NaOH水溶液蒸发装置的设计要点Word格式文档下载.docx
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5.1加热管的选择和管数的初步估计……………………………（16）
5.2循环管的选择…………………………………………………（16）
5.3加热管的直径以及加热管数目的确定………………………（16）
5.4分离室直径和高度的确定……………………………………（18）
5.5接管尺寸的确定………………………………………………（19）
6.附属设备的选择……………………………………………………（21）6.1气液分离器……………………………………………………（21）
6.2蒸汽冷凝器……………………………………………………（21）
7.三效蒸发器主要结构尺寸和计算结果……………………………（23）
8.参考文献……………………………………………………………（24）
9.后记及其他…………………………………………………………（25）
10.附录………………………………………………………………（26）
1.概述
1.1蒸发及蒸发流程
蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化单位部分杂质，使溶液得以浓缩的单元操作过程。
蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。
化工生产中蒸发主要用于以下几种目的：
（1）获得浓缩的溶液产品；
（2）将溶液蒸发增浓后，冷却结晶，用以获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品；
（3）脱除杂质，获得纯净的溶剂或半成品，如海水淡化。
进行蒸发操作的设备叫做蒸发器。
蒸发器内要有足够的加热面积，使溶液受热沸腾。
溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动，被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。
蒸发器内备有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，应将其在冷凝器中加以冷凝。
蒸发过程中经常采用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。
1.2蒸发操作的分类
按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。
按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。
若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。
多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。
按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。
真空蒸发有许多优点：
（1）在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积；
（2）可以利用低压蒸气作为加热剂；
（3）有利于对热敏性物料的蒸发；
（4）操作温度低，热损失较小。
在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。
因此，单效蒸发多为真空蒸发；
多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。
1.3蒸发操作的特点
从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。
但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点:
（1）沸点升高蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较同温度下纯溶剂的蒸气压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。
在加热蒸气温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热唇溶剂的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。
（2）物料的工艺特性蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出晶体，或易于结垢；
有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。
如何根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的问题。
（3）节约能源蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸气。
如何充分利用热量，提高加热蒸气的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。
1.4蒸发设备
蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。
蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。
蒸发的辅助设备包括：
使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。
减压操作时还需真空装置。
兹分述如下：
由于生产要求的不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。
对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：
（1）循环型蒸发器
特点：
溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。
操作稳定。
此类蒸发器主要有
a.中央循环管式蒸发器，
b.悬筐式蒸发器
c.外热式蒸发器
d.列文式蒸发器
e.强制循环蒸发器
其中，前四种为自然循环蒸发器。
（2）单程型蒸发器
特点：
溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。
优点：
溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的
蒸发；
温度差损失较小，表面传热系数较大。
缺点：
设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；
不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。
此类蒸发器主要有:
a.升膜式蒸发器，
b.降膜式蒸发器，
c.刮板式蒸发器
1.5蒸发器选型
本次设计采用的是中央循环管式蒸发器：
结构和原理：
其下部的加热室由垂直管束组成，中间由一根直径较大的中央循环管。
当管内液体被加热沸腾时，中央循环管内气液混合物的平均密度较大；
而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。
在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，而由加热管上升，做自然循环流动。
溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数，强化了蒸发过程。
这种蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用十分广泛，有"
标准蒸发器"
之称。
为使溶液有良好的循环，中央循环管的截面积，一般为其余加热管总截面积的40%～100%；
加热管的高度一般为1～2m；
加热管径多为25～75mm之间。
但实际上，由于结构上的限制，其循环速度一般在0.4～0.5m/s以下；
蒸发器内溶液浓度始终接近完成液浓度；
清洗和维修也不够方便。
2.设计任务
2.1设计任务
（1）蒸发器处理能力为年产96000吨NaOH水溶液；
（2）每年按照300天计，每天24小时；
（3）NaOH水溶液的原料浓度为12％，完成液体浓度为30％；
（4）蒸发器的设备形式为中央循环式管式蒸发器；
（5）厂址选为长沙地区。
2.2操作条件
（1）加热汽压力为500kPa（绝热），冷凝器的绝压为20kPa（绝热）；
（2）各效蒸发器的总传热系数分别为K1=1800W/（m2·
℃）、K2=1200W/（m2·
℃）、K3=600W/（m2·
℃）；
（3）三效蒸发器中各效平均密度依次为1120kg/m3、1290kg/m3、1460kg/m3；
（4）原料液的比热容为3.77KJ/（Kg/0C），原料液温度为第一效沸点温度；
（5）蒸发器中溶液的液面高度为1.2m；
（6）各效加热蒸发汽的冷凝液在饱和温度下排出，忽略热损失。
3.设计条件及设计方案说明
本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，在工业上被称为标准蒸发器。
其特点是结构紧凑、制造方便、操作可靠等。
它的加热室由一垂直的加热管束构成，在管束中央有一根直径较大的管子，为中央循环管。
在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，每一效的温差不能小于5～7。
通常，对于沸点升高较大的电解质溶液，应采取2～3效。
由于本次设计任务是处理NaOH溶液。
这种溶液是一种沸点升高较大的电解质，故选用三效蒸发器。
另外，由于NaOH溶液是一种粘度不大的料液，故多效蒸发流程采用并流操作。
多效蒸发器工艺设计的主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。
计算的主要项目有：
加热蒸气的消耗量，各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积等。
多效蒸发器的计算一般采用迭代计算法。
4.物性数据及相关计算
4.1估计各效蒸发量和完成液浓度
年产量：
96000吨，且每年按照300天计算，每天24小时。
总蒸发量：
因并流加料，蒸发中无额外蒸气引出，可设
4.2估计各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差
设各效间压力降相等，则总压力差为
各效间的平均压力差为
由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即
由各效的二次蒸气压力，从手册中可查得相应的二次蒸气的温度和气化潜热列于下表中。
表4-1二次蒸气的温度和气化潜热
效数
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
二次蒸气压力
340
180
20
二次蒸气温度
（即下一效加热蒸汽的温度）
137.7
116.6
60.1
二次蒸气的气化潜热
（即下一效加热蒸汽的气化潜热）
2155
2214
2355
（1）各效由于溶液沸点而引起的温度差损失
根据各效二次蒸气温度（也即相同压力下水的沸点）和各效完成液的浓度，由水溶液的点杜林线图可查得各效溶液的沸点分别为
则各效由于溶液蒸气压下降所引起的温度差损失为
所以
（2）由于液柱静压力而引起的沸点升高（温度差损失）
为简便计算，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
所以
由平均压力可查得对应的饱和温度为
（3）由流动阻力而引起的温度差损失
取经验值,即,则
故蒸发装置的总温度差损失为
（4）各效料液的温度和有效总温差
由各效二次蒸气Pi＇及温度差损失，即可由下式估算各效料液的温度，
有效总温度差
由手册可查得500kPa饱和蒸汽的温度为、气化潜热为，所以
4.3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算
第Ⅰ效的热量衡算式为
对于沸点进料,，考虑到NaOH溶液浓缩热的影响，热利用系数计算式为
第Ⅱ效的热量衡算式为
对于第Ⅲ效，同理可得
又因为
联解上面各式，可得
4.4蒸发器传热面积的估算
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