课程设计-蒸发器

1、 西南科技大学本科过程设备原理课程设计 XVIII过程设备原理课程设计题目：NaOH水溶液蒸发装置的设计学院： 制造科学与工程学院 系别: 过程装备与控制工程 班级: 过控1102 学生姓名： 周伟 学号： 20116201 指导老师： 张健平 设计时间： 2014/7/4 过程设备原理课程设计任务书题目：NaOH水溶液蒸发装置的设计一、设计原始数据（1）设计任务：处理量： 7.92×104 （吨/年）（7.92×104，9.95×104，1.667×105）；料液浓度： 4.7% （4.7，10.6%）质量%；产品浓度： 23.7% （23.7%，30

2、%）质量%；加热蒸汽温度 151 （）（151，158.1）；末效冷凝器的温度 49 （）（49，59.6）。（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/m3，2=1060kg/m3，3=1239kg/m3；加热蒸汽压强：500kPa；冷凝器压强：20kPa；各效蒸发器的总传热系数：K1=1500W/（m2K），K2=1000W/（m2K），K3=600W/（m2K）；各效蒸发器中液面的高度：1.5m；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：

3、四川绵阳。（5）工作日：每年300天，每天24小时连续运行。二、基本要求（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）绘制工艺流程图及蒸发器设计条件图。（5）设计结果汇总。（6）对设计过程的评述和有关问题的讨论。（7）编写课程设计说明书。三、参考资料1 中国石化集团上海工程有限公司等. 化工工艺设计手册（第四版上、下册）. 北京: 化学工业出版社, 2009.2尾范英郎（日）著. 徐忠权译. 热交换设计手册. 北京: 化学工业出版社, 1981.3时钧, 汪家鼎. 化学工程手册. 北京: 化学

4、工业出版社, 1996.4卢焕章. 石油化工基础数据手册. 北京: 化学工业出版社, 1982.5陈敏恒，丛德兹. 化工原理(上、下册)(第二版). 北京: 化学工业出版社, 2000.6大连理工大学化工原理教研室. 化工原理课程设计. 大连: 大连理工大学出版社, 1994.7柴诚敬, 刘国维, 李阿娜. 化工原理课程设计. 天津: 天津科学技术出版社, 1995.目 录目录 II 目 录 1 设计方案简介 . 1 1.1  设计方案论证 . 1 1.2 

5、; 蒸发器简介 . 12 设计任务 . 3 2.1  估算各效蒸发量和完成液浓度 . 3 2.2  估算各效溶液的沸点和有效总温度差 . 3 2.3  加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算 . 6 2.4  蒸发器传热面积的估算 . 7 2.5 有效温差的再分配 . 7 2.6 

6、; 重复上述计算步骤 . 82.7  计算结果列表 . 11 3 蒸发器的主要结构尺寸的计算 . 123.1  加热管的选择和管数的初步估算 . 12 3.2  循环管的选择 . 12 3.3  加热室直径及加热管数目的确定 . 12 3.4  分离室直径和高度的确定 . 12 3.5&#

7、160; 接管尺寸的确定 . 13 4 蒸发装置的辅助设备的选用计算 . 154.1  气液分离器 . 15 4.2  蒸汽冷凝器的选型设计 . 155 评述 . 19 5.1  可靠性分析 . 19 5.2  个人感想 . 19 6 参考文献 . 20第一章 绪论1&

8、#160;设计方案简介 1.1  设计方案论证 多效蒸发的目的是：通过蒸发过程中的二次蒸汽再利用，以节约蒸汽的消耗，从而提高蒸发装置的经济性。目前根据加热蒸汽和料液流向的不同，多效蒸发的操作流程可以分为平流、逆流、并流和错流等流程。本设计根据任务和操作条件的实际需要，采用了并流式的工艺流程。下面就此流程作一简要介绍。 并流流程也称顺流加料流程（如图1），料液与蒸汽在效间同向流动。因各效间有较大的压力差，液料自动从前效流到后效，不需输料泵；前效的温度高于后效，料液从前效进入后效呈过热状态，过料时有闪蒸出现。此流程有下面几点优点：各效间压力差大，可

9、省去输料泵；有自蒸发产生，在各效间不必设预热管；由于辅助设备少，装置紧凑，管路短，因而温度损失小；装置操作简便，工艺条件稳定，设备维修工作减少。同样也存在着缺点：由于后效温度低、浓度大，因而料液的黏度增加很大，降低了传热系数。因此，本流程只适应于黏度不大的料液。 1.2  蒸发器简介 随着工业蒸发技术的发展，蒸发设备的结构与型式亦不断改进与创新，其种类繁多，结构各异。根据溶液在蒸发中流动情况大致可分为循环型和单程型两类。循环型蒸发器可分为循环式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等；单程蒸发器包括升膜式、降膜式、升降膜式及刮板式等。还可以按膜式和非膜式给

