶液中的溶剂与溶质相互分离，其主要的几个方面：1、浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再处理（如冷却结晶）制取固体产品，例如电解烧碱液的浓缩，食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等；2、由于废水中含有高浓度盐分，通过蒸发浓缩，将废水中的物质变废为宝。例如管式降膜蒸发器主要用于废水浓缩，结晶蒸发器主要用于含
5、盐废水的结晶；3、制冷剂吸热蒸发，降低环境的温度，有利于食品、水果和新鲜质感的保存。在冷却空气蒸发器中，有空调用翅片蒸发器、冷冻冷藏用空气空气冷却器和排管蒸发器等。4、同时浓缩溶液和回收溶剂，例如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯，中药生产中酒精浸出液的蒸发等；5、为了获得纯净的溶剂，例如，海水淡化等。其中海水淡化是实现海水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水量；6、蒸发器吸收室内空气中的热量，使制冷剂蒸发为气体，带走室内空气中的热量。同时将蒸发器周围流动的空气冷却产生冷凝水，达到除湿的目的。蒸发操作实质上是在间壁两侧分别进行蒸发和溶液沸腾的传热过程，所以蒸发器也是一种传热器。然而和一般传热过程相比，
6、蒸发操作又有以下特点：1、蒸发物料是溶有不挥发溶质的溶液。由拉乌尔定律可知，在相同温度下，其蒸汽压较纯溶剂低，因而在相同压力下溶液的沸点比纯溶剂的沸点高，加上引起沸点升高的其他原因，当加热蒸汽温度一定时，蒸发溶液时的有效传热温差比纯溶剂时的小，溶液的浓度越大，这种影响也越显著。2、蒸发汽化时溶剂量很大，需要消耗大量蒸汽，为有效利用能量，提高加热蒸汽经济性，可采用多效蒸发的方法。3、蒸发物料常具有某些特性，如有些物料在浓缩时可能结垢或析出结晶，有些热敏性物料在高温下易分解变质，有些具有较高的粘度或较强的腐蚀性等等。应根据物料在特殊性和工艺要求选择适当的蒸发方法和设备。蒸发的目的是为了使溶液中的溶
7、剂汽化，故溶剂应具有挥发性而溶液中的溶质必须是不挥发的。由汽化产生的蒸汽在逸向空间后不予除去，则蒸汽与溶液之间将逐渐趋于平衡状态，是汽化不能继续进行，故进行蒸发的必备条件为热能的不断供给和生成蒸汽的不断的排除。二、工艺流程概述蒸发基本工艺流程示意图如下图1-2-1所示。图1-2-1 工艺流程示意图第三节 蒸发设备与选型一、蒸发设备简介蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，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分离器，使二次蒸气全部冷凝的冷凝器和使物料加热
8、至沸点的预热器以及减压操作时还需真空装置。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，蒸发器可分为循环型(非膜型)和单程型(非循环型)两类。循环型蒸发器包括：中央循环管式蒸发器、悬筐式蒸发器、外热式蒸发器、强制循环型蒸发器、列文式蒸发器。单程型蒸发器包括：升膜式蒸发器、降膜式蒸发器、升-降膜式蒸发器、刮板式蒸发器等。蒸发器按操作压力分常压、加压和减压3种。按溶液在蒸发器中的运动状况分有8：循环型，沸腾溶液在加热室中多次通过加热表面，如中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式和强制循环式等；单程型，沸腾溶液在加热室中一次通过加热表面，不作循
9、环流动，即行排出浓缩液，如升膜式、降膜式、搅拌薄膜式和离心薄膜式等；直接接触型，加热介质与溶液直接接触传热，如浸没燃烧式蒸发器。蒸发装置在操作过程中，要消耗大量加热蒸汽，为节省加热蒸汽，可采用多效蒸发装置和蒸汽再压缩蒸发器。若对所产生的二次蒸汽不再利用，而是直接送往冷凝器被除去，则为单效蒸发；若把较高压力的蒸发器内所产生的二次蒸汽，送入另一压力较低的蒸发器中作为加热蒸汽，则成为两效蒸发，如此类推，把多个操作压力大小不同，并按顺序排列的蒸发器联接起来，可组成多效蒸发。故蒸发操作按蒸气的利用程度又有单效蒸发和多效蒸发之分9。在单程型蒸发器中，物料沿加热管壁成膜状流动，一次通过加热器即达浓缩要求，其
