NaOH水溶液三效并流蒸发装置的设计方案

1 溶液三效并流蒸发装置的设计 方案 符号说明 )./(/)./(总传热系数，二次蒸汽的焓，高度，重力加速度，校正系数原料液流量，加热蒸汽消耗量，直径，加热管的内径，比热容，管壁厚度，英文字母 2 误差温度损失，对流川热系数，希腊字母质量，单位体积冷却水的蒸汽溶质的质量分率质量流量，蒸发量，分离室的体积，流体得体积流量，蒸发体积强度，(/)./(233333a/).(/)./(222速，温度，管心距，溶液的温度（沸点），传热面积，污垢热阻，气话潜热，雷诺系数总传热速率，热通量，普朗特准数绝对压力，蒸发系统总效数，管数，溶液质量，子周边上的单位时间内通过单位管长度， 3 水流收缩系数管材质的校正系数密度，粘度，导热系数，热利用系数3/)./(发装置 设计任务书 计题目 溶液蒸发装置的设计 计任务及操作条件 （ 1）设计任务 处理量（ ）： （ kg/h） 原料液浓度（ ）： 12% 质量分率 产品浓度（ ）： 40% 质量分率 （ 2）操作条件 加料方式： 三效并流加料 原料液温度： 第一效沸点温度 各效蒸发器中溶液的平均密度： 1=1014kg/ 2=1060kg/ 3=1239kg/ 加热蒸汽压强： 500压） ，冷凝器压强为 15压） 各效蒸发器的总传热系数： 500W/（ K）， 000W/（ K）， 00W/（ K） 4 各效蒸发器中液面的高度： 各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。假设各效传热面积相等，并忽略热损失。 （ 3）设备型式 中央循环管式蒸发器 （ 4）厂 址 天津地区 （ 5）工作日：每年 300 天，每天 24小时连续运行。 计内容 （ 1）设计方案的简介：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，包括气液分离及蒸气冷凝器等 （ 5）绘制工艺流程图及蒸发器设计条件图 （ 6）设计结果汇总 （ 7）对设计过程的评述和有关问题的讨论 二、前言 述 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； 5 (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。 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。 6 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。 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 7 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 降膜式蒸发器， 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。 8 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 75间。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在 s 以下）；而且由于溶液在加热管内不断循环，使其组成始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温度差减小；设备的清洗和检修也不够方便。 三、设计任务 计各效蒸发量和完成液浓度 由年处理量 267000 吨，且每年按照 300 天计算，每天 24 小时连续进行，得料液的进料量 F 为： h 用总物料衡算确定总蒸发量 W 为： W=F (1=1- =h 因并流加料存在自蒸发，且且蒸发中无额外蒸汽引出，可设： 9 2:=2+1=h h h 0= =10 x = =计各效溶液的沸点和总有效传热温差 加热蒸汽压 P （绝压），冷却器的绝压为 k 假 设 各 效 间 压 力 降 相 等 ， 那 么 总 压 力 差 为 ： 各效间的平均压力差为： 134 853i 由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即： 8- 6212 k3 由各效的二次蒸汽压力，从手册中可查的相应的二次蒸汽的温度和汽化潜能列于下表中： 效数 I 次蒸汽压力 5 10 二次蒸汽温度 （即下一效加热蒸汽的温度） 4 二次蒸汽的汽化潜热 g 2150 2218 各效由于溶液沸点而引起的温度差损失 根据各效二次蒸汽温度（也即相同压力下水的沸点）和各效完成液 X ， 各效溶液的沸点 别为： 则各效由于溶液沸点比水的沸点升高而引起的温度差损失为： 33222o111所以 21 于液柱静压力而引起的沸点升高（温度损失） 由于蒸发器中液柱静压力引起的温度差损失 某些蒸发器在操作时，器内溶液需维持一定的液位，因而蒸发器中溶液内部的压力大于液面的压力，致使溶液内部的沸点较液面处的为高，二者之差即为因液柱静压力引起的温度差损失 11 根据液柱静力学方程，液层的平均压力为：21m ， 所以 K p m 00 1 K p m 00 2 K m 1460152333 对应的饱和温度为： CT 1 CT 2 CT 3 所以 11 2 2 33 3 3 所以 流体阻力引起的温差 由于管道流体阻力产生的压强降所引起的温度差损失在多效蒸发中末效以前各效的二次蒸汽流到次一效的加热室的过程中由于管道阻力使其压强降低蒸汽的饱和温度也相应降低由此引起的温度差损失即为 取经验值 即 所以 所以蒸发装置的总温度差损失为： 12 效料液的温度和有效总温差 由各效二次蒸汽 温度差损失 i ，即可由下式估算各效料液的温度 T 又 1111 2 2 22 3 3 33 所以各效料液的温度为 CT 1 7t CT 2 CT 3 有效总温差 ）（ 对压力下饱和蒸汽的温度 汽化潜热为 i ， 所以 o 1t ）（）（热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算 第一效的焓衡量式为： 1100,11111 p 因沸点进料，故 10 1W 1111 13 1 1x - 0x ） W D D （ a） 第二效的焓衡量式为： 221,10,22122)( 1 2 2x - 1x ） 表得 1, ) 0 ) 2W 2 2 1 8 5)1 8 0 8 3(2 2 1 82 1 5 0 11 W （ b） 第三效的焓衡量式为： 332,2,10,33233)( 21 3 3x - 2x ） 14 6 6 8)1 8 0 8 3( 6 62 2 1 88 5 1 123W （ c） 1W 2W 3W h （ d） 联立（ a）（ b）（ c）（ d），解得 1D h 1W h 2W h 3W h 算蒸发器的传热面积 式中 i 效的传热速率， W。 i 效的传热系数， W/（ ） . i 效的传热温度差， i 效的传热面积， 11 2113 360010 3 W 112 2150 360010 3 W 223 2218 360010 3 W 111 15 21222 32333 261111 同理： 7误差估算 : 误差为 4 31a xm i n 所以需调整各效的有效温度差，从复上述计算 新分配各效的有效温差 m 即 111 8 16 222 7 6 333 2 复上述计算步骤 算各效料液浓度 由所求得的各效蒸汽量。求各效溶液的浓度。他们分别为： 101 6 3 9 7 9 7 2 102 x 算各效溶液沸点 因末效完成液浓度和二次蒸汽压强不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液的沸点 Ct 变。 则第三效加热蒸汽温度（即第二效二次蒸汽温度）为： 3323 由第二效的二次蒸汽温度 2T 及 2x 查杜林线图得第二效溶液 121 由于静压强引起的温差损失 及由于流体阻力引起的温差损失 可视为不变，故第二效溶液的沸点为： 222,2 121+= 17 同理 2212 由 1T 、 1x 查杜林线图得第一效溶液的 141111,1 141+= 温差重新分配后各效温度情况如下： 效数 参数 1 2 3 加热蒸汽温度 度差 液沸点 各效的焓恒算 1 1x - 0x ） =W 1111 113 1D =D （ a） 2 2x - 1x ） = 221,10,22122)( 1 5 3)1 8 9 7 2( 5 3 7 11 D + （ b） 3 3x - 2x ） =18 332,2,10,33233)( 21 3W 7 9 7 2( 7 5 3 212 D + （ c） 1W 2W 3W h （ d） 联立（ a）（ b）（ c）（ d）得 1D h 1W h 2W h 3W h 与第一次计算结果比较，其相对误差为 计算相对误差均在 下，故各效蒸发量的计算结果合理。其各效溶液浓度无明显变化，不需重新计算。 算蒸发器的传热面积 111 60010 3 112 60010 3 19 223 60010 3 111 21222 32333 1111 m 2222 m 3333 m 误差估算 a xm i n /1 迭代计算结果合理，区平均传热面积 S=m 算结果列表 效数 参数 1 2 3 冷凝器 加热蒸汽温度 作压强 i ， 5 15 溶液沸点 20 完成液浓度% 0 蒸发水量kg/h 生蒸汽量kg/h 传热面积2m 二 次 蒸 汽 密 度 3m 四、蒸发器主要工艺尺寸的设计计算 蒸发器的加热管通常选用 25*38*57*几种规格的无缝钢管。考虑蒸发器的处理量较小，所以选 格。 加热管的长度一般为 2m，但也有选用 2m 以上的管子。管子长度的选择应根据溶液结垢后的难以程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑，易结垢和易起泡沫溶液 的蒸发易选用短管。根据我们的设计任务和溶液性质，我们选用以下的管子。 可根据经验我们选取： L=2M， 热管的选择和管数的初步估计 选用 格的无缝钢管，长度为 L=2m 估算管子数 n ) 21 根1963) 7 . 2 8 式中 S=前面的工艺计算决定； m； m。 因加热管固定在管板上，考虑管板厚度所占据的传热面积，则计算 n 时的管长应用（ L m. 环管的选择 循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减小的原则考虑的。我们选用的中央循环管式蒸发器的循环管截面积可取加热管总截面积的 40%加热管的总截面积可按 n 计算。循环管内径以 示，则内径224)1 ii 整理得 )1 蒸发器加热面积较大，取 40% 1 . 4 0 0 050 iD m 热室直径和加热管数目的确定 加热室的内径取决于加热管和循环管的规格、数目及在管板撒谎能够的排列方式。 加热管在管板上的排列方式有三角形排列、正方形排列、同心圆排列。根据我们的数据表加以比较我们选用三角形排列式。 22 管心距 t 为相邻两管中心线之间的距离， t 一般为加热管外径的 ， 确定加热室内径和加热管数的具体做法是：先计算管束中心线上管数 子安正三角形排列时，其中 n 为总加热管数。 初步估计加热室 Di=t(2b ,式中 b =(1 1.5)选一个内径作为加热室内径并以该内径和循环管外径作同心圆，在同心圆的环隙中，按加热管的排列方式和管心距作图。所画的管数 n 必须大于初值 n ，若不满足，应另选一设备内径，重新作图，直至合适。 不同规格加热管尺寸的管心距 加热管外径0d ， 9 25 38 57 管心距 t， 5 32 48 70 由上表查的规格为 管心距： 70t 数中心线上管数 正三角形： 211.1 nn c （ 1 初估加热室内径 2)1( c （ 0 1d ） )1000571(2)149(100070 m n 23 离室直径与高度的确定 分离室体积的计算公式 3600 （ s） 式中 kg/h; Kg/ 即每立方米分离室体积每秒产生的二次蒸汽量。一般用允许值为 U=1.5 m3*s) 360011 1 . 0 2 1 6 6 7 33 6 0 0 1 2 1 3 2 . 8 3 360022 360033 3 . 4 7 7 7 3 8 03 6 0 0 1 1 1 9 4 . 7 为3以选择 般说来，各效的二次蒸汽量不相同，其密度也不相同，按上式计算得到的分离室体积也不会相同，通常末效体积最大。为方便起见，各效分离室的尺寸可取一致。分离室体积宜取其中较大者。确定了分离室的体积，其高度与直径符合4 关系，确定高度与直径应考虑以下原则： （ 1）分离室的高度与直径之比 H/D=1 2。对于中央循环管式蒸发器，其分离室高度一般不能小于 保证足够的雾沫分离高度。分离室的直径也不能太小，否则二次蒸汽流速过大，导致雾沫夹带现象严重。 (2)在条件允许的情况下，分离室的直径尽量与加热室相同，这样可使结构简单制造方便。 （ 3）高度和直径都适于施工现场的安放。 24 取 H 解得 H=管尺寸的确定 蒸汽进口，二次蒸气出口，其中 流体的体积流量 流体进出口接管的 内径计算公式 s4式中 m3/s m/s 因为第三效体积流量最大，所以取其值为计算量 333 4 d m 根据无缝钢管的规格选用 15480 准管 液进出口 12%度为 1130.9 kg/m 5 水 d 根据无缝钢管的规格选用 473 准管 凝水出口 凝水的排出一般属于液体自然流动，接管直径应由各效加热蒸气消耗量较大者确定。按第三效计算 水的密度在 o 时 ，取 U=s 3 4水 1 8 2 . 所以取 规格管。 五、蒸发装置的辅助设备 液分离器 蒸发操作时，二次蒸汽中夹带大量的液体，虽在