化工原理課程設(shè)計(jì)——三效逆流蒸發(fā)器

1、化工原理課程設(shè)計(jì)三效逆流蒸發(fā)器naoh水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)單位：設(shè)計(jì)者：設(shè)計(jì)日期： 設(shè)計(jì)任務(wù)書一、 設(shè)計(jì)題目naoh水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)二、 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1.處理能力 ×104噸/年naoh水溶液2.設(shè)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(yù)熱器加熱至第一效沸點(diǎn)溫度，再送進(jìn)蒸發(fā)器；完成液濃度為40%(wt)。b 加熱蒸汽壓強(qiáng)為500kpa（絕壓），末效為真空，壓力為（絕壓）。c 各效傳熱系數(shù)分別為：k1=3000 w/(m2·)k2=1500 w/(m2·)k3= 750w/(m

2、2·)d 各效蒸發(fā)器中的液面高度：。e 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。f 每年按330天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。三、 設(shè)計(jì)項(xiàng)目1. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：對(duì)確定的工藝流程及蒸發(fā)器型式進(jìn)行簡(jiǎn)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，包括預(yù)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 蒸發(fā)操作的特點(diǎn) 1 蒸發(fā)設(shè)備及蒸發(fā)器 5 三效蒸發(fā)工藝流程 102. 工藝計(jì)算及主體結(jié)構(gòu)計(jì)算 11 三效蒸發(fā)工藝計(jì)算 11 三

3、效蒸發(fā)器設(shè)計(jì)流程 11 設(shè)計(jì)計(jì)算 13蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)計(jì)算 233. 蒸發(fā)裝置輔助設(shè)備選型 304. 探索使用aspen plus設(shè)計(jì)蒸發(fā)器方法335. 后記 3531、概述蒸發(fā)操作的特點(diǎn)蒸發(fā)是將非揮發(fā)性物質(zhì)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。蒸發(fā)的基本流程蒸發(fā)過程的兩個(gè)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(nèi)進(jìn)行，后一部分在冷凝器完成。蒸發(fā)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(shè)有氣液分離用的除沫裝置從蒸發(fā)器

4、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(gè)方面，料液中溶解的空氣和系統(tǒng)減壓操作時(shí)從周圍環(huán)境中漏入的空氣。料液在蒸發(fā)器中蒸濃達(dá)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(chǎn)品。蒸發(fā)的操作方法根據(jù)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(jù)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(cè)的操作壓力為大氣壓或略高于大氣壓，此時(shí)系統(tǒng)中的不凝氣依靠本身的壓力從冷凝器排出。減壓蒸發(fā)冷凝器和蒸發(fā)器

5、溶液側(cè)的操作壓力低于大氣壓，此時(shí)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(diǎn)：在加熱蒸汽壓強(qiáng)相同的情況下，減壓蒸發(fā)時(shí)溶液的沸點(diǎn)低，傳熱溫差可以增大，當(dāng)傳熱量一定時(shí)，蒸發(fā)器的傳熱面積可以相應(yīng)地減小；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(yīng)地減小。但是，減壓蒸發(fā)也有一定的缺點(diǎn)，這主要是由于溶液沸點(diǎn)降低，黏度增大，導(dǎo)致總的傳熱系數(shù)下降，同時(shí)還要有減壓裝置。單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)根據(jù)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，第一個(gè)蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用作

6、第二個(gè)蒸發(fā)器的加熱蒸汽，第二個(gè)蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用作第三個(gè)蒸發(fā)器的加熱蒸汽，以此類推，串聯(lián)蒸發(fā)器的個(gè)數(shù)稱為效數(shù)。多效蒸發(fā)的經(jīng)濟(jì)性 多效蒸發(fā)時(shí)，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(jīng)濟(jì)性w/d。如前所述，在若干假定條件下，單效時(shí)的w/d約為1。同理，雙效時(shí)約為2，三效時(shí)約為3，等等。考慮實(shí)際情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不同效數(shù)時(shí)生蒸汽的經(jīng)濟(jì)性大致如下表：表1-1 生蒸汽經(jīng)濟(jì)性w/d的經(jīng)驗(yàn)值效數(shù)單效雙效三效四效五效w/d正由于多效蒸發(fā)時(shí)生蒸汽的經(jīng)濟(jì)性較高，所以在蒸發(fā)大量水分時(shí)廣泛采用多效蒸發(fā)。但上表也說明，當(dāng)效數(shù)

