冶金设备课程设计参考资料

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1、蒸发设备设计蒸发设备设计参考资料参考资料冶金蒸发设备主要用于蒸发易结垢、起沫或有结晶析出的溶液的处理。溶液的粘度大， 溶质引起的沸点降低突出，换热面难清理。各换热器型式的选定应视具体换热系统、介质 性质以及热负荷大小等而定。冷却器因热负荷较大，常用列管式换热器且是卧式的；冷却 器热负荷较小，可选竖列管式或蛇管式换热器。可参考化工蒸发装置，同时要结合冶金工 厂生产实际进行设计。换热器的设计应注意传热温度差至少保持 1020左右，冷却水出 口温度则不应大于 50。8.18.1 冶金蒸发设备的结构冶金蒸发设备的结构蒸发设备主要包括蒸发器和辅助设备。 (1) 蒸发器蒸发器 蒸发器主要由加热室和分离室组

2、成。加热室有多种形式，以适应各种生产工艺的不同 要求。按照溶液在加热室中的运动情况，可将蒸发器分为循环型和单程型(不循环)两类。 1）循环型蒸发器 特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于引起循环运动的原因 不同。可分为自然循环型和强制循环型两类。自然循环是由溶液受热程度不同产生密度差 引起的。强制循环就是用泵迫使溶液沿一定方向流动。 垂直短管式。加热室由管径 为 2575mm，长为 12m 的垂直列管组成，管外通 加热蒸汽，管束中央有一根直径较大的管子，其截面为其余加热管截面的 35%40%。液 体在管内受热沸腾，产生气泡。细管内单位体积的溶液受热面较大，汽化后的气液混合物

3、中含汽率高；中央粗管内单位体积溶液受热面小，含汽率低。于是细管内汽液两相混合物 的平均密度小于中央粗管，从而造成流体在细管内向上，粗管内向下有组织的循环运动， 循环流动的速度可达 0.10.5m/s。中央粗管的存在，促进了蒸发器内流体的流动，通常称 此管为中央循环管，该蒸发器称为中央循环管式蒸发器。 外热式蒸发器。就是把加热室与蒸发室分开的蒸发器，主要特点是采用了长加热 管（管长与直径之比 L/D=50100） ，且液体下降管（又称循环管）不再受热。这样有利于 液体在器内的循环，循环速度可达 1.5m/s。 垂直短管式和外热式蒸发器都属于自然循环蒸发器。 循环蒸发器。自然循环蒸发器的流体循环动

4、力有限，在蒸发粘稠溶液时流动速度 慢。为提高循环速度，可采用泵进行强制循环，循环速度可达 1.8 m/s 3.5m/s。提高蒸发 器内液体的循环速度的重要性不仅在于提高沸腾给热系数，主要目的在于降低单程汽化率。 在同样蒸发能力下(单位时间的溶剂汽化量)，循环速度愈大，单位时间通过加热管的液体 量越多，溶液一次通过加热管后，汽化的百分数(汽化率)就越低。这样，溶液在加热壁面 附近的局部浓度增高现象便可减轻，加热面上结垢现象也可以延缓。溶液浓度愈高，为减 少结垢所需的循环速度就愈大。 2）单程型蒸发器循环型蒸发器的共同特点是蒸发器内料液的滞留量大，物料在高温下停留时间长，对 热敏性物料不利。在单程

5、型蒸发器中，物料一次通过加热面即可完成浓缩要求；离开加热 管的溶液及时加以冷却，受热时间大为缩短。因此，特别适合处理热敏性的物料。 升膜式蒸发器。加热管束可长达 310m。溶液由加热管底部进入，经一段距离的 加热汽化后，管内气泡逐渐增多，最终液体被上升的蒸汽拉成环状薄膜，沿管壁运动，汽 液混合物由管口高速冲出。被浓缩的液体经汽液分离即排出蒸发器。此种蒸发器需要妥善 设计和操作，使加热管内上升的二次蒸汽具有较高的速度，从而获得较高的传热系数，使 溶液一次通过加热即达预定的浓缩要求。在常压下，管上端出口速度以保持 2050m/s 为 宜。适用于蒸发量大（较稀的溶液） ，热敏性及易起泡的溶液。不适用

