NaOH水溶液三效并流加料的蒸發(fā)裝置[行業(yè)材料]

1、西南科技大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目 NaOH水溶液三效并流加料的蒸發(fā)裝置學(xué) 院 制造科學(xué)與控制工程指導(dǎo)老師 張健平專業(yè)班級(jí) 過控0803學(xué)生學(xué)號(hào) 20085440學(xué)生姓名 王成全完成時(shí)間 2011年11月27日目 錄1. 設(shè)計(jì)任務(wù).（3）2. 設(shè)計(jì)方案簡介.（4）3. 三效并流蒸發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算（7）4. 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算.（20）5. 蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備的選用計(jì)算.（24）6. 三效蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸確定（27)7. 參考文獻(xiàn).（29）8. 總結(jié).（30）1設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 處理量： 的NaOH水溶液 料液濃度：的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 產(chǎn)品濃度：的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1.2操作條件加料方式

2、：三效并流加料，如圖1所示：圖 三效并流蒸發(fā)系統(tǒng)原料液溫度：第一效沸點(diǎn)溫度各效蒸發(fā)器中溶液的平均密度：，加熱蒸汽壓強(qiáng)：（絕熱），冷凝器壓強(qiáng)為（絕熱）各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：，原料液的比熱容為各效蒸發(fā)器中溶液的液面高度：各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出。假設(shè)各效傳熱面積相等，并忽略熱損失。1.3設(shè)備形式： 中央循環(huán)式管式蒸發(fā)器1.4廠址：四川綿陽1.5工作日：每年按照300天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。1.6設(shè)計(jì)內(nèi)容 （1）設(shè)計(jì)方案簡介：對(duì)確定的工藝流程及蒸發(fā)器型式進(jìn)行簡要論述； （2）蒸發(fā)器的工藝計(jì)算：確定蒸發(fā)器的傳熱面積； （3）蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)； （4）主要輔助設(shè)備選型，包括氣

3、液分離器及蒸汽冷凝器等； （5）繪制工藝流程圖及蒸發(fā)器設(shè)計(jì)條件圖； （6）設(shè)計(jì)結(jié)果匯總； （7）對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論；（8）編寫課程設(shè)計(jì)說明書。2設(shè)計(jì)方案簡介 2.1 設(shè)計(jì)方案論證多效蒸發(fā)的目的是：通過蒸發(fā)過程中的二次蒸汽再利用，以節(jié)約蒸汽的消耗，從而提高蒸發(fā)裝置的經(jīng)濟(jì)性。目前根據(jù)加熱蒸汽和料液流向的不同，多效蒸發(fā)的操作流程可以分為平流、逆流、并流和錯(cuò)流等流程。本設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)和操作條件的實(shí)際需要，采用了并流式的工藝流程。下面就此流程作一簡要介紹。并流流程也稱順流加料流程（如圖1），料液與蒸汽在效間同向流動(dòng)。因各效間有較大的壓力差，液料自動(dòng)從前效流到后效，不需輸料泵；前效的溫度高于后

4、效，料液從前效進(jìn)入后效呈過熱狀態(tài)，過料時(shí)有閃蒸出現(xiàn)。此流程有下面幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：各效間壓力差大，可省去輸料泵；有自蒸發(fā)產(chǎn)生，在各效間不必設(shè)預(yù)熱管；由于輔助設(shè)備少，裝置緊湊，管路短，因而溫度損失?。谎b置操作簡便，工藝條件穩(wěn)定，設(shè)備維修工作減少。同樣也存在著缺點(diǎn)：由于后效溫度低、濃度大，因而料液的黏度增加很大，降低了傳熱系數(shù)。因此，本流程只適應(yīng)于黏度不大的料液。2. 蒸發(fā)器簡介隨著工業(yè)蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展，蒸發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與型式亦不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，其種類繁多，結(jié)構(gòu)各異。根據(jù)溶液在蒸發(fā)中流動(dòng)情況大致可分為循環(huán)型和單程型兩類。循環(huán)型蒸發(fā)器可分為循環(huán)式、懸筐式、外熱式、列文式及強(qiáng)制循環(huán)式等；單程蒸發(fā)器包括升膜式、降膜式

