氫氧化鈉三效蒸發(fā)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)設(shè)計(jì)人：XXX班級(jí)：XXX指導(dǎo)教師：XXX完成日期：XXXX年XX月XX日一、設(shè)計(jì)題目年產(chǎn)2萬(wàn)噸45%氫氧化鈉溶液的三效蒸發(fā)裝置設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)依據(jù)與原始數(shù)據(jù)2.1設(shè)計(jì)依據(jù)《化工原理》（第5版，陳敏恒等編）《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第5版，化學(xué)工業(yè)出版社）《蒸發(fā)設(shè)備設(shè)計(jì)與選用手冊(cè)》相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T11199-2020《高純氫氧化鈉》、GB150-2011《壓力容器》2.2原始數(shù)據(jù)原料液：NaOH水溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，溫度25℃，密度1040kg/m3，比熱容3.77kJ/(kg·℃)完成液：NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%，溫度根據(jù)各效沸點(diǎn)確定生產(chǎn)能力：年產(chǎn)2萬(wàn)噸45%NaOH溶液（年操作時(shí)間8000小時(shí)）加熱蒸汽：飽和水蒸氣，壓強(qiáng)0.6MPa（表壓），溫度164.5℃，焓2756kJ/kg冷凝器：常壓操作（真空度0MPa），冷凝水排出溫度45℃設(shè)備形式：自然循環(huán)式蒸發(fā)器，管外加熱、管內(nèi)蒸發(fā)傳熱系數(shù)（經(jīng)驗(yàn)值）：一效K?=2000W/(m2·℃)，二效K?=1500W/(m2·℃)，三效K?=1000W/(m2·℃)三、設(shè)計(jì)方案論證3.1蒸發(fā)流程選擇氫氧化鈉溶液蒸發(fā)過(guò)程中，隨著濃度升高，溶液沸點(diǎn)升高（沸點(diǎn)升高現(xiàn)象顯著），且粘度增大，傳熱效率下降。三效蒸發(fā)相較于單效、雙效蒸發(fā)，可顯著提高加熱蒸汽的利用率，降低單位產(chǎn)品的能耗。結(jié)合原料液濃度低、生產(chǎn)規(guī)模較大的特點(diǎn)，選用**逆流加料三效蒸發(fā)流程**：原料液從末效（三效）加入，依次流經(jīng)二效、一效，完成液從一效排出；加熱蒸汽從一效加入，冷凝水排出，二次蒸汽依次作為下一效的加熱蒸汽，末效二次蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝。逆流流程優(yōu)勢(shì)：①原料液與加熱蒸汽流向相反，各效溶液濃度與溫度匹配合理，避免高濃度、高粘度溶液在高溫下停留過(guò)久，減少結(jié)垢和分解風(fēng)險(xiǎn)；②末效低溫下加入的稀溶液可冷卻末效的二次蒸汽冷凝水，回收部分熱量，提高熱效率；③適用于處理粘度隨濃度升高而顯著增大的溶液（如NaOH溶液）。3.2蒸發(fā)器類(lèi)型選擇選用**標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)器（中央循環(huán)管式蒸發(fā)器）**，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作可靠、造價(jià)低廉，適用于處理粘度適中、不易結(jié)晶的溶液。該蒸發(fā)器通過(guò)中央循環(huán)管與加熱管的截面積差異形成自然循環(huán)，管外加熱蒸汽加熱管內(nèi)溶液，溶液沸騰蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽，符合NaOH溶液的蒸發(fā)特性。3.3操作條件確定加熱蒸汽壓強(qiáng)確定為0.6MPa（表壓），對(duì)應(yīng)飽和溫度164.5℃，可保證一效有足夠的傳熱溫度差；冷凝器采用常壓操作，末效二次蒸汽溫度較低，可降低末效的操作壓力，增大各效間的溫度差，提高傳熱推動(dòng)力。四、工藝計(jì)算4.1物料衡算計(jì)算產(chǎn)品流量

年產(chǎn)2萬(wàn)噸45%NaOH溶液，年操作時(shí)間8000h，則完成液流量：

W?=20000×103kg/8000h=2500kg/h

完成液中NaOH質(zhì)量流量：G=W?×45%=2500×0.45=1125kg/h

原料液中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，則原料液流量：

F=G/10%=1125/0.1=11250kg/h

總蒸發(fā)水量：W=F-W?=11250-2500=8750kg/h

各效蒸發(fā)水量分配（假設(shè)各效蒸發(fā)水量相等，初步估算）

W?=W?=W?=W/3=8750/3≈2916.67kg/h

各效溶液濃度計(jì)算：

一效完成液濃度x?：x?=G/(F-W?-W?)=1125/(11250-2916.67-2916.67)≈1125/5416.66≈20.77%

二效完成液濃度x?：x?=G/(F-W?)=1125/(11250-2916.67)≈1125/8333.33≈13.50%

三效進(jìn)料濃度x?=10%（原料液濃度）

4.2熱量衡算假設(shè)：①加熱蒸汽冷凝水在飽和溫度下排出；②忽略熱損失；③各效溶液沸點(diǎn)升高值Δt?、Δt?、Δt?通過(guò)查NaOH溶液沸點(diǎn)升高表確定（經(jīng)驗(yàn)值）：x?=20.77%時(shí)Δt?=8℃，x?=13.50%時(shí)Δt?=5℃，x?=10%時(shí)Δt?=3℃。各效溫度確定

一效加熱蒸汽溫度T?=164.5℃（0.6MPa表壓下飽和溫度）

一效溶液沸點(diǎn)t?=T?'-Δt?（T?'為一效二次蒸汽溫度，即二效加熱蒸汽溫度）

二效溶液沸點(diǎn)t?=T?'-Δt?（T?'為二效二次蒸汽溫度，即三效加熱蒸汽溫度）

三效溶液沸點(diǎn)t?=T?'-Δt?（T?'為三效二次蒸汽溫度，即冷凝器內(nèi)溫度）

冷凝器內(nèi)溫度T?'=100℃（常壓下純水沸點(diǎn)），則：

t?=100-3=97℃

T?'=t?+Δt?，又T?'為二效二次蒸汽溫度，對(duì)應(yīng)二效加熱溫度，即一效二次蒸汽溫度T?'=t?+Δt?

同理，T?'=t?+Δt?，T?=t?+Δt?+Δt?（傳熱溫度差）

通過(guò)迭代計(jì)算（結(jié)合傳熱速率方程），最終確定各效溫度：

一效：t?=140℃，T?'=148℃（二次蒸汽溫度），傳熱溫度差Δt?=164.5-140=24.5℃

二效：t?=115℃，T?'=120℃（二次蒸汽溫度），傳熱溫度差Δt?=148-115=33℃

三效：t?=97℃，T?'=100℃（二次蒸汽溫度），傳熱溫度差Δt?=120-97=23℃

各效加熱蒸汽消耗量計(jì)算

根據(jù)熱量衡算方程：D_i×r_i=W_i×r_i'+F_i×c_p×(t_i-t_{i-1})

其中，r為加熱蒸汽潛熱，r'為二次蒸汽潛熱（查飽和水蒸氣表）：

一效加熱蒸汽r?=2756-697=2059kJ/kg（164.5℃飽和水焓697kJ/kg）

一效二次蒸汽r?'=2770-607=2163kJ/kg（148℃飽和水焓607kJ/kg）

二效二次蒸汽r?'=2790-502=2288kJ/kg（120℃飽和水焓502kJ/kg）

三效二次蒸汽r?'=2676-419=2257kJ/kg（100℃飽和水焓419kJ/kg）

計(jì)算得：

一效加熱蒸汽消耗量D?≈3000kg/h

二效二次蒸汽量W?≈2950kg/h（作為二效加熱蒸汽D?）

三效二次蒸汽量W?≈2900kg/h（作為三效加熱蒸汽D?）

末效二次蒸汽量W?≈2900kg/h（進(jìn)入冷凝器）

總蒸發(fā)水量W=W?+W?+W?≈8750kg/h（與物料衡算一致）

蒸汽消耗定額：D?/W≈3000/8750≈0.343kg/kg（每蒸發(fā)1kg水消耗0.343kg加熱蒸汽）4.3傳熱面積計(jì)算傳熱速率方程：Q_i=K_i×A_i×Δt_i，其中Q_i=D_i×r_i（加熱蒸汽放出的熱量）一效傳熱面積A?

