蒸发结晶设备选型设计
蒸发量20吨/小时亚硫酸钠连续蒸发结晶
设备及配套工程的选型
时间：2012年9月20日 编辑：安小刚 联系：[1**********] 邮箱：[email protected]
生产工艺流程图
底流
母液
一、设计要求
本项目为新建项目，碱吸收制亚硫酸钠 生产规模及产品质量指标
主要产品无水亚硫酸钠，处理量为24m3/h 原料组成：原料液浓度为20%，温度为25度.
蒸发原理及设备选型 蒸发装置选型: 四效蒸发
在单效蒸发器中每蒸发1kg 的水要消耗比1kg 多一些的加热蒸汽。在工业生产中，蒸发大量的水分必须消耗大量的加热蒸汽。为了减少加热蒸汽消耗量，可采用多效蒸发操作。多效蒸发时，要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效为低，因此可以引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽。一般
多效蒸发装置的末效或后几效是在负压（真空）条件下操作
由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即经济性。表3-3列出了最小的（D/W）min 。 表中： D — 生蒸汽量 W — 蒸发水量
锅炉蒸汽（生蒸汽）通入首效（I 效）蒸发器的加热室，通过加热管与水进行热交换。加热蒸汽释放热量被冷凝为液态水，由加热室下部排出，返回锅炉。蒸发器内的水则在加热室被加热至过热状态后进入蒸发室。
过热的水在蒸发室内急剧沸腾汽化。水部分汽化，产生的蒸汽称作“二次蒸汽”，引入II 效蒸发器的加热室，作为热源使II 效蒸发器内的水被加热，部分汽化，产生II 效“二次蒸汽”，用作III 效的热源，依次类推。末效二次蒸汽则有真空系统引出。
按加料方式不同，常见的多效蒸发操作流程有以下几种： 1）顺流加料法
顺流加料蒸发流程的原料液与蒸汽的流向相同，都由第一效顺序流至末效。原料液进入第一效，浓缩后排入第二效，依次流过后面各效，被不断浓缩。完成液由末效取出。当蒸发过程中有晶体析出时，根据具体情况，晶体可与料液一起输送流动，依次进入后面各效，也可以在每一效蒸发室底部设置排盐脚，分效排出。
1、蒸水量按每小时20吨蒸发量考虑。采用四效强制外循环蒸发器，具有系统简单，
便于操作的特点。根据出料温度的要求，可采用顺流操作作。稀溶液首先经冷凝水两级预热后进蒸发器，充分利用了高温冷凝水的热量。一效夹套冷凝水可回锅炉，其余冷凝水由泵排出，回用或排放。经蒸发后的浓缩液由泵排出到下工段。
2、蒸发器的计算
在多效蒸发计算中，一般来说，已知条件是：原料液的流量、浓度和温度；加热蒸汽的压强；冷凝器的真空度；完成液的浓度等。
需要求算的项目是：生蒸汽的消耗量；各效的蒸发量；各效的传热面积。
方法是采用蒸发系统的物料衡算、热量衡算和传热速率方程式。建立多元方程组求解。 1．系统工艺计算
采用物料衡算热量衡算结合的系统工艺计算可确定蒸发系统各效、预热器、闪发器等设备的物料流量及热传递量。
1） 设定操作条件： （1） 压差分配：
首先确定首效加热蒸汽压强P 0和末效二次蒸汽压强P 4，然后进行压差或温差分配。常采用压差分配对各效操作参数作初步配置，再通过各效有效温差调整。
压差分配常采用下列经验参数：
