化工原理课程设计说明书-NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的设计教程文件

内蒙古工业大学课程设计任务书

课程名称：化工原理学院：化工学院班级：化学工程与工艺09-2班

学生姓名：袁海威学号：200920508050 指导教师：张红霞

2009级化工单元操作课程设计任务书一、设计题目

NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的设计

二、设计任务及操作条件

1.处理能力 3.96×104吨/年NaOH水溶液

2.设备形式中央循环管式蒸发器

3.操作条件

(1) NaOH水溶液的原料液浓度为5%。完成液浓度为25%，原料液温度为第

一效沸点温度，原料液比热为3.7KJ(kg·℃)，各效蒸发器中溶液的平均密度为：ρ1=1014kg/m3，ρ2=1060 kg/m3，ρ3=1239 kg/m3；

(2)加热蒸气压强为500kPa（绝压），冷凝器压强为15 kPa（绝压）：

(3)各效蒸发器的总传热系数：Ｋ1=1500Ｗ/(m2·℃)，Ｋ2=1000Ｗ/(m2·℃)，

Ｋ3=600Ｗ/(m2·℃)；

（4）各效蒸发器中页面的高度：1.5m；

（5）各效加热蒸气的冷凝液均在饱和温度下下排出，假设各效传热面积相等，并忽略热损失；

（6）每年按330天计算，每天24小时运行。

三、设计项目

（1）设计方案简单，对确定的工艺流程及蒸发器形式进行简要论述；

（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）绘制NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的流程及蒸发器设备工艺简图；

（5）对本设计的评述

（一）蒸发器的形式、流程、效数论证.................. （二）工艺计算...................................... （三）蒸发器主要工艺尺寸的设计计算.................. （四）设计感想...................................... （五）设计图纸......................................

（一）蒸发器的形式、流程、效数论证

1.蒸发器的形式：

中央循环管式

2．蒸发器的流程：

三效并流加料

3.效数论证：

在工业中常用的加热方式有直接加热和间接加热。直接加热的优势是传热速率高，金属消耗量小。劣势是应用范围受到被蒸发物料和蒸发要求的限制；间接加热是热量通过间壁式换热设备传给被蒸发溶液而使溶液气化。一般工业蒸发多采用这类。

间接加热蒸发器分为循环型和单程型两大类，循环型分为中央循环管式、悬挂筐式、外加热式、列文式及强制循环式；单程型有升膜式、降膜式、升降模式及刮板式。

本次选用循环性的中央循环管式，因为此循环管结构简单、制造方便、操作可靠、投资费用较少等优点。

蒸发器的类型一般有单效蒸发和多效蒸发，单效蒸发是蒸发装置中只有一个蒸发器，蒸发时产生的二次蒸汽直接进入冷凝器不再利用；多效蒸发器是将几个蒸发器串联操作，使蒸汽的热能得到多次利用，蒸发器的串联个数称谓效数。多效蒸发器的效数受到经济和技术的限制。对于电解质溶液采用2-3个效数，对于非电解质可采用4-6个。根据情况本次采用多效蒸发器中的三效蒸发器。

多效蒸发器的流向一般有并流加料、逆流加料、分流加料和错流加料。

并流加料的优点如下

①溶液从压强和温度高的蒸发器流向压强和温度低的蒸发器，溶液可依靠效间的压差流动而不需泵送

②溶液进入温度和压强较低的下一效时处于过热状态，因而会产生额外的气化，得到较多的二次蒸汽。

③完成液在末效排出，其温度最低，故总的热量消耗较低。

缺点是：由于各效中溶液的浓度依次增高，而温度依次降低，因此溶液的黏度增加很快，使加热室的传热系数依次下降，这将导致整个蒸发装置生产能力的下降或传热面积的增加。由此可见并流加料流程只适用于黏度不大的料液的蒸发。