10、蒸发器分类。工业上使用的蒸发设备约六十余种，其中最主要的型式仅十余种。本设计采用了中央循环管式蒸发器，下面就其结构及特点作简要介绍。 中央循环管式蒸发器（如图2）又称标准蒸发器。其加热室由一垂直的加热管束（沸腾管束）构成，管束中央有一根直径较大的管子叫做中央循环管，其截面积一般为加热管束截面积的40%100%。加热管长一般为12m，直径2575mm，长径比为2040。其结构紧凑、制造方便、操作可靠，是大型工业生产中使用广泛且历史长久的一种蒸发器。至今在化工、轻工等行业中广泛被采用。但由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在0.5m/s以下）；管内溶液组成始终接近完成液的组成，因而溶液

11、的沸点高、有效温差小；设备的清洗和检修不够方便。其适用于结垢不严重、有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液。 并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算的示意图如图所示： 第二章 设计任务2.1  估算各效蒸发量和完成液浓度总蒸发量：W=11000*（1-0.047/0.237）=8819设三效蒸发：W1:W2:W3=1:1.1:1.2W=W1+W2+W3=3.3WW1=8819/3.3=2672.4 kg/hW2=1.1*2672.4=2039.7 kg/hW3=1.2*2672.4=3206.9 kg/h得到各效料液浓度：X1=FX0/(F-W1)=11000*0.047

12、/(11000-2672.4)=0.0621X2=FX0/(F-W1-W2)=11000*0.047/(11000-2672.4-2939.7)=0.0960X3=0.2372.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差P1=500 KPa Pk=20KPa各效之间的平均压差：P=P1-Pk=500-20=480 KPaPi=P/3=160 KPa故P1=500-PI=500-160=340 KPaP2=P1-Pi=340-160=180 KPaP3=20 KPa对第一效：查的常压下浓度为6.21%的NaOH沸点为101.6=101.6-100=1.6查的二次蒸汽为640 KPa时的饱和温

13、度为T1=137.7 r=2155.2 KJ/Kg=0.0162*（137.7+273）2 /2155.2*1.6=2.0液层的平均压力Pavi=340+1014*9.81*1.5/（2*103）=347.5 KPa此压力下的水的沸点138.5=138.5-137.7=0.8取=1则第一效溶液的温度 t1=T1+=137.7+1.6+0.8+1=141.1对第二效：查的9.6%的NaOH溶液沸点为102.8常=102.8-100=2.8二次蒸汽在180KPa时饱和温度为T2=116.6 r2=2214 KJ/Kg=0.0162*（116.6+273）2 /2114*2.8=3.1液层的平均压力

14、Pav2=180+1060*9.81*1.5/（2*103）=187.7 KPa此时水的沸点为118=118-116.6=1.4取=1第二效溶液温度t2= T2+=116.6+3.1+1.4+1=122.1对第三效：查的23.7%的NaOH溶液沸点为110常=110-100=10二次蒸汽在20KPa时饱和温度为T3=60.1 r2=2355 KJ/Kg=0.0162*（60.1+273）2 /2355*2.8=7.6液层的平均压力Pav3=20+1239*9.81*1.5/（2*103）=29.1 KPa此时水的沸点为68.2=68.2-60.1=8.1取=1第二效溶液温度t3= T3+=60

15、.1+7.6+8.1+1=76.8查的500KPa下饱和蒸汽温度为151.7汽化潜热为3113 KJ/Kg有效温度差t=（Ts-tk）-t=151.7-60.1-26=65.62.3求加热蒸汽量及各效蒸发量第一效为沸点加料有：T0=t1=141.1热利用系数=0.98-0.7*（0.0621-0.0477）=0.978则W1=1D1r1/r1=0.978*2113/2155.2*D1=0.959D1对第二效：2=0.98-0.7*（0.096-0.0621）=0.956W2=2W1r2/r2+（FCpo-W1Cpo）（t1-t2）/r2=0.896W1+340.2对第三效：3=0.98-0.7

