KNO3水溶液三效并流蒸发系统设计
摘要：蒸发是化工生产中重要的单元操作，普遍应用于化工、医药、食品等行业中。本次课程设计的任务是设计三效并流蒸发装置，将10% KNO3溶液浓缩至40%，年处理量为5×104吨。采用中央循环管型蒸发器。设计工作主要包括工艺设计计算，蒸发器传热面积优化编程，蒸发器工艺尺寸的设计计算及辅助设备的选型计算，主要设备的强度校核，管道及各种连接件的选型，工艺流程图及蒸发器装配图的绘制。
关键词：三效并流蒸发装置；蒸发；KNO3
Abstract: Evaporation is an important unit operation in chemical process. It finds wide application in such fields as chemical industry, pharmaceutical industry, food industry and so on.
The task is to design a three-effect forward flow evaporation system to concentrate 20,000 ton/year of KNO3aqueous solution from 10% to 40%. Standard evaporator (evaporator with central circulation downcomer) was chosen. The major work includes calculation of the process parameters and the heat transfer area, determination of the size and structure of the evaporator, and selection of the ancillary facilities, as well as checking the strength of the main equipments and choosing appropriate pipes. The process flow chart and the assembly drawing of one evaporator were completed with the aid of Auto CAD.
Keyword: Three-effect forward flow evaporation; evaporation; KNO3
第一章概述
1.1 蒸发操作的特点
蒸发是将含有不挥发溶质的溶液加热至沸腾，使其中一部分溶剂汽化从而将溶液得到浓缩的过程。蒸发操作是将含有不挥发溶质的溶液加热至沸腾，使其中的挥发性溶剂部分溶化，目的主要是获得浓缩的溶液，有时也为了得到纯净的溶剂。
虽然蒸发的目的是使溶质与溶剂分离，但溶液中所含溶质的数量不变，而溶剂汽化速率只取决于传热速率，即蒸发是传热过程。所以蒸发器也是一种换热器。然而，和一般传热器相比，蒸发需要注意一下几点：
（1）沸点升高蒸发的物料是溶有不挥发溶质的溶液。有拉乌尔定律可知：在相同温度下，其蒸汽压较纯溶剂的低，因此在相同压力下，溶液的沸点就高于溶剂的沸点。故当加热蒸汽温度一定时，蒸发溶液时的传热温度差就比蒸发纯溶剂的小，并且溶液的浓度越大，这种影响也越显著。这是蒸发需要考虑的一个问题。
（2）能量的回收与利用蒸发时汽化的溶剂是较大的，需要消耗大量的加热蒸汽。如何充分利用热量，使单位质量的加热蒸汽能除去较多的水分，亦即如何提高加热蒸汽的经济程度（例如采用多效蒸发或其他措施），是蒸发要考虑的另一个问题
（3）物料的工艺性蒸发的溶液本身常具有某些特性，例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；有些则具有较大的粘度或较强的腐蚀性等等。如何根据物料的这些特性和工艺要求，选择适宜的方法和设备，也是蒸发所必须考虑的问题。
1.2 蒸发操作的分类
按操作空间的压力可分为：常压、加压或减压（即真空）蒸发。对于多数无特殊要求的溶液，采用常压、加压或减压均可。但对热敏性料液，如抗生素溶液、果汁等的蒸发，为了保证产品的质量，需要在减压下操作。真空蒸发具有下列优点：（1）减压下溶液的沸点降低，因此在加热蒸汽温度一定的条件下，可以提高蒸发器的温度差，于是蒸发器的传热面积可以相应减小；
（2）由于沸点降低，可以利用低压蒸汽或废气作为加热蒸汽；
（3）可用以浓缩不耐高温的溶液；
（4）由于溶液沸点降低，蒸发器损失于外界的热量较小；
但另一方面，在真空下蒸发需要增设一套抽真空的装置以保持蒸发室的真
空度，从而消耗额外的能量。同时，随着压力的减小，溶液沸点的降低，其粘度亦随之增大，常使对流传热系数减小，从而也使蒸发器的总传热系数减小。
按二次蒸汽利用的情况可分为单效和多效蒸发。若所产生的二次蒸汽不再利用，而直接送冷凝器冷凝以除去的蒸发操作，称为单效蒸发。如前所述，蒸发所产生的二次蒸汽是大量的，为了充分利用热能，若将二次蒸汽通到下一压力较低的蒸发器作为加热蒸汽，将多个蒸发器串联，使加热蒸汽在蒸发过程中得到多次利用的蒸发过程称为多效蒸发。
1.3 蒸发设备
在化工生产中，大多数蒸发器都是利用饱和水蒸汽作为加热介质，因而蒸发器中热交换的一方是饱和水蒸汽冷凝，另一方是溶液的沸腾，所以，传热的关键在于料液沸腾一侧。为了适应各种不同物性物料的蒸发浓缩，出现了各种不同结构形式的蒸发器，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传热蒸发器，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。
1.3.1 循环型蒸发器
常用的循环型蒸发器主要有以下几种：
①中央循环管式蒸发器
中央循环管式蒸发器为最常见的蒸发器，其结构如图所示，它主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。蒸发器的加热器由垂直管束构成，管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为管束总截面积的40%～100%。当加热蒸汽（介质）在管间冷凝放热时，由于加热管束内单位体积溶液的受热面积远大于中央循环管内溶液的受热面积，因此，管束中溶液的相对汽化率就大于中央循环管的汽化率，所以管束中的气液混合物的密度远小于中央循环管内气液混合物的密度。这样造成了混合液在管束中向上，在中央循环管向下的自然循环流动。混合液的循环速度与密度差和管长有关。密度差越大，加热管越长，循环速度越大。但这类蒸发器受总高限制，通常加热管为1～2m，直径为25～75mm，长径比为20～40。
优点：结构简单、紧凑，制造方便，操作可靠，投资费用少。
缺点：清理和检修麻烦，溶液循环速度较低，一般仅在0.5m/s以下，传热
