年处理量为41万吨NaOH三效蒸发器的设计

1、广东石油化工学院 食 品 工 程 原 理 课 程 设 计题目 年处理量为4.1万吨NaOH三效蒸发器的设计 教 学 院 学生学号 111111111 指导教师 dddddddd 2016年1月3日 目录课程设计任务书1第一章 前言31 蒸发及蒸发流程32蒸发操作的分类33蒸发操作的特点44 蒸发设备45蒸发器的选择56 蒸发操作的分类5第二章 工艺计算72.1 估计各效蒸发量和完成液浓度72.2 估计各效溶液的沸点和有效总温差72.2.1各效由于溶液的沸点而引起的温度差损失82.2.2由于液注静压力而引起的沸点升高82.2.3 由流动阻力而引起的温度差损失102.2.4各效料液的温度和有效总温

2、差102.3加热蒸汽的消耗量和各效蒸发水量的初步计算102.4 蒸发器的换热面积的估算112.5有效温差的再分配122.6 重复上述计算步骤132.6.1 计算各效料液的浓度132.6.2计算各料液的温度132.6.3 各效的热量衡算142.6.4 蒸发器传热面积的计算152.7 计算结果总汇表16第三章 蒸发器的主要结构尺寸173.1加热管的选择和管数的初步估计173.2循环管的选择173.3加热室直径及加热管数目的确定173.4分离室直径与高度的确定183.5.2 溶液进出口193.5.3 冷凝水出口19第四章设计结果汇总表20第五章设计说明与讨论22结束语23参考文献24附录25课程设计

3、任务书1设计题目： NaOH-水溶液蒸发装置的设计2设计数据说明（1）0.5万吨/年（原料）： 7000吨/年 34×1000吨/年=41000吨/年（2）年开工时：一年开工按280天计，每天工作时间24小时。（3）各效蒸发器传热面积相等。（4）设备类型：并流加料三效蒸发器。（5）流程概述，简图，说明根据既定任务的特点确定具体流程的优点，物料的预热方式以及作用，设备形式，设备材质以及生产过程的控制方式。（6）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等。3操作条件 （1）蒸发物含量：入口10%，出口42%（最小30%）。（可变）（2）加热介质：121的加热蒸

4、汽，各效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，冷凝器的压力是20KPa。（4）各效蒸发器的总传热系数为K11800 W/(m2)，K21200 W/(m2)，K3600W/(m2)。（5）估计蒸发器中溶液的液面高度为1.2m。（6）原料液比热容3.9kJ/(kg/K)，在三效中液体的平均密度分别为1120 kg/m3，1290kg/m3，1460 kg/m3。3 设计任务（1）设计方案的确定及流程说明。（2）选择适宜的并流三效蒸发器并进行核算。（3）工艺设计计算：包括选择适宜的蒸发器并进行核算，主要包括物料衡算和热量衡算、传热面积的确定、蒸发器主要尺寸的确定等。（注明

5、公式及数据来源）（3）结构设计计算：选择适宜的结构方案，进行必要的结构设计计算。主要包括包括加热室直径、加热管的选择和管束的初步估计、加热管数目、分离室的直径和高度。（注明公式及数据来源）（4）绘制工艺流程图：绘制设备工艺条件图一张（3号图纸）； CAD绘制。（5）编写设计说明书（6）、撰写设备结果一览表。（见附表1）（7）、绘制蒸发器的设备图。（8）、设计感想、设计评价。（9）、参考文献。（10）设计说明书书写符合规范,图表书写符合标准。（11）说明书语句通顺，层次分明，文字简练，说明透彻。（12）对本设计的评论或有关问题的分析讨论。食品科学与工程系教研室2015年12月20第一章 前言1、

6、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操作。食品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

7、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而次蒸汽。2、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

8、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。3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)

9、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

10、操作要考虑的另一个问题。4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

11、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。  

12、;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5、 蒸发器的选择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。这种蒸发器结构紧凑，制造方便

13、，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。6、蒸发流程的选择三效并流 顺流也称并流，并流加料法是最常见的蒸发操作流程。三效并流装置是由三个蒸发器组成的并流加料装置。溶液和蒸汽的流向相同，即都由第一效顺序流至末效，故称为并流加料法。生蒸汽通入第一效加热室，蒸发出的二次蒸汽进入第二效的

14、加热室作为加热蒸汽，第二效的二次蒸汽又进入第三效的加热室作为加热蒸汽，第三效的二次蒸汽则送至冷凝器全部冷凝。原料液进入第一效，浓缩后由底部排出，依次进入后面各效时，完成液由末效底部取出。 并流加料法的优点： （1）由于后一效蒸发室的压强比前一效的低，故溶液在效间输送不用泵而利用各效间的压力差。（2）由于你后一效溶液的沸点较前一效的低，溶液进入后一效时发生闪蒸现象，产生较多二次蒸汽。 （3）高浓度溶液的温度依效序降低对浓缩热敏性食品有利。 但是，由于逐效浓度增高，且温度降低，黏度升高，传热系数下降，增加了末效蒸发的困难。第二章 工艺计算计算公式出自食品工程

15、原理2.1 估计各效蒸发量和完成液浓度总进料量 kg/h 总蒸发量 kg/h 式中：W-总蒸发量,kg/h;F-进料流量，kg/h；-进料浓度；-完成液浓度因为并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设： （食品工程原理325页）kg/hkg/h kg/h 2.2 估计各效溶液的沸点和有效总温差121的加热蒸汽的饱和蒸气压： =205.35kPa设各效间压力降相等，则总压力差为：各效间的平局压力差为 （食品工程原理335页）由各效的压力差可以求得各效蒸发室的压力，即由各效的二次蒸汽压力，从手册中可查得相应的值表2-1二次蒸汽的温度和气化潜热效数IIIIII二次蒸汽压力kPa143.5781.7920

16、二次蒸汽温度1109460二次蒸汽的汽化热kJ/kg2232227323552.2.1各效由于溶液的沸点而引起的温度差损失根据各效二次蒸气温度和各完成液浓度xi，由NaOH水溶液杜林线图可得各效NaOH的沸点tAi分别为：tA1= 112 tA2 = 97 tA3 = 68 则各效由于溶液沸点比水的沸点升高而引起的温差损失：1 = tA1 - T1=112 110 = 2 2 = tA2 T2=97 94 =3 3 = tA3 T3=68 60=8 所以 2.2.2由于液注静压力而引起的沸点升高为方便起见，以液层中点处压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，根据流体静力学方程，液层的平均压

17、力区值（L=1.2m）:（其中L为液面高度，m）式中： -蒸发器中液面与底部的平均压强，Pa； -对应Pm下水的沸点，； Pi-二次蒸汽的压强，Pa； -对应Pi下水的沸点，； -溶液的平均密度，； -蒸发器操作时的液面高度，。所以 由平均压力可查的对应的饱和的温度为： 2.2.3 由流动阻力而引起的温度差损失取经验值,即， 故蒸发装置的总温差损失为2.2.4各效料液的温度和有效总温差 各料液的温度为： 有效总温度差，已知121气化潜热为2203KJ/Kg2.3加热蒸汽的消耗量和各效蒸发水量的初步计算第效的热量恒算式为 由于是沸点进料，热利用系数，式中为第效蒸发器中料液溶质质量分数的变化。第效

18、热量恒算式第效的热量恒算式又 2.4 蒸发器的换热面积的估算 误差为>0.05，误差较大，应调整各效有效温差，使三个蒸发器的传热面积尽量相等。2.5有效温差的再分配重新分配有效温差得:2.6 重复上述计算步骤2.6.1 计算各效料液的浓度由所求得的各效蒸发量，可求得各效料液的浓度，即 2.6.2计算各料液的温度因末效的完成液的浓度和二次蒸汽的压力均不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液的温度仍为76,即则第效的加热蒸汽的温度（第效的二次蒸汽的温度）为: （化工传递与单元操作课程设计81页）由第II效二次蒸汽的温度T2/=95.81,再由第II效料液的浓度小x2=0.213查杜林线图，

19、可得第II效料液的沸点为: 104。由液柱静压力即流动阻力而引起的温度差损失可视为不变，所以第II效料液的温度为：同理：由t2=107 ，=8.96得 由第I效二次蒸汽的温度T1/ =115.96，再由第I效料液的浓度X1=0.134查杜林线图，可得第I效料液的沸点为: 117则第一效料液的温度为：第一效料液的温度也可以由下式计算:t1 = T1=121-6.23=114.77 误差为：1-0.036<0.05，T1= t1=119+6.23=125.23由上知，各种温差损失变化不大，无需重新计算。故有效总温差不变，即=35温差重新分配后各效温度列于表2表2-2温度差重新分配后各项温度情

