1、南华大学机械学院毕业设计说明书第 1 页 共 68 页三效蒸发制碱装置设计摘要：在三效蒸发制碱装置的设计中， 运用了许多化过程装备与控制工程专业的基础知识，比如：管壳式换热器的设计，主要参考 GB150-98、GB151-89；而在蒸发的工艺设计计算总则用到了有关化工原理的物料平衡及热量平衡的计算方法；在受内压的设备的选材时，都严格要求用容器用钢；以及在设备的形状及尺寸的确定中，参考了传统的化工设备设计的经验个方法。另外，由于本次设计的设备处理的介质是具有腐蚀性烧碱溶液，所以在一些与烧碱有接触的零件的选材时，一般都用到不锈钢 0Cr18Ni9。而在管板的设计中，考虑到管板只有一侧与碱液有接触，
2、如果全用不锈钢，那么不经济也不好加工。所以本次设计管板采用复合钢板，在管板的计算中还是按照一种材料进行计算和校核。关键词： 换热器 管板 物料平衡 碱液 复合钢板 蒸发器 南华大学机械学院毕业设计说明书第 2 页 共 68 页ABSTRCT:At the design of the alkali device of triple effect evaporation heat exchanger ,we use a lot of basic knowledge of chemical engineering machinery. For example,at the design of car
3、tridge heat exchanger,we consult GB150-98 and GB151-89 mainly.And at the calculation of evaporatice process desige,we use the computing method about material and heat balance in chemical engineering principle.At the choice of ento-press device,vessel steel is strict demanded. And at the ascertain of
4、 the shape of device ,the traditional experience and approach are reffered.By the way,we generally use the stainless steel OCr18Ni9 in the material choice of the details touched with the caustic alkali,because the medium in the design of the tube plates. But we didnt us a stainless steel completely
5、in consideration of the economy benefit and we take the clad steel in stead of it.KEYWORD: heat exchanger tube plate clad steel basic slagmateriel balance evaporation前言碱知识介绍：食碱亦即是食用碱，是指有别于工业用碱的纯碱(碳酸钠)和小苏打(碳酸氢钠)，小苏打是由纯碱的溶液或结晶吸收二氧化碳之后的制成品，二者本制上没有区别。食用碱呈固体状态，圆形，色洁白，易溶于水。食碱并不是一种常用调味品，它只是一种食品疏松剂和肉类嫩化剂，能使