7、增加時(shí)，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(jià)首先，多效蒸發(fā)時(shí)需要多個(gè)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(shí)，多效蒸發(fā)的設(shè)備費(fèi)近似和效數(shù)成正比。因此，多效蒸發(fā)時(shí)生蒸汽經(jīng)濟(jì)性的提高是以設(shè)備費(fèi)為代價(jià)的。其次，當(dāng)生蒸汽的壓力（溫度）和冷凝器的壓力（溫度）給定時(shí)，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(guān)，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(diǎn)上升或傳熱溫度差損失，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(shí)的有效傳熱

8、溫度差，結(jié)果導(dǎo)致多效時(shí)的生產(chǎn)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(jìn)料，一次出料連續(xù)進(jìn)料，一次出料工業(yè)上大規(guī)模的生產(chǎn)過程通常采用的是連續(xù)蒸發(fā)。蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度與蒸汽的經(jīng)濟(jì)性 （一）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力與生產(chǎn)強(qiáng)度1、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力可用單位時(shí)間內(nèi)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(chǎn)能力也可表示為 蒸發(fā)器的生產(chǎn)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(chǎn)強(qiáng)度蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度簡(jiǎn)稱蒸發(fā)強(qiáng)度，是指單位時(shí)間單位傳熱面積上所蒸發(fā)的水量，kg/(m2·h) 若為沸點(diǎn)進(jìn)料，且不計(jì)熱損

9、失，根據(jù)，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(chǎn)強(qiáng)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?zé)嵩矗绺邷貙?dǎo)熱油、熔鹽或用電加熱等。3、提高蒸發(fā)強(qiáng)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(diǎn)等角度考慮，工程上通常采用真空蒸發(fā)或高溫?zé)嵩磥韺?shí)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(zhì)、沸騰狀況、操作條件以及蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)等。這些已在前面論述，因此，合理設(shè)計(jì)蒸發(fā)器以實(shí)現(xiàn)良好的溶液循環(huán)流動(dòng)，及時(shí)排除加熱室中不凝性氣體，定

10、期清洗蒸發(fā)器（加熱室內(nèi)管），均是提高和保持蒸發(fā)器在高強(qiáng)度下操作的重要措施。（二）加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性蒸發(fā)過程是一個(gè)能耗較大的單元操作，通常把能耗也作為評(píng)價(jià)其優(yōu)劣的另一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，或稱為加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)程度的其他措施多效蒸發(fā)可以提高加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)程度，除此之外，還可以采用以下措施來提高生蒸汽的經(jīng)濟(jì)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(shè)備熱源加以利用（如用來預(yù)熱原料液），則對(duì)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(zhuǎn)變?yōu)闇?/p>

11、度較低的二次蒸汽而已。同理，對(duì)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(chǎn)生數(shù)量可觀的冷凝水。此冷凝液排出加熱室外可用以預(yù)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(chǎn)生自蒸發(fā)現(xiàn)象。汽化的蒸汽可與二次蒸汽一并進(jìn)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(jīng)濟(jì)?？紤]此二次蒸汽通過熱泵（即壓縮機(jī)）絕熱壓縮，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(fù)利用

