1、學(xué)校代碼： 學(xué) 號(hào)： 課程設(shè)計(jì)說明書題 目：38.5kt/a NaOH溶液三效蒸發(fā)裝置設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué) 院：化工學(xué)院班 級(jí)：過程裝備與控制工程07-3班指導(dǎo)教師：2010 年 7 月 9 日第1章 設(shè)計(jì)方案的確定蒸發(fā)操作條件的確定主要指蒸發(fā)器加熱蒸汽的壓強(qiáng)（或溫度），冷凝器的操作壓強(qiáng)（或溫度）的確定，正確選擇蒸發(fā)的操作條件，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗極為重要。1.1 加熱蒸汽壓強(qiáng)的測(cè)定通常被蒸發(fā)的溶液有一個(gè)允許的最高溫度，若超過了此溫度物料就會(huì)變質(zhì)，破壞或分解，這是確定加熱蒸汽壓強(qiáng)的一個(gè)依據(jù)。應(yīng)使操作在低于最大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，可以采用加壓蒸發(fā)，常壓蒸發(fā)或真空蒸發(fā)。蒸發(fā)是一個(gè)消耗大量加熱蒸汽而又產(chǎn)

2、生大量二次蒸汽的過程。從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)充分利用二次蒸汽作為其它加熱用的熱源，即要求蒸發(fā)裝置能夠提供溫度較高的二次蒸汽。這樣既可減少鍋爐產(chǎn)生蒸汽的消耗量，又可以減少末效進(jìn)入冷凝器的二次蒸汽量，提高了蒸汽利用率。因此，能夠采用較高溫度的飽和蒸汽作為加熱蒸汽的有利的，但通常所用飽和蒸汽的溫度不超過180,超過時(shí)相應(yīng)的壓強(qiáng)就很高,這樣增加加熱的設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)，一般的加熱蒸汽壓強(qiáng)在300-800 kPa范圍之內(nèi)。針對(duì)本次設(shè)計(jì)任務(wù)，加熱蒸氣設(shè)計(jì)壓強(qiáng)（絕壓）為600 kPa。1.2 冷凝器操作壓強(qiáng)的測(cè)定 若一效采用較高壓強(qiáng)的加熱蒸汽，則末效可采用常壓或加壓蒸汽，此時(shí)末效產(chǎn)生的二次蒸汽具有較高的溫度，可以

3、全部利用。而且各效操作溫度高時(shí)，溶液粘度低，傳熱好。若一效加熱蒸汽壓強(qiáng)低，末效應(yīng)采用真空操作，此時(shí)各效二次蒸汽溫度低，進(jìn)入冷凝器冷凝需消耗大量冷卻水，而且溶液粘度大，傳熱差。但對(duì)于那些熱敏性物料的蒸發(fā)，為充分利用熱源還是經(jīng)常采用的。對(duì)混合式冷凝器，其最大的真空度取決于冷凝器內(nèi)的水溫和真空裝置的性能。通常冷凝器的最大真空度為70-80kPa。本次設(shè)計(jì)中，冷凝器設(shè)計(jì)壓強(qiáng)為76 kPa(真空度)。1.3 進(jìn)料狀況根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)得出沸點(diǎn)進(jìn)料有利于蒸發(fā)和傳質(zhì)過程的進(jìn)行，減少蒸發(fā)過程的熱損失，增大蒸發(fā)過程的處理量，所以選擇沸點(diǎn)進(jìn)料。1.4 蒸發(fā)器的形式在化工生產(chǎn)中，大多數(shù)蒸發(fā)器都是利用飽和水蒸汽作為加熱介

4、質(zhì)，因而蒸發(fā)器中熱交換的一方是飽和水蒸汽冷凝，另一方是溶液的沸騰，所以，傳熱的關(guān)鍵在于料液沸騰一側(cè)。為了適應(yīng)各種不同物性物料的蒸發(fā)濃縮，出現(xiàn)了各種不同結(jié)構(gòu)形式的蒸發(fā)器，而且隨著生產(chǎn)，技術(shù)的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)在不斷改進(jìn)。工業(yè)中常用的間壁式傳熱蒸發(fā)器，按溶液在蒸發(fā)器中的流動(dòng)特點(diǎn)，可分為循環(huán)型（中央循環(huán)管式、懸筐式、外加熱式、列文式、強(qiáng)制循環(huán)式等）和單程型（升膜式、降膜式、升-降膜式、刮板式等）兩大類型。由于單程型蒸發(fā)器適用于處理熱敏性物料，本次設(shè)計(jì)任務(wù)中料液為NaOH水溶液，不是熱敏性物料，故選用循環(huán)型蒸發(fā)器，常見循環(huán)型蒸發(fā)器比較見表1-1。表1-1 常見循環(huán)型蒸發(fā)器比較中央循環(huán)管式懸筐式列文式強(qiáng)制循環(huán)

