化工原理课程设计--双效并流蒸发器设计-其他专业

1、课 程 设 计授课时间：20112012年度 第 1 学期题 目： 双效并流蒸发器设计 课程名称： 化工原理课程设计 专业年级： 学 号： 姓名： 成 绩： 指导教师： 2011年12月20日目录第1章 设计方案简介1第2章 工艺流程图及说明1第3章 工艺计算及主体设备选型；13.1 估计各效蒸发量和完成液浓度13.2 估计各效溶液的沸点和有效总温度差23.2.1 各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失33.2.2 由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失33.2.3 由于管道流动阻力产生的压强降所引起的温度差损失43.2.4 各效溶液的沸点和有效总温度差43.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水

2、量的初步计算43.4 蒸发器的传热面积估算63.5 有效温度差的再分配63.6 主体设备选型73.6.1 汽液分离器73.6.2 蒸汽冷凝器8第4章 设计结果汇总表11第5章 设备布置流程图.12第6章 参考文献12第7章 设计评述13课程设计任务安排表学院班级：课程名称： 化工原理课程设计 填写时间：_2011_年_12_月_2_日课程设计任务设计题目：双效并流蒸发器设计设计条件：采用双效并流加料将10 %的NaOH水溶液浓缩到30 %。蒸发能力：10000 kg/h；第I效的加热蒸汽压力：450 kPa(绝压)；冷凝器的绝压为：35kPa；第I效蒸发器的总传热系数：2000 W/(m2&#

3、183;K)，溶液密度1200 kg/m3；第II效蒸发器的总传热系数：1200 W/(m2·K)，溶液密度1300 kg/m3 m；设计内容：计算蒸发器的传热面积（设两效的传热面积相等）。学生姓名学号参 考文 献1 贾绍义，柴诚敬主编. 化工原理课程设计. 天津：天津大学出版社，2002.2 蕲明聪，程尚模，赵永湘. 换热器. 重庆：重庆大学出版社，1990.3 魏兆灿. 塔设备设计. 上海：上海科学技术出版社，1988.4 聂清德编. 化工设备设计. 北京：化学工业出版社，1991.5 袁林根. 机械工程手册（第二版）. 北京：机械工业出版社，1997.6 时钧主编. 化学工程手

4、册. 北京：化学工业出版社，1996.7 匡国柱. 化工单元过程及设备课程设计. 北京：化学工业出版社，2006.8 陈英南，刘玉兰主编. 常用化工单元设备的设计. 广东：华东理工大学，2005.设计的基本要求、任务、研究的问题通过课程设计，要求学生能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通、独立思考，在规定的时间内完成指定的化工单元操作的设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。完成设计方案的简介、蒸发工艺设计计算、绘制工艺流程图设 计进 度安 排12月13日，布置任务，查阅、收集相关设计资料、参考文献等；12月14日，完成设计计算；12月15日，完成设计说明书。指导教师（签名）：_

5、 _ _职称：_ _ _ 主要符号说明：原料液中溶质的质量分数；：完成液中溶质的质量分数，；：第I效的加热蒸汽压力；：NaOH溶液的蒸发能力，即溶液的进料量；：过程总蒸发量；：第I效蒸发器的总传热系数；：第I效蒸发器中溶液密度；：第II效蒸发器的总传热系数；：第II效蒸发器中溶液密度；：原料液的比热；：蒸发器中溶液的液面高度；：蒸发器中液面和底层的平均压强：二次蒸气的压强，即液面处的压强：溶液的平均密度，：第i效的传热速率，W：第i效的传热系数，W/（m2.）：第i效的传热温度差， ：第i效的传热面积，m2第1章 设计方案简介化工原理课程设计要求我们综合运用化工原理、化工设备机械基础、化工仪表