逆流加料优点是：溶液浓度在各效中依次增高的同时，温度也随之增高，因而各效内溶液的黏度变化不大，这种流程适用于粘度随浓度和温度变化较大的溶液蒸发。

缺点有：

①溶液在效间是从低压流向高压的，因而必须用泵输送。

②溶液在效间是从低温流向高温，每一效的进料相对而言均为冷液，没有自蒸发，产生的二次蒸汽量少于并流流程。

③完成液在第一效排出，其温度较高，带走热量较多而且不利于热敏性料液的蒸发。

分流加料其特点是溶液不在效间流动。适用于蒸发过程中有结晶析出的情况，或要求得到不同浓度溶液的场合。

错流加料流程中采用部分并流加料和部分逆流加料，以利用逆流合并流流程各自的优点。一般在末效采用并流，但操作比较复杂。

综上所述，本次选用并流加料流程

（二）工艺设计

1.估算各效蒸发量和完成液浓度

总蒸发量：

3.96×104吨/年=3.96×104÷330÷24=5000kg/h

Ｗ＝Ｆ(1-1

0x x )＝5000×（1-32.01.0）＝3437.5kg/h 因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设

Ｗ1: Ｗ2: Ｗ3＝1.0:1.1:1.2

Ｗ＝Ｗ1＋Ｗ2＋Ｗ3＝3.3Ｗ1

解得

Ｗ1＝3

.35.3437＝1041.67 kg/h Ｗ2＝1041.67×1.1＝1145.837kg/h

Ｗ3＝1041.67×1.2＝1250.004kg/h

1x ＝10W F Fx -＝67.104150001.05000-?＝0.126

2x ＝210W W F Fx --＝837.114567.104150001.05000--?＝0.178

3x ＝0.32

2.估算各效溶液的沸点和有效温度差

设各效间压强降相等，则总压强为：

∑?P ＝k P -P 1＝600-15＝585 kPa

各效间的平均压强差为

i ?P ＝3∑?P ＝

585＝195 kPa 由各效的二次蒸汽压强，从书中查的相应的二次蒸汽温度和比汽化焓列于下表中：

(1)各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失'

?根据各效的二次蒸汽温度'i T （亦即相同压强下水的沸点）和各效完成液的浓度i x ，由NaOH 水溶液的杜林线图查的各效溶液的沸点i A t ,分别为:

1,A t ＝150℃ 2,A t ＝130℃ 3,A t ＝78℃

则各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失为

'1?＝1,A t -'1T ＝150-143.8＝6.2℃

'2?＝2,A t -'2T ＝130-121.4＝8.6℃

'3?＝3,A t -'3T ＝78-53.5＝24.5℃

所以

'∑?＝6.2＋8.6＋24.5＝39.3℃

(2)各效由于溶液静压强所引起的温度差损失''? 根据 m P ＝2'gl

ρ+P

得

1,m P ＝405×103＋2

5.281.91123??＝418.77×103Pa ＝418.77kPa 2,m P ＝210×103＋2

5.281.95.1165??＝224.3×103 Pa ＝224.3kPa 3,m P ＝15×103＋2

5.281.95.1271??＝30.59×103 Pa ＝30.59kPa

根据各效溶液的平均压强，由书中查得对应的饱和温度为： 1,m T ＝145.39℃ 2,m T ＝123.88℃ 3,m T ＝69.11℃

从而得

1?＝1,m T -'1T ＝145.39-143.8＝1.59℃

'2?＝2,m T -'2T ＝123.88-121.4＝2.48℃

'3?＝3,m T -'3T ＝69.11-53.5＝15.61℃

所以

∑?''＝''1?＋'

'2?＋''3?＝1.59＋2.4＋15.61＝19.6℃ （3）由于流体阻力产生压强降所引起的温度差损失

根据经验取

'''1?＝'''2?＝'''3?＝1℃

所以

∑?'

