多效蒸发方案(以NaOH为例)
冬胞工夕丸卑
化工原理课程设计
NaOH蒸发系统设计
目录
章前言§ 1概述'
第二章蒸发工艺设计计算
§ 1蒸浓液浓度计算
§ 2溶液沸点和有效温度差的确定
S 2 ? 1各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失
§2 ? 2各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失
§22 ? 3由经验不计流体阻力产生压降所引起的温度差损失
§2 3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算
§2 4蒸发器的传热面积和有效温度差在各效中的分布以及传热系数
K的确定§ 5温差的重新分配与试差计算
§5 ? 1重新分配各效的有效温度差，
§ 5? 2重复上述计算步骤
§ 6计算结果列表
第三章NaO H溶液的多效蒸发优化程序部分
§3 1具体的拉格朗日乘子法求解过程
§3 2程序内部变量说明
§3 3程序内容：
§3 4程序优化计算结果
§3 5优化前后费用比较
第四章蒸发器工艺尺寸计算
§4 1加热管的选择和管数的初步估计
§4 1 1加热管的选择和管数的初步估计
§4 1 2循环管的选择
§4 1 3加热室直径及加热管数目的确定
§4 1 4分离室直径与高度的确定
§4 2接管尺寸的确定
§4 2 ? 1溶液进出
§4 2 ? 2加热蒸气进口与二次蒸汽出口
§4 2 ? 3冷凝水出口
第五章、蒸发装置的辅助设备
§5 1气液分离器
§5 2蒸汽冷凝器
§5 2 1冷却水量
§5 2 2计算冷凝器的直径
§23淋水板的设计
§5 3泵选型计算
§5 4预热器的选型
第六章主要设备强度计算及校核
§ 6 ? 1蒸发分离室厚度设计
§ 6 ? 2加热室厚度校核
第七章小结与参考文献：
符号说明
希腊字母：
c 比热容，KJ/(Kg.h> a -------- 对流传热系数，W /m2. °C
d --- 管径，mA ------ 温度差损失，C
D——直径，mn——误差，
D ――加热蒸汽消耗量，Kg/h n ――热损失系数，
f --- 校正系数，n ----- 阻力系数，
F――进料量，Kg/h入一一导热系数，W /m2. C
g --- 重力加速度，9.81m/s2卩---- 粘度，Pa.s
h 咼度，m p 密度，Kg/m3
H ――高度，m
k――杜林线斜率
K ――总传热系数，W/m2. CE――加和L——液面高度，m?——系数
-加热管长度，m -淋水板间距，m 下标： -效数 1,2,3——效数的序 -第n 效 0——进料的 -压强，Pai ――内侧
热通量，W/m2 m ----- 平均
-传热速率，W o - 外侧
汽化潜热，KJ/Kg p---- 压强
-热阻，m2「C /Ws ――污垢的 -传热面积，m2 w 水的 管心距，m w 壁面的 -蒸汽温度，C 「流速，m/s
-蒸发强度，Kg/m2.h 上标：
-体积流量，m3/h'：二次蒸汽的 -蒸发量，Kg/h :因溶液蒸汽压而引起的 〃：因液柱静压强而引起的 :因流体阻力损失而引起的 第一章前言
§ 1概述
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过程。
蒸发操作广泛用于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 。化工生产中蒸发主要用于以下几种目的：
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。
蒸发过程中经常采用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 的蒸汽叫做而次蒸汽。
2蒸发操作的分类
按操作的方式可以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以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。
按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有许多优点：
<1）、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）、可以利用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，而后效则在真空下操作。 3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 ：
r — R -S -t - T - u - U - W ――质量流量，Kg/h x ---- 溶剂的百分质量，％
⑴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，这种现象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。
⑵ 物料的工艺特性蒸发的溶液本身具有某些特性，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。
⑶ 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。
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，。操作稳定。此类蒸发器主要有
b. c.，
d.
e.。其中，。<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：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发；，表面传热系数较大。
缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。此类蒸发器主要有
a.，
b.，
c.
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。
这种蒸发器结构紧凑，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，其循环速度一般在0.4?0.5m/s
以下；蒸发器内溶液浓度始终接近完成液浓度；清洗和维修也不够方便。
第二章蒸发工艺设计计算
W.
ffi 1 拌流多歌麺授淡曠浓缠工艺流程图
§2 1蒸浓液浓度计算多效蒸发的工艺计算的主要依据是物料衡算和、热量衡算及传热速率方程。计算的主要工程有：加热蒸
气 < 生蒸气）的消耗量、各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积。计算的已知参数有：料液的流量、温度和浓度，最终完成液的浓度，加热蒸气的压强和冷凝器中的压强等。
蒸发器的设计计算步骤多效蒸发的计算一般采用试算法。
（1）根据工艺要求及溶液的性质，确定蒸发的操作条件< 如加热蒸气压强及冷凝器的压强），蒸发器的形式、流程和效数。
（2）根据生产经验数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液的浓度。
（3）根据经验假设蒸气通过各效的压强降相等，估算个效溶液沸点和有效总温差。
(4) 根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。
(5)
根据传热速率方程计算各效的传热面积。若求得的各效传热面积不相等，则应按下面介绍的方法重 新分配有效温度差，重复步骤 <3>至<5)，直到所求得各效传热面积相等 < 或满足预先给出的精度要 求)为止。
F= =4557.3kg/h
总蒸发量：W=F (1- >=4557.3 (1- — >=3038.2kg/h
并流加料蒸发中无额外蒸汽引出 ，可设 ：W 2：W 3=1：1.1：1.2 而W=W i +W 2+W 3=3038.2kg/h 由以上三式可得：W 1=920.7kg/h 。
W 2=1012.7kg/h 。 W 3=1104.8kg/h 。
』Ld
EEJ
X 1=
=0.125。X 2=
=0.174。X 3=0.3
§ 2溶液沸点和有效温度差的确定
设各效间的压强降相等，则总压强差为：
| /
=P1-P K =501.3-30.4=470.9KPa
a
P ---各效加热蒸汽压强与二次蒸气压强之差 KPa, 第一次加热蒸气的压强 KPa
-----末效冷凝器中的二次蒸气的压强 KPa 各效间的压强差可求得各效蒸发室的压强 即 P/=P1-
Pi=501.3-470.9/3=344.3KPa
P 2/ =P1-2 Pi=501.3-2 470.9/3=187.4KPa P 3/=P k /=30.4KPa
由各效的二次蒸汽压强从手册中查得相应的二次蒸汽温度和汽化潜热列与下表中
：
多效蒸发中的有效传热总温度差可用下式计算:
有效总温度差」
第一效加热蒸气的温度，C 。
-----冷凝器操作压强下二次蒸气的饱和温度，c 。
---- 总的温度差损失，为各效温度差损失之和，c,
+凶 〃+凶 ///
式中」'---由于溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失，c.
P= 式中
凶 式中 有效总温度差，为各效有效温度差之和，c 。
?〃---由于蒸发器红溶液的静压强而引起的温度差损失，C, 习/〃----由于管道流体阻力产生压强降而引起的温度差损失，C,
§2 2 ? 1
各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失 杜林规则
则吕=143.8-138.2=5.6 C 3
-=126.2-117.9=8.3 C =84.8-66.8=18.0 C 所以」 =5.6+8.3+18.0=31.9 C §2 2 - 2
各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失
由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失 L-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强大于液面的压强，致使溶液内部的沸点较液面处的为高，二者之差即为因溶液静 压强引起的温度差损失 丄，为简便起见，日夜内部的沸点可按液面和底层的平均压强来查取，平均压强近 似按静力学方程估算： / a p m =p + 式中P m —蒸发器中 液面和底层的平均压强，pa P /—二次蒸气的压强，即液面处的压强，， pa
—溶液的平均密度， -液层高度 g-重力加速度，
根据p m =p /+
-取液位高度为1M 由NaOH 水溶液比重图可得下列数据 3 NaOH 水溶液密度（Kg/m > P m1=344.3+ =349.6KPa P m2=187.4+ =193.0KPa =36.7KPa P m3 = 30.4+ 根据各效溶液平均压强查得对应的饱和溶液温度为
1
=138.8 C 。T
[3
=118.9 C 。 T =72.2 C 式中
根据丄=
--根据平均压强求取的水的沸点C, --根据二次蒸气压强求得水的沸点C
