NaOH水溶液三效并流加料的蒸发装置行业材料

1、西南科技大学化工原理课程设计说明书设计题目 naoh水溶液三效并流加料的蒸发装置学 院 制造科学与控制工程指导老师 张健平专业班级 过控0803学生学号 20085440学生姓名 王成全完成时间 2011年11月27日目 录1. 设计任务.（3）2. 设计方案简介.（4）3. 三效并流蒸发设计计算（7）4. 蒸发器的主要结构尺寸的计算.（20）5. 蒸发装置的辅助设备的选用计算.（24）6. 三效蒸发器结构尺寸确定（27)7. 参考文献.（29）8. 总结.（30）1设计任务及操作条件1.1设计任务 处理量： 的naoh水溶液 料液浓度：的质量分数 产品浓度：的质量分数 1.2操作条件加料方式

2、：三效并流加料，如图1所示：图 三效并流蒸发系统原料液温度：第一效沸点温度各效蒸发器中溶液的平均密度：，加热蒸汽压强：（绝热），冷凝器压强为（绝热）各效蒸发器的总传热系数：，原料液的比热容为各效蒸发器中溶液的液面高度：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。1.3设备形式： 中央循环式管式蒸发器1.4厂址：四川绵阳1.5工作日：每年按照300天计，每天24小时连续运行。1.6设计内容 （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，包括气

3、液分离器及蒸汽冷凝器等； （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；（8）编写课程设计说明书。2设计方案简介 2.1 设计方案论证多效蒸发的目的是：通过蒸发过程中的二次蒸汽再利用，以节约蒸汽的消耗，从而提高蒸发装置的经济性。目前根据加热蒸汽和料液流向的不同，多效蒸发的操作流程可以分为平流、逆流、并流和错流等流程。本设计根据任务和操作条件的实际需要，采用了并流式的工艺流程。下面就此流程作一简要介绍。并流流程也称顺流加料流程（如图1），料液与蒸汽在效间同向流动。因各效间有较大的压力差，液料自动从前效流到后效，不需输料泵；前效的温度高于后

4、效，料液从前效进入后效呈过热状态，过料时有闪蒸出现。此流程有下面几点优点：各效间压力差大，可省去输料泵；有自蒸发产生，在各效间不必设预热管；由于辅助设备少，装置紧凑，管路短，因而温度损失小；装置操作简便，工艺条件稳定，设备维修工作减少。同样也存在着缺点：由于后效温度低、浓度大，因而料液的黏度增加很大，降低了传热系数。因此，本流程只适应于黏度不大的料液。2. 蒸发器简介随着工业蒸发技术的发展，蒸发设备的结构与型式亦不断改进与创新，其种类繁多，结构各异。根据溶液在蒸发中流动情况大致可分为循环型和单程型两类。循环型蒸发器可分为循环式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等；单程蒸发器包括升膜式、降膜式

5、、升降膜式及刮板式等。还可以按膜式和非膜式给蒸发器分类。工业上使用的蒸发设备约六十余种，其中最主要的型式仅十余种。本设计用了中央循环管式蒸发器，下面就其结构及特点作简要介绍。中央循环管式蒸发器又称标准蒸发器，如下图图2。图 中央循环管式蒸发器1- 加热室 2-分离室 3-蒸发室其加热室由一垂直的加热管束（沸腾管束）构成，管束中央有一根直径较大的管子叫做中央循环管，其截面积一般为加热管束截面积的。加热管长一般为，直径，长径比为。其结构紧凑、制造方便、操作可靠，是大型工业生产中使用广泛且历史长久的一种蒸发器。至今在化工、轻工等行业中广泛被采用。但由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在以下）；管内

6、溶液组成始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温差小；设备的清洗和检修不够方便。其适用于结垢不严重、有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液。3三效并流蒸发设计计算三效并流蒸发设计计算按照图3进行计算。图 并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算3.1各效蒸发量和完成液组成的估计总蒸发量 .（1） 式中 原料液量，；总蒸发量，；原料液溶质的质量分率，无因次；第效中完成的产品质量分率，无因次。则：在蒸发过程中，总蒸发量为各效蒸发量之和，即.（2）式中 各效的蒸发量，。且对于并流加料，因存在闪蒸现象，又蒸发中无额外蒸气引出，可取则，计算出各效的蒸发量：任一效中完成液的组成为.（3）式中 各效完成液溶质的

7、质量分率，无因次。则，计算出各效的质量分率：.各效溶液沸点及有效总温度差的估计设各效间压力降相等，则各效间的平均压力差为.（4） 式中 各效加热蒸汽压力与二次蒸汽压力之差，； 第效加热蒸汽的压力，； 末效冷凝器中的压力，。 则，平均压力差： 由各效压力差可求得各效蒸发室的压力，即： 表1 查得有关资料列表效数 二次蒸气压力 二次蒸气温度 (即下一效加热蒸汽温度)二次蒸气的气化潜热 (即下一效加热蒸气的氢化热).求各效因溶液中溶质存在引起的沸点升高（温度损失） 由公式 .（5） （6）式中 常压下（）由于溶质存在而引起的沸点升高，； 操作压力下由于溶质存在而引起的沸点升高， ； 校正系数； 操作

