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

/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:2指导教师：张红霞一、题目：39．６kt／ａNａOH溶液三效蒸发装置设计二、目的与意义通过本次课程设计，了解进行化学工程单元操作设计的基本内容，掌握设计的程序和方法，培养训练分析和解决工程实际问题的能力。树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度责任感的工作作风和严谨的科学态度，提高独立工作能力。三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等)１、设计条件:ＮａOH溶液处理量：３9。6kt/a；溶液浓度１0%，温度３0℃完成液含NａＯＨ浓度３2％。每年按330天计算。2、课程设计内容和要求：(１)确定设计方案；（2）蒸发过程工艺计算；(3）蒸发器主要结构尺寸设计;（4）主要辅助设备选型；（5)蒸发过程工艺流程图绘制；(6)编制课程设计说明书。四、工作内容、进度安排1２月26１2月2７日～12月3１日1月４日五、主要参考资料[1]高俊等。化工原理课程设计。呼和浩特：内蒙古大学出版社：2010：3~19[2］贾绍义，柴诚敬。化工原理课程设计。天津：天津大学出版社．200２：73~100[3］柴诚敬,张国亮.化工流体流动与传热.北京：化学工业出版社.2007:29８～３２７审核意见系(教研室）主任（签字）指导教师下达时间20１1年：12月23日指导教师签字：_＿＿＿___＿__＿____2０09级化工单元操作课程设计任务书设计题目NaOＨ水溶液三效并流加料蒸发装置的设计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＝１2３9kｇ／m３；（2）加热蒸气压强为500ｋPa(绝压），冷凝器压强为15kPａ(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.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1ﻬ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．.．．。.。.。.．.．。.．..．．．．..．.。.．。．．.。。．。.２ﻬ(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3ﻬ（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=5００0kgW＝Ｆ（1—EQ)＝5０00×（1-EQ)=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。1：１.2Ｗ=W１+W2＋W3＝3.3Ｗ1解得Ｗ１＝=１041.6７kgＷ2=１041.67×１。1＝1145。837kg/ｈW３＝1041。6７×1．2＝1250.004kg／h=＝＝０。１26=＝＝0．178=０．322.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：＝=60０-１5=585kPa各效间的平均压强差为＝=＝１９5ｋPa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：4效数参数12３二次蒸汽压强,ｋPａ405２1０１5二次蒸汽温度，℃（即下一效加热蒸汽温度)１43.81２1。4５３。5二次蒸汽的比汽化焓，kj/ｋg（即下一效加热蒸汽的比汽化焓）2１37.222０0.8２370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(亦即相同压强下水的沸点）和各效完成液的浓度,由NaOH水溶液的杜林线图查的各效溶液的沸点分别为:＝１50℃=1３0℃＝则各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失为＝-=15０—1４３。８=6。2℃＝-＝13０-1２1.４=８.6℃=－=78-53.５=24。5℃所以＝6。2+8。6+２4.5=３9。３℃各效由于溶液静压强所引起的温度差损失根据=得5=405×103＋＝418．77×103Pa=418。７7kPa＝210×103＋=224．3×103Pa=２2４。3kPa=1５×103+＝30。59×103Pa=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：=14５。39℃=123.８8℃从而得=—=145。3９-143．8=1。５9℃=－=123.88—121．4=2。48℃=－＝6９.11—５3。5=15．61℃所以＝++＝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℃所以=+＋＝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＝＋＝14３.8+6。２+1．59+1＝1５2.59℃＝＋＝１２1.4＋8.6+２。48＋1=133．4８℃＝+=53.5＋24。5+15.61＋1＝94．6１℃有效总温度差=＝(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：因沸点进料，故＝＝0。9８—0.7×(-）=0.9８—0.7×（0。126-０。１）＝0。9618=０．9６１8×=0.921５（a)第二效的焓衡量式为：＝０．９８—0．7×（-)＝０。９8－0．７×（０．178—0。1２6）＝0.９436查表得4。１８7ｋj/(ｋg·℃)=0。9436=０．8８1９＋151.58（b）第三效的焓衡量式为:＝0.98-0。7×(－）＝０．98—0.7×(０。３２—０．178）＝０．8806查表得4。187ｋｊ/（ｋg·℃）＝0.８8=0.88（0。9286+30３。４２－0．0686７-０．0６８67)=0．7573＋２６７。19—0。0６０４7（ｃ）+＋＝3437.5kｇ／h（d)联立（a)、（b）、（c）、（ｄ）式,解得＝１265．９5kg＝１16６.57ｋg=1180.38kg=１０90．55kg４.估算蒸发器的传热面积8＝1265。9５×2０８６＝7335４7。69＝11６6．57×２1３7。2＝６92553。72＝118０．38×22０0.8＝7216０５。64＝1５8．86－1５２．59=6。27℃=１４３.8－１33.48=10。32=1２1。4—94。61=26．=＝64．996＝=55.9２3＝=44。893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＝５０。4２即=8.０8=１1.4５℃＝23。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：=＝0.1304==0。1８85(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，故末效溶液的沸点不变。则第三效加热蒸汽温度（即第二效二次蒸汽温度）为：＝9４。61+23.85=11由第二效的二次蒸汽温度及查杜林线图得第二效溶液的=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:＝１28.8+２．48＋１＝110同理＝13２.2８+11.45=143=158.86-8。08=150。78温差重新分配后各效温度情况如下：效数参数12３加热蒸汽温度，℃158.８614３。73１18。４6温度差，℃8。0８11．4523．８5溶液沸点，℃150．78132．２８９4．61蒸汽的比汽化焓,kj/kg2133.52209.2２3７３。5比热容,KJ（kg·℃)4。1８74.18７(３）各效的焓恒算＝0。9８－０.7×(—）=0．９8-0．7×（0。130４-0。１）=０。9５8７＝=0。9587×=0。９374（a)=０.98-0.7×（—）=0.98－0．7×（０.1８85－0.13０4）=０。93９３11＝0．9393＝０。9393（０.９66+1５5.0９—0.０３5１）＝0.87４+145．67（b）=0。98-０．７×(—）=0.98-０．7×(0．32－0．1885)=0.888=0。88８＝0．８８８（0．93１＋２93.６1—0。06６5—0.０665）＝０。７677＋26０。73-0。０５91（c）＋＋＝34３7.5（d)１２ﻬ联立（ａ）、（ｂ)、(c）、（d）得=1252。76kｇ＝１17４.３４kｇ=1１72．０5ｋg=109１.１1kg核对，1—及相对误差均小于0.0５故计算的值W符合(4）计算蒸发器的传热面积＝１２52。７6×２086＝７25904．82＝1174.34×2１３3。５=695959。55=1172.0５×220９．2＝719２48。02＝1５１。7－139。２=１2.5℃=1８.5℃=3１.2℃==49.91＝＝50.６5＝=５0。２６误差估算误差结果合理7.计算结果列表效数参数123冷凝器加热蒸汽温度,℃158。861４3．７3118。4653。５操作压强,kPa418。77224.２9１36.5715溶液沸点，℃150．７8132。2８94。61完成液浓度，％13.041８。8532蒸发水量，kg／h1174．3４１１72.0５1０91。11生蒸汽量,kｇ/h１2５2。76传热面积，4９.9１５0．６550。26ﻬ(三）蒸发器主要工艺尺寸的设计计算1．加热管的选择和管数的初步估计选用d0＝mｍ规格的无缝钢管，长度为L=3m估算管子数2．循环管的选择内径的计算公式整理得因为和相差不大，所以统一用一种规格的循环管。mm3.加热室直径和加热管数目的确定（1)管心距离:加热管外径dmm１９25385770管心距ｔ,mm２53248根据上表可以确定，外径是38mm所对应的t=48(2）计算管数中心线上管数正三角形：（为奇数)1５（3）初估加热室内径（）（4）作图，见第2张草图４。分离室直径与高度的确定分离室体积的计算公式（m3