10、停留时间仅数秒或十几秒。另外，离开加热器的物料又得到及时冷却，因此特别适用于热敏性物料的蒸发。但由于溶液一次通过加热器就要达到浓缩要求，因此对设计和操作的要求较高。由于这类蒸发器的加热管上的物料成膜状流动，故又称膜式蒸发器。根据物料在蒸发器内的流动方向和成膜原因不同，它可分为下列几种类型:升膜式蒸发器、降膜式蒸发器和刮板式蒸发器。下面将详细讲述升膜式蒸发器的内容，其它略过。图1-3-1 升膜式蒸发器升膜式蒸发器如图1-3-1所示，它的加热室由一根或数根垂直长管组成。通常加热管径为2550mm，管长与管径之比为100150。原料液预热后由蒸发器底部进入加热器管内，加热蒸汽在管外冷凝。当原料液受热
11、后沸腾汽化，生成二次蒸汽在管内高速上升，带动料液沿管内壁成膜状向上流动，并不断地蒸发汽化，加速流动，气液混合物进入分离器后分离，浓缩后的完成液由分离器底部放出。这种蒸发器需要精心设计与操作，即加热管内的二次蒸汽应具有较高速度，并获较高的传热系数，使料液一次通过加热管即达到预定的浓缩要求。通常，常压下，管上端出口处速度以保持2050m/s为宜，减压操作时，速度可达100160m/s。升膜蒸发器适宜处理蒸发量较大，热敏性，粘度不大及易起沫的溶液，但不适于高粘度、有晶体析出和易结垢的溶液。二、蒸发设备选型1.选型时应考虑的因素1、溶液的组成、处理量或生产能力、溶液的初始浓度和供液温度、完成液的终点浓
12、度和产品要求；2、处理量或生产能力、溶液的初始浓度和供液温度、完成液的终点浓度和产品要求、溶液的沸点升高，物料的热稳定性（变质的可能性，蒸发设备内停留时间的限制）；3、溶液的发泡性、表面张力、液体粘度、有无气体生成、有无结晶析出等，生成垢的成分（硫酸钙、磷酸钙、硅等）；4、可利用的热源（水蒸气、电力），有无必要设置锅炉等，可利用的冷却水温、水量、水质和一年内的温度变化；5、溶液的pH值，涉及设备和衬里的材料，特别是防腐措施及修补方法等；此外，在选定蒸发器时还应考虑技术条件、现场条件（面积和高度）、投资限额、操作方式（间歇或连续）及操作费用等。2.选型原则1、对于不发泡溶液或蒸发过程中无结垢和结
13、晶生成的溶液可选自然循环式蒸发器，如标准式、悬框式、水平管式或倾斜管式蒸发器。2、对于粘度高的溶液，可选用强制循环蒸发器、升膜或强制循环升膜式蒸发器，或刮版式型蒸发器。3、对浓缩过程中形成结晶的溶液，可选用标准型、强制循环型或盘管型蒸发器，也可选用刮板式。4、对蒸发时易结垢的溶液，可选用标准型或强制循环型蒸发器。5、对易发泡溶液，可选用升膜式或强制循环蒸发器，水平管式或自然循环式蒸发器也可使用。对易发泡溶液不宜采用真空蒸发。6、对腐蚀性强的溶液，宜采用自然循环水平管式或标准式蒸发器。7、对热敏性溶液，宜采用膜式蒸发器，而且宜采用真空蒸发。8、在处理量大时，为了提高热经济性，减少蒸汽耗量，应采用
14、多效蒸发或多级闪急蒸发器。蒸发器的结构型式很多，实际选型时，除了要求结构简单、易于制造、金属消耗量小、维修方便、传热效果好等等外，首要的还是看它能否适应所蒸发物料的工艺特性，包括物料的粘性、热敏性、腐蚀性、结晶、结垢性等等，然后再全面综合地加以考虑。根据本设计的情况，从设计制造成本等方面考虑，本文设计的蒸发器选定为升膜式蒸发器，并流四效布置，具有占地少、能量损失小、结构合理的优点，蒸发效果满足生产要求。第二章 工艺计算工艺设计是本设计的关键，蒸发器的形式、大小、工作能力由这一步确定。第一节 设计内容一、设计题目 题目名称：处理量为15000kg/h的CaCl2水溶液四效蒸发装置设计 设备形式：
15、并流布置，升膜式蒸发器 操作条件： (1)原料液质量浓度6%，完成液质量浓度25%；原料液温度为30；原料液比热容3.1KJ/(kg)； (2)加热蒸汽压强400kPa（绝压），冷凝器压强20kPa（绝压）； (3)各效蒸发器总传热系数，从书上或手册中查取； (4)各效蒸发器传热面积相等，加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出，热损失均按5%计，流动阻力引起的沸点升高为0.51.0； (5)每年工作330天,每天工作24小时。第二节 工艺计算一、设计参数在蒸发器设计的工艺计算中，已知参数是：原料夜的处理量、温度、浓度和比热容，末效完成夜的浓度，第一效加热蒸汽的压力，其饱和温度和汽化潜热，冷凝器的压力，其饱和温度和汽化潜热。工艺计算需要设计的项目是：加热蒸汽消耗量，各效的蒸发量，各效的传热面积。二、物料衡算1.料液的总蒸发量 式(2-2-1)其中，原料液的处理量，；总蒸发量，料液初始质量浓度；料液完成质量浓度总蒸发量 完成液总量 2.各效浓度的估算由于此设计采用四效并流加料蒸发，而对于并流操作的多效蒸发有自蒸现象，所以各效的蒸发量可假设为：，则：由得：； 再由得知各效浓缩液的质量分数为：