5、式優(yōu)點(diǎn)料液呈自然循環(huán)流動(dòng)，蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)緊湊，制造方便，操作可靠，有“標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器”之稱。料液循環(huán)流動(dòng)，循環(huán)速度高，熱損失小，適于蒸發(fā)易結(jié)垢或有晶體析出的溶液。 循環(huán)管內(nèi)流動(dòng)阻力小，循環(huán)速度大，傳熱效果好，適于處理有晶體析出或易結(jié)垢的溶液。傳熱系數(shù)大，適于處理黏度較大或易結(jié)垢的物料。缺點(diǎn)設(shè)備清洗和檢修不太方便結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單位傳熱面需要的設(shè)備材料量較大。設(shè)備龐大，需要的廠房高，所需加熱蒸氣壓力較高。動(dòng)力消耗大，利用外加動(dòng)力。面對(duì)種類繁多的蒸發(fā)器，在結(jié)構(gòu)上必須有利于過程的進(jìn)行，為此在選用時(shí)應(yīng)考慮以下原則：（1） 盡量保證較大的傳熱系數(shù)，滿足生產(chǎn)工藝的要求。（2） 生產(chǎn)能力大，能完善分離液沫，盡量減慢傳熱面

6、上的垢層的生成。（3） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維修和清洗方便，造價(jià)低，使用壽命長(zhǎng)。（4） 能適應(yīng)所蒸發(fā)物料的一些工藝特性（如粘性、起泡性、熱敏性、結(jié)垢性、腐蝕性等）。綜上各條件考慮，選用中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。1.5 效數(shù)的選擇在流程設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)考慮采用單效還是多效蒸發(fā)，為充分利用熱能，生產(chǎn)中一般采用多效蒸發(fā)。因在多效蒸發(fā)中，將前一效的二次蒸汽作為后一效的加熱蒸汽，可節(jié)省生蒸汽耗量。但不是效數(shù)愈多愈好，效數(shù)受經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的因素所限制。經(jīng)濟(jì)上的限制是指效數(shù)超過一定時(shí)經(jīng)濟(jì)上不合算。多效蒸發(fā)中，隨效數(shù)的增加，總蒸發(fā)量相同時(shí)所需生蒸汽量減少，使操作費(fèi)用降低。但隨效數(shù)增加，設(shè)備費(fèi)成倍增長(zhǎng)，而所節(jié)省的生蒸汽量愈來愈

7、少，所以無限制增加效數(shù)已無實(shí)際意義，最適宜的效數(shù)應(yīng)使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)二者之和為最小。技術(shù)上的限制是指效數(shù)過多，蒸發(fā)操作難于進(jìn)行。一般工業(yè)生產(chǎn)中加熱蒸汽壓強(qiáng)和冷凝器操作壓強(qiáng)都有一定限制，因此在一定操作下，蒸發(fā)器的理論總溫差為一定值。在效數(shù)增加時(shí)，由于各效溫差損失之和的增加，使總有效溫差減小，分配到各效的有效溫差小到無法保證各效發(fā)生正常的沸騰狀態(tài)時(shí)，蒸發(fā)操作將無法進(jìn)行下去?；谏鲜隼碛桑瑢?shí)際的多效蒸發(fā)過程效數(shù)并不多。為了保證傳熱的正常進(jìn)行，每一效有效溫差不能小于5-7。通常對(duì)于電解質(zhì)溶液，如NaOH水溶液，由于其沸點(diǎn)升高較大，采用2-3效，對(duì)于非電解質(zhì)溶液，有機(jī)溶液等，其沸點(diǎn)升高較小，可取為4-6效

