化 工 原 理 课 程 设 计 说 明 书设计题目：NaOH水溶液三效并流蒸发装置的设计设计者：班级：化工14组员：谢勋 唐洪霆 张建雄日期：2016-7-7指导教师：张玲 目录符号说明1一、蒸发装置设计任务书31.1 设计题目31.2 设计任务及操作条件31.3 设计内容4二、前言42.1概述42.1.1蒸发及蒸发流程42.1.2蒸发操作的分类52.1.3蒸发操作的特点52.1.4 蒸发设备6三、设计任务83.1估计各效蒸发量和完成液浓度83.2估计各效溶液的沸点和总有效传热温差83.2.1各效由于溶液沸点而引起的温度差损失93.2.2由于液柱静压力而引起的沸点升高（温度损失）103.2.3由流体阻力引起的温差113.2.5各效料液的温度和有效总温差113.3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算123.4估算蒸发器的传热面积143.5重新分配各效的有效温差153.6重复上述计算步骤163.6.1计算各效料液浓度163.6.2计算各效溶液沸点163.6.3各效的焓恒算173.6.4计算蒸发器的传热面积183.7计算结果列表19四、蒸发器主要工艺尺寸的设计计算204.1加热管的选择和管数的初步估计204.2循环管的选择214.3加热室直径和加热管数目的确定214.4分离室直径与高度的确定224.5接管尺寸的确定244.5.1热蒸汽进口，二次蒸气出口，其中Vs?为流体的体积流量244.5.2溶液进出口244.5.3冷凝水出口25五、蒸发装置的辅助设备255.1气液分离器255.2.1冷却水量265.2.2冷凝器直径D275.2.3淋水板的设计27符号说明 一、蒸发装置设计任务书1.1 设计题目 NaOH水溶液蒸发装置的设计1.2 设计任务及操作条件（1）设计任务处理量（ ）： 37083.3 （kg/h）原料液浓度（ ）： 12% 质量分率产品浓度（ ）： 40% 质量分率（2）操作条件加料方式： 三效并流加料原料液温度： 第一效沸点温度各效蒸发器中溶液的平均密度：ρ1=1014kg/m3，ρ2=1060kg/m3，ρ3=1239kg/m3 加热蒸汽压强： 500kPa（绝压） ，冷凝器压强为 15kPa（绝压） 各效蒸发器的总传热系数：K1=1500W/（m2·K），K2=1000W/（m2·K），K3=600W/（m2·K） 各效蒸发器中液面的高度： 1.5m 各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。假设各效传热面积相等，并忽略热损失。（3）设备型式 中央循环管式蒸发器（4）厂 址 天津地区 （5）工作日：每年300天，每天24小时连续运行。1.3 设计内容 （1）设计的具体方案的简介：对确定的工艺流程及蒸发器型式进行简要论述。 （2）蒸发器的工艺计算：确定蒸发器的传热面积。 （3）蒸发器的主要结构尺寸设计 （4）主要辅助设备选型，包括气液分离及蒸气冷凝器等 （5）绘制工艺流程图及蒸发器设计条件图 （6）设计结果汇总 （7）对设计过程的评述和有关问题的讨论二、前言2.1概述2.1.1蒸发及蒸发流程 蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化单位部分杂质，使溶液得以浓缩的单元操作的流程。 蒸发操作大范围的使用在浓缩各种不挥发性物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。化工生产中蒸发大多数都用在以下几种目的： (1)获得浓缩的溶液产品； (2)将溶液蒸发增浓后，冷却结晶，用以获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等 产品； (3)脱除杂质，获得纯净的溶剂或半成品，如海水淡化。进行蒸发操作的设备叫做蒸发器。 蒸发器内要有足够的加热面积，使溶液受热沸腾。溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动，被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。蒸发器内备有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，应将其在冷凝器中加以冷凝。蒸发过程中常常采取饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。2.1.2蒸发操作的分类按操作的方式能分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。 按二次蒸汽的利用情况可大致分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。按操作压力可大致分为常压、加压或减压蒸发。线）在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积；（2）可通过低压蒸气作为加热剂；（3）有利于对热敏性物料的蒸发；（4）操作温度低，热损失较小。在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度比较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。