6、干货原料迅速涨发，软化纤维，去除发面团的酸味，适当使用可为食品南华大学机械学院毕业设计说明书第 3 页 共 68 页带来极佳的色、香、味、形，以增进人们的食欲。食碱大量应用于食品加工上如面条、面包、馒头等。碱营养分析：1. 在发面的过程中会有微生物生成酸，面团发起后会变酸，必须加碱中和，才能制作出美味的面食；2. 食碱能中和深绿色蔬菜上由于农药的过量喷施而粘着的有机酸或硫化物，从而可以保住蔬菜原有的本色，并去除农药对蔬菜的污染；3. 食碱有较强的脱脂作用，可以去掉油发干货原料上的多余油脂；4. 食碱能释放玉米中不易释放的烟酸，使长期食用玉米的人不至于会因玉米中的烟酸缺乏而患癞皮病；5. 食碱的
7、缺点是对食物中的维生素 B1、B 2 和维生素 C 有较强的破坏作用，同时会影响人体对某些矿物质的吸收和利用，因此不可滥用。制碱法一 、 联 合 制 碱 法 (侯 氏 制 碱 法 )NH3+CO2+H20+NaCl=NH4Cl+NaHCO3 (NaHCO3 因 溶 解 度 较 小 ,故 为 沉 淀 ,使 反 应 得 以 进 行 ) 2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O (“=“上 应 有 加 热 的 符 号 )其 要 点 是 在 索 尔 维 制 碱 法 的 滤 液 中 加 入 食 盐 固 体 ， 并 在 30 40 下 往 滤 液 中 通 入 氨 气 和 二 氧 化 碳 气 ， 使 它
8、 达 到 饱 和 ， 然 后 冷 却 到 10 以下 ， 根 据 NH4Cl 在 常 温 时 的 溶 解 度 比 NaCl 大 ， 而 在 低 温 下 却 比 NaCl 溶 解 度 小 的 原 理 ， 结 晶 出 氯 化 铵 (一 种 化 肥 )， 其 母 液 又 可 重 新 作 为 索 尔 维 制碱 法 的 制 碱 原 料 。此 法 优 点 ： 保 留 了 氨 碱 法 的 优 点 ， 消 除 了 它 的 缺 点 ， 使 食 盐 的 利 用 率 提高 到 96 ； NH4Cl 可 做 氮 肥 ； 可 与 合 成 氨 厂 联 合 ， 使 合 成 氨 的 原 料 气 CO 转 化 成 CO2 ，
9、革 除 了 CaCO3 制 CO2 这 一 工 序 。 碳 酸 钠 用 途 非 常 广 泛 。 虽 然 人 们 曾 先 后 从 盐 碱 地 和 盐 湖 中 获 得 碳 酸 钠 ，但 仍 不 能 满 足 工 业 生 产 的 需 要 。 南华大学机械学院毕业设计说明书第 4 页 共 68 页1862 年 ， 比 利 时 人 索 尔 维 （ Ernest Solvay 18381922） 发 明 了 以食 盐 、 氨 、 二 氧 化 碳 为 原 料 制 取 碳 酸 钠 的 “索 尔 维 制 碱 法 ”（ 又 称 氨 碱 法 ）。 此 后 ， 英 、 法 、 德 、 美 等 国 相 继 建 立 了 大
10、 规 模 生 产 纯 碱 的 工 厂 ， 并 组 织 了索 尔 维 公 会 ， 对 会 员 以 外 的 国 家 实 行 技 术 封 锁 。 第 一 次 世 界 大 战 期 间 ， 欧 亚 交 通 梗 塞 。 由 于 我 国 所 需 纯 碱 都 是 从 英 国 进口 的 ， 一 时 间 ， 纯 碱 非 常 缺 乏 ， 一 些 以 纯 碱 为 原 料 的 民 族 工 业 难 以 生 存 。1917 年 ， 爱 国 实 业 家 范 旭 东 在 天 津 塘 沽 创 办 了 永 利 碱 业 公 司 ,决 心 打 破 洋人 的 垄 断 ， 生 产 出 中 国 的 纯 碱 。 他 聘 请 正 在 美 国 留
11、 学 的 侯 德 榜 先 生 出 任 总 工程 师 。 1920 年 ， 侯 德 榜 先 生 毅 然 回 国 任 职 。 他 全 身 心 地 投 入 制 碱 工 艺 和 设 备的 改 进 上 ， 终 于 摸 索 出 了 索 尔 维 法 的 各 项 生 产 技 术 。 1924 年 8 月 ,塘 沽 碱厂 正 式 投 产 。 1926 年 ， 中 国 生 产 的 “红 三 角 ”牌 纯 碱 在 美 国 费 城 的 万 国 博 览会 上 获 得 金 质 奖 章 。 产 品 不 但 畅 销 国 内 ， 而 且 远 销 日 本 和 东 南 亚 。 针 对 索 尔 维 法 生 产 纯 碱 时 食 盐 利