6、于高粘度，易结晶、 结垢的溶液。 降膜式蒸发器。料液由加热室顶部加入，经液体分布器分布后呈膜状向下流动。 汽液混合物由加热管下端引出，经汽液分离即得完成液。为使溶液在加热管内壁形成均匀 液膜，且不使二次蒸汽由管上端窜出，须良好地设计液体分布器。该蒸发器形成均匀的液 膜较难，传热系数不高。主要适用于粘度大的物料，不适用于易结晶的物料，K 刮片式蒸发器。专为高粘度溶液的蒸发而设计。料液自顶部进入蒸发器后，在刮 板的搅动下分布于加热管壁，并呈膜式旋转向下流动。汽化的二次蒸汽在加热管上端无夹 套部分被旋刮板分去液沫，然后由上部抽出并加以冷凝，浓缩液由蒸发器底部放出。特点 是借外力强制料液呈膜状流动，可

7、适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发。缺点是结构 复杂，制造要求高，加热面不大，而且需要消耗一定的动力。 (2) 附属设备附属设备 附属设备的设计包括：a）热量衡算求取塔顶冷凝器、冷却器的热负荷和所需的冷却 水用量；再沸器的热负荷和所需的加热蒸气用量；b）选定冷凝器和再沸器的型式求取所 需的换热面积并查阅换热器标准，提出合适的换热器型号；c）确定主要接管尺寸，列出 接管表；d)对必须配置的原料泵、回流泵等进行选型计算。e)也可酌情进行某些换热器的 校核计算，进行优化选型设计。 蒸发辅助设备有除沫器、冷凝器、输水器以及真空泵等。8.28.2 冶金蒸发器的设计冶金蒸发器的设计设计要求：设计要求：已

8、知原料液流量 F=10000kg/h，温度 to=80；原料液浓度 x0=20%，完成 液浓度 x1=35%；蒸发器中溶液的沸点 t1=102；加热蒸汽压强为 450kMPa，冷凝器的操 作压强为 20kPa；蒸发器的总传热系数 K 为 1200W/(m2)，热损失可以忽略。设计一台 氧化铝生产过程中用于蒸发苛性碱溶液的蒸发器确定主要设备的尺寸。 (1) 蒸发器的传热系数蒸发器的传热系数 蒸发器的传热热阻可由式 8-1 计算，即：(8-1)w 12111iRRK式中，K传热系数，W/(m2)；1蒸汽对列管的放热系数，W/(m2)； 2列管对冷流体的放热系数，W/(m2)；管内壁液一侧的垢层热阻

9、， (m2)/W；iRRw管壁热阻，(m2)/W。 蒸发器的热阻分析：为管外蒸汽冷凝热阻，一般很小，但须注意及时排除加热室中不凝性的气体，11 否则不凝性气体在加热室内不断积累，将使此项热阻明显增加； 管壁热阻 Rw非常小，一般可以忽略不计； 管内壁液一侧的垢层热阻取决于溶液的性质及管内液体的运动状况。降低垢层iR热阻的方法是定期清理加热管，加快流体的循环速度或加入微量阻垢剂以延缓形成垢层； 在处理有结晶析出的物料时可加入少量晶种，使结晶尽可能地在溶液的主体中，而不是在 加热面上析出；为管内沸腾给热阻，主要决定于沸腾液体的流动情况。21 管内汽液两相流是蒸发过程中要考虑的因素。管内汽液相流动有

10、自然对流和强制循环， 伴随着管内汽液相流动及液体的汽化。管内汽液两相流动的形式有非膜式、降膜式和升膜 式等，其传热能力是不同的。 管内给热方式有传导、对流和相变三种形式。其中沸腾的吸热量大，新蒸汽在管外冷 凝放热的传热系数也最大，蒸发就是充分利用相变传热。 (2) 蒸发器的传热计算蒸发器的传热计算 本设计采用单效蒸发流程，因苛性 NaOH 水溶液的浓度较大时，黏度也较大，故选用 外热式自然循环型蒸发器。设计计算过程如下： 1) 蒸发量(8-2)010.2(1)10000 (1)4286/0.35xWFkg hx式中 W蒸发量，kg/h；，分别为原料液浓度和完成液浓度；0x1xF原料液流量，kg