5、、升降膜式及刮板式等。還可以按膜式和非膜式給蒸發(fā)器分類。工業(yè)上使用的蒸發(fā)設(shè)備約六十余種，其中最主要的型式僅十余種。本設(shè)計(jì)用了中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，下面就其結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)作簡要介紹。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器又稱標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器，如下圖圖2。圖 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器1- 加熱室 2-分離室 3-蒸發(fā)室其加熱室由一垂直的加熱管束（沸騰管束）構(gòu)成，管束中央有一根直徑較大的管子叫做中央循環(huán)管，其截面積一般為加熱管束截面積的。加熱管長一般為，直徑，長徑比為。其結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、操作可靠，是大型工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛且歷史長久的一種蒸發(fā)器。至今在化工、輕工等行業(yè)中廣泛被采用。但由于結(jié)構(gòu)上的限制，其循環(huán)速度較低（一般在以下）；管內(nèi)

6、溶液組成始終接近完成液的組成，因而溶液的沸點(diǎn)高、有效溫差??；設(shè)備的清洗和檢修不夠方便。其適用于結(jié)垢不嚴(yán)重、有少量結(jié)晶析出和腐蝕性較小的溶液。3三效并流蒸發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算三效并流蒸發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算按照?qǐng)D3進(jìn)行計(jì)算。圖 并流加料三效蒸發(fā)的物料衡算和熱量衡算3.1各效蒸發(fā)量和完成液組成的估計(jì)總蒸發(fā)量 .（1） 式中 原料液量，；總蒸發(fā)量，；原料液溶質(zhì)的質(zhì)量分率，無因次；第效中完成的產(chǎn)品質(zhì)量分率，無因次。則：在蒸發(fā)過程中，總蒸發(fā)量為各效蒸發(fā)量之和，即.（2）式中 各效的蒸發(fā)量，。且對(duì)于并流加料，因存在閃蒸現(xiàn)象，又蒸發(fā)中無額外蒸氣引出，可取則，計(jì)算出各效的蒸發(fā)量：任一效中完成液的組成為.（3）式中 各效完成液溶質(zhì)的

7、質(zhì)量分率，無因次。則，計(jì)算出各效的質(zhì)量分率：.各效溶液沸點(diǎn)及有效總溫度差的估計(jì)設(shè)各效間壓力降相等，則各效間的平均壓力差為.（4） 式中 各效加熱蒸汽壓力與二次蒸汽壓力之差，； 第效加熱蒸汽的壓力，； 末效冷凝器中的壓力，。 則，平均壓力差： 由各效壓力差可求得各效蒸發(fā)室的壓力，即： 表1 查得有關(guān)資料列表效數(shù) 二次蒸氣壓力 二次蒸氣溫度 (即下一效加熱蒸汽溫度)二次蒸氣的氣化潛熱 (即下一效加熱蒸氣的氫化熱).求各效因溶液中溶質(zhì)存在引起的沸點(diǎn)升高（溫度損失） 由公式 .（5） （6）式中 常壓下（）由于溶質(zhì)存在而引起的沸點(diǎn)升高，； 操作壓力下由于溶質(zhì)存在而引起的沸點(diǎn)升高， ； 校正系數(shù)； 操作