8、。其真正適宜的效數(shù)，需通過最優(yōu)化的方法加以確定。通過選擇，本次設(shè)計(jì)采用3效蒸發(fā)。1.6流程的選擇多效蒸發(fā)的操作流程根據(jù)加熱蒸汽與料液的流向不同，可分為并流，逆流，平流及錯(cuò)流四種。并流法亦稱為順流法，其料液和蒸汽呈并流。因各效間有較大壓差，料液能自動(dòng)從前效進(jìn)入后效，可省去輸料泵；前效的溫度高于后效，料液從前效進(jìn)入后效時(shí)呈過熱狀態(tài)，可以產(chǎn)生自蒸發(fā)；結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛。但由于后效較前效的溫度低，濃度大，因而逐效料液的粘度增加，傳熱系數(shù)下降。因而并流法操作只適用于粘度不大的料液蒸發(fā)。逆流法即料液于蒸汽呈逆流操作。隨著料液濃度的提高，其溫度相應(yīng)提高，使料液粘度增加較小，各效的傳熱系數(shù)相差不大，

9、故可生產(chǎn)較高濃度的濃縮液。因而逆流法操作適用于粘度較大的料液蒸發(fā)，但由于逆流操作需設(shè)置效間料液輸送泵，動(dòng)力消耗較大，操作也較復(fù)雜。此外對(duì)濃縮液在高溫時(shí)易分解的料液，不宜采用此流程。平流法即各效都加入料液，又都引出濃縮液。此法除可用于有結(jié)晶析出的料液外，還可用于同時(shí)濃縮兩種以上的不同水溶液。錯(cuò)流法亦稱混流法，它是并，逆流的結(jié)合。其特點(diǎn)是兼有并，逆流的優(yōu)點(diǎn)而避免其缺點(diǎn)，但操作復(fù)雜，控制困難，應(yīng)用不多。采用多效蒸發(fā)裝置是節(jié)能的途徑之一。此外為了回收系統(tǒng)中的熱量，應(yīng)盡量利用低溫?zé)嵩?，如蒸汽冷凝液的利用及二次蒸汽的壓縮再利用等，可參考有關(guān)蒸發(fā)專著?；谏鲜龈鞣N蒸發(fā)流程的比較，選擇并流流程。第2章 三效并

10、流蒸發(fā)過程的工藝計(jì)算多效蒸發(fā)工藝計(jì)算依據(jù)物料衡算，熱量衡算以及轉(zhuǎn)熱速率三個(gè)基本方程。在多效蒸發(fā)中，各效的操作壓力依次降低，與之相應(yīng)的，各效的加熱蒸汽溫度及溶液的沸點(diǎn)亦依次降低。以下以三效蒸發(fā)為例，采用試差法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算步驟如下：第一，根據(jù)工藝要求及溶液性質(zhì)確定蒸發(fā)的操作條件，蒸發(fā)的形式，流程和效數(shù)。第二，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步估計(jì)各效蒸發(fā)量和各效完成液的濃度。第三，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)蒸汽通過各效壓強(qiáng)降相等，估計(jì)各效溶液沸點(diǎn)和有效總溫差。第四，根據(jù)蒸發(fā)器的焓衡算，求各效的蒸發(fā)量和傳熱量。第五，根據(jù)轉(zhuǎn)熱速率方程計(jì)算各效的轉(zhuǎn)熱面積。本次設(shè)計(jì)條件是：設(shè)計(jì)一個(gè)連續(xù)操作的三效并流蒸發(fā)裝置，NaOH溶液處理量：

11、38.5kt/a；溶液濃度10%，溫度30；完成液含NaOH濃度32%。每年按300天計(jì)算。原料液進(jìn)料流量：F = 2.1各效蒸發(fā)量和完成液濃度的估算過程總蒸發(fā)量： W = F×（1） （2-1） 式中：F原料液進(jìn)料流量， W過程蒸發(fā)量， 進(jìn)料濃度 完成液濃度 W = F×（1）= 5486.1×（10.1/0.32）= 3676 取各效蒸發(fā)量相等第i效蒸發(fā)量為： W = (2-2) 式中 第i效蒸發(fā)量 溶液蒸發(fā)總量 效數(shù)即W1 = W2= W3 = = 1225 各效完成液濃度: (2-3) = = = = = 2.2估算各效二次蒸汽溫度設(shè)各效間的壓強(qiáng)降相等，則