20、况表效次IIIIII加热蒸汽温度121115.9695.81有效温度差6.238.9619.81料液温度119107762.6.3 各效的热量衡算 （食品工程原理附录）第效 第效第效又 与第一次结果相比较，其相对误差为相对误差在0.05以下，不需再计算2.6.4 蒸发器传热面积的计算 （食品工程原理331页） (食品工程原理338页）误差为则取S=95.第三章 蒸发器的主要结构尺寸计算3.1加热管的选择和管数的初步估计加热管通常选用等几种规格的无缝钢管，管子长度的选择应根据溶液结垢的难易程度，溶液的起泡性和厂房的高度等因素综合考虑。根据加热管的型号选用蒸发器加热管选取：的无缝钢管所选管子数，

21、（化工传递与单元操作课程设计85页） 其中 S-蒸发器的传热面积，m2 L-加热管长度，m；取L=2m d0-加热管外径，m；取则根3.2循环管的选择有经验公式循环管内径，因为S较大，取，取管为3.3加热室直径及加热管数目的确定表41 不同加热管尺寸的管心距加热管外径19253857管心距25324870按正三角形排列，管束中心在线管束根加热室内径，其中 t为管心距，t=48mm， 取 。则3.4分离室直径与高度的确定分离室体积的计算式为式中 -分离室的体积，m3; -某效蒸发器的二次蒸汽量，kg/h; -某效蒸发器二次蒸汽密度，kg/m3 ， -蒸发体积强度，m3/(m3.s);。一般用允许

22、值为取表4-2效次二次蒸气温度115.9695.8160二次蒸汽流量，kg/h1624.821619.061398.65二次蒸气密度0.98350.50240.1301 （化工传递与单元操作86页）为方便起见，各效分离室的尺寸均取一致，所以体积V取最大值。V=2.47m分离室高度H与直径D的关系：V=D2H, H:D=1.7求得H=2.08m ，取H=2.1 >1.8m 求得D=1.23m取D=1.3m3.5 接管尺寸的确定 流体进出口的内径按下式计算：3.5.1 热蒸汽进口二次蒸汽出口加热蒸汽即为各效二次蒸汽，故其接管尺寸相同，因此取体积流量最大者计算尺寸。二次蒸汽体积流量取各效最大者

23、,故=1624.82kg/h, =0.9835kg/m3。饱和蒸汽适宜的流速此处取依据无缝钢管的常用规格选用为 的标准管。3.5.2 溶液进出口为统一管径，按第效的流量计算，溶液的适宜流速按强制流动算，即则依据无缝钢管的常用规格选为的标准管。3.5.3 冷凝水出口第一效质量流量最大，所以用第一效质量流量来计算冷凝水出口管尺寸，按自然流动的液体计算，u=0.81.8 m/s,取u=1.2m/s，则计算出依据无缝钢管的常用规格选为的标准管。第四章设计结果汇总表表4-1效次IIIIII冷凝器加热蒸汽温度121115.9695.8160操作压力2020溶液温度11910776完成液浓度13.421.3

24、42蒸发量1624.821619.061398.65蒸汽消耗量1771.73传热面积 96.1693.1092.85表4-2加热管主要结构设计尺寸加热管（无缝钢管）管径规格加热管（无缝钢管）长度加热管（无缝钢管)管数循环管规格加热室内径分离室直径分离室高度溶液进出口管径加热蒸气进出口与二次蒸气出口管径冷凝水出口管径192第五章、设计说明及讨论首先，由于中央循环管较大，其单位体积溶液占有的传热面，比沸腾管内单位溶液所有的要小，即中央循环管和其它加热管内溶液受热程度不同，从而沸腾管内的汽液混合物的密度要比中央循环管中溶液的密度小，加之上升蒸汽的向上的抽吸作用，会使蒸发器中的溶液形成由中央循环管下降

25、、由沸腾管上升的循环流动这种蒸发器由于结构紧凑、制造方便、传热较好及操作可靠等优点，应用十分广泛。但是由于结构上的限制，循环速度不大。所以，本设计采用中央循环管式蒸发器，应用并流的方式进行三效蒸发。 三效蒸发需串接三个蒸发器，当然，要求各效的操作压力、对应的加热蒸汽温度和溶液沸点依次降低。本次设计选择的蒸发流程为并流加料，即物料与二次蒸汽以相同的方向流过各效。此种加料方式的优点是：前效压强较后效高，料液可借此压差自动地流向后一效而无需泵输送；同时，由于前效中溶液的沸点比后效高，当料液进入后效时会产生自蒸发。缺点是：末效于前几效相比溶液浓度高、温度低、粘度大，传热系数低，所需传热面积大。对于本次设计在计算方面:在重新分配有效温度差后，计算各料液的温度时，间接地采用