''＝'''1?＋'''2?＋'''3?＝3℃ ∑=?'∑?+∑?''+∑?'''=39.3+19.6+3=61.9

（4）各效溶液的沸点和有效总温度差

溶液的沸点

1t ＝'1T ＋1?＝143.8＋6.2＋1.59＋1＝152.59℃

2t ＝'2T ＋2?＝121.4＋8.6＋2.48＋1＝133.48℃

3t ＝'3T ＋3?＝53.5＋24.5＋15.61＋1＝94.61℃

有效总温度差

∑?t ＝()

∑?--'1k T T ＝（158.86-53.5）- 61.9

＝43.46℃

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： ()??

????-+='1100,'11111r t t Fc r r D W p η 因沸点进料，故10t t =

1W ＝'1111r r D η

1η＝0.98-0.7×（1x -0x ）

＝0.98-0.7×（0.126-0.1）＝0.9618

1W ＝0.9618×2155

20861D ?＝0.92151D （a ）第二效的焓衡量式为：

()??

????--+='221,10,'22122)(1r t t c W Fc r r W W W p p η 2η＝0.98-0.7×（2x -1x ）

＝0.98-0.7×（0.178-0.126）＝0.9436

查表得

=1,W p c 4.187 kj/(kg ·℃)

2W ＝0.9436()??

????-?-?+?8.220048.13359.152)187.47.35000(8.22002.213711W W ＝0.88191W ＋151.58

（b ）

第三效的焓衡量式为：

()??

????---+='332,2,10,'33233)(21r t t c W c W Fc r r W W W p W p p η 3η＝0.98-0.7×（3x -2x ）

＝0.98-0.7×（0.32-0.178）＝0.8806

查表得

=2,W p c 4.187kj/(kg ·℃)

3W ＝0.88()??????-?-?-?+?23706.9448.133)187.4187.47.35000(23708.2200212W W W ＝0.88（0.92862W ＋303.42-0.068671W -0.068672W ）＝0.75732W ＋267.19-0.060471W （c ） 1W +2W +3W ＝3437.5 kg/h （d ）

联立（a ）、（b ）、（c ）、（d ）式，解得

1D ＝1265.95kg/h

1W ＝1166.57kg/h

2W ＝1180.38kg/h

3W ＝1090.55kg/h

4.估算蒸发器的传热面积 i

i i i t K Q S ?=

111r D Q =＝1265.95×2086＝733547.69W

'112r W Q =＝1166.57×2137.2＝692553.72W

'223r W Q =＝1180.38×2200.8＝721605.64W

111t T t -=?＝158.86-152.59＝6.27℃

2'1222t T t T t -=-=?＝143.8-133.48＝10.32℃

3'2333t T t T t -=-=?＝121.4-94.61＝26.79℃

1111t K Q S ?=＝ 6.271800733547.69?＝64.996

2m 2222t K Q S ?=＝10.321200692553.72?＝55.923

2m 3333t K Q S ?=＝26.79600721605.64?＝44.893

2m 误差估算

05.0max min/1<-S S 05.03092.0996

.64893.441>=- 所以需调整各效的有效温度差

5.重新分配各效的有效温差

∑??+?+?=t

t S t S t S S 332211 679

.232.1027.679

.26893.4432.10923.5527.6996.64++?+?+?=S ＝50.422m

即

11'1

t S S t ?=?==?72.642.50996.648.08 22'2

t S S t ?=?＝=?32.1042.50923.5511.45℃ 33'3

t S S t ?=?＝=?79.2642.50893.4423.85℃ 6.重复上述计算步骤

（1）由所求得的各效蒸汽量。求各效溶液的浓度。他们分别为： 101W F Fx x -=＝57

.116650001.05000-?＝0.1304 2102W W F Fx x --=＝38.118057.116650001.05000--?＝0.1885

25.03=x

（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3t 不变。则第三效加热蒸汽温度（即第二效二次蒸汽温度）为： '33'23t t T T ?+==

＝94.61+23.85=118.46℃

由第二效的二次蒸汽温度'

2T 及2x 查杜林线图得第二效溶液的2,A t =128.8，且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：

'2'

'22,2?+?+=A t t ＝128.8+2.48+1=132.28℃