12、。但是，要達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)。這樣，二次蒸汽的溫升不可能高，傳熱推動(dòng)力不可能大，而所需的傳熱面積則必然較大。對(duì)于沸點(diǎn)升高大的溶液的蒸發(fā)，熱泵蒸發(fā)器的經(jīng)濟(jì)程度大為降低。由此可知，熱泵蒸發(fā)量不適用沸點(diǎn)上升比較大的情況。此外，壓縮機(jī)的投資費(fèi)用較大，需要維修保養(yǎng)，這些缺點(diǎn)也在一定程度上限制了它的使用。蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)設(shè)備中包括蒸發(fā)器和輔助設(shè)備1.蒸發(fā)器的型式與結(jié)構(gòu) 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(yīng)各種生產(chǎn)工藝的不同要求。按照溶液在加熱室中的運(yùn)動(dòng)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。

13、（一）循環(huán)型蒸發(fā)器特點(diǎn)：溶液在蒸發(fā)器中循環(huán)流動(dòng)，因而可以提高傳熱效果。由于引起循環(huán)運(yùn)動(dòng)的原因不同。有分為自然循環(huán)型和強(qiáng)制循環(huán)型兩類。自然循環(huán)：由于溶液受熱程度不同產(chǎn)生密度差引起強(qiáng)制循環(huán)：用泵迫使溶液沿一定方向流動(dòng)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(dāng)加熱蒸汽（介質(zhì)）在管間冷凝放熱時(shí)，由于加熱管束內(nèi)單位體積溶液的受熱面積遠(yuǎn)大于中央循環(huán)管內(nèi)溶液的受熱面積，因此，管

14、束中溶液的相對(duì)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(yuǎn)小于中央循環(huán)管內(nèi)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(dòng)?；旌弦旱难h(huán)速度與密度差和管長(zhǎng)有關(guān)。密度差越大，加熱管越長(zhǎng)，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(zhǎng)徑比為2040。優(yōu)點(diǎn)：溶液循環(huán)好；傳熱效率高；結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、操作可靠。5-3懸筐式蒸發(fā)器缺點(diǎn)：循環(huán)速度低；溶液粘度大、沸點(diǎn)高；不易清洗。適于處理結(jié)垢不嚴(yán)重、腐蝕性小的溶液。2.懸筐式蒸發(fā)器圖5-4 外熱式蒸發(fā)器懸筐式蒸發(fā)器是中央循環(huán)管蒸發(fā)器的改進(jìn)。其加熱室像個(gè)懸筐，懸掛在蒸發(fā)器殼體

15、的下部，可由頂部取出，便于清洗與更換。加熱介質(zhì)由中央蒸汽管進(jìn)入加熱室，而在加熱室外壁與蒸發(fā)器殼體的內(nèi)壁之間有環(huán)隙通道，其作用類似于中央循環(huán)管。操作時(shí)，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 1s)。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(diǎn)是采用了長(zhǎng)加熱管（管長(zhǎng)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(nèi)的循環(huán)，循環(huán)速度可達(dá)s。優(yōu)點(diǎn)：降低了整個(gè)蒸發(fā)器的高度，便于清洗和更換；循環(huán)速度較高，使得對(duì)流傳熱系數(shù)提高；結(jié)垢

16、程度小。適于處理易結(jié)垢、有晶體析出、處理量大的溶液 。4.列文蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在特點(diǎn)是在加熱室上部設(shè)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(jié)垢或析出晶體。優(yōu)點(diǎn)：流動(dòng)阻力??；循環(huán)速度高；傳熱效果好；加熱管內(nèi)不易堵塞。缺點(diǎn)：設(shè)備費(fèi)高；廠房高，耗用金屬多。適于處理有晶體析出或易結(jié)垢的溶液 。5.強(qiáng)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(nèi)溶液的密度差作為推動(dòng)力，導(dǎo)致溶液的循環(huán)流動(dòng)，因此循環(huán)速度一般較低，尤其在蒸發(fā)粘稠溶液（易結(jié)垢及有大量結(jié)晶析出）時(shí)就更低。為提高循環(huán)速度，可用循環(huán)泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，如圖4-10所示。

