三效蒸发装置设计.docx

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三效蒸发装置设计

三效蒸发装置设计

化工原理课程设计

–––––三效蒸发装置设计

班级:

高073（杏）

姓名:

韩彪

指导老师:

朱国华

3、

预热器的设计或选型

4、

泵的设计或选型

设计要求：

1、

画一张详细（最好带控制点的）工艺流程图

2、

编写一份规范的设计说明书

第一章蒸发装置的设计…………………………………………………………

（1）

第一节设计方案简介…………………………………………………………

（2）

第二章工艺流程草图及说明……………………………………………………（4）

第三章工艺计算及主体结构计算………………………………………………（5）

第一节多效蒸发的工艺计算…………………………………………………（5）

第二节蒸发器的主要结构尺寸计算………………………………………………（14）

第四章蒸发装置的辅助设备……………………………………………………（19）

第五章主要设备强度计算及校核………………………………………………（22）

第六章设计一览表及总结………………………………………………………（23）

参考文献……………………………………………………………………………………（25）

第一章蒸发装置的设计

本章符号说明

英文字母希腊字母

c—比热容，kJ/（㎏·℃）；—对流传热系数，W/（m2·℃）；

d—管径,m；—温度差损失，℃；

D—直径,m；—有限差值；

D—加热蒸汽消耗量,kg/h；—误差；

e—单位蒸汽消耗量,kg/kg；—热损失系数；

f—校正系数；—阻力系数；

F—进料量,kg/h；—导热系数，W/（m·℃）；

g—重力加速度,m/s2；—黏度，Pa·s；

h—高度,m；—密度，kg/m3；

H—高度,m；—总和；

k—杜林线的斜率；—系数。

K—总传热系数,W/（m2·℃）；下标

L—液面高度，m；1、2、3—效数的序号；

L—淋水板间距,m；0—进料量；

n—效数；A—仅考虑溶液蒸汽压降低；

n—管数；i—内侧的；

n—第n效，效数序号；K—冷凝器的；

p—压强,Pa；L—溶液的；

q—热通量,W/m2；m—平均；

Q—传热速度,W；o—外侧的；

r—汽化热,kJ/㎏；p—压强；

R—热阻,m2·℃/W；s—污垢的；

S—传热面积,m2；s—秒；

t—溶液的沸点,℃；V—蒸汽的；

t—管心距,m；W—水的；

T—蒸汽的温度,℃；w—壁面的。

u—流速,m/s；上标

U—蒸发强度,kg/（m2·h）；△′—二次蒸汽的；

V—体积流量,m3/s；△′—因溶液蒸汽压下降而引起的；

W—蒸发量,kg/h；△″—因液柱静压强而引起的；

W—质量流量,kg/s；

x—溶液的质量分数

第一节设计方案简介

蒸发操作是将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，将其中的挥发性溶剂部分溶化，目的主要是获得浓缩的溶液，有时也为得到纯净的溶剂。

