四效蒸发器设计.

1、四效蒸发器设计键入文字目 录第一章 前言 21.1概述 21.1.1 蒸发及蒸发流程 2 1.1.2蒸发操作的分类 2 1.1.3蒸发操作的特点 2 1.1.4蒸发设备一蒸发器 3 1.1.5蒸发设备的要求 3 1.1.6蒸发设备的选型 4第二章蒸发器装置设计任务42.1设计题目 42.2设计任务及操作条件 42.3设备型号 4第三章蒸发工艺设计计算 43.1各效蒸发量和完成液浓度的计算 53.2各效溶液沸点和有效温度差的确定 63.2.1各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失.： 73.2.2各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失 73.2.3由经验不计流体阻力产生压降所引起的温度差损失

2、 83.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算 9 34蒸发器的传热面积 10 3.5有效温差的再分配 113.5.1 重新分配各效的有效温度差 1135. 2重复上述计算步骤 113.6计算结果列表 14第四章蒸发器工艺尺寸计算 144. 1加热管的选择和管数的初步估计 144.1.1加热管的选择和管数的初步估计 144.1.2循环管的选择 153.1.3加热室直径及加热管数目的确定 154.1.4分离室直径与高度的确定 154.2 接管尺寸的确定 154.2 .1 溶液进出 164.2 .2加热蒸气进口与二次蒸汽出口 164.2 .3冷凝水出口 16第五章蒸发装置的辅助设备 165.1 气

3、液分离器 165.2蒸汽冷凝器 175.2.1冷却水量 175.2.2计算冷凝器的直径 175.2.3淋水板的设计 18185.3泵的选型5.3.1离心泵的选择 185.3.2预热器的选择 18第六章主要设备强度计算及校核 18第七章参考文献 20第八章课程设计心得 21符号说明希腊字母：c 比热容， KJ/(Kg.h)d管径，mD直径，mD一一加热蒸汽消耗量，Kg/hf 校正系数，F进料量，Kg/hg 重力加速度，9.81m/s2h 高度，mH高度，mk 杜林线斜率K总传热系数，W/m2.CL 液面高度，mL 加热管长度， mL 淋水板间距， mn效数p压强，Paq 热通量，W/m2Q传热速

4、率，W r 汽化潜热， KJ/KgR热阻，m2.C /WS传热面积，m2 t 管心距， mT蒸汽温度，Cu流速，m/sU蒸发强度，Kg/m2.hV体积流量，m3/h x溶剂的百分质量，a对流传热系数，W /m2. C温度差损失，C误差n 热损失系数，阻力系数，入导热系数，W /m2. C卩 粘度， P 密度,刀一一加和0系数Pa.sKg/m3下标：1,2,3 效数的序号，0进料的 n第n效i 内侧m平均o外侧p 压强s 污垢的w水的w壁面的W蒸发量，Kg/h W质量流量，Kg/h上标：二次蒸汽的上标：因溶液蒸汽压而引起的上标：因液柱静压强而引起的上标： ：因流体阻力损失而引起的36第一章 前言

5、1.1 概述1.1.1 蒸发及蒸发流程 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。蒸发的目的是为了使溶液中的溶剂汽化，故溶剂应具有挥发性而溶液中的溶质则是不挥发的。 蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性质的水溶液，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，用于获取固体产品。3、脱除杂质获得纯净的溶剂或半成品。 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为一次蒸汽，从溶液 蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。1

6、.1.2 蒸发操作的分类 按操作方式可分为连续式或间歇式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作过程。 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 蒸汽，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、加压和减压蒸发。在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作 为下一效的加热蒸汽加以利用。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

7、 。1.1.3 蒸发操作的特点 从上述对蒸发过程的简单介绍可看出：常见的蒸发，实质上是在间壁两侧分别有蒸汽冷凝和液 体沸腾的传热过程。所以，蒸发器也就是一种换热器。然而，与一般的传热过程相比，蒸发需要注 意以下特点。沸点升高 蒸发的物料是溶有不挥发性的溶质的溶液，又乌拉尔定律可知；在相同温度下，其 蒸汽压较纯溶剂为低，因此，在相同压力下，溶液的沸点就高于纯溶剂的沸点。当加热蒸汽温度一 定时，蒸发溶液时的传热温度差就比蒸发纯溶剂时为小，而溶液的浓度越大，这种影响也越显著。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汽。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

8、结垢或者析出结 晶；有些热敏性物料在高温下易分解变质等。如何根据物料的这些特性和工艺要求，选择适宜的蒸 发方法和设备，也是蒸发所必须考虑的问题。4 蒸发设备蒸发器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 00 构型式。对常用的间壁传热式蒸发器， 液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：(1)

9、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，接近完成液的浓度且操作稳 定。A 中央循环管式蒸发器B 悬筐式蒸发器C 外热式蒸发器D 列文式蒸发器E 强制循环蒸发器(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。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。但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。A 升膜式蒸发器B 降膜式蒸发器C 刮板式蒸发器5 蒸发设备的要求蒸发设备的种类很多，但无论何种类型的蒸发设备，在构造上必须有利于过程的进行。因此设计蒸 发设备时应考虑以下几

10、个因素：1、尽可能提高冷凝和沸腾给热系数。减缓加热面上污垢的生成速率，保证设备具有较大的传热系数2、能适应溶液的某些特性，如粘性、起泡性、热敏性、腐蚀性等；3、能完善汽化、液的分离；4、能排除溶液在蒸发过程中所析的晶体。从机械的工艺性、设备的投资、操作费用等角度考虑，蒸发设备的设计还应满足以下几项要求：1、设备的材料消耗少，制造、安装方便合理；2、设备的检修和清洗方便，使用寿命长；3、有足够的机械强度。6 蒸发设备的选型 本次设计要求采用的是四效中央循环管式蒸发器：在选型时应考虑的主要因素有：1、质； 2、工程技术要求，如处理量、蒸发量，安装现场的面积和高度、连续或间歇生产等； 的热源的冷却的

11、情况； 4、物料的黏度随蒸发过程中溶液温度、浓度的变化情况等。按溶料液的性3、利用结构和原理：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。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 14m；加热管径多

12、为2575mm之间。但实际上，由于结构上的限制，其循 环速度一般在0.40.5m/s以下；蒸发器内溶液浓度始终接近完成液浓度；清洗和维修也不够方便。第二节蒸发装置设计任务.1设计题目NaOH水溶液蒸发装置是设计.2设计任务及操作条件1）设计任务处理量（Fo）: 25000 （Kg/h ）料液浓度（Xo）: 10%质量分率产品浓度（X4） ;50%质量分率加热蒸汽温度（T1s）:177.67 C。 末效冷凝器的温度 T4s: 60.1 C。2）操作条件加料方式：四效并流加料原料液温度：20 C。各效蒸发器中溶液的平均密度：6 =1.13188g/l:m2 =1.17510g/l订3 2629g/

13、lm4 5253g/l加热蒸汽压强：950KPa （绝压）冷凝器压强为：20KPa （绝压）各效蒸发器的总传热系数：K1 =3400W*m2K-1K2 =2700W*m2K-1K3=2000W*m2 K-1K4=1500W*m2 K-1传热面积相等2.3设备型号：中央循环管式蒸发器第三章蒸发工艺设计计算K T： Hi*AT T- H#T：乱匸门站*图1四效并流蒸发器3.1各效蒸发量和完成液浓度的计算四效蒸发的工艺计算的主要依据是物料衡算和、热量衡算及传热速率方程。 计算的主要项目有：加热蒸气的消耗量、各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积。计算的参数有：料液的流量、温度和浓 度，最终完成液的浓度，加

14、热蒸气的压强和冷凝器中的压强等。蒸发器的设计计算步骤多效蒸发的计算一般采用试算法：（1） 根据工艺要求及溶液的性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸气压强及冷凝器的压强），蒸发 器的形式、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浓度。（3）根据经验假设蒸气通过各效的压强降相等，估算个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），直到所求得各效传热面积误差小于5%为止。物料衡算：由 FXO =（ F W）X4 得

15、 W = F （ FX0/X4）W= 25000- （25000 空）=2000Ckg/h代入数据计算总蒸发量：0-50并流加料蒸发中无额外蒸汽引出，可设W1 : W2 : W3 : W4 = 1 : 1.1 : 1.2： 1.3 而 W=W1+W2+W3 +W4=4.6W仁20000kg/h由以上三式可得:W仁4347.83kg/hW2=4782.61kg/hW3=5217.3kg/hW4=5652.17kg/h再由公式 FX0 =( F W1 W2 一 Wi) Xi (i 2)得:二 25000.01 “你F -W25000 -4347.83Fx025000 001= 0.158z X2

