NaOH水溶液三效并流加料的蒸发装置——化工原理课程设计.doc

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中南大学

《化工原理》课程设计

设计题目NaOH水溶液三效并流加料的蒸发装置

学院化学化工学院

专业班级高级工程人才实验班

学生学号1507110128

学生姓名姚玉婷

指导老师邱运仁

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………………………………（5）

4.蒸发器的主要结构尺寸的计算………………………（16）

5.蒸发装置的辅助设备的选用计算……………………（19）

6.三效蒸发器结构尺寸确定……………………………（21）

7.附图……………………………………………………（23）

8.参考文献………………………………………………（25）

9.后记……………………………………………………（26）

10．CAD图…………………………………………………（27）

1.设计任务

1.1设计条件

（1）处理能力年产30000吨NaOH水溶液

（2）设备形式中央循环式管式蒸发器

（3）操作条件

①NaOH水溶液的原料浓度为10％，完成液体浓度为40％，原料液温度为第一效沸点温度。

②加热汽压力为500Kpa（绝热），冷凝器的绝压为15.5kpa热）。

③各效蒸发器的总传热系数分别为

K1=3000W/（m2*0C）

K2=1500W/（m2*0C）

K3=750W/（m2*0C）

④蒸发器中溶液的液面高度为2m。

⑤各效加热蒸发汽的冷凝液在饱和温度下排出，忽略热损失。

⑥每年按照330天计，每天24小时

1.2附加说明

（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，包括气液分离器及蒸汽冷凝器等。

（5）绘制NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的设备工艺简图

（6）对本设计进行评述

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：

①各效间压力差大，可省去输料泵；②有自蒸发产生，在各效间不必设预热管；③由于辅助设备少，装置紧凑，管路短，因而温度损失小；④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。

2.２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、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。

本设计采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（如图2）又称标准蒸发器。

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40％～100％。

加热管长一般为1～2m，直径25～75mm，长径比为20～40。

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0.5m/s以下）；管内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

3.1　估计各效蒸发量和完成液浓度

Fx0=（F-W）x3……………………………………………

（1）

其中F—每小时的进料量，Kg/h

W—每小时的水份蒸发总量，Kg/h

　=

因并流加料，存在着自蒸发，又蒸发中无额外蒸气引出，可取

W1：

W2：

W3＝1:

1.1:

1.2

因为W=W1+W2+W3计算出各效的蒸发量Wi

W1=861Kg/h

W2=947Kg/h

W3=1033Kg/h

由

（1）式得…………………………………

（2）由

（2）式得计算出各效的浓度

=

=

x3=0.4

３.２　估计各效液的沸点和有效总温差

设各效间压力降相等，则各效间的平均压力差为

……………………………………………（3）

式中—各效加热蒸汽压力与二次蒸汽压力之差，；

—第Ⅰ效加热蒸汽的压力，；

—末效冷凝器中的压力，。

则，平均压力差：

各效压力差可求得各效蒸发室的压力，即：

表1有关资料列表

效数

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

二次蒸气压力,kPa

338.5

177

15.5

二次蒸气温度Ti＇，℃

（即下一效加热蒸汽温度）

137.6

116.3

54.6

二次蒸气的气化潜热ri＇，KJ/Kg

（即下一效加热蒸气的氢化热）

2156

2215

2367

３.２.１　求各效因溶液沸点而引起的温度损失Δ’

根据各效二次蒸气温度和各完成液浓度xi，由NaOH水溶液杜林线图可得各效NaOH的沸点tAi分别为

tA1=104.2℃tA2=107.4℃tA3=128.4℃

则各效由于溶液沸点比水的沸点升高而引起的温差损失

……………………………………………………（4）

………………………………………（5）

Δ'1常=4.2℃

Δ'2常=tA2–T'2=7.4℃

Δ'3常=tA3–T'3=28.4℃

Δ'1=5.3℃

Δ'2=8.2℃

Δ'3=20.9℃

'=5.3+8.2+20.9=34.4℃

３.２.２　求由于液柱静压力而引起的温度损失Δ’’