12、 用 率 低 ， 制 碱 成 本 高 ， 废 液 、 废 渣 污 染环 境 和 难 以 处 理 等 不 足 ， 侯 德 榜 先 生 经 过 上 千 次 试 验 ， 在 1943 年 研 究 成功 了 联 合 制 碱 法 。 这 种 方 法 把 合 成 氨 和 纯 碱 两 种 产 品 联 合 生 产 ， 提 高 了 食 盐利 用 率 ， 缩 短 了 生 产 流 程 ， 减 少 了 对 环 境 的 污 染 ， 降 低 了 纯 碱 的 成 本 。 联 合制 碱 法 很 快 为 世 界 所 采 用 。侯 氏 制 碱 法 的 原 理 是 依 据 离 子 反 应 发 生 的 原 理 进 行 的 ， 离 子
13、 反 应 会 向 着离 子 浓 度 减 小 的 方 向 进 行 。 也 就 是 很 多 初 中 高 中 教 材 所 说 的 复 分 解 反 应 应 有沉 淀 ， 气 体 和 难 电 离 的 物 质 生 成 。 他 要 制 纯 碱 （ Na2CO3） ， 就 利 用 NaHCO3 在 溶 液 中 溶 液 中 溶 解 度 较 小 ， 所 以 先 制 得 NaHCO3。 再 利 用 碳 酸 氢 钠不 稳 定 性 分 解 得 到 纯 碱 。 要 制 得 碳 酸 氢 钠 就 要 有 大 量 钠 离 子 和 碳 酸 氢 根 离 子， 所 以 就 在 饱 和 食 盐 水 中 通 入 氨 气 ， 形 成 饱
14、和 氨 盐 水 ， 再 向 其 中 通 入 二 氧 化碳 ， 在 溶 液 中 就 有 了 大 量 的 钠 离 子 ， 铵 根 离 子 ， 氯 离 子 和 碳 酸 氢 根 离 子 ， 这其 中 NaHCO3 溶 解 度 最 小 ， 所 以 析 出 ， 其 余 产 品 处 理 后 可 作 肥 料 或 循 环 使用 。二 、 氨 碱 法南华大学机械学院毕业设计说明书第 5 页 共 68 页1862 年 ， 比 利 时 人 索 尔 维 （ Ernest Solvay,1832-1922） 以 食 盐 、 氨、 二 氧 化 碳 为 原 料 ， 制 得 了 碳 酸 钠 ， 是 为 氨 碱 法 （ ammo
15、mia soda process） 。 反 应 分 三 步 进 行 ：NH3+CO2+H2O=NH4HCO3NH4HCO3+NaCl=NaHCO3+NH4Cl2NaHCO3=Na2CO3+CO2 +H2O反 应 生 成 的 CO2 可 以 回 收 再 用 ， 而 NH4Cl 又 可 以 与 生 石 灰 反 应 ， 产生 NH3， 重 新 作 为 原 料 使 用 ： 2NH4Cl+CaO=2NH3+CaCl2+H2O氨 碱 法 使 生 产 实 现 了 连 续 性 生 产 ， 食 盐 的 利 用 率 得 到 提 高 ， 产 品 质 量 纯净 ， 因 而 被 称 为 纯 碱 ， 但 最 大 的 优
16、点 还 在 于 成 本 低 廉 。 1867 年 索 尔 维 设 厂制 造 的 产 品 在 巴 黎 世 界 博 览 会 上 获 得 铜 制 奖 章 ， 此 法 被 正 式 命 名 为 索 尔 维 法。 此 时 ， 纯 碱 的 价 格 大 大 下 降 。 消 息 传 到 英 国 ， 正 在 从 事 路 布 兰 法 制 碱 的 英国 哈 琴 森 公 司 取 得 了 两 年 独 占 索 尔 维 法 的 权 利 。 1873 年 哈 琴 森 公 司 改 组 为卜 内 门 公 司 ， 建 立 了 大 规 模 生 产 纯 碱 的 工 厂 ， 后 来 ， 法 、 德 、 美 等 国 相 继 建厂 。 这 些