8、压力下二次蒸汽的温度，； 操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，。由表1有关数据和公式（6）得表2效数 查附录的氢氧化钠溶液在下的沸点得表3效数 溶液的沸点 由表1数据、表2和公式（5）（6）则，求得：各效因溶液中溶质存在引起的沸点升高: 所以.求由于液柱静压力而引起的沸点升高（温度差损失）为简便计，以液层中部点处的压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，则根据流体静力学方程，液层的平均压力为.（7）式中 液层的平均压力，; 液面处的压力，即二次蒸汽的压力，; 溶液的平均密度，;液层高度，;重力加速度，。则得： 溶液的沸点升高为.（8）式中 平均压力下溶液的沸点，； 液面处压力（即二次蒸汽压力）下

9、溶液的沸点，。 作为近似计算，式（8）中的和可分别用相应压力下水的沸点代替，则由液层的平均压力查得相应水的沸点温度为： 则 故.由流动阻力引起的温度差损失由取经验值，各效间的温度差损失取,末效与冷凝器间约为则综合以上三个引起的温度差损失，得总温度损失： .多效蒸发中的有效传热温差 （9）式中 有效总温差，为各效有效温差之和，； 第效加热蒸汽的温度，； 冷凝器的操作压力下二次蒸汽的饱和温度，； 总的温度差损失，为各效温度差损失之和，。各效的温度损失.（10）式中 各效的总温度损失，； 各效中的各种温度损失，。 则： 各效料液的温度 .（11）式中 各效料液的温度，； 各效操作压力下二次蒸汽的温度

10、，。再由式（10）得的数据和式（11）则得： 再由公式（9）可得：由查附录可知饱和加热蒸汽的温度为，汽化潜热为且则： 3. 加热蒸气消耗量和各效蒸发水量的初步计算 由热量衡算式： （12）由上式可求得第效的蒸发量。若在热量衡算式中计入溶液的浓缩热及蒸发器的热损失时，尚需考虑热利用系数。对于一般溶液的蒸发，可取（式中为以质量分率表示的溶液的组成变化）。第效的蒸发量的计算为 （13）式中 第效加热蒸气量, ，当无额外蒸汽抽出时，；第效加热蒸汽的汽化潜热, ；第效二次蒸汽的汽化潜热, ；原料液的比热容, ；水的比热容, ；分别为第效和第效溶液的温度(沸点), 且原料液温度等于第一效沸点温度，即；第效

11、的热利用系数，无因次。则可先求的热利用系数： 第效 .(14)第效 .(15)第效 .(16) 又.(17)联解式(14)至(17),可得： .蒸发器传热面积估算 .(18)式中 第效的传热面积，； 第效的传热速率，； 第效的传热系数，； 第效的传热温差，。 又式（12）则： 误差，误差较大，应调整各效的有效温差，使三个蒸发器的传热面积尽量相等，重复上述计算过程。.有效温差的再分配取平均面积 重新分配有效温差得： .重复上述步骤. 计算各效料液的浓度 . 计算各效料液的温度因末效完成液浓度和二次蒸发汽压力均不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液温度仍为即 则第效加热蒸气的温度（也即第效二次

12、蒸汽温度）为由第效二次蒸汽温度（）及第效料液的浓度（）查杜林线图，得第效料液沸点为。由液柱静压力及流动阻力引起的温度损失可视为不变,故第效的料液温度为 同理 由第效二次蒸汽的温度及第效料液的浓度（）查杜林线图，得第效料液沸点为 。则第效料液的温度为 第效料液的温度也可由下式计算 说明溶液的各种温差损失变化不大，无需重新计算，故有效总温差不变，即： 温差重新分配后各效温度列于表4表4效次 加热蒸汽温度， 有效温差， 料液温度（沸点）， .各效热量衡算查手册得出 第效 .(19)第效 .(20)第效 .(21)又.(22)联解式(19)至(122),可得： 与第一次计算结果比较，其相对误差为： 计

13、算相对误差均在以下，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。.蒸发器传热面积的计算 误差为，迭代计算结果合理，取平均传热面积。.计算结果列表效次 冷凝器加热蒸气温度 操作压力 溶液温度(沸点) 完成液浓度 蒸发量 蒸汽消耗量 传热面积 蒸发器的主要结构尺寸的计算.加热管的选择和管数的初步估算当加热管的规格与长度确立后，可由下式初步估计所需管子数.(23)式中蒸发器的传热面积，由前面的工艺计算决定；加热管外径，取；加热管长度，取。则有： 根.循环管的选择循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减小的原则来考虑的。中央循环管式蒸发器的循环管截面积可取加热管总截面积的。加热管的