因此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在线蒸发操作的特点从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点: （1）沸点升高 蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较同温度下纯溶剂的蒸气压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，此现状称为溶液沸点的升高。在加热蒸气温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热唇溶剂的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。 （2）物料的工艺特性 蒸发的溶液本身就具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出晶体，或易于结垢；有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。如何根据物料的特性和工艺技术要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的问题。 （3）节约能源 蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸气。如何充分的利用热量，提高加热蒸气的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。2.1.4 蒸发设备蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。 蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空装置。兹分述如下： 由于生产规格要求的不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：（1）循环型蒸发器? 特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。操作稳定。此类蒸发器主要有? a.中央循环管式蒸发器，? b.悬筐式蒸发器， c.外热式蒸发器， d.列文式蒸发器， e.强制循环蒸发器。其中，前四种为自然循环蒸发器。（2）单程型蒸发器 特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。? 优点：溶液停滞时间短，故非常适合于热敏性物料的?蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。? 缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将显而易见地下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。?此类蒸发器主要有? ?a.升膜式蒸发器，? ?b.降膜式蒸发器，? ?c.升—降膜式蒸发器， d.刮板式膜式蒸发器。本次设计采用的是中央循环管式蒸发器 ：结构和原理：其下部的加热室由垂直管束组成，中间由一根直径较大的中央循环管。当管内液体被加热沸腾时，中央循环管内气液混合物的平均密度较大；而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，而由加热管上升，做自然循环流动。溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数，强化了蒸发过程。这种蒸发器结构紧密相连，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用十分广泛，有标准蒸发器之称。为使溶液有良好的循环，中央循环管的截面积，一般为其余加热管总截面积的40%～100%；加热管的高度一般为1～2m；加热管径多为25～75mm之间。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在0.4～0.5m/s以下）；而且由于溶液在加热管内不断循环，使其组成始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温度差减小；设备的清洗和检修也不够方便。三、设计任务3.1估计各效蒸发量和完成液浓度由年处理量267000吨，且每年按照300天计算，每天24小时连续进行，得料液的进料量F为：37083.3kg/h用总物料衡算确定总蒸发量W为：W=F (1-)=37083.3(1-)=25958.3kg/h因并流加料存在自蒸发，且且蒸发中无额外蒸汽引出，可设：W1:W2:W3=1:1.1:1.2W=W1+W2+W3=3.3W1W1==7866.2kg/hW2=1.1×7866.2=8652.8kg/hW3=1.2×7866.2=9439.4kg/hx1===0.1523x2===0.2164x3=0.43.2估计各效溶液的沸点和总有效传热温差加热蒸汽压（绝压），冷却器的绝压为假设各效间压力降相等，那么总压力差为：各效间的平均压力差为：由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即： 由各效的二次蒸汽压力，从手册中可查的相应的二次蒸汽的温度和汽化潜能列于下表中：效数IIIIII二次蒸汽压力/kPa338.3176.615二次蒸汽温度/（即下一效加热蒸汽的温度）137.5116.654二次蒸汽的汽化潜热，KJ/Kg6.53.2.1各效由于溶液沸点而引起的温度差损失 根据各效二次蒸汽温度（也即相同压力下水的沸点）和各效完成液，各效溶液的沸点分别为： 同理可得：则各效由于溶液沸点比水的沸点升高而引起的温度差损失为：所以3.2.2由于液柱静压力而引起的沸点升高（温度损失） 由于蒸发器中液柱静压力引起的温度差损失 某些蒸发器在操作时，器内溶液需维持一定的液位，因而蒸发器中溶液内部的压力大于液面的压力，致使溶液内部的沸点较液面处的为高，二者之差即为因液柱静压力引起的温度差损失 根据液柱静力学方程，液层的平均压力为：，所以对应的饱和温度为： 所以所以3.2.3由流体阻力引起的温差 由于管道流体阻力产生的压强降所引起的温度差损失在多效蒸发中末效以前各效的二次蒸汽流到次一效的加热室的过程中由于管道阻力使其压强降低蒸汽的饱和温度也相应降低由此引起的温度差损失即为取经验值 即所以 所以蒸发装置的总温度差损失为： 3.2.5各效料液的温度和有效总温差由各效二次蒸汽及温度差损失，即可由下式估算各效料液的温度又所以各效料液的温度为有效总温差由手册查的Kpa绝对压力下饱和蒸汽的温度，汽化潜热为，所以3.3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算 第一效的焓衡量式为：因沸点进料，故＝ ＝0.98-0.7×（-） ＝0.98-0.7×（0.1523-0.12） ＝0.9574 ＝0.9574×＝0.9409 （a） 第二效的焓衡量式为： ＝0.98-0.7×（-） ＝0.98-0.7×（0.2164-0.1523） ＝0.9351查表得4.187kj/(kg·℃)3.77kj/(kg·℃) ＝0.9351 ＝0.8768＋1042.7 （b） 第三效的焓衡量式为： ＝0.98-0.7×（-） ＝0.98-0.7×（0.4-0.2164） ＝0.8515 ＝0.5917＋2795.7 （c） ＋＋＝25958.3Kg/h （d） 联立（a）（b）（c）（d），解得＝9523.72kg/h＝8960.87kg/h＝8899.59kg/h＝8097.85kg/h3.4估算蒸发器的传热面积式中 ---第i效的传热速率，W。 ----第i效的传热系数，W/（m2, ℃）.?---第i效的传热温度差，℃ -------第i效的传热面积，m2 ＝9523.72×2113＝ ＝8960.87×2150＝ ＝8899.59×2218＝ ＝151.7-145.5＝6.2℃ ＝137.5-128.7＝8.8℃ ＝116.6-90.5＝26.1℃ 同理： 误差估算: 误差为 所以需调整各效的有效温度差，从复上述计算3.5重新分配各效的有效温差 ＝462.04即 ＝7.99℃ ＝11.48℃ ＝18.83℃3.6重复上述计算步骤3.6.1计算各效料液浓度 由所求得的各效蒸汽量。求各效溶液的浓度。他们分别为： ＝＝0.1596 ＝＝0.2331 3.6.2计算各效溶液沸点因末效完成液浓度和二次蒸汽压强不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液的沸点不变。则第三效加热蒸汽温度（即第二效二次蒸汽温度）为： ＝91.3+18.83=110.13℃由第二效的二次蒸汽温度及查杜林线图得第二效溶液由于静压强引起的温差损失及由于流体阻力引起的温差损失可视为不变，故第二效溶液的沸点为： ＝121+1.7+1=123.7℃ 同理 ＝123.7+11.48=135.18℃ 由、查杜林线℃温差重新分配后各效温度情况如下： 效数参数123加热蒸汽温度，℃151.7135.18110.13温度差，℃7.9911.4818.83溶液沸点，℃143.7123.791.33.6.3各效的焓恒算 ＝0.98-0.7×（-）＝0.98-0.7×（0.1596-0.12）=0.9523 ＝＝0.9523×=0.8994 （a） ＝0.98-0.7×（-）＝0.98-0.7×（0.2331-1596）=0.9286 =0.9286 ＝0.7983+1583.99 （b） ＝0.98-0.7×（-） ＝0.98-0.7×（0.4-0.2331）=0.8632 ＝0.8632 ＝0.5721+3489.26 （c） ＋＋＝35680.54Kg/h （d）联立（a）（b）（c）（d）得 ＝13489.92kg/h ＝12132.83kg/h ＝12352.99kg/h ＝11194.70kg/h与第一次计算结果比较，其相对误差为 计算相对误差均在0.05以下，故各效蒸发量的计算结果合理。其各效溶液浓度无明显变化，不需重新计算。3.6.4计算蒸发器的传热面积 ＝13489.92×2113.2＝7918583.04 ＝12132.83×2237.4＝7540553.85 ＝12352.99×2253.1＝7731256.05 ＝7.99℃ ＝11.48℃ ＝18.83 ℃ ＝＝660.71 ＝＝656.84 ＝＝684.30 误差估算 迭代计算结果合理，区平均传热面积S=667.283.7计算结果列表效数参数

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