为方便起见，以液层中点处压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，根据流体静力学方程，液层的平均压力

Pav=P'i+（其中l为液面高度，m）…………（6）

所以kPa

kPa

kPa

由平均压力查得对应饱和温度为

T'Pav1=138.8℃T'Pav2=118.5℃T'Pav3=68.9℃

所以Δ''1=T'Pav1–T'1=138.8–137.6=1.2℃

Δ''2=T'Pav2–T'2=118.5–116.3=2.2℃

Δ''3=T'Pav3–T'3=68.9–54.6=14.3℃

故''=1.2+2.2+14.3=17.7℃

３.２.３　由流动阻力引起的温差损失Δ＇＇＇

取经验值1℃，即∑Δ'''1=Δ'''2=Δ'''3=1℃，则∑Δ'''=3℃

综合

（1）

（2）（3）步得总温度损失

∑Δ=∑Δ'+∑Δ''+∑Δ'''=34.4+17.7+3=55.1℃

３.２.４　各效料液的温度和有效总温差

各效温度损失∑Δi=∑Δ'1+∑Δ''1+∑Δ'''1

得　∑Δ1=Δ'1+Δ''1+Δ'''1=5.3+1.2+1=7.5℃

∑Δ2=Δ'2+Δ''2+Δ'''2=8.2+2.2+1=11.4℃

∑Δ3=Δ'3+Δ''3+Δ'''3=20.9+14.3+1=36.2℃

各效料液的温度为由ti=Ti＇+Δi

t1=T1＇+Δ1=137.6+7.5=145.1℃

t2=T2＇+Δ2=116.3+11.4=126.9℃

t3=T3＇+Δ3=54.6+36.2=90.8℃

3.３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＇

Qi=Diri=（Fcp0-W1cpw-W2cpw-…-Wn-1cpw）（ti-ti-1）+Wi+………（7）

在（4）式，其中Di一第i效加热蒸气量,Kg/h

ri—第i效加热蒸汽的汽化潜热,KＪ/Kg

--第i效二次蒸汽的汽化潜热,KＪ/Kg

cp0—原料液的比热容,KＪ/（Kg/℃）

cpw—水的比热容,KＪ/（Kg/℃）

ti,ti-1—分别为地i效和第i-1效溶液的温度（沸点）,℃

—热损失量,KＪ

由（7）式两边同时除以得:

Wi=Diri/+（Fcp0-W1cpw-W2cpw-…-Wn-1cpw）（ti-ti-1）/-/……（8）

由式（8）去掉-/,乘以热利用系数ηi，表示上式得:

Wi=ηi［Diri/+（Fcp0-W1cpw-W2cpw-…-Wn-1cpw）（ti-ti-1）/-/］

对于沸点进料t­0=t1,考虑到NaOH溶液浓度浓缩热影响，热利用系数算式为=0.98-0.7

其中为第i效蒸发器中液料溶质质量分数的变化.

第Ⅰ效热衡算式为

W1=1（+）

=………………………（a）

第Ⅱ效热衡算式为

…………………………………………………………………（b）

同理得第Ⅲ效

…………………………………………………………………（c）

又W1+W2+W3=2841………………………………………………（d）

联解式（a）至（d）,可得

W1=1000.88Kg/hW2=991.85Kg/h

W3=848.27Kg/hD1=1064.77Kg/h

３.４　蒸发器传热面积估算

　…………………………………………………（9）

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，C。

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。

３.５　有效温差的再分配

取平均面积

若Q不变，重新分配有效温差得：

３.６　重复上述步骤

３.６.１计算各效料液的质量分数

３.６.２计算各效料液温度

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90.8℃即t3=90.8℃

则第Ⅲ效加热蒸气的温度为T3=T2＇=t3+Δt3＇=90.8+24.5=115