化工原理課程設計——三效逆流蒸發(fā)器

1、NaOH水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設計設計單位：設計者：設計日期： 設計任務書一、 設計題目NaOH水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設計二、 設計任務及操作條件1.處理能力 2.5104噸/年NaOH水溶液2.設備形式 蒸發(fā)器3.操作條件a NaOH水溶液的原料液濃度為10%(wt) ，溫度為35，用預熱器加熱至第一效沸點溫度，再送進蒸發(fā)器；完成液濃度為40%(wt)。b 加熱蒸汽壓強為500kPa（絕壓），末效為真空，壓力為15.5kPa（絕壓）。c 各效傳熱系數(shù)分別為：K1=3000 W/(m2)K2=1500 W/(m2)K3= 750W/(m2)d 各效蒸發(fā)器中的液面高度：1.5-2.5

2、m。e 各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出。假設各效傳熱面積相等，并忽略熱損失。f 每年按330天計，每天24小時連續(xù)運行。三、 設計項目1. 設計方案簡介：對確定的工藝流程及蒸發(fā)器型式進行簡要論述。2. 蒸發(fā)器的工藝計算：確定蒸發(fā)器的傳熱面積。3. 蒸發(fā)器的主要結構尺寸設計。4. 主要輔助設備選型，包括預熱器、汽液分離器及蒸汽冷凝器。5. 繪制NaOH水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的流程圖及蒸發(fā)器總裝配圖。目錄1. 概述 1 1.1蒸發(fā)操作的特點 1 1.2蒸發(fā)設備及蒸發(fā)器 5 1.3三效蒸發(fā)工藝流程 102. 工藝計算及主體結構計算 11 2.1三效蒸發(fā)工藝計算 11 2.1.1三效蒸發(fā)器

3、設計流程 11 2.1.2設計計算 132.2蒸發(fā)器主要結構計算 233. 蒸發(fā)裝置輔助設備選型 304. 探索使用Aspen Plus設計蒸發(fā)器方法335. 后記 351、概述1.1蒸發(fā)操作的特點蒸發(fā)是將非揮發(fā)性物質的稀溶液加熱沸騰，使溶劑氣話，溶液濃縮得到濃溶液的過程。1.1.1蒸發(fā)的基本流程蒸發(fā)過程的兩個必要組成部分是加熱溶劑使水蒸氣汽化和不斷除去汽化的水蒸氣，前一部分在蒸發(fā)器內進行，后一部分在冷凝器完成。蒸發(fā)器實質上是一個換熱器，由加熱室和分離室兩部分組成，加熱室通常用飽和水蒸氣加熱，從溶液中蒸發(fā)出來的水蒸氣在分離室分離后從蒸發(fā)器引出，為了防止液滴隨蒸汽帶出，一般在蒸發(fā)器頂部設有氣液分

4、離用的除沫裝置從蒸發(fā)器蒸出的蒸汽稱為二次蒸汽，在多效蒸發(fā)中，二次蒸汽用于下一效的物料加熱。冷卻水從冷凝器頂加入，與上升的蒸汽接觸，將它冷凝成水從下部排出，不凝氣體從頂部排出。通常不凝氣體來源有兩個方面，料液中溶解的空氣和系統(tǒng)減壓操作時從周圍環(huán)境中漏入的空氣。料液在蒸發(fā)器中蒸濃達到要求后稱為完成液，從蒸發(fā)器底部放出，是蒸發(fā)操作的產品。1.1.2蒸發(fā)的操作方法根據各種物料的特性和工藝要求，蒸發(fā)過程可以采用不同的操作條件和方法。常壓蒸發(fā)和減壓蒸發(fā)根據操作壓力不同，蒸發(fā)過程可以分為常壓蒸發(fā)和減壓蒸發(fā)，常壓蒸發(fā)是指冷凝器和蒸發(fā)器溶液側的操作壓力為大氣壓或略高于大氣壓，此時系統(tǒng)中的不凝氣依靠本身的壓力從冷

5、凝器排出。減壓蒸發(fā)冷凝器和蒸發(fā)器溶液側的操作壓力低于大氣壓，此時系統(tǒng)中的不凝氣需用真空泵抽出。減壓蒸發(fā)較常壓蒸發(fā)具有如下優(yōu)點：在加熱蒸汽壓強相同的情況下，減壓蒸發(fā)時溶液的沸點低，傳熱溫差可以增大，當傳熱量一定時，蒸發(fā)器的傳熱面積可以相應地減??；可以蒸發(fā)不耐高溫的溶液；可以利用低壓蒸汽或廢氣作為加熱劑；操作溫度低，損失于外界的熱量也相應地減小。但是，減壓蒸發(fā)也有一定的缺點，這主要是由于溶液沸點降低，黏度增大，導致總的傳熱系數(shù)下降，同時還要有減壓裝置。單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)根據二次蒸汽是否用來作為另一蒸發(fā)器的加熱蒸汽，蒸發(fā)過程分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。單效蒸發(fā)中加熱蒸汽在冷凝器中用水冷卻排出。多效蒸發(fā)中