6、自动化等课程及有关先修课程所学知识，完成以化工单元操作为主的一次工程设计，主要内容包括化工工艺设计和化工设备结构设计。从而对我们进行一次设计技能的基本训练，培养学生综合运用所学的书本知识解决实际问题的能力。通过课程设计，要求能够综合运用本课程和前修课程的基本知识进行融会贯通，并在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。蒸发操作条件的确定主要指蒸发器加热蒸汽的压强（或温度），冷凝器的操作压强（或温度）的确定，正确选择蒸发的操作条件，对保证产品质量和降低能耗极为重要。本课程设计是双效并流设计。第2章 工艺流程图及说明第3章 工艺计算及主体设备选型；3.1 估计各效蒸发量

7、和完成液浓度过程总蒸发量： 已知，原料液中溶质的质量分数，完成液中溶质的质量分数，则：假设各效蒸发量相等，则第效蒸发量为：因而初估各效完成液的浓度为：3.2 估计各效溶液的沸点和有效总温度差为求各效溶液沸点，需假定各效操作压强。加热蒸汽压强=450,冷凝器中的操作压强，其它各效二次蒸汽压强可按各效间蒸汽压强降相等的假设来确定。 即各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差为：故第效二次蒸气压强为： 由可查得或计算得到对应蒸汽的温度和汽化潜热，如表3-1，同时前一效的二次蒸汽即为后一效的加热蒸汽。对于饱和水蒸汽，已知压强（或者温度）时可通过饱和水蒸汽表查取对应的温度（或者压强）、汽化潜热。表3-1 二次

8、蒸汽温度和相应的汽化潜热蒸汽压力温度汽化潜热一效二次蒸汽二效二次蒸汽 各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失则 f= = = f= =0.43+1.49=式中 f - 校正因数，无因次，- 常压下由于溶液蒸汽压下降引起的温度差，- 实际压力下水的沸点，r实际压力下水的蒸发潜热，kJ/kg。 由于蒸发器中溶液静压强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 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，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

9、压强近似按静力学方程估算：=+式中 蒸发器中液面和底层的平均压强，Pa二次蒸气的压强，即液面处的压强，Pa溶液的平均密度，kg/液层高度,mg重力加速度，m/ 根据=+取液位高度L=由 NaOH水溶液比重图可得下列数据:NaOH水溶液密度为(kg/)，则 = = 根据各效溶液平均压强查附录九得对应的饱和溶液温度为: T=； T =根据 = 式中 -根据平均压强求取NaOH溶液的沸点，-根据二次蒸气压强求得水的沸点所以 1= T- T=120.29-118.83= 2= T- T=77.83-70.75= =1.45+7.08= 由于管道流动阻力产生的压强降所引起的温度差损失由于管道流体阻力产生

10、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,取经验值1 各效溶液的沸点和有效总温度差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 =+ =1.92+8.53+3= 溶液的沸点 ti=Ti+ 0.43+1.45+1=2.88 1.49+7.08+1= 所以各效溶液沸点：t=121.72 t=由手册可查得400KPa饱和蒸汽压的温度为，汽化热为2138.5 KJ/kg，所以3.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算第i效的焓

11、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4x（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，kg/h，当无额外蒸汽抽出时= ； -第i效加热蒸气的汽化潜热，kJ/kg ； - 第i效二次蒸气的汽化潜热，kJ/kg；-原料液的比热 ， ； -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，对于加热蒸汽消耗量，可列出各效焓衡算式并与式联解而求得。 第一效的焓衡量式为: 5-0.10)=0.945进料，=3.70kJ/(kg.)，

12、kJ/(kg.)，查课本附录九得=21 kJ/kg,对于沸点进料，=45 =0.92 (a)同理第二效的热衡算式为:=8(0.3-0.15)=0.875所以 5+(100000-4.187)=+577 (b)=52 (c)又+=6667 (d) 联立(a),(b),(c),(d)式,解得:=kg/h；= kg/h= kg/h； = kg/h3.4 蒸发器的传热面积估算任意一效的传热速率方程为:= 式中 -第i效的传热速率，W-第i效的传热系数，W/（m2.） -第i效的传热温度差， -第i效的传热面积，m2 在双效蒸发中，为了便于制造和安装，通常采用各效传热面积相等的蒸发器，即 = =S误差为