Q?=D?×r?=3000kg/h×2059kJ/kg=6.177×10?kJ/h=1.716×10?W

A?=Q?/(K?×Δt?)=1.716×10?/(2000×24.5)≈35.1m2（圓整為36m2）

二效傳熱面積A?

Q?=D?×r?'=2950kg/h×2163kJ/kg=6.371×10?kJ/h=1.769×10?W

A?=Q?/(K?×Δt?)=1.769×10?/(1500×33)≈35.7m2（圓整為36m2）

三效傳熱面積A?

Q?=D?×r?'=2900kg/h×2288kJ/kg=6.635×10?kJ/h=1.843×10?W

A?=Q?/(K?×Δt?)=1.843×10?/(1000×23)≈80.1m2（圓整為81m2）

為保證各效傳熱面積匹配，調(diào)整后確定：A?=36m2，A?=36m2，A?=81m2。4.4輔助設(shè)備計(jì)算（冷凝器）末效二次蒸汽量W?≈2900kg/h，進(jìn)入冷凝器冷凝。采用逆流式列管冷凝器，冷卻水流速取1.5m/s，冷卻水進(jìn)口溫度25℃，出口溫度45℃，冷卻水比熱容4.18kJ/(kg·℃)。冷卻水用量計(jì)算

Q_冷=W?×r?'=2900×2257=6.545×10?kJ/h

Q_冷=G_冷×c_p×(t_出-t_進(jìn))

G_冷=6.545×10?/(4.18×(45-25))≈78750kg/h

冷凝器傳熱面積計(jì)算

傳熱系數(shù)K_冷=800W/(m2·℃)，對(duì)數(shù)平均溫度差Δt_m≈40℃

A_冷=Q_冷/(K_冷×Δt_m)=1.818×10?/(800×40)≈56.8m2（圓整為57m2）

五、主要設(shè)備選型與設(shè)計(jì)5.1蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)一效蒸發(fā)器二效蒸發(fā)器三效蒸發(fā)器傳熱面積A(m2)363681加熱管規(guī)格φ25×2.5mm，管長(zhǎng)L=4mφ25×2.5mm，管長(zhǎng)L=4mφ25×2.5mm，管長(zhǎng)L=4m加熱管數(shù)量nA/(πd?L)=36/(3.14×0.025×4)≈115（根）115（根）258（根）殼體內(nèi)徑D(m)根據(jù)管數(shù)排列，取1.2m1.2m2.0m操作溫度(℃)140（溶液）、164.5（加熱蒸汽）115（溶液）、148（加熱蒸汽）97（溶液）、120（加熱蒸汽）操作壓力(MPa)0.6（加熱蒸汽，表壓）0.26（加熱蒸汽，表壓，對(duì)應(yīng)148℃）0.10（加熱蒸汽，表壓，對(duì)應(yīng)120℃）5.2冷凝器選型設(shè)備名稱(chēng)：逆流式列管冷凝器主要參數(shù)：傳熱面積57m2，管規(guī)格φ25×2.5mm，管長(zhǎng)4m，管數(shù)445根，殼體內(nèi)徑1.6m，冷卻水流量78750kg/h。5.3其他輔助設(shè)備原料液泵：選用離心泵，流量12m3/h（對(duì)應(yīng)原料液流量11250kg/h，密度1040kg/m3），揚(yáng)程30m，電機(jī)功率5.5kW。完成液泵：離心泵，流量3m3/h（完成液流量2500kg/h，密度1150kg/m3），揚(yáng)程40m，電機(jī)功率3kW。冷凝水泵：離心泵，流量80m3/h（冷卻水流量78750kg/h，密度1000kg/m3），揚(yáng)程20m，電機(jī)功率7.5kW。蒸汽減壓閥：選用先導(dǎo)式減壓閥，公稱(chēng)壓力1.6MPa，公稱(chēng)直徑50mm，調(diào)節(jié)范圍0.1-0.6MPa。分離器：選用離心式分離器，處理量2900kg/h（末效二次蒸汽量），公稱(chēng)直徑500mm。六、蒸發(fā)工藝流程設(shè)計(jì)與說(shuō)明6.1工藝流程示意圖原料液儲(chǔ)罐→原料液泵→三效蒸發(fā)器（進(jìn)料）→二效蒸發(fā)器→一效蒸發(fā)器（完成液排出）→完成液儲(chǔ)罐加熱蒸汽→一效蒸發(fā)器加熱室→冷凝水排出→冷凝水回收罐一效二次蒸汽→二效蒸發(fā)器加熱室→二效冷凝水→冷凝水回收罐二效二次蒸汽→三效蒸發(fā)器加熱室→三效冷凝水→冷凝水回收罐三效二次蒸汽→分離器→冷凝器→冷凝水回收罐→冷凝水泵→外排或回收利用冷凝器→真空泵→尾氣排放6.2流程說(shuō)明原料液從儲(chǔ)罐中由原料液泵抽出，送入三效蒸發(fā)器，在三效中被二效來(lái)的二次蒸汽加熱蒸發(fā)，濃度升高后進(jìn)入二效。二效中，溶液被一效來(lái)的二次蒸汽加熱進(jìn)一步蒸發(fā)，濃度繼續(xù)升高后進(jìn)入一效。一效中，溶液被外界輸入的加熱蒸汽加熱至較高溫度，大量蒸發(fā)水分，最終達(dá)到45%的目標(biāo)濃度，由完成液泵抽出送入完成液儲(chǔ)罐。加熱蒸汽在一效加熱室冷凝，冷凝水排出至回收罐；一效產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入二效加熱室作為加熱介質(zhì)，冷凝后排出；二效二次蒸汽進(jìn)入三效加熱室，冷凝后排出；三效產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入分離器分離液滴后，進(jìn)入冷凝器被冷卻水冷凝，不凝性氣體由真空泵抽出排放。各效冷凝水匯總至回收罐，可回收利用（如作為原料液稀釋水），提高水資源利用率。七、設(shè)備布置與管道設(shè)計(jì)7.1設(shè)備布置原則蒸發(fā)器按一效、二效、三效順序由高到低布置，利用重力實(shí)現(xiàn)溶液逆流流動(dòng)，減少輸送泵的能耗。冷凝器布置在三效蒸發(fā)器下方，縮短二次蒸汽管道長(zhǎng)度，減少壓力損失；真空泵靠近冷凝器布置，便于連接。儲(chǔ)罐（原料液、完成液、冷凝水）布置在地面，泵類(lèi)設(shè)備靠近對(duì)應(yīng)儲(chǔ)罐，縮短吸入管道，提高泵的吸入性能。設(shè)備之間預(yù)留足夠的操作空間（≥1.5m）和檢修通道（≥2.0m），滿足安裝、操作和維護(hù)需求。加熱蒸汽管道、二次蒸汽管道盡量短而直，減少?gòu)濐^，降低熱損失和壓力損失。7.2管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)管道材質(zhì)：NaOH溶液具有腐蝕性，輸送管道選用316L不銹鋼；蒸汽管道選用20#無(wú)縫鋼管。管道直徑計(jì)算：根據(jù)流量和流速確定，原料液管道流速取1.0m/s，直徑φ80mm；完成液管道流速取0.8m/s，直徑φ50mm；蒸汽管道流速取30m/s，一效蒸汽管道直徑φ100mm，二效φ80mm，三效φ65mm。管道保溫：蒸汽管道、蒸發(fā)器殼體采用巖棉保溫層（厚度50mm），外覆鍍鋅鐵皮保護(hù)層，減少熱損失。閥門(mén)與儀表：各設(shè)備進(jìn)出口管道設(shè)置截止閥（或球閥）控制流量；蒸汽管道設(shè)置減壓閥、壓力表、溫度計(jì)；蒸發(fā)器設(shè)置液位計(jì)（玻璃板液位計(jì)）、壓力表、溫度計(jì)；冷凝器設(shè)置溫度計(jì)、壓力表、真空表。八、能量消耗與經(jīng)濟(jì)性分析8.1能量消耗計(jì)算加熱蒸汽消耗：D?=3000kg/h，年消耗蒸汽3000×8000=2.4×10?kg（24000噸），按蒸汽單價(jià)200元/噸計(jì)算，年蒸汽費(fèi)用24000×200=480萬(wàn)元。電力消耗：泵類(lèi)總功率5.5+3+7.5=16kW，年耗電量16×8000=128000kWh，按電價(jià)0.8元/kWh計(jì)算，年電費(fèi)128000×0.8=10.24萬(wàn)元。冷卻水消耗：78750kg/h，年消耗78750×8000=6.3×10?kg（63萬(wàn)噸），按水費(fèi)1元/噸計(jì)算，年水費(fèi)63×1=63萬(wàn)元。8.2經(jīng)濟(jì)性分析年總成本：蒸汽費(fèi)用+電費(fèi)+水費(fèi)+設(shè)備折舊+人工成本≈480+10.24+63+50+30=633.24萬(wàn)元（設(shè)備折舊按10年計(jì)提，總投資500萬(wàn)元；人工成本按3人，年薪10萬(wàn)元/人）。年銷(xiāo)售收入：年產(chǎn)2萬(wàn)噸45%NaOH溶液，按單價(jià)800元/噸計(jì)算，年銷(xiāo)售收入20000×800=1600萬(wàn)元。年利潤(rùn)：1600-633.24=966.76萬(wàn)元，投資回收期≈500/966.76≈0.52年（6.2個(gè)月），經(jīng)濟(jì)性良好。九、安全與環(huán)保措施9.1安全措施防腐措施：所有接觸NaOH溶液的設(shè)備、管道選用耐腐蝕材質(zhì)（316L不銹鋼），定期檢查設(shè)備腐蝕情況，防止泄漏。壓力安全：蒸發(fā)器、蒸汽管道設(shè)置安全閥，當(dāng)壓力超過(guò)額定值時(shí)自動(dòng)泄壓；設(shè)置壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力，定期校驗(yàn)。溫度控制：各效蒸發(fā)器設(shè)置溫度傳感器，與蒸汽閥門(mén)聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽流量，防止溫度過(guò)高導(dǎo)致溶液分解或結(jié)垢。液位控制：蒸發(fā)器設(shè)置液位計(jì)和液位報(bào)警器，防止液位過(guò)低導(dǎo)致干燒，或液位過(guò)高導(dǎo)致二次蒸汽帶液過(guò)多。應(yīng)急措施：設(shè)置應(yīng)急事故池，收集設(shè)備泄漏的NaOH溶液；配備中和池，用鹽酸中和廢棄的NaOH溶液后排放；現(xiàn)場(chǎng)配備防毒面具、防腐蝕手套、洗眼器等防護(hù)用品。9.2環(huán)保措施廢水處理：冷凝水經(jīng)檢測(cè)合格后可回收利用（如作為原料液稀釋水）；少量含NaOH的廢水進(jìn)入中和池中和至pH=6-9后排放。廢氣處理：冷凝器排出的不凝性氣體經(jīng)活性炭吸附裝置處理后排放，減少對(duì)大氣的污染。固廢處理：設(shè)備檢修產(chǎn)生的廢密封圈、廢管道等固廢分類(lèi)回收，交由專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)處理；蒸發(fā)器結(jié)垢定期清理，清理出的垢渣按危廢處理。節(jié)能措施：蒸汽管道、設(shè)備殼體保溫，減少熱損失；冷凝水回收利用，提高能源利用率；優(yōu)化操作