6、，第一個蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用作第二個蒸發(fā)器的加熱蒸汽，第二個蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用作第三個蒸發(fā)器的加熱蒸汽，以此類推，串聯(lián)蒸發(fā)器的個數(shù)稱為效數(shù)。多效蒸發(fā)的經濟性 多效蒸發(fā)時，除末效外，各效的二次蒸汽都作為下一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽加以利用，因而和單效相比，相同的生蒸汽量D可蒸發(fā)更多的水量W，亦即提高了生蒸汽的經濟性W/D。如前所述，在若干假定條件下，單效時的W/D約為1。同理，雙效時約為2，三效時約為3，等等?？紤]實際情況，根據經驗，不同效數(shù)時生蒸汽的經濟性大致如下表：表1-1 生蒸汽經濟性W/D的經驗值效數(shù)單效雙效三效四效五效W/D0.911.752.53.333.70正由于多效蒸發(fā)時生蒸汽的

7、經濟性較高，所以在蒸發(fā)大量水分時廣泛采用多效蒸發(fā)。但上表也說明，當效數(shù)增加時，W/D值雖然增加，但并不和效數(shù)成正比。多效蒸發(fā)的代價首先，多效蒸發(fā)時需要多個蒸發(fā)器，為便于制造和維修，各蒸發(fā)器的傳熱面積常相同，此時，多效蒸發(fā)的設備費近似和效數(shù)成正比。因此，多效蒸發(fā)時生蒸汽經濟性的提高是以設備費為代價的。其次，當生蒸汽的壓力（溫度）和冷凝器的壓力（溫度）給定時，不論單效或多效蒸發(fā)，其理論傳熱溫度差均為tr=T-T 。這里，T和T分別為加熱蒸汽和冷凝器處二次蒸汽的溫度。換句話說，理論傳熱溫差與效數(shù)無關，多效蒸發(fā)只是將上述傳熱溫度差按某種規(guī)律分配至各效。而且，多效蒸發(fā)的每一效都存在沸點上升或傳熱溫度差損

8、失，因而各效有效傳熱溫度差之和總有效傳熱溫度差必然小于單效時的有效傳熱溫度差，結果導致多效時的生產能力小于單效。間歇蒸發(fā)和連續(xù)蒸發(fā)間歇蒸發(fā)有兩種操作方法：一次進料，一次出料連續(xù)進料，一次出料工業(yè)上大規(guī)模的生產過程通常采用的是連續(xù)蒸發(fā)。1.1.3蒸發(fā)器的生產強度與蒸汽的經濟性 （一）蒸發(fā)器的生產能力與生產強度1、蒸發(fā)器的生產能力蒸發(fā)器的生產能力可用單位時間內蒸發(fā)的水分量來表示。由于蒸發(fā)水分量取決于傳熱量的大小，因此其生產能力也可表示為 蒸發(fā)器的生產能力，kg/h；蒸發(fā)器的傳熱速率，kJ/h；操作壓力下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg；2、蒸發(fā)器的生產強度蒸發(fā)器的生產強度簡稱蒸發(fā)強度，是指單位時間單

9、位傳熱面積上所蒸發(fā)的水量，kg/(m2h) 若為沸點進料，且不計熱損失，根據，則 由上式可知，若蒸發(fā)操作的壓力一定，則二次蒸氣的汽化熱r也可視為常數(shù)，因此，欲提高蒸發(fā)器的生產強度，主要途徑是提高總傳熱系數(shù)K和傳熱溫度差tm（Tt1）。前者，上面已述。提高傳熱溫度差的方法: 采用真空蒸發(fā)或選用高溫熱源，如高溫導熱油、熔鹽或用電加熱等。3、提高蒸發(fā)強度的途徑（1） 提高傳熱溫度差提高傳熱溫度差可提高熱源的溫度或降低溶液的沸點等角度考慮，工程上通常采用真空蒸發(fā)或高溫熱源來實現(xiàn)。（2）提高總傳熱系數(shù)蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)主要取決于溶液的性質、沸騰狀況、操作條件以及蒸發(fā)器的結構等。這些已在前面論述，因此，合

