NaOH水溶液蒸发装置的设计

1、 目 录 符号说明················································

2、83;·····················2 第一节 概述···························&

3、#183;······································3 一、蒸发及蒸发流程·········&#

4、183;··········································3 二、蒸发操作的分类·····

5、83;··············································4 三、蒸发操作的特点·

6、3;·················································

7、3;4 四、蒸发设备················································&#

8、183;·········4 五、蒸发器选型·······································

9、;·················5 第二节 工艺流程草图·······························

10、;····························5 第三节 三效蒸发器得工艺计算···················&

11、#183;······························5 一、估计各效蒸发量和完成液浓度················&#

12、183;······················5 二、估计各效溶液的沸点和有效总温差························&

13、#183;··········6 （一）各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失?/···············6 （二）各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失''?·············

14、3;·····7 （三）流体阻力产生压降所引起的温度差损失'''?······················8 （四）各效料夜的温度和有效总温差·············&#

15、183;···················8 三、加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算···························

16、;····8 四、蒸发器的传热面积的估算···········································9

17、五、有效温差的再分配················································&#

18、183;10 六、重复上述计算步骤···············································&

19、#183;·10 （一）计算各效溶液浓度···········································10 （二）计算各效溶液沸点

20、83;··········································10 （三）各效焓衡算·····

21、3;···········································11 （四）蒸发器传热面积的计算····

22、···································12 七、计算结果·············

23、83;···········································12 第四节 蒸发器的主要结构尺寸计算 一、加热管的选择和管数的初步估计

24、83;····································12 二、循环管的选择···········

25、3;·········································13 三、加热室直径及加热管数目的确定·····

26、83;·······························13 四、分离室直径与高度的确定················

27、;···························13 五、接管尺寸的确定·····················

28、;······························14 (一)溶液的进出口··················

29、;······························14 （二）加热蒸气进口与二次蒸汽出口 ················

30、83;···············14 （三）冷凝水出口································

31、3;················14 第五节 蒸发装置的辅助设备·······························

32、·····················14 一、气液分离器···························&#

33、183;····························14 二、蒸汽冷凝器···················

34、3;····································15 （一）冷却水量·lV··········

35、3;····································15 （二） 冷凝器的直径···········

36、83;···································16 （三）淋水板的设计············

37、83;···································16 第六节 主要设备强度计算及校核···········

38、83;····································17 一、蒸发分离室厚度设计···········&

39、#183;···································17 二、加热室厚度校核············&

40、#183;······································18 符号说明 . )./(/)./(22CmWKkgJhmhsmgfhkgFhkgDmDmdCkgkJcmb?总传热系数，二次蒸汽的

41、焓，高度，重力加速度，校正系数，无因次原料液流量，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 误差，无因次温度损失，对流川热系数，希腊字母质量，单位体积冷却水的蒸汽次溶质的质量分率，无因质量流量，蒸发量，分离室的体积，流体得体积流量，蒸发体积强度，?CCmWmkgXxhkgWhkgWmVsmVsmmUS)./(/)./(233333 . 饱和的秒污垢的压力流速，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，无因次总传热速率，热通量，普兰特准数，无因次绝对压力，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，?SsspsmuCT

42、mtCtmSWCmRkgkJrRWQmWqPPapnnsmkgMmLer/).(/)./(222 . 壁面的水的体积的蒸汽的外侧的最小的最大的平均的液体的冷凝器的内侧的沸腾的平均的下标水流收缩系数，无因次因次管材质的校正系数，无密度，表面张力，粘度，导热系数，热利用系数，无因次?wwuvomLKiBavmkgmNsPaCmWminmax/.)./(3? 第一节 概述 一、 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

43、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； 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

44、二次蒸汽。 二、 蒸发操作的分类 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

45、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。 三、 蒸发操作的特点 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

46、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。 四、蒸发设备 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

47、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 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。 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

48、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 a.升膜式蒸发器， b.降膜式蒸发器， c.刮板式蒸发器 五、蒸发器选型 . 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

49、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12m；加热管径多为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 一、设计题目 NaOH水溶液蒸发装置的设计 二、设计任务及操作条件 1、设计任务 处理量（ ）： 5000 （kg/h） 料液浓度（ ）： 5% （wt%）质量分率 产品浓度（