16、*（0.237-0.096）=0.881W3=2W1r2/r2+（FCpo-W1Cpo-W2Cpo）（t2-t3）/r3=0.694W1+677.5W1+W2+W3=8819 KJ/Kg解得：W1=3012 KJ/Kg W2=3039 KJ/Kg W3=2767.8 KJ/Kg D1=3140.8 KJ/Kg2.4蒸发传热面积估算Si=Qi/KitiQ1=D1*r1=3140.8*2113*103/3600=1.843*106 wt1=T1-t1=151.7-141.1=10.6S1=1.843*106/（1500*10.6）=151.9m2Q2=W1r2=3012*2214*1000/360

17、0=1.852*106t2=T2-t2=137.7-122.1=15.6S2=1.852*106/（1000*15.6）=118.7m2Q3=W2r3=3039*2355*1000/3600=1.988*106t3=T3-t3=116.6-76.8=15.6S3=1.988*106/（600*39.8）=83.2m2 误差：1-Smin/Smax=1-83.2/151.9=0.45 误差过大2.5 有效温差的再分配S=（S1t1+S2t2+S3t3）/t=（151.9*10.6+118.7*15.6+83.2*39.6）/65.6=103.3m2重新分配有效温差t1=S1/S *t1

18、=151.9/103.3*10.6=15.6t2=S2/S *t2=118.7/103.3*15.6=17.9t3=S3/S *t3=83.2/103.3*39.8=32.12.6重复上述计算计算个料液浓度，由所求的的各效蒸发量可得各效料液浓度：X1=FX0/(F-W1)=11000*0.047/(11000-3012)=0.065X2=FX0/(F-W1-W2)=11000*0.047/(11000-3012-3039)=0.104X3=0.237计算各料液的温度，因末效完成液浓度和二次蒸汽压力均不变，个温度损失视为恒定值，故末效温度任为76.8t3=76.8T3=T2=t3+t3=76.8

19、+7.6+8.1+1=93.5由第二效蒸汽温度T2以及第二效料液浓度X2查杜林线图得到第二效料液沸点为102.1。而由液柱静压力及流动阻力引起的误差视为不变，则可得到第二效温度为: t2=tA2+2+2=102.1+0.8+1=103.0同理T2=T1=t2+t2=103.5+17.9=121.4由T2以及第一效料液浓度查杜林线图得到第一效料液沸点为128.6则第一效的料液温度为t1=tA1+1+1=128.6+2.0+1=131.6重新分配各效温度情况列于下表:效次一二三加热蒸汽/151121.493.5有效温差/15.617.932.1料液温度/131.6103.076.8各效热量恒算：第

20、一效 =0.98-0.7*（0.065-0.047）=0.967则W1=1D1r1/r1=0.967*2113/2245.6*D1=0.950D1对第二效：2=0.98-0.7*（0.104-0.065）=0.953W2=2W1r2/r2+（FCpo-W1Cpo）（t1-t2）/r2=0.81W1+488.6对第三效：3=0.98-0.7*（0.237-0.104）=0.887W3=2W1r2/r2+（FCpo-W1Cpo-W2Cpo）（t2-t3）/r3=0.635W1+827.8W1+W2+W3=8819 KJ/Kg解得：W1=2980.3 KJ/Kg W2=3029.7KJ/Kg W3=

21、2809.0KJ/Kg D1=3137.2 KJ/Kg与第一次计算结果比较：1-2980.3/3012=0.011 1-3029.7/3039=0.003 1-2809/2767.8=0.014相对误差都在0.05一下，故各效蒸发量计算合理。蒸发传热面积的计算：Si=Qi/KitiQ1=D1*r1=3127.2*2113*103/3600=1.841*106 wt1= 15.6S1=1.841*106/（1500*15.6）=98.7m2Q2=W1r1=2980.3*2245.6*1000/3600=1.859*106t2=17.9S2=1.859*106/（1000*17.9）=103.8m

22、2Q3=W2r2=3029.7*2270.2*1000/3600=1.911*106t3=32.1S3=1.911*106/（600*32.1）=99.2m2 误差：1-Smin/Smax=1-98.7/151.9=0.04 误差<0.05,故迭代计算结果合理。取平均传热面积S=100.5m22.7计算结果列表效次一二三冷凝器加热蒸汽温度Ti/151121.493.560.1操作压力piKPa3401802020溶液温度ti/131.6103.076.8完成液浓度Xi/%6.510.423.7蒸发量Wi/kg*h-12980.33029.72809.0蒸汽消耗量D/kg*h-13137.