10、理設計蒸發(fā)器以實現(xiàn)良好的溶液循環(huán)流動，及時排除加熱室中不凝性氣體，定期清洗蒸發(fā)器（加熱室內管），均是提高和保持蒸發(fā)器在高強度下操作的重要措施。（二）加熱蒸汽的經濟性蒸發(fā)過程是一個能耗較大的單元操作，通常把能耗也作為評價其優(yōu)劣的另一個重要評價指標，或稱為加熱蒸汽的經濟性，它的定義為1kg蒸汽可蒸發(fā)的水分量，即：提高加熱蒸汽的蒸汽性通?？梢赃x擇多效蒸發(fā)。（三）提高加熱蒸汽經濟程度的其他措施多效蒸發(fā)可以提高加熱蒸汽的經濟程度，除此之外，還可以采用以下措施來提高生蒸汽的經濟程度。1.二次蒸汽的部分利用 （額外蒸汽的引出）在單效蒸發(fā)中，若能將二次蒸汽引出一部分，作為其他設備熱源加以利用（如用來預熱原料液

11、），則對蒸發(fā)裝置來說，能量消耗已降至最低限度，只是將加熱蒸汽轉變?yōu)闇囟容^低的二次蒸汽而已。同理，對多效蒸發(fā)，如果將末效蒸發(fā)器的二次蒸汽有效的利用，也可大大提高加熱蒸汽的利用率。2.冷凝水顯熱的利用蒸發(fā)裝置消耗大量蒸汽必隨之產生數(shù)量可觀的冷凝水。此冷凝液排出加熱室外可用以預熱料液，也可像圖7-19所示將冷凝水減壓，減壓至下一效加熱室的壓力。使之用過熱產生自蒸發(fā)現(xiàn)象。汽化的蒸汽可與二次蒸汽一并進出入后一效的加熱室，于是，冷凝水的顯熱得以部分地回收利用。3.二次蒸汽的再壓縮（熱泵蒸發(fā)）在單效蒸發(fā)中，二次蒸汽在冷凝器中冷凝除去，蒸汽的潛熱即完全除去，很不經濟?？紤]此二次蒸汽通過熱泵（即壓縮機）絕熱壓縮

12、，使其，然后再送回原來的蒸發(fā)器中作為加熱蒸汽，則其潛熱可得到反復利用。但是，要達到較好的經濟效益，壓縮功的壓縮比不能太大，即二次蒸汽的壓力和溫度需提高的愈多，壓縮比愈大，愈不經濟。這樣，二次蒸汽的溫升不可能高，傳熱推動力不可能大，而所需的傳熱面積則必然較大。對于沸點升高大的溶液的蒸發(fā)，熱泵蒸發(fā)器的經濟程度大為降低。由此可知，熱泵蒸發(fā)量不適用沸點上升比較大的情況。此外，壓縮機的投資費用較大，需要維修保養(yǎng)，這些缺點也在一定程度上限制了它的使用。1.2蒸發(fā)設備蒸發(fā)設備中包括蒸發(fā)器和輔助設備1.2.1蒸發(fā)器的型式與結構 蒸發(fā)器主要由加熱室和分離室組成。加熱室有多種多樣的形式，以適應各種生產工藝的不同要

13、求。按照溶液在加熱室中的運動的情況，可將蒸發(fā)器分為循環(huán)型和單程型（不循環(huán)）兩類。（一）循環(huán)型蒸發(fā)器特點：溶液在蒸發(fā)器中循環(huán)流動，因而可以提高傳熱效果。由于引起循環(huán)運動的原因不同。有分為自然循環(huán)型和強制循環(huán)型兩類。自然循環(huán)：由于溶液受熱程度不同產生密度差引起強制循環(huán)：用泵迫使溶液沿一定方向流動圖5-2中央循環(huán)管式蒸發(fā)器1.中央循環(huán)管式蒸發(fā)器中央循環(huán)管式蒸發(fā)器為最常見的蒸發(fā)器，其結構如圖5-2所示，它主要由加熱室、蒸發(fā)室、中央循環(huán)管和除沫器組成。蒸發(fā)器的加熱器由垂直管束構成，管束中央有一根直徑較大的管子，稱為中央循環(huán)管，其截面積一般為管束總截面積的40%100%。當加熱蒸汽（介質）在管間冷凝放熱時

14、，由于加熱管束內單位體積溶液的受熱面積遠大于中央循環(huán)管內溶液的受熱面積，因此，管束中溶液的相對汽化率就大于中央循環(huán)管的汽化率，所以管束中的氣液混合物的密度遠小于中央循環(huán)管內氣液混合物的密度。這樣造成了混合液在管束中向上，在中央循環(huán)管向下的自然循環(huán)流動。混合液的循環(huán)速度與密度差和管長有關。密度差越大，加熱管越長，循環(huán)速度越大。但這類蒸發(fā)器受總高限制，通常加熱管為12m，直徑為2575mm，長徑比為2040。優(yōu)點：溶液循環(huán)好；傳熱效率高；結構緊湊、制造方便、操作可靠。5-3懸筐式蒸發(fā)器缺點：循環(huán)速度低；溶液粘度大、沸點高；不易清洗。適于處理結垢不嚴重、腐蝕性小的溶液。2.懸筐式蒸發(fā)器圖5-4 外熱

15、式蒸發(fā)器懸筐式蒸發(fā)器是中央循環(huán)管蒸發(fā)器的改進。其加熱室像個懸筐，懸掛在蒸發(fā)器殼體的下部，可由頂部取出，便于清洗與更換。加熱介質由中央蒸汽管進入加熱室，而在加熱室外壁與蒸發(fā)器殼體的內壁之間有環(huán)隙通道，其作用類似于中央循環(huán)管。操作時，溶液沿環(huán)隙下降而沿加熱管上升，形成自然循環(huán)。一般環(huán)隙截面積約為加熱管總面積的100150%，因而溶液循環(huán)速度較高(約為 11.5m/s)。由于與蒸發(fā)器外殼接觸的是溫度較低的沸騰液體，故其熱損失較小。3.外熱式蒸發(fā)器如圖5-4為常用的外熱式蒸發(fā)器，其主要特點是采用了長加熱管（管長與直徑之比），且液體下降管（又稱循環(huán)管），不再受熱。這樣有利于液體在器內的循環(huán)，循環(huán)速度可達

16、1.5m/s。優(yōu)點：降低了整個蒸發(fā)器的高度，便于清洗和更換；循環(huán)速度較高，使得對流傳熱系數(shù)提高；結垢程度小。適于處理易結垢、有晶體析出、處理量大的溶液 。4.列文蒸發(fā)器結構特點：在特點是在加熱室上部設置沸騰室，加熱室中的溶液因受到附加液柱的作用，必須上升到沸騰室才開始沸騰，這樣避免了溶液在加熱管中結垢或析出晶體。優(yōu)點：流動阻力?。谎h(huán)速度高；傳熱效果好；加熱管內不易堵塞。缺點：設備費高；廠房高，耗用金屬多。適于處理有晶體析出或易結垢的溶液 。5.強制循環(huán)型蒸發(fā)器上述幾種蒸發(fā)器均為自然循環(huán)型蒸發(fā)器，即靠加熱管與循環(huán)管內溶液的密度差作為推動力，導致溶液的循環(huán)流動，因此循環(huán)速度一般較低，尤其在蒸發(fā)粘

17、稠溶液（易結垢及有大量結晶析出）時就更低。為提高循環(huán)速度，可用循環(huán)泵進行強制循環(huán)，如圖4-10所示。這種蒸發(fā)器的循環(huán)速度可達1.55m/s。其優(yōu)點是，傳熱系數(shù)大，利于處理粘度較大、易結垢、易結晶的物料。但該蒸發(fā)器的動力消耗較大，每平方米傳熱面積消耗的功率約為0.40.8kW。（二）單程型蒸發(fā)器（膜式蒸發(fā)器）循環(huán)型蒸發(fā)器的共同特點蒸發(fā)器內料液的滯留量大，物料在高溫下停留時間長，對熱敏性物料不利。在單程型蒸發(fā)器中，物料一次通過加熱面即可完成濃縮要求；離開加熱管的溶液及時加以冷卻，受熱時間大為縮短，因此對熱敏性物料特別適宜。圖5-7 升膜式蒸發(fā)器1.升膜式蒸發(fā)器圖5-7所示升膜式蒸發(fā)器，這種蒸發(fā)器的

18、加熱管束可長達310m。溶液由加熱管底部進入，經一段距離的加熱，汽化后，管內氣泡逐漸增多，最終液體被上升的蒸汽拉成環(huán)狀薄膜，沿管壁運動，汽液混合物由管口高速沖出。被濃縮的液體經汽液分離即排出蒸發(fā)器。此種蒸發(fā)器需要妥善地設計和操作，使加熱管內上升的二次蒸汽具有較高的速度，從而獲得較高傳熱系數(shù)，使溶液一次通過加熱即達預定的濃縮要求。在常壓下，管上端出口速度以保持2050m/s為宜。適用于：蒸發(fā)量大（較稀的溶液），熱敏性及易起泡的溶液。圖5-8 降膜式蒸發(fā)器不適用于：高粘度，易結晶、結垢的溶液。2.降膜式蒸發(fā)器如圖7-6所示降膜式蒸發(fā)器。料液由加熱室頂部加入，經液體分布器分布后呈膜狀向下流動。汽液混