一效生蒸汽压强P 0 [MPa] 根据实际情况选定。
P 1=0. 5P 0
P 2=0. 5P 1=0. 25P 0P 3=0. 35P 2=0. 0875P 0P 4=0. 3P 3
式中：P — 各效二次蒸汽压强 [MPa] 下标表示效数。
由于除了多组分卤水原料外，制盐生产蒸发系统中各效温差损失相差不大，在压差分配后，可根据各效间温差加以调整。
（2） 温差损失
制盐蒸发器温差损失主要由料液沸点升造成，此外静压差、料液过热、管路阻力等也是造成温差损失的因素。
各效加热面积的计算： 蒸汽压力按7公斤表压计算 则各效面积为：
Ⅰ效：计算考虑管路中的不确定因素取自然外循环蒸发所需面积：Ａ１＝250ｍ２
蒸发分离室:Ф2000*6000
Ⅱ效：自然外循环蒸发所需面积：Ａ２＝250ｍ２
蒸发分离室:Ф2000*6000
Ⅲ效：强制外循环蒸发所需面积：Ａ3＝250ｍ２
蒸发分离室:Ф2400*6000
Ⅳ效：强制外循环蒸发所需面积：Ａ3＝250ｍ２
蒸发分离室:Ф2900*6500
考虑减少液沫夹带，液面以上的分离高度取3m
具体见计算表
蒸发系统的真空装置
维持真空操作可以使蒸发温度降低，进一步提高生产强度降低溶液对材质的腐蚀环境。多效蒸发系统为维持其蒸发室压强逐效降低，保持必要的温差，其末效必须与真空装置相联。真空装置性能的好坏，对整个蒸发系统的总温差影响极大。 蒸发系统真空装置工作原理，水蒸汽与液态水的比容相差极大。
真空蒸发系统末效蒸发室的压强大致在10KPa 以下，在此条件下的蒸汽比容（单位质量物质的体积）为14.71[m3/kg]，而液态水的比容为0.001[m3/kg]，两者相比，差1.471×104倍。
当处于密闭容器中的，压强为10KPa 的水蒸汽突然遇冷冷凝为液态水时，其体积在瞬间缩小14700多倍，这样，就在容器中形成很大的负压，即真空状态。
在水蒸汽冷凝时，并非所有的蒸汽都凝结成液态水，在液态水的表面上仍存留一定数量的水蒸汽分子。这些水蒸汽分子产生一定的压强，即所谓的“饱和蒸汽压”。
饱和蒸汽压与体系的温度有关。温度越低，饱和蒸汽压越小。100℃时，水的饱和蒸汽压为1大气压（101.33KPa ），80℃时为47.38KPa ，60℃时19.92KPa ，40℃时7.38KPa 。10KPa 时，对应的饱和温度为45.3 ℃。
真空装置所能创造的真空度，取决于冷却介质，通常是冷却水，的温度。所能达到的的真空度的极限，是冷却水温度下所对应的饱和蒸汽压。当使用机械式或蒸汽喷射式真空泵为辅助设备时，真空度还可以高一些。
实际使用的真空系统由于冷却水及二次蒸汽中含有少量不凝性气体，设备的气密性等原因，真空装置的真空度比理论值要低一些。
真空泵计算：系统泄露空气量
系统容积：按外循环蒸发器整套系统的容积30ｍ３，经查系统容积与空气渗透量图（见化学工程手册）可知体系的最大空气渗透量大约为 空气泄露量：10ｋｇ，取G1=20ｋｇ/h
冷却水放出空气量:G2=0.02kg/ｍ３×400ｍ３／ｈ=8ｋｇ/h 未冷凝蒸汽G3按1%的蒸汽计算。
则真空泵的排气体积（折换成吸入状态）：
考虑一定的富裕系数, 抽气量选450ｍ３／ｈ, 工作水温40o C
冷凝器
真空系统中完成二次蒸汽冷凝的设备称作冷凝器，是真空系统中的主要设备。按其传热方式可分成两大类：表面式冷凝器和混合式冷凝器。
直接混合式冷凝器：
在混合式冷凝器中，温度较高的二次蒸汽与温度较低的冷却水直接接触并进行混合式传
热，蒸汽放热冷凝成液态水，并与因吸热而升温的冷却水充分混合后排出。
在混合冷凝器中，热交换的强度与水—汽接触时间，水—汽接触表面面积，水—汽初始温
差等因素相关。
为使水—汽接触时间加长，接触面积加大，混合式冷凝器通常采用塔状结构，内部也为有利于液相分散的结构。冷却水可成膜状、帘状、柱状或液滴状由上而下流动。其中膜状流动的水—汽接触面积最小，液滴状流动的水—汽接触面积最大。实际生产中综合考虑传热效率，操作及设备费用等因素，常以柱状流动方式为主。
混合冷凝器对冷却水的水质要求不高，普通地表水、地下水、海水等度可以使用。但水温
与真空度有极大的影响，应尽量使用温度较低的冷却水源，以获得较高的真空度。
在混合式冷凝器内，二次蒸汽温度T 与冷凝器排出的冷却水温度t 2之差称作“冷凝器最终温差”，记作Δt 。 ∆t =T -t 2
不同条件下，最终温差一般在3℃～8℃。
常用的混合冷凝器有气压式冷凝器、水喷射式冷凝器等。气压式混合冷凝器使用最为广泛。
下图为一种气压式冷凝器的示意图。
末效蒸发液条件：
冷却水量的计算：设定冷却水进口温度40℃，出口温度48℃。 γｗ＝2100ｋＪ／ｋｇ （水的蒸发潜热） 按蒸发量大一些考虑富裕量, 按30% 所以四效蒸发量Ｗ4＝6000ｋｇ／ｈ
Q
冷却水需要量：Ｌ＝＝377ｍ３
8⨯4. 18⨯1000
考虑富裕系数:冷却水需要量取400ｍ３／ｈ
配置,ISW200-315B 扬程19.5米, 流量450ｍ３／ｈ,37kw 设备一览表：
蒸发结晶设备选型设计
蒸发量20吨/小时亚硫酸钠连续蒸发结晶
设备及配套工程的选型
时间：2012年9月20日 编辑：安小刚 联系：[1**********] 邮箱：[email protected]
生产工艺流程图
底流
母液
一、设计要求
本项目为新建项目，碱吸收制亚硫酸钠 生产规模及产品质量指标
主要产品无水亚硫酸钠，处理量为24m3/h 原料组成：原料液浓度为20%，温度为25度.
蒸发原理及设备选型 蒸发装置选型: 四效蒸发
在单效蒸发器中每蒸发1kg 的水要消耗比1kg 多一些的加热蒸汽。在工业生产中，蒸发大量的水分必须消耗大量的加热蒸汽。为了减少加热蒸汽消耗量，可采用多效蒸发操作。多效蒸发时，要求后效的操作压强和溶液的沸点均较前效为低，因此可以引入前效的二次蒸汽作为后效的加热介质，即后效的加热室成为前效二次蒸汽的冷凝器，仅第一效需要消耗生蒸汽。一般
多效蒸发装置的末效或后几效是在负压（真空）条件下操作
由于各效（末效除外）的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，故提高了生蒸汽的利用率，即经济性。表3-3列出了最小的（D/W）min 。 表中： D — 生蒸汽量 W — 蒸发水量
锅炉蒸汽（生蒸汽）通入首效（I 效）蒸发器的加热室，通过加热管与水进行热交换。加热蒸汽释放热量被冷凝为液态水，由加热室下部排出，返回锅炉。蒸发器内的水则在加热室被加热至过热状态后进入蒸发室。
过热的水在蒸发室内急剧沸腾汽化。水部分汽化，产生的蒸汽称作“二次蒸汽”，引入II 效蒸发器的加热室，作为热源使II 效蒸发器内的水被加热，部分汽化，产生II 效“二次蒸汽”，用作III 效的热源，依次类推。末效二次蒸汽则有真空系统引出。
按加料方式不同，常见的多效蒸发操作流程有以下几种： 1）顺流加料法
顺流加料蒸发流程的原料液与蒸汽的流向相同，都由第一效顺序流至末效。原料液进入第一效，浓缩后排入第二效，依次流过后面各效，被不断浓缩。完成液由末效取出。当蒸发过程中有晶体析出时，根据具体情况，晶体可与料液一起输送流动，依次进入后面各效，也可以在每一效蒸发室底部设置排盐脚，分效排出。
1、蒸水量按每小时20吨蒸发量考虑。采用四效强制外循环蒸发器，具有系统简单，
便于操作的特点。根据出料温度的要求，可采用顺流操作作。稀溶液首先经冷凝水两级预热后进蒸发器，充分利用了高温冷凝水的热量。一效夹套冷凝水可回锅炉，其余冷凝水由泵排出，回用或排放。经蒸发后的浓缩液由泵排出到下工段。
2、蒸发器的计算
在多效蒸发计算中，一般来说，已知条件是：原料液的流量、浓度和温度；加热蒸汽的压强；冷凝器的真空度；完成液的浓度等。
需要求算的项目是：生蒸汽的消耗量；各效的蒸发量；各效的传热面积。
方法是采用蒸发系统的物料衡算、热量衡算和传热速率方程式。建立多元方程组求解。 1．系统工艺计算
采用物料衡算热量衡算结合的系统工艺计算可确定蒸发系统各效、预热器、闪发器等设备的物料流量及热传递量。
1） 设定操作条件： （1） 压差分配：
首先确定首效加热蒸汽压强P 0和末效二次蒸汽压强P 4，然后进行压差或温差分配。常采用压差分配对各效操作参数作初步配置，再通过各效有效温差调整。
压差分配常采用下列经验参数：
一效生蒸汽压强P 0 [MPa] 根据实际情况选定。
P 1=0. 5P 0
P 2=0. 5P 1=0. 25P 0P 3=0. 35P 2=0. 0875P 0P 4=0. 3P 3
式中：P — 各效二次蒸汽压强 [MPa] 下标表示效数。
由于除了多组分卤水原料外，制盐生产蒸发系统中各效温差损失相差不大，在压差分配后，可根据各效间温差加以调整。
（2） 温差损失
制盐蒸发器温差损失主要由料液沸点升造成，此外静压差、料液过热、管路阻力等也是造成温差损失的因素。
各效加热面积的计算： 蒸汽压力按7公斤表压计算 则各效面积为：
Ⅰ效：计算考虑管路中的不确定因素取自然外循环蒸发所需面积：Ａ１＝250ｍ２
蒸发分离室:Ф2000*6000
Ⅱ效：自然外循环蒸发所需面积：Ａ２＝250ｍ２
蒸发分离室:Ф2000*6000
Ⅲ效：强制外循环蒸发所需面积：Ａ3＝250ｍ２
蒸发分离室:Ф2400*6000
Ⅳ效：强制外循环蒸发所需面积：Ａ3＝250ｍ２
蒸发分离室:Ф2900*6500
考虑减少液沫夹带，液面以上的分离高度取3m
具体见计算表
蒸发系统的真空装置
维持真空操作可以使蒸发温度降低，进一步提高生产强度降低溶液对材质的腐蚀环境。多效蒸发系统为维持其蒸发室压强逐效降低，保持必要的温差，其末效必须与真空装置相联。真空装置性能的好坏，对整个蒸发系统的总温差影响极大。 蒸发系统真空装置工作原理，水蒸汽与液态水的比容相差极大。
真空蒸发系统末效蒸发室的压强大致在10KPa 以下，在此条件下的蒸汽比容（单位质量物质的体积）为14.71[m3/kg]，而液态水的比容为0.001[m3/kg]，两者相比，差1.471×104倍。