23、2传热面积Si/m2100.5100.5100.53 蒸发器的主要结构尺寸的计算3.1  加热管的选择和管数的初步估算所需管子数n=S/d0（L-0.1）其中 S蒸发器的传热面积，m2，由前面的工艺计算决定 d0加热管外径，m L加热管长度，m,取 L=2m, 管径d0=57mmn=100.5/（3.14*0.057*1.9）=295.5296根正三角形排列如图所示：3.2  循环管的选择由经验公式循环管内径：Di=（0.4-0.1）ndi因为S较大，取：Di=（0.4n）di所以Di=0.54

24、8m选取630×20mm3.3  加热室直径及加热管数目的确定 按正三角形排列，管束中心在线管数nz=1.1*296=19根加热室内径Di=t（nc-1）+2b其中t为管心距，取0.07m, b=1d0Di=0.07*（19-1）+2*1*0.057=1.374m3.4分离室直径和高度的确定分离室的体积V=W/3600u其中W为某效蒸发器的二次蒸气流量，为某效蒸发器的二次蒸气的密度，U为蒸气体积强度， 一般允许值为1.11.5m3/（m3·s） 取W=W3=2809kg/h，=0.2668kg/m3 &#

25、160;U=1.1m3/(m3·s)。所以V=2.959m3分离室高度和直径的关系为：V=d2H/4 d=di=1.374求得H=1.997m3.5  接管尺寸的确定3.5.1  热蒸汽进口，二次蒸气出口，其中Vs 为流体的体积流量流体进出口的内径d=（4Vs/u)因为第一效流量最大，所以取其为计算量Vs=2809/3600/0.124=6.293 m3/s取流速为25m/s d=（6.293*4/25）=0. 5663m取管为570×15则实际流速为 u=4*6.293/3.14*0.52 =32.06 m/s3.5.2&

26、#160; 溶液进出口，因为第一效的流量最大，所以取其为计算量 Vs=11000/3600/1170=0.00261 m3/s因为其流动为强制流动，u =0.8-15 m/s,所以取u = 3 m/s   则有d=（4*2.61*10-3/3.14*3）=0.0332 取管38×2.5则实际流速为u=4*0.0332/3.14/0.032=43.40 m/s3.5.3  冷凝水出口其中Vs 为流体的体积流量Vs=Ws/p=2809/3600/998=7.818*10

27、4m3/s按自然流动的液体计算，u=0.080.15 m/s,取u=0.12m/s，则计算出d=（4*7.818*10-4/3.14/0.1）=0.099m取管108×10实际流体流速为u=4*7.818*10-4/3.14/0.12=0.099 m/s4 蒸发装置的辅助设备的选用计算4.1  气液分离器 4.1.1  本设计采用的是惯性式除沫器，其主要作用是为了防止损失有用的产品或防止污染冷凝液体。其性能参数如表 表 0-1 惯性式除沫器性能参数如表捕捉雾滴的直径 压力降分

28、离效率气速范围>50m196588KPa8590 常压1225m/s减压>25m/s 4.1.2  分离器的选型 由D0D1    D1：D2：D3：=1：1.5：2.0     H=D-3 H=（0.40.5）D1 其中 D0二次蒸汽的管径，m       D1除沫器内管的直径，m     &#

29、160;D2除沫器外管的直径，m       D3除沫器外壳的直径，m        H除沫器的总高度，m h除沫器的内管顶部与器顶的距离，m，m  所以  D1= D0=0.57 m     D2=0.855m   D3=1.14m H=D3=1.14m   

30、;  h=0.5D1=0.285m4.2  蒸汽冷凝器的选型设计 4.2.1  本设计采用的是多层孔板式蒸汽冷凝器，其性能参数如表水气接触压强塔径范围结构与要求水量面积大10672000Pa大小均可较简单较大4.2.2  蒸汽冷凝器的选型 1.冷却水量的确定 查多孔板冷凝器的性能曲线得18kPa的进口蒸汽压力，冷却水进口温度20,1m3冷却水可冷却蒸汽量为X=53Kg，得VL=2809/53=53m3/h 2、冷凝器直径取二次蒸汽的流速u=15m/sD=(4W/u)= (4*

31、2809/3600/3.14/15/0.124)=0.7313、淋水板设计因为D>500mm,取淋水板8块淋水板间距以经验公式Ln+1=0.7Ln 计算，取L末=0.15m 即L7=0.15m.依次计算出： L6=L7/0.7=0.21L5=L6/0.7=0.30L4=L5/0.7=0.43L3=L4/0.7=0.61L2=L3/0.7=0.87L1=L2/0.7=1.24L0=L1/0.7=1.77弓型淋水板的宽度  B=0.8D=0.8×649=519.2mm B=0.5D+50=0.5×649+50=374.5mm 其中B为最上面的一块板，B为其它板 淋水板堰高h，取h=50mm淋水板孔径   冷却水循环使用，取8mm淋水板孔数