蒸发装置的设计任务是：

确定蒸发的操作条件、蒸发器的形式及蒸发流程；进行工艺计算，确定蒸发器的传热面积及结构尺寸。

一、蒸发器的类型与选择

随着工业技术的发展，新型蒸发器不断出现。

在工业中常用的间接加热蒸发器分为循环型和单程型两大类。

循环型的蒸发器中有中央循环管式、悬筐式、外加热式、列文式及强制循环式等，单程型的蒸发器有升膜式、降膜式、升—降膜式及刮板式等。

本次实验主要探讨外加热式循环蒸发器，其结构特点和适用的场合如表1-1所示。

表1-1外加热蒸发器的结构特点与性能

形式

结构特点

优点

缺点

外加热式

料液在加热管中沸腾形成汽液两相流，与管中未沸腾的料液间产生密度差，从而产生溶液的循环。

由于循环管在加热室外部，使溶液循环具有较大的推动力

1、便于清洗和更换，同时降低了蒸发器总高度

2、循环速度大，加热面积不受限制，可达数百甚至上千平方米，并可设置多个加热器

加热管较长，有效温度差要求较大，限制了多效使用

随着医药、生物、食品等工业的飞速发展，蒸发设备及蒸发技术不断改进和创新。

其发展趋势大致有如下几个方面。

（一）开发新型、高效蒸发器

新型、高效蒸发器的研究开发有如下途径：

1、研制设备更加紧凑，提高液体速度，增加液膜湍动，缩短料液在设备中停留时间胡高效、节能型蒸发器。

2、通过改进加热表面形状来提高加热效果。

3、在蒸发器中插入不同形式的湍流元件，可使沸腾液体侧的对流传热系数提高50%以上。

4、不同结构蒸发器的组合，如长管降膜——短管自然循环组合式蒸发器，不但提高了传热速率，而且减缓胃结垢速率。

（二）蒸发与其他单元操作相结合

将蒸发与其他化工单元操作结合，构成集成式的工艺流程，如蒸发干燥、蒸发分馏、蒸发结晶等。

其中最具代表性胡是强制循环蒸发结晶器及奥斯陆型蒸发结晶器，可在一个系统同时完成加热、蒸发及结晶等过程。

（三）蒸发器传热的强化及防除垢技术

蒸发器传热的强化及防除垢技术是科研工作者关注的课题之一。

目前研究成果有：

1、在蒸发器内插入多种形式的湍流元件，通过改变加热表面形状或其他增加液膜湍动措施来强化传热，并减缓结垢；2、通过改变料液性质来提高传热效果，如加入适当的表面活性剂可使总传热系数成倍提高；加入适当阻垢剂，则可抑制结垢；3、气——液——固三相流化床蒸发器在蒸发中的防除垢及强化传热效果十分显著，具有高效、多功能、易操作等一系列优点。