19、合物由加熱管下端引出，經汽液分離即得完成液。為使溶液在加熱管內壁形成均勻液膜，且不便二次蒸汽由管上端竄出，須良好地設計液體分布器。適用于：粘度大的物料不適用于：易結晶的物料，固形成均勻的液膜較難，不高。（3）升-降膜式蒸發(fā)器蒸發(fā)器由升膜管束和降膜管束組合而成，蒸發(fā)器的底部封頭內有一隔板，將加熱管束分成兩部分。溶液由升膜管束底部進入，流向頂部，然后從降膜管束流下，進入分離室，得到完成液。適于處理濃縮過程中粘度變化大的溶液、廠房有限制的場合。（4）刮板薄膜式蒸發(fā)器如圖5-11所示。專為高粘度溶液的蒸發(fā)而設計。料液自頂部進入蒸發(fā)器后，在刮板的攪動下分布于加熱管壁，并呈模式旋轉向下流動。汽化的二次蒸汽

20、在加熱管上端無夾套部分被旋刮板分去液沫，然后由上部抽出并加以冷凝，濃縮液由蒸發(fā)器底部放出。特點：借外力強制料液呈膜狀流動，可適應高粘度，易結晶、結垢的濃溶液蒸發(fā)缺點：結構復雜，制造要求高，加熱面不大，且需要消耗一定的動力。（三）其它蒸發(fā)器1 . 直接加熱蒸發(fā)器（浸沒燃燒式）將一定比例的燃燒氣與空氣直接噴入溶液中，燃燒氣的溫度可高達12001800，由于氣、液間的溫度差大，且氣體對溶液產生強烈的鼓泡作用，使水分迅速蒸發(fā)，蒸出的二次蒸汽與煙道氣一同由頂部排出。優(yōu)點：結構簡單，不需要固定的傳熱面，熱利用率高適于處理易結垢、易結晶或有腐蝕性的溶液。不適于處理不能被燃燒氣污染及熱敏性的溶液。2.螺旋管蒸

21、發(fā)器 在螺旋加熱管中，要被蒸發(fā)的液體從頂部流向底部，同時，沸騰膜與蒸汽并流流動，由于加熱管當然螺旋形狀，在中等高度的設備中可以容納很長的管子，經過很長的管道流動中產生的蒸汽對液膜施加一個很高的剪切力。為此，彎曲的螺旋管將引起二次流，二次流被施加在沿管軸的流動上，這此作用可促進湍流并強化高粘情況下的熱傳遞。適用于達到高濃度和高粘度。為獲得高的蒸發(fā)比，這類蒸發(fā)器在高溫度差下和單程操作。 （四）蒸發(fā)器的選型蒸發(fā)器的結構形式較多，選用和設計時，要在滿足生產任務要求，保證產品質量的前提下，盡可能兼顧生產能力大，結構簡單，維修方便及經濟性好等因素。表5-1列出了常見蒸發(fā)器的一些重要性能，可供選型的參考。（

22、五）過程和設備的強化與展望縱觀國內外蒸發(fā)裝置的研究，概括可分為以下幾個方面：1、開發(fā)新型蒸發(fā)器；2、改善蒸發(fā)器內液體的流動狀況；3、改進溶液的工藝性質；4、優(yōu)化設計和操作。1.2.2蒸發(fā)器的輔助設備圖5-12 除沫器的主要型式（一）除沫器（汽液分離器）蒸發(fā)操作時產生的二次蒸汽，在分離室與液體分離后，仍夾帶大量液滴，尤其是處理易產生泡沫的液體，夾帶更為嚴重。為了防止產品損失或冷卻水被污染，常在蒸發(fā)器內（或外）設除沫器。圖5-12為幾種除塵器的結構示意圖。圖中（a）（d）直接安裝在蒸發(fā)器頂部，（e）（g）安裝在蒸發(fā)器外部。（二）冷凝器和真空裝置1. 冷凝器冷凝器的作用是冷凝二次蒸汽。冷凝器有間壁式