11、/h。 2) 焓衡算 单效蒸发热量平衡计算示意图如图 5-1 所示，NaOH 水溶液的焓浓图如图 5-2 所示。 因 NaOH 水溶液的浓度较大时，稀释热不能忽略，故用溶液的焓作衡算。根据热量平衡计 算公式，可得：(8-3)01wDHFhWHFW hDh式中，,hw分别为原料液的焓、完成液的焓和饱和液体的焓，kJ/kg；oh1hH, H分别为新蒸汽的焓和二次蒸汽的热焓，kJ/kg； D新蒸汽的流量，kg/h。图图 5-1 单效蒸发热量平衡计算示意图单效蒸发热量平衡计算示意图 图图 5-2 NaOH 水溶液的焓浓图水溶液的焓浓图查饱和水蒸气表得，压强为 450kPa 时饱和蒸汽的温度 t 为 1

12、47.7，焓 H 为2742.5kJ/kg，饱和液体的焓为 622.4kJ/kg；压强为 20kPa 时蒸汽温度 t为 60.1，焓wh为 2609.9kJ/kg。H查热焓图得，原料液的焓3.5kJ/kg，溶液的焓415kJ/kg。0h 1h 将上述参数代入焓衡算式 8-3 可得：(8-5)whHhhFhHWD)()(011解之得：D= 6377 kg/h。 令加热蒸汽在单位时间提供的热量 Q，则有：(8-6)()wQD Hh解之得：Q=1.35107kJ/h，即为：3.75106W 3) 蒸发器的传热面积传热温度差： (8-7)1147.7 10245.7ttt 式中，t，t1分别为新蒸汽的

13、温度和完成液的温度，。故传热面积 (8-8)tKQS解之得：S=68.4m2 为了生产安全，取安全系数为 1.3，故 S=88.9 m2。 (3) 确定蒸发器的主要尺寸确定蒸发器的主要尺寸 1) 加热室 选用 403(外直径 40mm, 壁厚 3mm)、长为 3m 的无缝钢管作为加热管， 则管数 n 为：(8-9)ldSn0解之得：n=236 根取管心距 z 为 70mm，管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离为，b01.5d加热管按正三角形排列，则管束中心线上的管数 nc为：(8-10)nnc1 . 1解之得：nc=17 根。 加热室的内径 Di为：(8-11)2) 1(bntDci解之

14、得：Di=1240m。 2) 循环管 根据经验，循环管的截面积取 80%的加热管总截面积，即循环管总截面积 f 为：(8-12)2 48 . 0dnf解之得：f=0.171 m2 所以，循环管直径 d为：(8-13)fd4解之得：d= 467mm。 3) 分离室 取分离室的高度 H=2.5m当压强为 20kPa 时，二次蒸汽的密度为 0.131，故二次蒸汽的体积流量 Vs为：3/g m(8-14)3600WVs解之得：Vs=9.1m3/h。取允许的蒸发体积强度为，则：, s yV331.5/()mms (8-15)2 ,4szs yVD HV解之得，分离室内径 Dz=1.8m。 蒸发辅助设备具

15、体的结构与设计可自己查阅相关资料。所设计的该装置的主要数据列 于表 8-1 中。 表 8-1 设计的外热自然循环蒸发器的主要数据加热管加热室分离室循环管规格长度 m根数直径 mm长度 m直径 m高度 m直径 mm4033236124031.82.54678.38.3 冶金蒸发器的选用冶金蒸发器的选用(1) 蒸发效数的确定 采用多效蒸发的目的在于充分利用热能。通过二次蒸汽的再利用，减少蒸汽的消耗量， 提高蒸汽的经济性。但是并不代表效数越多越好，还受到经济和计算因素的限制，因此在 确定效数时，应该综合考虑设备费用和操作费用总和最小来确定最合适效数。表 8-2 表示 不同效数蒸发过程的单位蒸汽消耗量，可以借此作为选效参考。 表 8-2 不同效数蒸发过程的单位蒸汽消耗量（蒸汽/水）效 数单效 双效 三效 四效 五效理论蒸汽消耗量 实际消耗量1. 05 0.5 0.33 0.25 0.2 1.10 0.57 0.40 0.30 0.27在蒸发操作中为保证传热的正常进行每一效的温差不能小于 7。对于电解质通常采 用 23 效；对于非电解质采用 46 效。冶金中的蒸发液浓缩范围大，用 46 效难于达到蒸 发的目的，对于氧化铝生产