17、 国 家 发 起 组 织 索 尔 维 公 会 ， 设 计 图 纸 只 向 会 员 国 公 开 ， 对 外 绝 对 保守 秘 密 。 凡 有 改 良 或 新 发 现 ， 会 员 国 之 间 彼 此 通 气 ， 并 相 约 不 申 请 专 利 ， 以防 泄 露 。 除 了 技 术 之 外 ， 营 业 也 有 限 制 ， 他 们 采 取 分 区 售 货 的 办 法 ， 例 如 中国 市 场 由 英 国 卜 内 门 公 司 独 占 。 由 于 如 此 严 密 的 组 织 方 式 ， 凡 是 不 得 索 尔 维公 会 特 许 权 者 ， 根 本 无 从 问 津 氨 碱 法 生 产 详 情 。 多 少 年
18、 来 ， 许 多 国 家 要 想 探索 索 尔 维 法 奥 秘 的 厂 商 ， 无 不 以 失 败 而 告 终 。 消 息 传 到 英 国 ， 正 在 从 事 路 布兰 法 制 碱 的 英 国 哈 琴 森 公 司 取 得 了 两 年 独 占 索 尔 维 法 的 权 利 。 1873 年 哈琴 森 公 司 改 组 为 卜 内 门 公 司 ， 建 立 了 大 规 模 生 产 纯 碱 的 工 厂 ， 后 来 ， 法 、 德、 美 等 国 相 继 建 厂 。制碱装置介绍主要用离子膜制碱、蒸发制碱等等。本次设计是三效蒸发制碱装置设计。南华大学机械学院毕业设计说明书第 6 页 共 68 页1、概 述1.1
19、 蒸发蒸发是重要的化学单元操作之一，蒸发操作是用加热的方法，在沸腾的状态下，使溶液中的水分或其他具有挥发性的溶剂部分汽化移除。其溶液中的溶质数量不变，从而使溶液被浓缩。因此蒸发过程是一个热传递过程，其传热率是政法过程的控制因素。1.2 蒸发工艺流程及蒸发器型式的确定南华大学机械学院毕业设计说明书第 7 页 共 68 页1、 由于单效蒸发器二次蒸汽温度较高，流量较大，所以热损失较大，采用多效蒸发的目的就是通过蒸发过程二次蒸汽的利用，以节约蒸汽的消耗，从而提高蒸发装置的经济性。表 1 为蒸发 1Kg 的水所消耗的加热蒸汽量。其中实际消耗量包括蒸发装置和其操作中各项热量损失。随蒸发器的型式、多效蒸发
20、的流程不同，其稍有变化。理论蒸汽消耗量 实际蒸汽消耗量效数蒸发 1Kg 水所需蒸发量1Kg 蒸汽蒸发水量蒸发 1Kg水所需蒸发量1Kg 蒸汽蒸发水量在增加一效节约蒸汽百分量单效 1 1 1.1 0.99 93%二效 0.5 2 0.57 1.754 30%三效 0.25 3 0.4 2.5 25%四效 0.2 4 0.3 3.33 10%五效 0.2 5 0.27 3.7 7%表 1不同效蒸发装置的整齐消耗量由上表可以看出，随着效数的增多，蒸汽节约越多，但效数的多少受以下几方面的限制：a、 设备费用的限制 表中效数由单效改为双效节约蒸汽的幅度最高，大 93%。 （理论为一倍） 。但四效改为五效
21、仅节约 10%，然而随效数的增加其设备费用也不断增加。在设备折旧年限内，增加一效后其节约蒸汽费用不足抵消其设备投资费用时，则不能增加效数；另外，在设备投资有限制时，其效数也随此限而定。b、 温差限制一般工业生产中，加热蒸汽的压力和蒸发室的真空度有一定的限制，因此装置的总温差也一定，但由于多效蒸发时各效都有温差损失，因此单效的有效温度差比多效的温度差之和要大。也就是说，由于有效温差的减少，虽然 N 效蒸发器组的传热面积 N 倍于单效蒸发面积，但同样条件下，生产能力却要低于单效蒸发器。南华大学机械学院毕业设计说明书第 8 页 共 68 页2、多效蒸发的 操作流程多效操作的蒸发流程包括加热蒸汽与料液