23、和直接接觸式兩種。倘若二次蒸汽為需回收的有價值物料或會嚴重污染水源，則應采用間壁式冷凝器。否則通常采用直接接觸式冷凝器。后一種冷凝器一般均在負壓下操作，這時為將混合冷凝后的水排出，冷凝器必須設置得足夠高，冷凝器底部的長管稱為大氣腿。2. 真空裝置當蒸發(fā)器在負壓下操作時，無論采用哪一種冷凝器，均需在冷凝器后安裝真空裝置。需要指出的是，蒸發(fā)器中的負壓主要是由于二次蒸汽冷凝所致，而真空裝置僅是抽吸蒸發(fā)系統(tǒng)泄漏的空氣、物料及冷卻水中溶解的不凝性氣體和冷卻水飽和溫度下的水蒸汽等，冷凝器后必須安真空裝置才能維持蒸發(fā)操作的真空度。常用的真空裝置有噴射泵、水環(huán)式真空泵、往復式或旋轉式真空泵等。1.3三效蒸發(fā)工

24、藝流程采用多效蒸發(fā)的目的是為了減少新鮮蒸氣用量，具體方法是將前一效的二次蒸氣作為后一效的加熱蒸氣。1.3.1多效蒸發(fā)流程1.并流流程 即加熱蒸氣和原料液均順次流經各效。這種加料的特點是前一效到后一效可自動加料，后一效中的物料會產生自蒸發(fā)，可多蒸出部分水汽，但溶液的黏度會隨效數(shù)的增加而增大，使傳熱系數(shù)逐效下降，所以并流加料不適宜處理隨濃度增加而增加較高的物料。2.逆流流程 即加熱蒸氣走向與并流相同，而物料走向則與并流相反。這種加料的特點是各效中的傳熱系數(shù)較均勻，適于處理黏度隨溫度變化較大的物料。3.平流流程 即加熱蒸氣走向與并流相同，但原料液和完成液則分別從各效中加入和排出。這種流程適用于處理易

25、結晶物料。4.錯流流程 本流程的特點是在各效間兼用并流和逆流加料法。兼有并、逆流的優(yōu)點，但是 操作復雜，適于料液粘度隨濃度顯著增加的場合。由于本次設計所處理的物料為燒堿溶液，才用一般的并流操作即可。1.3.2工藝流程圖2、 工藝計算及主體結構計算2.1三效蒸發(fā)工藝計算2.1.1三效蒸發(fā)器設計流程用試差法求解的具體計算采取以下步驟：1、 設各效蒸發(fā)量W1 ,W2，和各效壓力p1，p2，為初值。各效蒸發(fā)量的初值可按各效蒸發(fā)量相等的原則確定，也可以根據具體蒸發(fā)過程的經驗數(shù)據確定。各效的操作壓力可按各效壓差相等計算，即取相鄰兩效間的壓差相等計算。2、 根據各效蒸發(fā)量的初值，應用物料衡算就確定各效溶液溶

26、液濃度xi。3、 根據各效壓力的初設值與計算出的溶液濃度xi，確定各效的溫度差損失i和溶液沸點Ti。4、 應用熱量衡算，解出加熱蒸汽用量D與各效蒸發(fā)量W1,W2，。5、 應用傳熱速率方程式，計算各效所需的傳熱面積Ai。6、 檢驗各效蒸發(fā)量的計算值和初設值是否相等，各效傳熱面積是否相等，如果不相等，重設初值，重新計算。一、物料衡算第一效，設溶質在蒸發(fā)過程中不揮發(fā)，且蒸發(fā)過程是個定態(tài)過程，單位時間進入和離開蒸發(fā)器的量相等，即水分蒸發(fā)量： 完成液的濃度： 式中： 原料液量，kg/h； 蒸發(fā)水量，kg/h； 原料液中溶質的濃度，質量分數(shù)； 完成液中溶質的濃度，質量分數(shù)。第二效，同第一效， 完成液的濃度

27、： 二、熱量衡算 第一效，對蒸發(fā)器作熱量衡算，當加熱蒸汽在飽和溫度下排出時， 即 式中 加熱蒸汽消耗量，kg/h； r 加熱蒸汽的冷凝熱，J/kg； 水的汽化熱，J/kg ； 原料液的平均質量熱容，J/（kgK） ； T溫度，（）考慮到稀釋熱和熱損失，需要引入熱利用系數(shù)，則： 1溶液稀釋熱越大，越小，對于NaOH溶液，可以利用下列經驗公式計算： = 0.98-0.007x其中x為溶液在蒸發(fā)器中濃度的增高值，以質量分數(shù)表示。第二效，同第一效， 23、 傳熱速率方程第一效， 第二效， 其中為熱蒸汽的冷凝溫度，為來自第一效的二次蒸汽在第二效的冷凝溫度， 4、 傳熱面積計算 其中，K為蒸發(fā)器的加熱室傳