50、）： 30% （wt%）质量分率 加热蒸汽温度（ ） 147.3 （） 末效冷凝器的温度（ ） 65.2 （） 2、操作条件 加料方式： 三效并流加料 原料液温度： 15 各效蒸发器中溶液的平均密度：1=1060kg/m3，2=1250kg/m3，3=1330kg/m3 加热蒸汽压强： 445kPa（绝压） ，冷凝器压强为 28 kPa（绝压） 各效蒸发器的总传热系数：K1=1800W/（m2·K），K2=1200W/（m2·K），K3=600W/（m2·K） 各效蒸发器中液面的高度： 2m 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

51、失。 3、设备型式 中央循环管式蒸发器 第三节 三效蒸发器得工艺计算 . 一、估计各效蒸发量和完成液浓度 多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（生蒸气）的消耗量、各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积。计算的已知参数有：料液的流量、温度和浓度，最终完成液的浓度，加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

52、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相等（或满足预先给出的精度要求）为止。 总蒸发量: hkgxxFW/4167)30.005.01(5000)1(30? 并流加料蒸发中无额外蒸汽引出,可设 3.1:2.1:1:321?WWW W=W1+W2+W3=3.51W=4167kg/h 由以上两式可得: W1=1191kg/h; W2=1429kg/h; W3=1547k

53、g/h; X1=10WFXF?=1191500005.05000? =0.067; X2=210WWFXF? =14291191500005.05000?=0.105; X3=0.30 二、估计各效溶液的沸点和有效总温差 设各效间的压强降相等，则总压强差为： ?KPaPPPK41728445'1 各效压力差 KPaPPi13934173? 式中 ?P -各效加热蒸汽压强与二次蒸气压强之差KPa， . 1P -第一次加热蒸气的压强KPa /KP-末效冷凝器中的二次蒸气的压强KPa 由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力, 即 KPaPPKPaPPPKPaPPPkii281671392445

54、2306139445''31'21'1? 由各效的二次蒸汽压强，从手册中查得相应的二次蒸汽温度和汽化潜热列与下表中: 效数 第一效 第二效 第三效 二次蒸汽压强Pi/(KPa) 306 167 28 二次蒸汽温度 Ti/() (即下一效加热蒸汽温度) 134.0 114.3 65.2 二次蒸汽的汽化潜热(即下一效 加热蒸汽的ri/)（kj/kg） 2166 2221 2338 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 ?)(/1KTTt 式中 t?-有效总温度差，为各效有效温度差之和，。 1T-第一效加热蒸气的温度，。 /KT-冷凝器操作压强下二

55、次蒸气的饱和温度，。 ?-总的温度差损失，为各效温度差损失之和， ?=?/+?/+?/ 式中 ? /- 由于溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失， ?/-由于蒸发器红溶液的静压强而引起的温度差损失， ?/-由于管道流体阻力产生压强降而引起的温度差损失， （一）各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失?/ 杜林规则（dnhring'srule）:某种溶液的沸点和相同压强下标准液体（一般为水）的沸点呈线性关系。 根据各效二次蒸汽温度（也即相同温度压力水的沸点）和各效完成液的浓度ix，由氢氧化钠水溶液的杜林线图可查的各效溶液得沸点分别为； tA1=136; tA2=117; tA3=81;

56、则各效由于溶液蒸汽压压下降所引起的温度差损失为： /1?=136-134=2.0 /2?=117-114.3=2.7 . /3?=81-65.2=15.8 所以 ?/=2.0+2.7+15.8=20.5 （二）各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失 为简便计算，以液层中部点处的压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，则根据流体静力学方程，液层的平均压力为： 2'gLPPavav? 式中 avP蒸发器中 液面和底层的平均压强，pa 'P二次蒸气的压强，即液面处的压强，pa av?溶液的平均密度， L-液层高度 g-重力加速度， 根据 2'gLPPavav? 又因液位高

57、度为2米 由 NaOH水溶液比重图可得下列数据: NaOH水溶液密度(Kg/m3) 330.1,250.1,060.1321?avavav? 21'11gLPPavav?=2281.9060.1306?=316KPa 222'2gLPPavav?=2281.9250.1167?=179KPa 233'3gLPPavav?=2281.9330.128?=41KPa 根据各效溶液平均压强查得对应的饱和溶液温度为: 1'pavT=135.1 ; 2'pavT=116.4; 3'pavT=75.6 根据 ?= pmptt? 式中 pmt?-根据平均压强求

58、取的水的沸点，pt-根据二次蒸气压强求得水的沸点, 所以 ?1= 1'pavT- T/1=135.1-134.0=1.1 ?2=2'pavT - T/2=116.4-114.3=2.1 ?3= 3'pavT-T/3=75.6-65.2=10.4 ?''=1.1+2.1+10.4=13.6 （三）流体阻力产生压降所引起的温度差损失'''? 取经验值1C?，即3'''2'''1'''?=0c?，则 ?C0''' 故蒸发装置得总的温度差损失为

59、 . ?=?/+?''+?'''=20.5+13.6+0=34.1 （四）各效料夜的温度和有效总温差 由各效二次蒸气压力iP'及温度差损失i?，即可由下式估算各效料夜的温度it， ti=Ti/+i? ?/1/1/112.0+1.1+0=3.1C? C?8.401.27.22'''22'2 C?2.2604.108.153'''3''3'3 各效料夜得温度为： t1=11'?T=134.0+3.1=137.1， t2=22''?T=114.3+4

60、.8=119.1 ， t3=33'?T=65.2+26.2=91.4 有效总温度差为 ?)('ksTTt 由手册查的445Kpa饱和蒸气的温度为147.3，气化潜热为2127KJ/kg,所以 ?)('ksTTt=147.3-65.2-34.1=48.0 三、加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算 第i效的焓衡算式为： 01211(.)()pwiiippwcipwiiiQDrFcWcWWcttWr? ?= 0.94-0.7x（式中x为溶液的浓度变化，以质量分率表示）。 第i效的蒸发量iW的 计算式为 10121(.)pwiiiiiippwcipwiirttWDFcWcWWcr

61、r? 式中 iD-第i效的加热蒸汽量，当无额外蒸汽抽出时iD= 1iW? ir- 第i效加热蒸气的汽化潜热 r?-第i效二次蒸气的汽化潜热 0pc-原料液的比热 pwc-水的比热 it，1it?-分别为 第i效及第i-1效溶液的沸点 i?-第i效的热利用系数,无因次， 对于沸点进料，10tt?，考虑到氢氧化钠溶液溶液浓缩热的影响，则 9688.0)05.0066.0(7.098.01? 由前面可知道，kgkJrkgkJr/2166,/21271'1? ,代入 111'1111951.0216621279688.0DDrrDW? .(a) 第二效的热衡算式为: ?2'21

62、12'2122)(rttcWFcrrWWpwpo? . 9527.0)066.0105.0(7.098.07.098.022?x? 由前面可知道，kgkJrkgkJr/2221,/21662'2?，所以 7.153897.022211.1191.137)187.498.35000(222121669527.01112?WWWW.(b) 第三效的热衡算式为: 8435.0)105.03.0(7.098.07.098.033?x? ?3'3213'3233)(rttcWFcrrWWpwpo? 由前面可知道，kgkJrkgkJr/2338,/22213'3?,

63、所以 1232123042.09.198760.023384.911.119)187.4187.498.35000(233822218435.0WWWWWWW? .(C) 又因W1+ W2+ W3=4167 (d) 联立(a),(b),(c),(d)式,解得: 1W=1453Kg/h 2W=1462Kg/h 3W=1252Kg/h D1= 1530 Kg/h 四、蒸发器的传热面积的估算 任意一效的传热速率方程为 iiiitKQS? 式中 iQ-第i效的传热速率，W。 iK-第i效的传热系数，W/（m2, ）. it?-第i效的传热温度差， Si-第i效的传热面积，m2 在三效蒸发中，为了便于制