面对种类繁多的蒸发器，选用时主要应考虑如下原则：

（1）要有较高的传热系数，能满足生产工艺的要求。

（2）生产能力较大。

（3）构造简单，操作维修方便。

（4）能适应所蒸发物料的工艺特性。

蒸发物料的物理、化学性质常常使一些传热系数高的蒸发器在使用上受到限制。

因此，在选型时，能否适应所蒸发物料的工艺特性，是首要考虑的因素。

蒸发物料的工艺特性包括粘度、热敏性、结垢、有无结晶析出、发泡性及腐蚀性等。

（1）对于粘度大的物料不适宜选择自然循环型，选用强制循环型或降膜式蒸发器为宜。

通常，自然循环型适用的粘度范围为0.01~0.1Pa.s。

（2）对于热敏性物料应选用停留时间短的各种膜式蒸发器设备，且常用真空操作以降低料液的沸点和受热程度。

（3）对易结垢的料液，宜选取管内流速大的强制循环蒸发器。

（4）有结晶析出的物料，一般应采用管外沸腾型蒸发器，如强制循环式、外加热式等。

（5）对易发泡的物料，可采用升膜式蒸发器，高速的二次蒸汽具有破泡作用；强制循环式及外加热式具有较大的料液速度，能抑制气泡生长，可采用。

对发泡严重的物料，可加入微量的消泡剂。

（6）对处理腐蚀性物料的蒸发器，应选用耐腐蚀的材料，如不透性石墨及合金材料等。

二、多效蒸发的效数与流程

（一）效数的确定

利用多效蒸发的目的，是为了充分利用热能，即通过蒸发过程中二次蒸汽的再利用，以减少生蒸汽的消耗，从而提高了蒸发装置的经济性。

表1-2为不同效数蒸发装置的蒸汽消耗量，其中实际蒸汽消耗量包括蒸发装置的各项热量损失。

表1-2不同效数蒸发装置的蒸汽消耗量

理论蒸汽消耗量

实际蒸汽消耗量

蒸发1kg水

所需蒸汽量

Kg蒸汽／kg水

1kg蒸气

蒸发水量

Kg水／kg蒸汽

蒸发1kg水

所需蒸汽量

Kg蒸汽／kg水

1kg蒸气

蒸发水量

Kg水／kg蒸汽

本装置若再增加一效可节约蒸汽

%

单效

1

1

1.1

0.91

93

二效

0.5

2

0.57

1.754

30

三效

0.33

3

0.4

2.5

25

四效

0.25

4

0.3

3.33

10

五效

0.2

5

0.27

3.7

7

由上表看出，随效数增多，蒸汽节约越多，但不是效数越多越好，多效蒸发的效数受经济和技术因素的限制。

经济上的限制是指效数超过一定值时经济上不合理。

在多效蒸发器中，随着效数的增加，总蒸发量相同时所需的生蒸汽量减少，使操作费用降低，但效数越多，设备费用越多。

而且随着效数的增加，所节约的生蒸汽量越来越少。

从表1-2中可明显看出，从单效改为双效生蒸汽节约93%,但由四效改为五效仅节约生蒸汽10%。

所以不能无限制地增加效数，最适宜的效数应使设备费和操作费总和为最小。

技术上的限制效数过多，蒸发操作将难以进行。

一般工业生产中加热蒸汽压强和冷凝器的真空度都有一定限制，因此，在一定操作条件下，蒸发器的理论总温度差为一定值。

当效数增多时，由于各效温差损失之和的增加，使总有效温差减少，分配到各效的有效温差将会小至无法保证各效发证正常的沸腾状态，蒸发操作将难以进行。

在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，每一效的温度差不能小于5~7℃。

通常，对于电解质溶液，采用2～3效，对于非电解质溶液，如有机溶剂等，其沸点升高较小，可取4～6效。

本实验主要选取三效来进行研究。

（二）流程的选择

多效蒸发的操作流程根据加热蒸汽与液料的流向不同，可分为并流、逆流、平流及错流四种。

采用多效蒸发装置是节能的途径之一。

此外，为了回收系统中的热量，应尽量利用低温的热源，如蒸汽冷凝液的利用及二次蒸汽的压缩再利用等。

第二章工艺流程草图及说明

本次实验主要研究并流加料方式。

其流程及优缺点如表1-3。

表1-3三效蒸发加料方式的流程及优缺点

加料方式

并流法

流程

示意

料液与蒸

汽的流向

并流，溶液和蒸汽的流向均为由第1效顺流至末效，完成液由末效底部排出

优点

1、利用各效间压差自动进料，可省去输液泵

2、前效温度高于后效，进料呈过热状态，产生自蒸发，各效间可不设预热器

3、辅助设备少，装置紧凑，温差损失少

4、操作简便，工艺稳定

缺点

后效温度低，组成高，料液黏度增大，降低了传热系数

应用范围

黏度不大或随便组成增高黏度变化不大的料液

第三章工艺计算及主体结构计算

第一节多效蒸发的工艺计算

多效蒸发工艺计算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：

加热蒸发（生蒸汽）的消耗量、各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积。

计算的已知参数有：

料液的流量、温度和浓度，最终完成液的浓度，加热蒸汽的压强和冷凝器中的压强等。

（一）蒸发器的设计步骤

多效蒸发的计算一般采用迭代计算法

（1）根据工艺要求及溶液的性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸汽压强及冷凝器压强）、章法其的形式、流程和效数。

（2）根据生产经验数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液的组成。

（3）根据经验，假设蒸汽通过各效的压强降相等，估算各效溶液沸点和有效总温差。

（4）根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。

（5）根据传热速率方程计算各效的传热面积。

若求得的各效传热面积不相等，则应按下面介绍的方法重新分配有效温度差，重复步骤（3）至（5），直到所求得的各效传热面积相等（或满足预先给出的精度要求）为止。

（二）蒸发器的计算方法

下面以三效并流加料的蒸发装置为例介绍多效蒸发的计算方法。

1.估值各效蒸发量和完成液组成

总蒸发量（1-1）

在蒸发过程中，总蒸发量为各