8、壓力下二次蒸汽的溫度，； 操作壓力下二次蒸汽的汽化潛熱，。由表1有關(guān)數(shù)據(jù)和公式（6）得表2效數(shù) 查附錄的氫氧化鈉溶液在下的沸點(diǎn)得表3效數(shù) 溶液的沸點(diǎn) 由表1數(shù)據(jù)、表2和公式（5）（6）則，求得：各效因溶液中溶質(zhì)存在引起的沸點(diǎn)升高: 所以.求由于液柱靜壓力而引起的沸點(diǎn)升高（溫度差損失）為簡便計(jì)，以液層中部點(diǎn)處的壓力和沸點(diǎn)代表整個(gè)液層的平均壓力和平均溫度，則根據(jù)流體靜力學(xué)方程，液層的平均壓力為.（7）式中 液層的平均壓力，; 液面處的壓力，即二次蒸汽的壓力，; 溶液的平均密度，;液層高度，;重力加速度，。則得： 溶液的沸點(diǎn)升高為.（8）式中 平均壓力下溶液的沸點(diǎn)，； 液面處壓力（即二次蒸汽壓力）下

9、溶液的沸點(diǎn)，。 作為近似計(jì)算，式（8）中的和可分別用相應(yīng)壓力下水的沸點(diǎn)代替，則由液層的平均壓力查得相應(yīng)水的沸點(diǎn)溫度為： 則 故.由流動(dòng)阻力引起的溫度差損失由取經(jīng)驗(yàn)值，各效間的溫度差損失取,末效與冷凝器間約為則綜合以上三個(gè)引起的溫度差損失，得總溫度損失： .多效蒸發(fā)中的有效傳熱溫差 （9）式中 有效總溫差，為各效有效溫差之和，； 第效加熱蒸汽的溫度，； 冷凝器的操作壓力下二次蒸汽的飽和溫度，； 總的溫度差損失，為各效溫度差損失之和，。各效的溫度損失.（10）式中 各效的總溫度損失，； 各效中的各種溫度損失，。 則： 各效料液的溫度 .（11）式中 各效料液的溫度，； 各效操作壓力下二次蒸汽的溫度

10、，。再由式（10）得的數(shù)據(jù)和式（11）則得： 再由公式（9）可得：由查附錄可知飽和加熱蒸汽的溫度為，汽化潛熱為且則： 3. 加熱蒸氣消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計(jì)算 由熱量衡算式： （12）由上式可求得第效的蒸發(fā)量。若在熱量衡算式中計(jì)入溶液的濃縮熱及蒸發(fā)器的熱損失時(shí)，尚需考慮熱利用系數(shù)。對(duì)于一般溶液的蒸發(fā)，可取（式中為以質(zhì)量分率表示的溶液的組成變化）。第效的蒸發(fā)量的計(jì)算為 （13）式中 第效加熱蒸氣量, ，當(dāng)無額外蒸汽抽出時(shí)，；第效加熱蒸汽的汽化潛熱, ；第效二次蒸汽的汽化潛熱, ；原料液的比熱容, ；水的比熱容, ；分別為第效和第效溶液的溫度(沸點(diǎn)), 且原料液溫度等于第一效沸點(diǎn)溫度，即；第效

11、的熱利用系數(shù)，無因次。則可先求的熱利用系數(shù)： 第效 .(14)第效 .(15)第效 .(16) 又.(17)聯(lián)解式(14)至(17),可得： .蒸發(fā)器傳熱面積估算 .(18)式中 第效的傳熱面積，； 第效的傳熱速率，； 第效的傳熱系數(shù)，； 第效的傳熱溫差，。 又式（12）則： 誤差，誤差較大，應(yīng)調(diào)整各效的有效溫差，使三個(gè)蒸發(fā)器的傳熱面積盡量相等，重復(fù)上述計(jì)算過程。.有效溫差的再分配取平均面積 重新分配有效溫差得： .重復(fù)上述步驟. 計(jì)算各效料液的濃度 . 計(jì)算各效料液的溫度因末效完成液濃度和二次蒸發(fā)汽壓力均不變，各種溫度差損失可視為恒定，故末效溶液溫度仍為即 則第效加熱蒸氣的溫度（也即第效二次