13、误差很小，在误差允许范围之内,故计算得各效蒸发面积合理。其各效溶液浓度无明显变化不必再算。3.5 有效温度差的再分配平均传热面积：重新分配有效温度差得：；所以计算结果合理,取平均面积的=(m2完成液的浓度为：， 主体设备选型蒸发装置的设备主要包括汽液分离器和蒸汽冷凝设备，还需要真空泵，疏水器等辅助设备。3.6.1 汽液分离器蒸发操作时，二次蒸汽中夹带大量液体，虽在分离室得到了初步分离，但是为了防止有用的产品损失或污染冷凝液体，还需设置器液分离设备，以使雾沫中的液体凝聚与二次蒸汽分离，故气液分离器又称除沫器。其类型较多，在分离室顶部设置的有简易式，惯性式及网式除沫器等，在蒸发器外部设置的有折流式

14、，旋流式及离心式除沫器等。惯性式除沫器是利用带有液滴的二次蒸汽在突然改变方向时，液滴因惯性作用而与蒸汽分离，它的结构比较简单。因此，本次设计采用惯性式除沫器。惯性式除沫器主要尺寸的计算： 式中： 所以，以上除沫器内管选用的不锈钢无缝钢管,除沫器外罩管选用的不锈钢无缝钢管，除沫器外壳直径选的不锈钢无缝钢管。3.6.2 蒸汽冷凝器.2.1 冷凝器主要类型冷凝器的主要作用是用冷凝水将二次蒸汽冷凝。冷凝器分为直接接触式冷凝器和间壁式冷凝器，当二次蒸汽为水蒸气不需要回收时，可采用直接接触式冷凝器，使二次蒸汽与冷凝水直接接触进行热交换，其冷凝效果好，结构简单，操作方便，造价低廉，因此，本次实验采用直接接触

15、式冷凝器。直接接触式冷凝器包括多孔板式，水帘式，填充塔式及水喷射式等。多孔多板式是目前广泛使用的型式之一。冷凝器内装有49块不等距的多孔板，冷凝水通过板上小孔分散成液滴与二次蒸汽接触，接触面积大，冷凝效果好。但多孔易堵塞，二次蒸汽在折流过程中压力增大，所以也采用压力较小的单层多孔板冷凝器，但冷凝效果差。水帘式冷凝器内装有34对固定的环形和圆形隔板，使冷却水在隔板间形成水帘，二次蒸汽通过水帘式被冷凝。其结构简单，压力较大。填充式冷凝器，塔内上部装有多孔板式液体分布板，塔内装填拉西环填料。冷水与二次蒸汽在填料表面接触，提高了冷凝效果。适用于二次蒸汽量较大的情况及冷凝具有腐蚀性气体的情况。水喷射式冷

16、凝器，冷却水依靠泵加压后经喷嘴雾化使二次蒸汽冷凝。不凝气也随冷凝水由排水管排出。此过程产生真空，则不需要真空泵就可以造成和保持系统的真空度。但单位二次蒸汽所需的冷却水量大，二次蒸汽量过大时不宜采用。各种型式蒸汽冷凝器的性能比较如下表：表3-4 各种型式蒸汽冷凝器的性能比较项目型式多层多孔板式单层多孔板式水帘式填充塔式水喷射式水气接触面大较小较大大最大压强降1067-2000Pa小，可不计1333-3333Pa较小大塔径范围大小均可不宜过大二次蒸汽量结构与要求较简单简单较简单，安装有一定要求简单不简单，加工有一定要求水量较大较大较大较大最大其它孔易堵塞适于腐蚀性蒸汽 综合考虑各种设备的性能，本设