14、总截面积可按计算，循环管内径以表示，则： .(24)即：由于管子规格所限，在规格中只能选中故：.加热室直径及加热管数目的确定按正三角形排列，管束中心在线管数根.(25)式中 总加热管数。可采用下式初步估计加热室内径，即：.(26)式中 管心距，为相邻两管中心线之间的距离，由加热管外径选择；其中，取。则： 取由autocad制图:得排管图图4图4 排管图由排管图可数得总加热管数，满足要求。 则再由壳体的尺寸标注可知，取壳体内径，最小壁厚。.分离室直径和高度的确定分离室的体积计算式为 .(27)式中 分离室的体积，； 某效蒸发器的二次蒸气流量，； 某效蒸发器的二次蒸气的密度，； 蒸气体积强度，；即

15、每立方米分离室每秒钟产生的二次蒸汽量，一般允许值为。由（26）式，且取, , 所以： 分离室体积确定后，其高度与直径的关系：由于则求出：.接管尺寸的确定流体进出口的内径按下式计算.(28)式中 流体的体积流量，； 流体的适宜流速，。.1溶液进出口 对于三效并流加料的三效蒸发，第效的流量最大，所以取其为计算量 m3/s因为其流动为强制流动，,所以取则有取管为则实际流速为.2 热蒸汽进口与二次蒸气出口 一般情况下，末效的体积流量最大，所以取其为计算量因为其流动为饱和蒸汽流动，,所以取则有取管为 则实际流速为.冷凝水出口 一般由各效加热蒸汽消耗量较大者来定，而末效的加热蒸汽消耗量最大，所以取为计算量

16、因为其流动为自然流动，,所以取则有 取管 则实际流体流速为蒸发装置的辅助设备的选用计算.气液分离器本设计采用的是惯性式除沫器，其主要作用是为了防止损失有用的产品或防止污染冷凝液体。其性能参数如表5表5 惯性式除沫器性能参数如表捕捉雾滴的直径 压力降 分离效率 气速范围 常压减压惯性式处沫器的主要尺寸可按下列关系确定： 式中 二次蒸汽的管径，； 除沫器内管的直径，； 除沫器外管的直径，； 除沫器外壳的直径，； 除沫器的总高度，； 除沫器的内管顶部与器顶的距离，。所以： ，.蒸汽冷凝器的选型设计.蒸汽冷凝器的选型 本设计采用的是多层孔板式蒸汽冷凝器，其性能参数如表6表6 多层孔板式蒸汽冷凝器性能参

17、数表水气接触 压强 塔径范围 结构与要求水量面积大 大小均可 较简单 较大.设计与选用. 冷却水量的确定查多孔板冷凝器的性能曲线得的进口蒸汽压力，冷却水进口温度,冷却水可冷却蒸汽量为，即，则 ： .(29)式中 进入冷凝器二次蒸汽的流量，； 冷却水量，。与实际数据比，偏小,故设计时取：.冷凝器的直径 取二次蒸汽的流速。则：.(30) .淋水板的设计淋水板板数：因为,取淋水板5块。淋水板间距以经验公式,；即依次计算出： 。弓型淋水板的宽度：最上面一块；其他各块淋水板。淋水板堰高：取。淋水板孔径：冷却水循环使用，取。淋水板孔数：淋水孔流速.(31)式中 淋水孔的阻力系数，； 水孔收缩系数，；淋水板

18、堰高, 。取计算则淋水孔数：考虑到长期操作时易造成孔的堵塞，取最上层孔数应加大即，其它各板孔数应加大5%，即。淋水孔采用正三角形排列。6三效蒸发器结构尺寸确定6.1三效蒸发器主要结构尺寸和计算结果 表7 蒸发器的主要结构尺寸的确定加热管主要结构 设计尺寸加热管（无缝钢管）管径规格 加热管（无缝钢管）长度 加热管（无缝钢管)管数 循环管规格 加热室内径 分离室直径 分离室高度 溶液进出口管径 加热蒸气进出口与二次蒸气出口管径 冷凝水出口管径 表8 气液分离器结构尺寸的确定气压分离器主要结构 设计尺寸 除沫器内管的直径 除沫器外罩管的直径 除沫器外壳的直径 除沫器的总高度 除沫器内管顶部与器顶的距离 表9 蒸汽冷凝器主要结构的确定蒸气冷凝器主要结构 设计尺寸蒸汽冷凝器类型 多层多孔式冷凝器冷却水量 冷凝器的直径 淋水板数 淋水板间距 淋水板间距 淋水板间距 淋水板间距 淋水板间距 弓形淋水板的宽度 淋水板堰高 淋水板孔径 淋水板孔数 7参考文献1 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计m. 天津:天津大学出版社, 2002.2 陈敏恒.化工原理（上）m. 北京:化学工业出版社,2006.3 陈敏恒.化工原理（下）m. 北京: