化工原理课程设计三效逆流蒸发器

NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的设计设计单位：设计者：设计日期：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2.5×104吨/年NaOH水溶液2.设备形式蒸发器3.操作条件a．NaOH水溶液的原料液浓度为10%(wt) ，温度为35℃，用预热器加热至第一效沸点温度，再送进蒸发器；完成液浓度为40%(wt)。

b．加热蒸汽压强为500kPa（绝压），末效为真空，压力为15.5kPa（绝压）。

c．各效传热系数分别为：K1=3000 W/(m2·℃)K2=1500 W/(m2·℃)K3= 750W/(m2·℃)d．各效蒸发器中的液面高度：1.5-2.5m。

e．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。

f．每年按330天计，每天24小时连续运行。

三、设计项目1.设计方案简介：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，包括预热器、汽液分离器及蒸汽冷凝器。

5.绘制NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的流程图及蒸发器总装配图。

目录1.概述 (1)1.1蒸发操作的特点 (1)1.2蒸发设备及蒸发器 (5)1.3三效蒸发工艺流程 (10)2.工艺计算及主体结构计算 (11)2.1三效蒸发工艺计算 (11) (11) (13)2.2蒸发器主要结构计算 (23)3.蒸发装置辅助设备选型 (30)4.探索使用Aspen Plus设计蒸发器方法 (33)5.后记 (35)1、概述1.1蒸发操作的特点蒸发是将非挥发性物质的稀溶液加热沸腾，使溶剂气话，溶液浓缩得到浓溶液的过程。

蒸发过程的两个必要组成部分是加热溶剂使水蒸气汽化和不断除去汽化的水蒸气，前一部分在蒸发器内进行，后一部分在冷凝器完成。

蒸发器实质上是一个换热器，由加热室和分离室两部分组成，加热室通常用饱和水蒸气加热，从溶液中蒸发出来的水蒸气在分离室分离后从蒸发器引出，为了防止液滴随蒸汽带出，一般在蒸发器顶部设有气液分离用的除沫装置从蒸发器蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，在多效蒸发中，二次蒸汽用于下一效的物料加热。

冷却水从冷凝器顶加入，与上升的蒸汽接触，将它冷凝成水从下部排出，不凝气体从顶部排出。

通常不凝气体来源有两个方面，料液中溶解的空气和系统减压操作时从周围环境中漏入的空气。

料液在蒸发器中蒸浓达到要求后称为完成液，从蒸发器底部放出，是蒸发操作的产品。

根据各种物料的特性和工艺要求，蒸发过程可以采用不同的操作条件和方法。

常压蒸发和减压蒸发根据操作压力不同，蒸发过程可以分为常压蒸发和减压蒸发，常压蒸发是指冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力为大气压或略高于大气压，此时系统中的不凝气依靠本身的压力从冷凝器排出。

减压蒸发冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力低于大气压，此时系统中的不凝气需用真空泵抽出。

减压蒸发较常压蒸发具有如下优点：①在加热蒸汽压强相同的情况下，减压蒸发时溶液的沸点低，传热温差可以增大，当传热量一定时，蒸发器的传热面积可以相应地减小；②可以蒸发不耐高温的溶液；③可以利用低压蒸汽或废气作为加热剂；④操作温度低，损失于外界的热量也相应地减小。

但是，减压蒸发也有一定的缺点，这主要是由于溶液沸点降低，黏度增大，导致总的传热系数下降，同时还要有减压装置。

单效蒸发和多效蒸发根据二次蒸汽是否用来作为另一蒸发器的加热蒸汽，蒸发过程分为单效蒸发和多效蒸发。

单效蒸发中加热蒸汽在冷凝器中用水冷却排出。

多效蒸发中，第一个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第二个蒸发器的加热蒸汽，第二个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第三个蒸发器的加热蒸汽，以此类推，串联蒸发器的个数称为效数。

①多效蒸发的经济性多效蒸发时，除末效外，各效的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽加以利用，因而和单效相比，相同的生蒸汽量D可蒸发更多的水量W，亦即提高了生蒸汽的经济性W/D。

如前所述，在若干假定条件下，单效时的W/D约为1。

同理，双效时约为2，三效时约为3，等等。

考虑实际情况，根据经验，不同效数时生蒸汽的经济性大致如下表：表1-1 生蒸汽经济性W/D的经验值正由于多效蒸发时生蒸汽的经济性较高，所以在蒸发大量水分时广泛采用多效蒸发。

但上表也说明，当效数增加时，W/D值虽然增加，但并不和效数成正比。

②多效蒸发的代价首先，多效蒸发时需要多个蒸发器，为便于制造和维修，各蒸发器的传热面积常相同，此时，多效蒸发的设备费近似和效数成正比。

因此，多效蒸发时生蒸汽经济性的提高是以设备费为代价的。

其次，当生蒸汽的压力（温度）和冷凝器的压力（温度）给定时，不论单效或多效蒸发，其理论传热温度差均为Δtr=T-T′ 。

这里，T和T′分别为加热蒸汽和冷凝器处二次蒸汽的温度。

换句话说，理论传热温差与效数无关，多效蒸发只是将上述传热温度差按某种规律分配至各效。

而且，多效蒸发的每一效都存在沸点上升或传热温度差损失，因而各效有效传热温度差之和——总有效传热温度差必然小于单效时的有效传热温度差，结果导致多效时的生产能力小于单效。