17、计选用水喷射式冷凝器。3.6.2.2 工作水量的计算对以冷凝为主的水喷射式冷凝器，其冷却水用量决定于被冷凝蒸汽的热焓、冷却水的进出口温度，可按下式计算：式中： 。3.6.2.3 喷射器结构尺寸计算（1）喷嘴数及喷嘴直径:通过一个喷嘴的水流速度为: 。工作水进口压强选370，吸入压强为20，即=370-20=350 喷嘴直径，在水质清洁时可取后，喷嘴个数的确定为： ，选，由上式得： 所以， （2）文氏管喉部直径： 式中：所以， 选，即 （3）水喷射器其它各部尺寸按下列范围选取：文氏管喉管长度 文氏管收缩口直径 文氏管收缩段长度 文氏管收缩角度 文氏管扩散段直径 文氏管扩散段长度 文氏管扩散段角度

18、 左右 进水管直径与进蒸汽管直径可按一般原则计算，但管内水流速不宜太高，否则电耗增大，取较好；蒸汽流速则随真空度不同而变化，当真空度在73-95时，其最大流速为不等。（1） 进水管直径： ，圆整为89（2）进蒸汽管直径： ，圆整为3.6.2.4 射流长度的决定 喷射水的射流长度，是指喷嘴出口处到聚焦点的水柱长度。该长度越长，汽室就越高。实践证明，射流长度以不出现散流为度，及设计水喷射冷凝器时，既要考虑到有利于热交换，又要照顾到不凝性气体的排除能力。通常从换热观点要求越长接触面积越大；但过长则射流速度大大减慢，必将严重影响排出不凝性气体的能力，以致无法获得预期的真空度。喷射冷凝器的射流长度与喷嘴

19、直径关系大致如表，设计时可参考。表3-4 喷射冷凝器的射流长度与喷嘴直径关系喷嘴直径，喷射水流长度，16201215581500200012001500200500喷嘴直径,喷射水流长度为1800。第4章 设计结果汇总表表1：效数III加热蒸汽温度Ti, 141操作压力, kPa2435溶液温度（沸点）ti, 1完成液浓度xi, %蒸发量Wi, kg/h3蒸汽消耗量D, kg/h33传热面积Si, m251表2：蒸发器尺寸加热管长度3000循环管内径加热管管径加热管数目108根加热室内径1000分离室内径1100分离室高度接管尺寸溶液进出口管加热蒸汽与二次蒸汽接管冷凝水出口管气液分离器除沫器外

20、壳直径除沫器总高度500除沫器内管顶部与器顶距离112二次蒸汽管径249除沫器内管直径249外罩管直径蒸汽冷凝器喷嘴个数2喷嘴直径文氏管喉管长110文氏管收缩口直径62文氏管收缩段长度88文氏管收缩角度12文氏管扩散段直径66文氏管扩散段长度263文氏管扩散段角度4进水管直径进蒸汽管直径第5章 设备布置流程图第6章 参考文献1 贾绍义，柴诚敬主编. 化工原理课程设计M. 天津：天津大学出版社，2002.2 蕲明聪，程尚模，赵永湘. 换热器M. 重庆：重庆大学出版社，1990.3 魏兆灿. 塔设备设计M. 上海：上海科学技术出版社，1988.4 聂清德编. 化工设备设计M. 北京：化学工业出版社，1991.5 袁林根. 机械工程手册（第二版）M. 北京：机械工业出版社，1997.6 时钧主编. 化学工程手册M. 北京：化学工业出版社，1996.7 匡国柱. 化工单元过程及设备课程设计M. 北京：化学工业出版社，2006.8 陈英南，刘玉兰主编. 常用化工单元设备的设计M. 广东：华东理工大学，2005.9第7章 设计评述化工原理是在研究化学工业共性的基础上发展起来的。本课程属于技术基础课