12、蒸汽溫度）為由第效二次蒸汽溫度（）及第效料液的濃度（）查杜林線圖，得第效料液沸點(diǎn)為。由液柱靜壓力及流動(dòng)阻力引起的溫度損失可視為不變,故第效的料液溫度為 同理 由第效二次蒸汽的溫度及第效料液的濃度（）查杜林線圖，得第效料液沸點(diǎn)為 。則第效料液的溫度為 第效料液的溫度也可由下式計(jì)算 說明溶液的各種溫差損失變化不大，無需重新計(jì)算，故有效總溫差不變，即： 溫差重新分配后各效溫度列于表4表4效次 加熱蒸汽溫度， 有效溫差， 料液溫度（沸點(diǎn)）， .各效熱量衡算查手冊(cè)得出 第效 .(19)第效 .(20)第效 .(21)又.(22)聯(lián)解式(19)至(122),可得： 與第一次計(jì)算結(jié)果比較，其相對(duì)誤差為： 計(jì)

13、算相對(duì)誤差均在以下，故各效蒸發(fā)量的計(jì)算結(jié)果合理。其各效溶液濃度無明顯變化，不需重新計(jì)算。.蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算 誤差為，迭代計(jì)算結(jié)果合理，取平均傳熱面積。.計(jì)算結(jié)果列表效次 冷凝器加熱蒸氣溫度 操作壓力 溶液溫度(沸點(diǎn)) 完成液濃度 蒸發(fā)量 蒸汽消耗量 傳熱面積 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算.加熱管的選擇和管數(shù)的初步估算當(dāng)加熱管的規(guī)格與長度確立后，可由下式初步估計(jì)所需管子數(shù).(23)式中蒸發(fā)器的傳熱面積，由前面的工藝計(jì)算決定；加熱管外徑，??；加熱管長度，取。則有： 根.循環(huán)管的選擇循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減小的原則來考慮的。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的循環(huán)管截面積可取加熱管總截面積的。加熱管的

14、總截面積可按計(jì)算，循環(huán)管內(nèi)徑以表示，則： .(24)即：由于管子規(guī)格所限，在規(guī)格中只能選中故：.加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定按正三角形排列，管束中心在線管數(shù)根.(25)式中 總加熱管數(shù)?？刹捎孟率匠醪焦烙?jì)加熱室內(nèi)徑，即：.(26)式中 管心距，為相鄰兩管中心線之間的距離，由加熱管外徑選擇；其中，取。則： 取由autoCAD制圖:得排管圖圖4圖4 排管圖由排管圖可數(shù)得總加熱管數(shù)，滿足要求。 則再由殼體的尺寸標(biāo)注可知，取殼體內(nèi)徑，最小壁厚。.分離室直徑和高度的確定分離室的體積計(jì)算式為 .(27)式中 分離室的體積，； 某效蒸發(fā)器的二次蒸氣流量，； 某效蒸發(fā)器的二次蒸氣的密度，； 蒸氣體積強(qiáng)度，；即

15、每立方米分離室每秒鐘產(chǎn)生的二次蒸汽量，一般允許值為。由（26）式，且取, , 所以： 分離室體積確定后，其高度與直徑的關(guān)系：由于則求出：.接管尺寸的確定流體進(jìn)出口的內(nèi)徑按下式計(jì)算.(28)式中 流體的體積流量，； 流體的適宜流速，。.1溶液進(jìn)出口 對(duì)于三效并流加料的三效蒸發(fā)，第效的流量最大，所以取其為計(jì)算量 m3/s因?yàn)槠淞鲃?dòng)為強(qiáng)制流動(dòng)，,所以取則有取管為則實(shí)際流速為.2 熱蒸汽進(jìn)口與二次蒸氣出口 一般情況下，末效的體積流量最大，所以取其為計(jì)算量因?yàn)槠淞鲃?dòng)為飽和蒸汽流動(dòng)，,所以取則有取管為 則實(shí)際流速為.冷凝水出口 一般由各效加熱蒸汽消耗量較大者來定，而末效的加熱蒸汽消耗量最大，所以取為計(jì)算量

