化工原理设计说明书-三效并流蒸发器

设计题目：NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的设计设计者：设计日期：年月日审核：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=1060kg/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1目录（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......................................2（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。

1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。

2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3（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/hＷ＝Ｆ(1-10x x )＝5000×（1-25.005.0）＝4000kg/h 因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设Ｗ1: Ｗ2: Ｗ3＝1.0:1.1:1.2Ｗ＝Ｗ1＋Ｗ2＋Ｗ3＝3.3Ｗ1解得Ｗ1＝3.34000＝1212 kg/h Ｗ2＝1212×1.1＝1333kg/hＷ3＝1212×1.2＝1454kg/h1x ＝10W F Fx -＝1212500005.05000-⨯＝0.0662x ＝210W W F Fx --＝13331212500005.05000--⨯＝0.1023x ＝0.252.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＝500-15＝485 kPa各效间的平均压强差为i ∆P ＝3∑∆P ＝3485＝161 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iA t ,分别为:1,A t ＝138.5℃ 2,A t ＝123.1℃ 3,A t ＝65.3℃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 ＝138.5-137.6＝0.9℃'2∆＝2,A t -'2T ＝123.1-116.2＝6.9℃'3∆＝3,A t -'3T ＝65.3-53.5＝11.8℃ 所以∑∆＝0.9＋6.9＋11.8＝19.5℃(2) 各效由于溶液静压强所引起的温度差损失''∆ 根据 m P ＝2'glρ+P得51,m P ＝339×103＋25.181.91014⨯⨯＝346×103Pa ＝346kPa 2,m P ＝178×103＋25.181.91060⨯⨯＝186×103 Pa ＝186kPa 3,m P ＝15×103＋25.181.91239⨯⨯＝24×103 Pa ＝24kPa 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 ＝138.3℃ 2,m T ＝117.6℃ 3,m T ＝65.0℃从而得''1∆＝1,m T -'1T ＝138.3-137.6＝0.7℃''2∆＝2,m T -'2T ＝117.6-116.2＝1.4℃''3∆＝3,m T -'3T ＝65.0-53.5＝11.5℃所以∑∆''＝''1∆＋''2∆＋''3∆＝0.7＋1.4＋11.5＝13.6℃ （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℃ （4）各效溶液的沸点和有效总温度差溶液的沸点1t ＝'1T ＋1∆＝137.6＋0.9＋0.7＋1＝140.2℃ 2t ＝'2T ＋2∆＝116.2＋6.9＋1.4＋1＝125.5℃3t ＝'3T ＋3∆＝53.1＋11.8＋11.5＋1＝77.3℃有效总温度差∑∆t ＝()∑∆--'1k T T ＝（151.7-53.5）-（19.5＋13.6＋3）＝62.1℃63.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10t t =1W ＝'1111r r D η1η＝0.98-0.7×（1x -0x ）＝0.98-0.7×（0.066-0.05）＝0.968881W ＝0.96888×215521131D ⨯＝0.94991D （a ） 第二效的焓衡量式为：2η＝0.98-0.7×（2x -1x ）＝0.98-0.7×（0.102-0.066）＝0.9548查表得=1,W p c 4.282 kj/(kg ·℃)2W ＝0.9548()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯-⨯+⨯22155.1252.140)282.47.35000(2215215511W W ＝0.90181W ＋117.2＝0.85661D ＋117.2 （b ）7第三效的焓衡量式为：3η＝0.98-0.7×（3x -2x ）＝0.98-0.7×（0.25-0.102）＝0.8764查表得=2,W p c 4.245kj/(kg ·℃)3W ＝0.8764()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯-⨯-⨯+⨯23703.775.125)245.4282.47.35000(23702215212W W W ＝0.8764（0.93462W ＋376.3-0.08711W -0.08632W ）＝0.74352W ＋329.8-0.07631W＝0.7435×（0.85661D ＋117.2）＋329.8-0.0763×0.94991D ＝0.56441D ＋416.9 （c ）1W ＋2W ＋3W ＝4000 （d ）联立（a ）、（b ）、（c ）、（d ）式，解得1D ＝1462kg/h1W ＝1389kg/h2W ＝1369kg/h3W ＝1242kg/h4.估算蒸发器的传热面积8111r D Q =＝1462×2113＝3089206W'112r W Q =＝1389×2155＝2993295W'223r W Q =＝1369×2215＝3032335W111t T t -=∆＝151.7-140.2＝11.5℃2'1222t T t T t -=-=∆＝137.6-125.5＝12.1℃3'2333t T t T t -=-=∆＝116.2-77,3＝38.9℃1111t K Q S ∆=＝5.311.5150********÷⨯＝49.752m 2222t K Q S ∆=＝5.312.110002993295÷⨯＝68.722m 3333t K Q S ∆=＝5.338.96003032335÷⨯＝36.082m 误差估算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＝44.922m9即11'1t S S t ∆=∆＝=⨯5.1192.4475.4912.74℃22'2t S S t ∆=∆＝=⨯5.1192.4475.4918.52℃ 33'3t S S t ∆=∆＝=⨯5.1192.4475.4931.24℃ 6.重复上述计算步骤（1）由所求得的各效蒸汽量。