12、各效加熱蒸汽壓強(qiáng)與二次蒸汽壓強(qiáng)之差： （2-4）取 設(shè)各效間的壓強(qiáng)降相等：第i效二次蒸汽壓強(qiáng) = （25）式中： 各效加熱蒸汽壓強(qiáng)與二次蒸汽壓強(qiáng)之差， 第效的操作壓強(qiáng)， 查1附表九得到蒸汽的溫度和汽化熱加熱蒸汽 =575 =157 =2097第一效二次蒸汽 =395 =143 =2140第二效二次蒸汽 =215 =122.3 =2210第三效二次蒸汽 =35 =70.8 =23232.3計(jì)算各效傳熱溫度差各效溫度差損失： （1）由于溶液蒸汽壓降引起的溫度差損失由校正系數(shù)法：式中：,NaOH水溶液在常壓下的沸點(diǎn)值。 一般取 （2-10） kJ/kg由1圖7-16可查得NaOH水溶液的沸點(diǎn)第一效：

13、146 1.31 3.93第二效：130 1.15 8.86第三效：93 0.82 18.2(2) 由液層靜壓效應(yīng)引起的溫度差損失由于液層內(nèi)部的壓力大于液面上的壓力，使相應(yīng)的溶液內(nèi)部的沸點(diǎn)高于液面上的沸點(diǎn)，二者之差即為液注靜壓頭引起的沸點(diǎn)升高。根據(jù)流體靜力學(xué)方程，液層的平均壓力為： （2-11）而 （2-12）式中取液層高度L=2.5m一效：查1附表九 144.2144.2-143=1.2二效： 124.5 124.5-122.3=2.2三效：82.582.5-70.8=11.7（3）由管道流動(dòng)阻力產(chǎn)生的壓強(qiáng)降所引起的溫度差損失 二次蒸汽從蒸發(fā)室流入冷凝器的過程中，由于管道阻力，其壓力下降，故

14、蒸發(fā)器內(nèi)的壓力高度高于冷凝器內(nèi)的壓力，由此造成的沸點(diǎn)升高約為1-1.5.（4）各效料液的溫度和有效總溫差各效傳熱溫度差計(jì)算式：為前一效二次蒸汽溫度（即第i效加熱蒸汽溫度），為第i效溶液沸點(diǎn)，其計(jì)算式為：為第i效二次蒸汽溫度，為第i效溫度差損失所以各效沸點(diǎn)為：第一效：第二效：第三效：2.4 計(jì)算各效蒸發(fā)量和傳熱量根據(jù)物料衡算和熱量衡算得公式 式中：-第i效的加熱蒸汽量，當(dāng)無額外蒸汽抽出時(shí)Di=Wi-1-分別為第i效加熱蒸汽與二次蒸汽的汽化潛熱，-為原料液的比熱，3.77kJ/（kg·）-為水的比熱，4.187kJ/（kg·）-分別為第i效及第i-1效溶液的沸點(diǎn)-為第i效的熱利

15、用系數(shù),對(duì)于NaOH水溶液蒸發(fā)，則 式中：第i效的熱利用系數(shù) 溶液濃度差第一效：沸點(diǎn)進(jìn)料 第二效：第三效 ：由于W = W1 + W2 + W3 =3676 解得：各效傳熱量的計(jì)算：2.5各效傳熱面積的計(jì)算式中：各效傳熱面積， 各效傳熱量， 各效傳熱系數(shù) 各效的有效溫度差，各效傳熱面積相差較大，故應(yīng)調(diào)整各效的有效溫度差，重復(fù)上述步驟。2.6溫差的重新分配與試差計(jì)算（1）重新分配各效的有效溫度差平均傳熱面積:重新分配的有效溫度差為： 式中：重新分配的有效溫度差 S平均傳熱面積 第i效的有效溫度差試差運(yùn)算各效蒸發(fā)量取上次計(jì)算值：由各效蒸汽量求各效溶液濃度:第三效：冷凝器的壓力和完成液的組成未改變第