16、一一F -W -W2 25000 -4347.83 -4782.61FxoF -Wi -W2 -W325000 .0125000 -4347.83-4782.61 -5217.3二 0.235X4 =0.5.2各效溶液沸点和有效温度差的确定各效的二次蒸汽压使用经验公式估算，最简便的估算方法是设各效间的压强降相等，则总压强差为:、：P=P0-Pk=9 5 0 209K0= 232.5KPa各效间的压强差可求得各效蒸发室的压强：P1/= P0也 Pi =950-232.5=717.5 KPaP2/ = P0 2 - Pi =950-2232.5=485 KPaP3/= P03 ： Pi = 950

17、-3232.5=252.5KPaP4/= P0 4 Pi = 950-4232.5=20KPa由各效的二次蒸汽压强从（化工原理第三版上册附录8.9查得相应的二次蒸汽温度和汽化潜热列与下表中第效第二效第三效第四效二次蒸汽压强Pi/（KPa）717.5485252.520二次蒸汽温度Ti/（ C ）（即下一效加热蒸汽温度）166150.7127.860.1二次蒸汽的汽化潜热（即下一效 加热蒸汽的ri/）2068.52116.82184.52355多效蒸发中的有效传热总温度差可用下式计算：有效总温度差 4 =（T1 一几）人式中：t-有效总温度差，为各效有效温度差之和，C。-第一效加热蒸气的温度，C

18、。Tk -冷凝器操作压强下二次蒸气的饱和温度，C。 匚 总的温度差损失，为各效温度差损失之和，C,其中7 “ 7.:式中 -:-由于溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失，c,、-由于蒸发器红溶液的静压强而引起的温度差损失，c,丄-由于管道流体阻力产生压强降而引起的温度差损失，c, 3.2.1各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失=/根据Ti/（即相间压强下水的沸点）和各效完成液浓度 xi由化工原理P252 NaOH水溶液的杜林线图查得各效溶液的沸点tAi分别为：tp1 二 168 ctp2 二 154 c t B3 =135 c t B4 二 96 c则各效由于溶液蒸气压下降所引起的温度差损

19、失为二 tA1 -T=168-166 =2 c=-2=tA2 -T2154 -150.7 =3.3= tA3 -T3= 135 -127.8 =7.2“A4 Tt = 96 60.1 = 35.9仆 送 d =2+3.3 + 7.2+35.9=48.4-得：c.2.2各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失为简便起见，日夜内部的沸点可按液面和底层的平均压强来查取，平均压强近似按静力学方 程估算：Pav = P-a2gL2式中Pav蒸发器中液面和底层的平均压强,KPaP/二次蒸气的压强，即液面处的压强，溶液的平均密度，L -液层高度g-重力加速度，PavgLPav =亠根据2取液位高度为2米由Na

20、OH水溶液比重图可得下列数据：NaOH水溶液密度(Kg/m3)6 =1.13188g/lm2= 1.17510g/lKPam3= 1.2629g/lP 4m4，pPw1 =R . 一Pw2 - P2Pw3 二 P3Pw4 = P4= 1.5253g/l輕十7.53188 981 2=730.8KPa2 2，m2gL1.1751 9.81 2485 吐=498.8KPa2 2P gL1 2629 汇9 81 汇2=252.5 1.2629 9.81 2 =267.4KPa 2 2:?m4gL1.5253 9.81 220 吐=37.96 KPa2P226 查根据各效溶液平均压力从化工原理第三版上

21、册陈敏恒、丛德滋、方图南、齐鸣斋主编 得对应的饱和溶液温度为：Tpavi =1667CTpa2v = 1 51.疋5Tpa3/= 1 29. 66 Tpa4 = 7 4. 64根据： /= T/ Pav- T/it *t式中pm -根据平均压强求取的水的沸点C,p -根据二次蒸汽压强求得水的沸点C所以： 1 = Tpav1-Ti 1 Wpax-T； =166.7-166=0.76 2 =Tpav2-T2 =151.75-150.7=1.056 3 = TpaV3-T3 =129.66-127.8 =1.86C 4 = T 乩-丁 ； =74.64-60.1 =14.54C送 d=/1 +J/2

22、+/3 +J/4 =0.7+1.05+1.86+14.54 = 18.156.2.3由经验不计流体阻力产生压降所引起的温度差损失/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而引起的温度差损失即为厶：根据经验其值 1C , 1/ = 2/= 3/= 4/=1 C。贝U1 C故蒸发装置总的温度差损失为：、:：-、 .=48.4 18.15 4 = 70.55C溶液的沸点：ti 订冷-X-2 二=2 0.7 1 =3.7CJ -r J；3 =3.3 1.05 1 =5.35C.：3 ；.： .2