22、的流向不同，可分为以下几种：1） 、顺流法（亦称并流法） 。其料液和蒸汽成并流特点：A、各效间有较大的压差，料液和蒸汽能自动从前效进入后效，因而各效间有可省去输料泵。B、前效的操作温度高于后效，料液从前效进入后效时呈过热状态、可以产生自蒸发。在各效间不必设预热器。C、由于辅助设备少、装置紧凑、管路短，因而温度损失少；D、装置的操作简便，工艺条件稳定，设备维修工作减少。缺点：由于后效温度低、浓度大，因而料液的粘度增加很大，降低了传热系数。因此对于随浓度增加很大的料液不宜采用并流。也就是说并流操作只适用于粘度不大的液体。2） 、逆流法。即蒸汽与料液呈逆流操作优点：随着料液浓度的提高，其温度亦相应提
23、高，这样料液的粘度增加较小，各效的传热系数相差不大，可成分发挥设备能力，由于浓缩液的排除温度较高，可利用其显热在减压下闪蒸增浓。缺点：A、辅助设备较多，动力消耗大，各效间须设置料液泵和预热器，有时浓缩液出料时温度过高，还须增设冷却器；B、对浓缩液在高温时易分解的料液不适用；C、操作较复杂，工艺条件不稳定，必须设置较完善的控制和测量仪表。3） 、错流法亦称混流法，它是并、逆流的结合。错流法的特点是兼有并逆流的优点而是避其缺点，但操作复杂，没偶比较完善的自控仪表难以实现其稳定操作，我国目前主要用于造纸工业碱回收系统。4） 、平流法即各效都加入料液，又都引出浓缩液。此法除用于有结晶洗出的料液外， 其
24、他一般不采用。此法还可以用于同时浓缩两种以上的不同水溶液。综合以上四种的工艺流程的优缺点， 本次设计选用第一种，即顺流法。3、 蒸发装置的选型南华大学机械学院毕业设计说明书第 9 页 共 68 页选型是蒸发装置设计的首要问题，选型时应该先考虑转热系数搞的型式，但料液的物理、化学性质常使一些传热系数高的型式在使用上受限制。选型时要考虑的因素：1） 、料液的性质包括组成成分、粘度变化范围、热稳定性、发泡性、腐蚀性、是否易结垢、结晶、是否含固体悬浮物等。2） 、工程技术要求包括处理量、蒸发量、料液进出口的浓度和温度、安装现场的面积和高度、设备投资额度、要求连续或间隙生产等。3） 、公用系统的情况包括
25、可利用的热源、蒸流供应量及压力、能利用的冷水之水量、水质和温度等。综合以上因素，本次三效制碱装置的设备采用列文式蒸发器。其原因如下：1） 、设计要求的处理量较大；2） 、电解液具有较强的腐蚀性；3） 、料液粘度较小，随浓度变化也较小；4） 、浓缩过程有结晶出现，较易结垢；5） 、料液的稳定性较好，不须考虑热敏性影响另外，该型蒸发器结垢简单，制造成本低，操作和维修也很方便。因此整个工艺流程是采用操作， 三效分级蒸发；蒸发器的结构型式采用列文式。2、工艺设计及计算2.1 主要操作条件1、 年 产 量 3.5 万 吨 NaoH (300 天)每天 24 小时约 5 吨每小时2、成品碱规格 NaoH3
26、0%, Nacl 5.8% 水 64.2%3、电解液的规格: NaoH 10%, Nacl 18 % 水 72%4、电解液的预热温度 130南华大学机械学院毕业设计说明书第 10 页 共 68 页5、末效真空度 650mmHg6、系统洗水量 500kg/(1t100%NaoH)7、生蒸汽压力 0.6MPa2.2 整个系统总蒸发水量=5（ - )1000100033+500电解液中 NaoH 的质量百分比电解液中 Nacl 的质量百分比电解液中水的质量百分比成品碱中 NaoH 的质量百分比3成品碱中 Nacl 的质量百分比3成品碱中水的质量百分比3则=5（ 0.72- ）10000.1 10000.30.642+500=22800将 在三效中进行分配，分配比可按1：1.1：1.2即： =1：1.1 ：1.211:12:13一效蒸发水量11二效蒸发水量12三效蒸发水量13则： =11228001+1.1+1.2=6909=12228001+1.1+1.2*1.1=7600=13228001+1.1+1.2*1.2=82912.3 选取各效出效浓度