所以 1= T 二-T =138.8-138.2=0.6 C
2= T — - T =118.9-117.9=1.0 C
耳 3= T 匕-T 丄72.2-66.8=5.4 C
=0.6+1.0+5.4=7.0 C
§ 2-3由经验不计流体阻力产生压降所引起的温度差损失
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 凹，根据经验其值可以省略。
=0 c
根据以估算的各效二次蒸汽压强 及温度差损失△，即可由下式估算溶液各效溶液的沸点 t
所以总的温度差损失为
I
c
所以各效溶液沸点： t 1=138.2+6.2=144.4 C,
t 2=117.9+9.3=127.2 C, t 3=66.8+23.4=90.2 C
0 3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算
第i 效的焓衡算式为：
有上式可求得第i 效的蒸发量 .若在焓衡算式计入溶液的能缩热及蒸发器的热损失时，尚需考虑热利用
系数一般溶液的蒸发，
可取得0.94-0.7 △ x ＜式中△ x 为溶液的浓度变化，以质量分率表示）。
第i 效的蒸发量 的计算式为
式中
-第i 效的加热蒸汽量，当无额外蒸汽抽出时
也=
—第i
效加热蒸气的汽化潜热
------第 i 效二次蒸气的汽化潜热
---- 原料液的比热
凶
---- 水的比热
---- 分别为 第i 效及第i-1效溶液的沸点
」 ------- 第i 效的热利用系数无因次，对于加热蒸气消耗量，可列出各效焓衡算式并与式
解而求得。
第一效的焓衡量式为：W 1=
C po =3.8644KJ/(Kg. C > , c pw =4.2035 KJ/(Kg. C >
1-(=回 + "I + 溶液的沸点t i =T i /+
—=31.9+7.0+0=38.9 C
5.6+0.6+0=
6.2 C
<3-2 )联
由相关手册查得
代入
W 1=
同理第二效的热衡算式为
□ a
=0.9225D 1 (a>
W 2=
0.94-0.7(0.174-0.125>=0.9057
W3=
W3=
=0.7456 W2-0.0568W 什237.93 (c>
又 W i + W2+ W 3=3038.2 (d>
联立(a>,(b>,(c>,(d> 式，解得:
W i=1057.9Kg/h
W2=1032.6Kg/h
W3=947.7Kg/h
D1= 1169.0 Kg/h
§2 4蒸发器的传热面积和有效温度差在各效中的分布以及传热系数任意一效的传热速率方程为
□
S i=
式中---第i效的传热速率， W。----第i效的传热系数， W/ 勺---第i效的传热温度差，C S i-------第i效的传热面积，m2 在三效蒸发中，为了便于制造和安装，通常米用各效传热面积相等的蒸发器，即 S1=S3=S3=S 若求得的传热面积不相等，应根据各效面积相的原则重新分配各校的有效温度差。方法如下：总的传热系数 K; 称为公式 式中-，----管外蒸汽冷凝传热系数与管内液体沸腾传热系数 , ----管外和管内的污垢热阻，-----管壁的导热系数， 因----管壁的厚度，日，列，凶-----加热管的外径、平均直径与内径，计算K0值主要在于求取关内溶液的沸腾传热系统。该值受溶液的性质、蒸发器的类型、沸腾传热 的形式伊基蒸发操作的条件等许多因素的影响。因此，一般沸腾传热膜系数关联式的准确度较差。 Q1=D1「1=984.3」2113=1.94 一 Kg/h =「七=151.8-145.8=6.0 C 查得R S0=0.86 X 10-4m2 .K/W , R si=3.44X 10-4m2K/W, ——1 取规格为的加热管 则d°=38mm,d i=38-2.5 匕=33mm,d m= ,b=2.5mm 第一效： 蒸汽在垂直管外的冷凝对流传热系数 假设壁温 tW1=150C,特性温度 t=<151.8+150 ) /2=150.9 C, =151.8-150=1.8 C,由 t 值查得冷凝液的 导热系数 =0.6839 【亠，密度上=916.14Kg/m3，粘度上=0.1848X 10-3，又 =2112.9Kj/Kg 所以 W2= 热衡算式为 第三效的 K的确定 由经验公式 （*> 其中，：一---沸腾液体与其蒸汽间的表面压力 ，N/m 。一 ----液体的导热系数,W/ m.k 。 P-----二次蒸汽压力，Pa 。 CL ------液体的比热，J/Kg.K 。 r -----液体的汽化潜热J/Kg 。 -----液体的密度Kg/m 3。 -----蒸汽的密度Kg/m 3 -----液体的动力粘度Pa s 。 a 冋 -----水的动力粘度Pa.so '-----管壁与沸腾液体间的传热温差 K 。 C — 与表观液面咼度百分比 h 有关的系数。 h:-----加热管内含纯液柱高度占总管长的百分比。 对一效查得： =0.07943 N/m , P =344.3K Pa , C=0.33 , q=3813.1J/Kg.K 。 =0.7036W/ m.k 3o 3o -3 - 3 =2154.1KJ/Kg 。 =1090.5Kg/m =1.87807Kg/m =0.1944X 10 Pa.s =0.5345X 10 Pa s 。 =150-144.4=5.6K 。 带入上式解得： 1=5903.9 —