当处于密闭容器中的，压强为10KPa 的水蒸汽突然遇冷冷凝为液态水时，其体积在瞬间缩小14700多倍，这样，就在容器中形成很大的负压，即真空状态。
在水蒸汽冷凝时，并非所有的蒸汽都凝结成液态水，在液态水的表面上仍存留一定数量的水蒸汽分子。这些水蒸汽分子产生一定的压强，即所谓的“饱和蒸汽压”。
饱和蒸汽压与体系的温度有关。温度越低，饱和蒸汽压越小。100℃时，水的饱和蒸汽压为1大气压（101.33KPa ），80℃时为47.38KPa ，60℃时19.92KPa ，40℃时7.38KPa 。10KPa 时，对应的饱和温度为45.3 ℃。
真空装置所能创造的真空度，取决于冷却介质，通常是冷却水，的温度。所能达到的的真空度的极限，是冷却水温度下所对应的饱和蒸汽压。当使用机械式或蒸汽喷射式真空泵为辅助设备时，真空度还可以高一些。
实际使用的真空系统由于冷却水及二次蒸汽中含有少量不凝性气体，设备的气密性等原因，真空装置的真空度比理论值要低一些。
真空泵计算：系统泄露空气量
系统容积：按外循环蒸发器整套系统的容积30ｍ３，经查系统容积与空气渗透量图（见化学工程手册）可知体系的最大空气渗透量大约为 空气泄露量：10ｋｇ，取G1=20ｋｇ/h
冷却水放出空气量:G2=0.02kg/ｍ３×400ｍ３／ｈ=8ｋｇ/h 未冷凝蒸汽G3按1%的蒸汽计算。
则真空泵的排气体积（折换成吸入状态）：
考虑一定的富裕系数, 抽气量选450ｍ３／ｈ, 工作水温40o C
冷凝器
真空系统中完成二次蒸汽冷凝的设备称作冷凝器，是真空系统中的主要设备。按其传热方式可分成两大类：表面式冷凝器和混合式冷凝器。
直接混合式冷凝器：
在混合式冷凝器中，温度较高的二次蒸汽与温度较低的冷却水直接接触并进行混合式传
热，蒸汽放热冷凝成液态水，并与因吸热而升温的冷却水充分混合后排出。
在混合冷凝器中，热交换的强度与水—汽接触时间，水—汽接触表面面积，水—汽初始温
差等因素相关。
为使水—汽接触时间加长，接触面积加大，混合式冷凝器通常采用塔状结构，内部也为有利于液相分散的结构。冷却水可成膜状、帘状、柱状或液滴状由上而下流动。其中膜状流动的水—汽接触面积最小，液滴状流动的水—汽接触面积最大。实际生产中综合考虑传热效率，操作及设备费用等因素，常以柱状流动方式为主。
混合冷凝器对冷却水的水质要求不高，普通地表水、地下水、海水等度可以使用。但水温
与真空度有极大的影响，应尽量使用温度较低的冷却水源，以获得较高的真空度。
在混合式冷凝器内，二次蒸汽温度T 与冷凝器排出的冷却水温度t 2之差称作“冷凝器最终温差”，记作Δt 。 ∆t =T -t 2
不同条件下，最终温差一般在3℃～8℃。
常用的混合冷凝器有气压式冷凝器、水喷射式冷凝器等。气压式混合冷凝器使用最为广泛。
下图为一种气压式冷凝器的示意图。
末效蒸发液条件：
冷却水量的计算：设定冷却水进口温度40℃，出口温度48℃。 γｗ＝2100ｋＪ／ｋｇ （水的蒸发潜热） 按蒸发量大一些考虑富裕量, 按30% 所以四效蒸发量Ｗ4＝6000ｋｇ／ｈ
Q
冷却水需要量：Ｌ＝＝377ｍ３
8⨯4. 18⨯1000
考虑富裕系数:冷却水需要量取400ｍ３／ｈ
配置,ISW200-315B 扬程19.5米, 流量450ｍ３／ｈ,37kw 设备一览表：