28、熱系數(shù)，為加熱室兩側的平均溫差。Q為蒸發(fā)器加熱室的傳熱速率，稱為蒸發(fā)器的熱負荷，根據加熱室的熱量衡算求得，如果忽略加熱室的熱損失，則Q即為加熱蒸汽冷凝放出的熱量。 2.1.2設計計算1. 估算各效蒸發(fā)量和完成液濃度總蒸發(fā)量：F=2.5104噸/年=2.510433024=3157kg/h因并流加料，蒸發(fā)中無額外蒸汽引出，可設1: 2: 31.0:1.1:1.21233.31解得：1717.5kg/h2717.51.1789.2kg/h3717.51.2861kg/h完成液的濃度：2.估算各效溶液的沸點和有效溫度差設各效間壓強降相等，則總壓強為：kPa各效間的平均壓強差為 kPa于是二次蒸汽壓強

29、：各效的二次蒸汽壓強，從書中查的相應的二次蒸汽溫度和比汽化焓列于下表中：4 效數(shù)參數(shù)123二次蒸汽壓強，kPa338.517715.5二次蒸汽溫度，（即下一效加熱蒸汽溫度）137.6116.253.5二次蒸汽的比汽化焓，kj/kg(即下一效加熱蒸汽的比汽化焓)215522152370(1) 各效由于溶液的蒸汽壓下降所引起的溫度差損失根據各效的二次蒸汽溫度（亦即相同壓強下水的沸點）和各效完成液的濃度，由NaOH水溶液的杜林線圖查的各效溶液的沸點分別為: 138.5 123.1 65.3 則各效由于溶液的蒸汽壓下降所引起的溫度差損失為 -138.5-137.60.9 -123.1-116.26.9

30、 -79.3-53.525.8 所以 0.96.925.833.6(2) 各效由于溶液靜壓強所引起的溫度差損失根據 得339103346103Pa346kPa178103186103 Pa186kPa1510324103 Pa24kPa根據各效溶液的平均壓強，由書中查得對應的飽和溫度為：138.3 117.6 65.0從而得-138.3-137.60.7-117.6-116.21.4-65.0-53.511.5所以0.71.411.513.6（3）由于流體阻力產生壓強降所引起的溫度差損失 根據經驗取 1 所以 3（4）各效溶液的沸點和有效總溫度差 溶液的沸點 137.60.90.71140.2

31、116.26.91.41125.553.125.811.5191.4有效總溫度差 （151.7-53.5）-（33.613.63）483. 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算第一效：根據熱量衡算式沸點加料，t0=t1=140.2，1=0.98-0.007x=0.98-0.007（13-10）=0.959 加熱蒸汽的冷凝熱為2113kJ/kg。 =0.959=0.940D1第二效的焓衡量式為：0.98-0.007（-）0.98-0.007（19-13）0.938查表得 4.282 kJ/(kg)0.938 0.88672.250.83272.25 （b） 第三效的焓衡量式為：h0.98-0.

32、007（-） 0.98-0.007（40-19）0.833查表得4.245kJ/(kg) 0.833 = 0.731-0.051+140.0 = 0.560+136.3 （c）2367.8 （d）聯(lián)立（a）、（b）、（c）、（d）式，解得925.9 kg/h870.3 kg/h842.6 kg/h654.8 kg/h4.估算蒸發(fā)器的傳熱面積 925.921131956426.7870.321551875496.5842.622151826489.0151.7-140.211.5137.6-125.512.1116.2-91.438.916.229.525.0誤差估算 5.重新分配各效的有效溫差

33、 24.09即7.7314.8228.856. 重復上述計算步驟（1）由所求得的各效蒸汽量。求各效溶液的濃度。他們分別為： 0.1330.203（2） 計算各效溶液沸點 因末效完成液濃度和二次蒸汽壓強不變，各種溫度差損失可視為恒定，故末效溶液的沸點不變。則第三效加熱蒸汽溫度（即第二效二次蒸汽溫度）為： 91.4+28.85=120.2由第二效的二次蒸汽溫度及查杜林線圖得第二效溶液的，且由于靜壓強引起的溫差損失及由于流體阻力引起的溫差損失可視為不變，故第二效溶液的沸點為： 124.4+1.4+1=126.8同理 126.8+14.82=141.6由、查杜林線圖得第一效溶液的 137.5+0.7+