16、二效：查1 附表八查圖7-16得溶液沸點(diǎn) 查 1附表九 第二效溶液沸點(diǎn)第一效：查圖7-16 第一效溶液沸點(diǎn) 第一效：沸點(diǎn)進(jìn)料 第二效：第三效 ：由于W = W1 + W2 + W3 =3676 解得：求各效傳熱面積計(jì)算結(jié)果與初設(shè)值基本一致傳熱面積加10%余量第3章 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)工藝尺寸的設(shè)計(jì)下面就中央循環(huán)管式蒸發(fā)器為例說明蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸包括：加熱室和分離室的直徑和高度；加熱管與中央循環(huán)管的規(guī)格、長(zhǎng)度及在管板上的排列方式。這些尺寸的確定取決于工藝計(jì)算結(jié)果，主要是傳熱面積。3.1加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計(jì)加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計(jì)蒸發(fā)器的

17、加熱管通常選用38×2.5mm的無縫鋼管。加熱管的長(zhǎng)度L=3m 由以下初步估計(jì)所需的管子數(shù)n （3-1）式中：為蒸發(fā)器的傳熱面積，由前面的工藝計(jì)算決定。為加熱管的外徑，。為加熱管的長(zhǎng)度，。（根）循環(huán)管的選擇循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減少的原則來考慮的。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的循環(huán)管截面積可取加熱管總截面積的40%-100%。加熱管的總截面積可按計(jì)算，循環(huán)管內(nèi)徑表示，則： (3-2)式中： 加熱管內(nèi)徑查1附表二十二取42612 管長(zhǎng)3。加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定加熱室的內(nèi)徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)目及在管板上的排列方式。加熱管在管板上的排列方式又三角形、正方形、同心圓等，目

18、前以三角形排列居多。管心距t為相鄰兩管中心線之間的距離，t一般為加熱管外徑的1.251.5倍。目前在換熱器設(shè)計(jì)中，管心距的數(shù)值已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，只要管子規(guī)格確定，相應(yīng)的管心距則為確定值。表3-1摘錄了管心距的數(shù)據(jù)加熱管外徑d019253857管心距t，mm25324870加熱室內(nèi)徑和加熱管數(shù)采用做圖法來確定，具體做法是：先計(jì)算管束中心線上管束，管子按正三角形排列時(shí)：;管子按正方形排列時(shí)：,式中：n總加熱管數(shù). 初估加熱管內(nèi)徑用。然后用容器公稱直徑，試選一內(nèi)徑作為加熱室內(nèi)徑，并以此內(nèi)徑和循環(huán)管外徑作同心圓，在同心圓的環(huán)隙中，按加熱管的排列方式和管心距作圖。作圖所得管數(shù)n必須大于初估值，如不滿足，應(yīng)另選

19、一設(shè)備內(nèi)徑，重新作圖，直至適合為止。殼體內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)尺寸列于表3-2中，以供參考。 表3-2 殼體內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)尺寸殼體內(nèi)徑mm400-700800-10001100-15001600-2000最小壁厚mm8101214經(jīng)過作圖，實(shí)際管數(shù)大于初估值，符合要求。正三角形排列初步估算加熱室內(nèi)徑，取 即 （33） （34）加熱時(shí)內(nèi)徑為1100，通過作圖法確定 分離室直徑與高度的確定分離室的直徑和高度取決于分離室的體積，而分離室的體積又與二次蒸汽流量及蒸發(fā)體積的強(qiáng)度有關(guān)。分離室體積的計(jì)算： （35） 式中：查1附表八所以，。取最大分離室體積計(jì)算分離室高度與直徑，取H=1800。，分離室直徑取11003.2接管尺寸的確定溶液的進(jìn)出口管對(duì)并流三效蒸發(fā)，第一效溶液流量最大，若各效設(shè)備尺寸一致的話，根據(jù)第一效溶液流量確定接管。溶液的適宜流速按強(qiáng)制流動(dòng)（u=0.8-1.5m/s）考慮，設(shè)計(jì)上進(jìn)出口直徑可取為一致。根據(jù)進(jìn)料液的濃度x=0.12查表得對(duì)應(yīng)密度為1130kg/,適宜流速選u=1.2m/s.溶液進(jìn)出口管： （37）查1附表二十二選擇mm加熱蒸汽與二次蒸汽接管U取30故 故選擇mm冷凝水出口管U取0.12查1附表六 查1附表二十二mm第4章 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總4.1操作條件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用600kPa的加熱