64、造和安装，通常采用各效传热面积相等的蒸发器，即 SSSS?321 各效蒸发器的总传热系数：)./(600),./(1200),./(1800232221KmWKKmWKKmWK? Q1=D1r1=W6310904.03600/1021271530?Kg/h 2.101.1373.147111?tTt 2611112.492.10180010904.0mtKQS? WrWQ63'1121087.03600/1021661453? CtTtTt02'12229.141.1190.134? 2622229.489.1412001087.0mtKQS? 26333332'333

65、63'2236.659.226001090.0S9.224.913.1141090.03600/1022211462mtKQtTtTtWrWQ? . 误差为255.06.659.4811maxmin?SS，误差较大，应调整各效得有效温度，重复上述计算过程。 五、有效温差的再分配 平均传热面积: 23322119.480.489.226.659.149.482.102.49mttStStSS? 重新分配有效温度差: /1t? =11tSS? =C?62.49 /2t? =22tSS? =69.48? /3t? =33tSS? =4.269.229

66、.566.65? 六、重复上述计算步骤 （一） 计算各效溶液浓度 070.01453500005.05000101?WFFxx ; 120.014621453500005.050002102?WWFFxx， 3x=0.3， （二） 计算各效溶液沸点 末效溶液沸点和二次蒸汽压强保持不变,各种温度差损失可视为衡值，故末效溶液的沸点3t=90.2.而 /3t?=27.5,则第三效加热蒸汽温度（即第二效二次蒸汽温度）为 8.1174.264.91'332'3?ttTT 由于第二效二次蒸汽温度为T2/=117.8,再由X2=0.120查杜林曲线得:tA2=121.7, 所以第二效料夜的温

67、度为 8.12301.27.1212'''2''22?Att 同理 T2= T1/ = t2+/2t?=123.8+12.8=136.6 再由 T1/ =136.6，X1=0.07， 查杜林曲线得: tA1=138.5 6.13901.15.1381'''111?Att 说明溶液的温度差损失变化不打，不必重新计算，故有效温度差为 ?0.48t 温度差重新分配后，各效温度情况列于下表: 效次 I II III 加热蒸气温度， 3.1471?T 6.1362?T 8.1173?T . 有效温度差， 8.8'1?t 8.122&

68、#39;?t 4.263'?t 料夜温度（沸点）， 1t=139.6 2t=123.8 3t=91.4 （三）各效焓衡算: CTCTCT?2.658.1176.136321 kgkJrkgkJrkgkJr/2338/2211/21593'2''1? 第一效： 97.0)05.007.0(7.098.01? 111'111195.02159212797.0DDrrDW? （1） 第二效： 945.0)07.0120.0(7.098.02? ?2'2112'2122)(rttcWFcrrWWpwpo? 4.134894.022118.1236

69、.139)187.498.35000(22112159945.01112?WWWW （2） 第三效： 854.0)120.03.0(7.098.07.098.033?x? (3) 又因为： W 1+ W2+ W3=4167Kg/h (4) 联解（1）（4），得 W 1=1463Kg/h W2 =1442Kg/h W3 =1262 Kg/h D =1540Kg/h 与第一次热量恒算所得结果： 计算的相对误差均在0.05允许范围之内股计算得各效蒸发面积合理。其各效溶液浓度无明显变化不必再算。 （四）蒸发器传热面积的计算 Q1=D1r1=Kg/h 误差计算得： ；所以误差允许，取平均传热面积: .

70、七、计算结果 效数 1 2 3 冷凝器 加热蒸汽温度() 操作压强Pi/ (KPa) 147.3 136.6 117.8 329 186 28 65.2 28 溶液沸点ti 139.6 123.8 91.4 完成液浓度(%) 7 12 30 蒸发水量Wi Kg/h 1463 1442 1262 生蒸汽量D Kg/h 1540 传热面积Si m2 56.8 56.8 56.8 表中操作压强按查得，按查得，第四节 蒸发器的主要结构尺寸计算 一、加热管的选择和管数的初步估计 蒸发器加热管选取：， 的无缝钢管 S-蒸发器的传热面积，m2 L-加热管长度，m； d0-加热管外径，m； 当加热管的规格与长度确立后，可由下式初步估算所需管子数n'， 因加