16、因?yàn)槠淞鲃?dòng)為自然流動(dòng)，,所以取則有 取管 則實(shí)際流體流速為蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備的選用計(jì)算.氣液分離器本設(shè)計(jì)采用的是慣性式除沫器，其主要作用是為了防止損失有用的產(chǎn)品或防止污染冷凝液體。其性能參數(shù)如表5表5 慣性式除沫器性能參數(shù)如表捕捉霧滴的直徑 壓力降 分離效率 氣速范圍 常壓減壓慣性式處沫器的主要尺寸可按下列關(guān)系確定： 式中 二次蒸汽的管徑，； 除沫器內(nèi)管的直徑，； 除沫器外管的直徑，； 除沫器外殼的直徑，； 除沫器的總高度，； 除沫器的內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x，。所以： ，.蒸汽冷凝器的選型設(shè)計(jì).蒸汽冷凝器的選型 本設(shè)計(jì)采用的是多層孔板式蒸汽冷凝器，其性能參數(shù)如表6表6 多層孔板式蒸汽冷凝器性能參

17、數(shù)表水氣接觸 壓強(qiáng) 塔徑范圍 結(jié)構(gòu)與要求水量面積大 大小均可 較簡單 較大.設(shè)計(jì)與選用. 冷卻水量的確定查多孔板冷凝器的性能曲線得的進(jìn)口蒸汽壓力，冷卻水進(jìn)口溫度,冷卻水可冷卻蒸汽量為，即，則 ： .(29)式中 進(jìn)入冷凝器二次蒸汽的流量，； 冷卻水量，。與實(shí)際數(shù)據(jù)比，偏小,故設(shè)計(jì)時(shí)取：.冷凝器的直徑 取二次蒸汽的流速。則：.(30) .淋水板的設(shè)計(jì)淋水板板數(shù)：因?yàn)?取淋水板5塊。淋水板間距以經(jīng)驗(yàn)公式,；即依次計(jì)算出： 。弓型淋水板的寬度：最上面一塊；其他各塊淋水板。淋水板堰高：取。淋水板孔徑：冷卻水循環(huán)使用，取。淋水板孔數(shù)：淋水孔流速.(31)式中 淋水孔的阻力系數(shù)，； 水孔收縮系數(shù)，；淋水板

18、堰高, 。取計(jì)算則淋水孔數(shù)：考慮到長期操作時(shí)易造成孔的堵塞，取最上層孔數(shù)應(yīng)加大即，其它各板孔數(shù)應(yīng)加大5%，即。淋水孔采用正三角形排列。6三效蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸確定6.1三效蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果 表7 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定加熱管主要結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)尺寸加熱管（無縫鋼管）管徑規(guī)格 加熱管（無縫鋼管）長度 加熱管（無縫鋼管)管數(shù) 循環(huán)管規(guī)格 加熱室內(nèi)徑 分離室直徑 分離室高度 溶液進(jìn)出口管徑 加熱蒸氣進(jìn)出口與二次蒸氣出口管徑 冷凝水出口管徑 表8 氣液分離器結(jié)構(gòu)尺寸的確定氣壓分離器主要結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)尺寸 除沫器內(nèi)管的直徑 除沫器外罩管的直徑 除沫器外殼的直徑 除沫器的總高度 除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x 表9 蒸汽冷凝器主要結(jié)構(gòu)的確定蒸氣冷凝器主要結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)尺寸蒸汽冷凝器類型 多層多孔式冷凝器冷卻水量 冷凝器的直徑 淋水板數(shù) 淋水板間距 淋水板間距 淋水板間距 淋水板間距 淋水板間距 弓形淋水板的寬度 淋水板堰高 淋水板孔徑 淋水板孔數(shù) 7參考文獻(xiàn)1 賈紹義,柴誠敬. 化工原理課程設(shè)計(jì)M. 天津:天津大學(xué)出版社, 2002.2 陳敏恒.化工原理（上）M. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.3 陳敏恒.化工原理（下）M. 北京: