年处理量35万吨氯化钾溶液双效蒸发工艺及设备设计毕业论文.docx
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年处理量35万吨氯化钾溶液双效蒸发工艺及设备设计毕业论文
年处理量3.5万吨氯化钾溶液双效蒸发工艺及设备毕业论文
1引言
蒸发是分离液相均一系（溶液）的单元操作之一。
这种操作是将溶液加热，使其中部分（或全部）溶剂气化并不断除去，以提高溶液中的溶质浓度。
被蒸发的溶液由挥发性的溶剂和不挥发的溶质所组成，因此蒸发也是挥发性溶剂和不挥发溶质的分离过程。
用来实现蒸发操作的设备称为蒸发器.
蒸发按操作温度可分为自然蒸发和沸腾蒸发。
自然蒸发是溶液中的溶剂在低于沸点时汽化，溶剂的汽化仅发生在溶液的表面，自然蒸发速率缓慢。
沸腾蒸发是使溶液中的溶剂在沸点时汽化，在汽化过程中，溶液呈沸腾状态，溶剂的汽化不仅发生在溶液表面，而且发生在溶液内部，因此，沸腾蒸发的速率远大于自然蒸发的速率。
工业上的蒸发操作大多采用沸腾蒸发。
蒸发操作总是从溶液中分离出部分（或全部）溶剂。
常见的蒸发过程实际上是通过传热壁面的传热，使一侧的蒸汽冷凝而另一侧的溶液沸腾，溶剂的汽化速率由传热速率控制，所以蒸发属于传热过程。
但蒸发又有别于一般的传热过程，具有下述特点：
（1）传热性质：
传热壁面一侧为加热蒸汽冷凝，另一侧为溶液沸腾，所以属于壁面两侧流体均有相变化的恒温传热过程。
（2）溶液性质：
在蒸发过程中溶液的黏度逐渐增大，腐蚀性逐渐加强。
有些溶液在蒸发过程中有晶体析出、易结垢、易产生泡沫，在高温下易分解或聚合。
（3）溶液沸点的改变：
含有不挥发溶质的溶液，其蒸气压较同温度下溶剂的蒸气压低。
换句话说，在相同压强下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点，所以当加热蒸汽的压强一定时，蒸发溶液的传热温度差要小于蒸发溶剂时的温度差。
溶液浓度越高这种现象越显著。
（4）泡沫夹带：
溶剂蒸汽中夹带大量泡沫，冷凝前必须设法除去，否则不但损失物料，而且污染冷凝设备。
（5）能源利用：
蒸发时产生大量溶剂蒸汽，如何利用溶剂的汽化热，是蒸发操作中要考虑的关键问题之一。
2文献综述
2.1氯化钾的物性
白色结晶或结晶性粉末。
有苦咸味。
有吸湿性。
1g溶于2.8ml水、1.8ml沸水、14ml甘油、约250ml乙醇，不溶于乙醚、丙酮和盐酸。
钠和镁的氯化物，能降低其在水中的溶解度。
15℃饱和水溶液的相对密度为1.172，pH约为7。
相对密度1.98。
熔点770℃。
沸点1500℃（部分升华）。
有刺激性。
2.2氯化钾的利用
氯化钾既是一种重要的钾肥,又是重要的化工原料。
在化学工业中,它用于制造各种钾,在电解抓化镁制金属镁时,作为配制电解液的成分之一。
它在医药上用作利尿剂,也被用于电镀、冶金、照相等行业中（营养增补剂；胶凝剂；代盐剂；酵母食料；与食盐一样可用于农产品、水产品、畜产品、发酵品、调味品、罐头、方便食品的调味剂等。
也用于强化钾（供人体电解质用）配制运动员饮料等。
可强化凝胶作用）。
注射氯化钾溶液可以使心脏停止跳动,在中国和美国,氯化钾和硫喷妥钠,泮库溴铵一起用于注射死刑。
在农业上氯化钾是制造各种钾肥的基本原料,尤其是近年以来已成为钾复肥的一个重要复配原料。
随着工农业的发展,氯化钾的年需求量逐年上升。
所以加大氯化钾生产的开发力度,对促进我国经济有重大意义。
2.3氯化钾的制取
世界上用于生产叙化钾的原料绝大多数是水溶性的钾盐矿钾石盐（KCl+NaCl）或光卤石（KCl·MgCl2·6H2O）。
目前国内外从含钾卤水中回收氛化钾,都是首先制取光卤石,再对光卤石进行加工制取氯化钾。
制取氯化钾,首先将盐湖卤水泵人盐蒸发池,在池内用太阳能蒸发50%水分,同时析出NaCl和CaSO4，当卤水成分达到光卤石点时,将它泵人光卤石蒸发池,再蒸发20%水分,同时析出光卤石和氯化钠,最终母液排放到老卤池,晒制氯化镁,盐田晒制得到的光卤石矿附有母液和氯化钠,其纯度一般为65%—70%。
总体上可有以下几种种方法制取：
a.冷解—浮选—洗涤b.反浮洗—冷结晶工艺c.日晒法d.兑卤法。
2.4蒸发设备简述
针对各种物料不同的物性，要选用不同结构的蒸发器。
但是蒸发器均由加热室、流动（或循环）通道、气液分离空间三部分组成。
除以上三部分外，还需要蒸发辅助设备，包括除沫器、冷凝器、疏水器等。
蒸发器一般可分为循环蒸发器和单程式蒸发器。
其中循环式蒸发器分为自然循环和强制循环等，单程式蒸发器主要有升膜式和降膜式以及旋转刮板式蒸发器。
2.5单效蒸发与多效蒸发
单效蒸发是原料液在蒸发器内被加热汽化，产生的二次蒸汽由蒸发器引出后排空或冷凝，不再利用，多效蒸发是把产生的二次蒸汽作为后效的加热蒸汽，使热量多次利用，因此比单效蒸发节省能量。
但不是效数越多越好，应该综合科考虑设备腐蚀问题，设备投资问题。
设备投资几乎与效数成正比增加，而能耗的下降（蒸汽耗量与水耗量的减少）却与效数成反比，当因节能而省下的开支不足以补偿设备折旧费的增加时，增加效数失去经济价值，在投资有限时，其效数也受限制。
另外随着效数增加，温度差损失加大。
有些溶液的蒸发，若设计效数过多，还可能出现总温度差损失等于甚至大于总理论温度差的极端情况。
最后随着效数的增加，蒸发强度下降，设备投资费用增大：
而且加热蒸汽的经济性提高的幅度降低。
在多效蒸发中，可选用溶液的顺流、逆流、平流和混流操作流程，应根据溶液的特性、操作方便及经济程度来定。
在工程上主要应用的是并流和逆流。
并流是溶液与蒸汽的流向相同，都由第一效顺序流入在最后一效。
原料液用泵送入第一效，依靠效间的压差自动流入下一效，浓缩液自末效由泵抽出。
逆流是原料液有末效由泵打入，并用泵依次加到前一效，完成液体有一效排出，料液与蒸汽逆向流动。
随着溶剂的蒸发溶液的浓度逐渐提高，溶液的蒸发温度也逐渐提高，因此各效的传热系数也大致相同。
但溶液有由后一效送入前一效时液温低于送入效的沸点，有时需要补充加热，否则产生的二次蒸汽量将逐渐减少。
一般用于粘度随温度变化较大的溶液。
2.6强制循环蒸发器及其工作原理
由于在实际生产操作中，氯化钾溶液会结晶，所以必须选用可以除结晶的蒸发器，通过查阅相关资料初步确定了选用强制循环蒸发器。
强制循环蒸发器是蒸发设备的一类，溶液在设备内的循环主要依靠外加动力所产生的强制流动。
循环速度一般可达1.5-3.5米/秒。
传热效率和生产能力较大。
原料液由循环泵自下而上打入，沿加热室的管内向上流动。
蒸汽和液沫混合物进入蒸发室后分开，蒸气由上部排出，流体受阻落下，经圆锥形底部被循环泵吸入，再进入加热管，继续循环。
它的加热室有卧式和立式两种结构，液体循环速度大小由泵调节。
根据分离室循环料液进出口的位置不同，它又可以分为正循环强制蒸发器及逆循环强制蒸发器，循环料液进口位置在出口位置上部的称为正循环，反之为逆循环。
逆循环强制蒸发器具有更多优点。
强制循环蒸发器
图2-1
液体在加热管内的循环流速通常在1.2—3.0米/秒范围之内（当悬浮液中晶粒多,所用管材硬度低，液体粘度较大时，选用低值），加热管可以是立式单程、立式双程、卧式单程、卧式双程，后两者者设备总高较小但管子不易清洗且易磨损管壁。
2.7工艺流程选择
综合以上各种因素，本工艺流程选择真空强制循环双效蒸发，并选择平流加料，流程简图如下：
图2-2
3蒸发工段物料衡算与热量衡算
3.1物料衡算
已知条件：
采用三效并流加料蒸发流程，进料液浓度为33%，处理量3.5万吨/年，年工作7200小时，可提供加热生蒸汽表压为0.6MPa，真空度≥0.085MPa。
总蒸发水量W：
进料量：
选择流程是平流加料，所以要选择适当的各效加料量。
初步选择，所以
根据氯化钾的物性，初步确定浓缩到60%左右，到达饱和结晶状态。
所以初步确定
3.2热量衡算
3.2.1各效参数估算
Ⅰ效蒸发水量
3.2.2各效沸点和有效传热温差的计算
（1）等压降分配
设蒸汽压力按等压降分配，取P0=0.2MPa（绝压），P3=0.02MPa（绝压），则每效压降为:
△
可据此求得各效二次蒸汽压，并查得各有关参数列于下表：
表3-1各效蒸汽参数
Ⅰ效
Ⅱ效
加热蒸汽压强p,Mpa
0.2
0.11
加热蒸汽饱和温度Ti①，℃
120.2
101.2
加热蒸汽的汽化热，kJ/kg
2205
2255.3
二次蒸汽压力Pi，Mpa
0.11
0.02
二次蒸汽的饱和温度ti，℃
102.2
60.1
考虑蒸汽管路的阻力，此温度比前效的二次蒸汽温度下降1.0℃。
（2）各效蒸发器中的传热温差
取效中的溶液浓度等于该效的出口浓度，因此以出口浓度来确定溶液的沸点。
下面用表列出各相应数据
表3-2
Ⅰ效
Ⅱ效
溶液密度，kg/m3
1400
1400
溶液浓度xi，%
60
60
蒸发压力P，Mpa
0.11
0.02
0.01852
0.01852
P′=P+△P,Mpa
0.12852
0.03852
在P′下的水的饱和温度tP′，℃
106.7
74.5
沸点升高①，℃
5
5
溶液的平均温度tim，℃
111.7
79.5
有效传热温差,℃
8.5
21.7
有效总传热温差，℃
30.2
蒸发器内液层高度l=2m
（3）蒸发面积估算
原溶液比热容由公式估算为
平流加料时，每一效可以看作是单效蒸发。
忽略稀释热，对第一效而言，
其中D为加热蒸汽用量。
（初步定为55℃进料）
同理，
两效的面积较接近，考虑到20%的安全系数，传热面积取为，向上圆整为。
4管径的选择
4.1Ⅰ效接管直径
4.1.1加热室
按公式
式中：
体积流量，;
：
流速，m/s。
（1）料液进口直径
F：
质量流量，F=0.45kg/s
：
料液流速，取=2.5m/s
ρ：
料液密度,ρ=1200kg/m³
管子规格：
φ20×2.5
管法兰：
HG20592-97法兰PLDN15-0.25RF
（2）生蒸汽进口直径
：
生蒸汽流速，取=18m/s
D：
生蒸汽流量，D=842.7kg/h
ρ：
生蒸汽密度，ρ=1.12kg/m³
管子规格：
φ135×5
管法兰：
HG20592-97法兰PLDN125-0.25RF
（3）冷凝水排出口直径
生蒸汽在饱和温度下冷凝，故冷凝水温度取120.2℃
：
水的流速，取=1.0m/s
D：
冷凝水流量，D=842.7kg/h
ρ：
水的密度，ρ=943kg/m³（158.7℃时的密度）
管子规格：
φ25×2.5
管法兰：
HG20592-97法兰PLDN25-0.25RF
4.1.2分离室
（1）出汽口直径
：
二次蒸汽流速，取=18m/s
W1：
二次蒸汽流量，
ρ：
二次蒸汽密度,ρ=0.6410kg/m³
管子规格：
φ160×5
管法兰：
HG20592-97法兰PLDN150-0.25RF
（2）出料口直径
：
料液流速，取=1m/s
F-W1：
料液流量，F-W1=1620-729=891kg/h
ρ：
料液密度,ρ=1400kg/m³
管子规格：
φ25×2.5
管法兰：
HG20592-97法兰PLDN20-0.25RF
4.2Ⅱ效接管直径
4.2.1加热室
（1）料液进口直径
F：
质量流量，F=3241kg/h
：
料液流速，取=2.5m/s
ρ：
料液密度,ρ=1200kg/m³
管子规格：
φ25×2.5
管法兰：
HG20592-97法兰PLDN20-0.25RF
（2）加热蒸汽进口直径
Ⅱ效的加热蒸汽即为Ⅰ效的二次蒸汽，故进口直径与Ⅰ效二次蒸汽出口直径相同。
（3）冷凝水排出口直径
：
水的流速，取=1.0m/s
W1：
冷凝水流量，W1=1458kg/h
ρ：
水的密度，ρ=0.1
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