间歇蒸发和连续蒸发间歇蒸发有两种操作方法：①一次进料，一次出料②连续进料，一次出料工业上大规模的生产过程通常采用的是连续蒸发。

1.1.3蒸发器的生产强度与蒸汽的经济性（一）蒸发器的生产能力与生产强度1、蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力可用单位时间内蒸发的水分量来表示。

由于蒸发水分量取决于传热量的大小，因此其生产能力也可表示为W —蒸发器的生产能力，kg/h ；Q —蒸发器的传热速率，kJ/h ；r '—操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg ；2、蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度U 简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，kg/(m2·h)若为沸点进料，且不计热损失，根据'm Wr Dr t KA Q ==∆=，则 'mr t K S WU ∆==由上式可知，若蒸发操作的压力一定，则二次蒸气的汽化热r ‘也可视为常数，因此，欲提高蒸发器的生产强度，主要途径是提高总传热系数K 和传热温度差Δtm （T －t1）。

前者，上面已述。

提高传热温度差的方法: 采用真空蒸发或选用高温热源，如高温导热油、熔盐或用电加热等。

3、提高蒸发强度的途径（1） 提高传热温度差m t ∆提高传热温度差可提高热源的温度或降低溶液的沸点等角度考虑，工程上通常采用真空蒸发或高温热源来实现。

（2）提高总传热系数蒸发器的总传热系数主要取决于溶液的性质、沸腾状况、操作条件以及蒸发器的结构等。

这些已在前面论述，因此，合理设计蒸发器以实现良好的溶液循环流动，及时排除加热室中不凝性气体，定期清洗蒸发器（加热室内管），均是提高和保持蒸发器在高强度下操作的重要措施。

（二）加热蒸汽的经济性蒸发过程是一个能耗较大的单元操作，通常把能耗也作为评价其优劣的另一个重要评价指标，或称为加热蒸汽的经济性，它的定义为1kg 蒸汽可蒸发的水分量，即：r r W De '==提高加热蒸汽的蒸汽性通常可以选择多效蒸发。

（三）提高加热蒸汽经济程度的其他措施多效蒸发可以提高加热蒸汽的经济程度，除此之外，还可以采用以下措施来提高生蒸汽的经济程度。

1.二次蒸汽的部分利用（额外蒸汽的引出）在单效蒸发中，若能将二次蒸汽引出一部分，作为其他设备热源加以利用（如用来预热原料液），则对蒸发装置来说，能量消耗已降至最低限度，只是将加热蒸汽转变为温度较低的二次蒸汽而已。

同理，对多效蒸发，如果将末效蒸发器的二次蒸汽有效的利用，也可大大提高加热蒸汽的利用率。

2.冷凝水显热的利用蒸发装置消耗大量蒸汽必随之产生数量可观的冷凝水。

此冷凝液排出加热室外可用以预热料液，也可像图7-19所示将冷凝水减压，减压至下一效加热室的压力。

使之用过热产生自蒸发现象。

汽化的蒸汽可与二次蒸汽一并进出入后一效的加热室，于是，冷凝水的显热得以部分地回收利用。

3.二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）在单效蒸发中，二次蒸汽在冷凝器中冷凝除去，蒸汽的潜热即完全除去，很不经济。

考虑此二次蒸汽通过热泵（即压缩机）绝热压缩，使其p↑，T↑，然后再送回原来的蒸发器中作为加热蒸汽，则其潜热可得到反复利用。

但是，要达到较好的经济效益，压缩功的压缩比不能太大，即二次蒸汽的压力和温度需提高的愈多，压缩比愈大，愈不经济。

这样，二次蒸汽的温升不可能高，传热推动力不可能大，而所需的传热面积则必然较大。

对于沸点升高大的溶液的蒸发，热泵蒸发器的经济程度大为降低。

由此可知，热泵蒸发量不适用沸点上升比较大的情况。

此外，压缩机的投资费用较大，需要维修保养，这些缺点也在一定程度上限制了它的使用。

1.2蒸发设备蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备1..2.1蒸发器的型式与结构蒸发器主要由加热室和分离室组成。

加热室有多种多样的形式，以适应各种生产工艺的不同要求。

按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。

（一）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。

由于引起循环运动的原因不同。

有分为自然循环型和强制循环型两类。

自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动1.中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器为最常见的蒸发器，其结构如图5-2所示，它主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。

蒸发器的加热器由垂直管束构成，管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为管束总截面积的40%～100%。

当加热蒸汽（介质）在管间冷凝放热时，由于加热管束内单位体积溶液的受热图5-2中央循环管式面积远大于中央循环管内溶液的受热面积，因此，管束中溶液的相对汽化率就大于中央循环管的汽化率，所以管束中的气液混合物的密度远小于中央循环管内气液混合物的密度。

这样造成了混合液在管束中向上，在中央循环管向下的自然循环流动。

混合液的循环速度与密度差和管长有关。

密度差越大，加热管越长，循环速度越大。

但这类蒸发器受总高限制，通常加热管为1～2m ，直径为25～75mm ，长径比为20～40。

优点：溶液循环好；传热效率高；结构紧凑、制造方便、操作可靠。

缺点：循环速度低；溶液粘度大、沸点高；不易清洗。

适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液。

2.悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器是中央循环管蒸发器的改进。

其加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。

加热介质由中央蒸汽管进入加热室，而在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间有环隙通道，其作用类似于中央循环管。

操作时，溶液沿环隙下降而沿加热管上升，形成自然循环。

一般环隙截面积约为加热管总面积的100～150%，因而溶液循环速度较高(约为 1～1.5m/s)。