34、1=139.2=139.2+7.73=146.9溫差重新分配后各效溫度情況如下： 效數(shù)參數(shù)123加熱蒸汽溫度，146.9141.6126.8溫度差，7.614.629.2溶液沸點，139.2126.891.4蒸汽的比汽化焓，kj/kg213421492205比熱容，KJ(kg)4.3124.287（3）各效的焓恒算0.98-0.7（-） 0.98-0.7（0.133-0.1）=0.9570.957=0.957 （a）0.98-0.7（-） 0.98-0.7（0.203-0.133）=0.9310.938 0.8996+61.33 0.861+61.33 0.98-0.7（-） 0.98-0.7

35、（0.4-0.203）=0.8420.842 0.7559+155.7-0.05740.705+202.1 (c）2367.8 （d）聯(lián)立（a）、（b）、（c）、（d）得 840.0kg/h803.9kg/h784.6kg/h794.3kg/h（4）計算蒸發(fā)器的傳熱面積840.021341858920803.921341698640.7794.321491706950.7 151.7-139.27.614.629.223.2922.1622.26誤差估算: 誤差結果合理。 2.2蒸發(fā)器主要結構計算1加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計選用d0=mm規(guī)格的無縫鋼管，長度為 L=2m估算管子數(shù) 2循環(huán)管的

36、選擇 內徑的計算公式 整理得 因為和相差不大，所以統(tǒng)一用一種規(guī)格的循環(huán)管。 m3加熱室直徑和加熱管數(shù)目的確定（1）管心距離： 管心距為相鄰兩個管中心線之間的距離，一般為管外徑的1.25-1.5倍。目前在換熱器設計中，管心距的數(shù)據已經標準化，只要確定了管子規(guī)格，管心距則是定值。由于設計中管外徑為57mm，查得管心距為70mm。（2）計算管數(shù)中心線上管數(shù)正三角形：（為奇數(shù)） =10（3）初估加熱室內徑 （） m（4）作圖，見第2張草圖4分離室直徑與高度的確定分離室體積的計算公式 （m3/（m3s）m3m3m3因為體積最大，所以選擇1.480m3由體積確定直徑 取解得 H=1.24mD=1.24m

37、5接管尺寸的確定 流體進出口接管的內徑計算公式 蒸發(fā)器的主要接管有溶液進出口、冷凝水進出口、加熱蒸汽進口與二次蒸汽出口（1） 溶液進口第一效 10% NaOH密度為1110 kg/m0.000790m3/Sm第二效13.3% NaOH密度為1145 kg/m0.000536m3/Sm第三效20.3% NaOH密度為1220 kg/m0.000304m3/Sm因為第一效管子最大，所以選擇0.0183m（2）溶液的出口第一效13.3% NaOH密度為1145 kg/m0.000571m3/Sm第二效 20.3% NaOH密度為1220 kg/m0.000357m3/Sm第三效40% NaOH密度為

38、1430 kg/m0.000150m3/Sm因為第一效管子最大，所以選擇0.0156m（3）冷凝水進出口第一效 0.000223m3/S m 第二效0.000218m3/Sm第三效0.000220m3/Sm因為第一效管子最大，所以選擇0.0138m（4）加熱蒸汽進口第一效 0.087m3/S m 第二效0.085m3/Sm第三效0.122m3/Sm因為第三效管子最大，所以選擇0.062m（5）二次蒸汽出口 第一效0.086m3/Sm第二效0.123m3/S m第三效0.303m3/Sm因為第三效管子最大，所以選擇0.0567m 6處理數(shù)據結果計算值取用值材料中央循環(huán)管/mm內徑280碳鋼（下同

39、）加熱管/mm，加熱室規(guī)格/mm內徑740分離室規(guī)格/mm內徑1480高1480，料液進口管/mm內徑18.3加熱蒸汽進口管/mm內徑62.0冷凝水出口/mm內徑13.8完成業(yè)出口管/mm內徑15.6二次蒸汽出口管/mm內徑56.73、 蒸發(fā)裝置輔助設備選型3.1氣液分離器3.1.1本設計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品或防止污染冷凝液體。其性能參數(shù)如表4表3.1 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50m 196588KPa 8590 常壓1225m/s減壓25m/s3.1.2分離器的選型由 1:1.5:2.0 H=H=（0.40.5）其中 二次蒸汽的管徑，m 除沫器內管的直徑，m 除沫器外管的直徑，m 除沫器外殼的直徑，m H 除沫器的總高度，m h除沫器的內管頂部與器頂?shù)木嚯x，m 所以 = =0.53 m =