23、J； =7.2 1.86 1 =10.06C-. .r3t2 t3 I+ (FCp0 Wcpw -Wcpw ):332133.7W4157.05-133.86= 0.9104225000 3.96 -4.187W -4.187W2 -IL 2181=0.8502W2+955-0.0404W1第四效：n 4=0.98-0.7(x4-x3)=0.98-0.7 X (0.5-0.273)=0.8213W32181W4=W4”.t _ 14Fcp0 iCpw _V?cpw iCpw -”= 0.82132181W225000 3.96 -4.187W -4.187W2 -4.187W3 133.811

24、1.54_ 23552355=0.7276W3+771-0.033W1-0.033W2因为:W 1+ W2+ W3+ W4=20000Kg/h得：D仁5491Kg/h得：W 仁 5179Kg/hW2=5335Kg/hW3 =5276Kg/hW4 =4215Kg/h与第一次热量恒算所得结果进行比较的误差W1:51791=0.0128 0.0552465335 W21 =0.00596 900mm,淋水板取79块(2) 淋水板间距：Ln十=0.7LnL末工0.15m取L7=0.15L6=L7/0.7=0.15/07=0.22mL5= L6/0.7=022/0.7=0.32mL4= L5 /0.7=

25、0.32/0.7=0.46mL3= L4/0.7=0.46/0.7=066mL2= L3/0.74=066/0.7=0.94mL1= L2/0.7=0.94/0.7=1.34mL0= L1/0.7=1.34/0.7=1.91m所以取：L0=1.91mL1=1.34mL2=0.94mL3=0.66mL4=0.46mL5=0.31mL6=0.22mL7=0.15m(3)弓型淋水板的宽度：最上面一块B =( 0.80.9)D,其他各淋水板 B=D/2+0.05 mB =0.8X 1.50.9 1.5, 取 B =1.2m,其余取B=0.5m。(4)淋水板堰高 h：D500mm,取 h=70mm(5)

26、 淋水孔径：冷却水循环使用，取d=10mm(6) 淋水孔数：淋水孔冷却水流速-水流收缩系数=0.800.82h淋水板堰高，m= 0.95=0.80Uo W；2gh,i.-._淋水孔的阻力系数=0.950.98u0 =0.98 0.80.2 9.81 70 10 0.891-4084x109.59 n =3600(10 10)2 0.8914其他各板孔数：N=n( 1+5% =428考虑到长期操作容易堵塞，则最上板空孔数： 2=n( 1+15% =4695. 3泵的选型5.3.1离心泵的选择q=F/p =25000/1075=23.26m3/h查IS型单级离心泵性能表：选型号：IS80-65-1

27、25流量：50 m3/h 扬程：20m转速：2900r/s轴功率：3.63kw电机功率：5.5kw 效率：75% 必须汽蚀余量：3.0m 5.3.2预热器的选择将25000Kg/h的10%NaOH溶液从20 oC加热到169.7 oG加热介质采用 950Kpa绝压的饱和水蒸 气，冷凝液在饱和温度下排出：(1) 确定流体通入的空间：因加热介质是饱和蒸汽宜通入壳程NaOH溶液通入管内。(2) 确定流体的定位温度物性数据并选择列管式换热器的型式，饱和蒸汽压强为950Pa,绝压温度T=177.7 oC。因是恒温，饱和蒸汽的定性温度下Tm=177.7oC , NaOH的 定性温度 tw=0.5(20+1

28、69.7)=94.9 oC.。两流体的温度差 Tm-tm=177.7-94.9=82.8 oC两流体的温差大于 50oC,故选用浮式列管换热器。(3) 计算热负荷Q按管内NaOH溶液计：即250006Q 二 WcCp(t2-tJ3964.4 (169.7-20) =4.121 10 w3600若忽略热损失，冷凝液又在饱和温度下排出，蒸汽的流量，可由热量恒算求得：Q 4.12仆10Wh3 =1.950Kg/sr 21132 汉 103(4) 计算平均温度差：tm(T-tJ-(T-t2)(169.7-20)-(169.7-157.05)lnT-t1T-t2ln169.7-20169.7-157.05= 54.2C(1)选换热器规