17、這種蒸發(fā)器的循環(huán)速度可達(dá)5m/s。其優(yōu)點(diǎn)是，傳熱系數(shù)大，利于處理粘度較大、易結(jié)垢、易結(jié)晶的物料。但該蒸發(fā)器的動(dòng)力消耗較大，每平方米傳熱面積消耗的功率約為。（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(diǎn)蒸發(fā)器內(nèi)料液的滯留量大，物料在高溫下停留時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)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(shí)加以冷卻，受熱時(shí)間大為縮短，因此對(duì)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)器的加熱管束可長(zhǎng)達(dá)310m。溶液由加熱管底部進(jìn)入，經(jīng)一段距離的加熱，汽化后，管內(nèi)氣泡逐漸增多，最終液體被上升的蒸汽拉成環(huán)狀薄膜

18、，沿管壁運(yùn)動(dòng)，汽液混合物由管口高速?zèng)_出。被濃縮的液體經(jīng)汽液分離即排出蒸發(fā)器。此種蒸發(fā)器需要妥善地設(shè)計(jì)和操作，使加熱管內(nèi)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(dá)預(yù)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(jié)晶、結(jié)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(jīng)液體分布器分布后呈膜狀向下流動(dòng)。汽液混合物由加熱管下端引出，經(jīng)汽液分離即得完成液。為使溶液在加熱管內(nèi)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(shè)計(jì)液體

19、分布器。適用于：粘度大的物料不適用于：易結(jié)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(nèi)有一隔板，將加熱管束分成兩部分。溶液由升膜管束底部進(jìn)入，流向頂部，然后從降膜管束流下，進(jìn)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(chǎng)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(shè)計(jì)。料液自頂部進(jìn)入蒸發(fā)器后，在刮板的攪動(dòng)下分布于加熱管壁，并呈模式旋轉(zhuǎn)向下流動(dòng)。汽化的二次蒸汽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(diǎn)：借外力強(qiáng)制料液呈膜狀流動(dòng)，

20、可適應(yīng)高粘度，易結(jié)晶、結(jié)垢的濃溶液蒸發(fā)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造要求高，加熱面不大，且需要消耗一定的動(dòng)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(dá)12001800，由于氣、液間的溫度差大，且氣體對(duì)溶液產(chǎn)生強(qiáng)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要固定的傳熱面，熱利用率高適于處理易結(jié)垢、易結(jié)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(shí)，沸騰膜與蒸汽并流流動(dòng)，由于加熱管當(dāng)然螺旋形狀，在中等高度的設(shè)備中

21、可以容納很長(zhǎng)的管子，經(jīng)過很長(zhǎng)的管道流動(dòng)中產(chǎn)生的蒸汽對(duì)液膜施加一個(gè)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(dòng)上，這此作用可促進(jìn)湍流并強(qiáng)化高粘情況下的熱傳遞。適用于達(dá)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(jié)構(gòu)形式較多，選用和設(shè)計(jì)時(shí)，要在滿足生產(chǎn)任務(wù)要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡可能兼顧生產(chǎn)能力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便及經(jīng)濟(jì)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。（五）過程和設(shè)備的強(qiáng)化與展望縱觀國(guó)內(nèi)外蒸發(fā)裝置的研究，概括可分為以下幾個(gè)方面：1、開發(fā)新型蒸發(fā)器；2、改善蒸發(fā)器內(nèi)液體的流動(dòng)

22、狀況；3、改進(jìn)溶液的工藝性質(zhì)；4、優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作。蒸發(fā)器的輔助設(shè)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(shí)產(chǎn)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(chǎn)生泡沫的液體，夾帶更為嚴(yán)重。為了防止產(chǎn)品損失或冷卻水被污染，常在蒸發(fā)器內(nèi)（或外）設(shè)除沫器。圖5-12為幾種除塵器的結(jié)構(gòu)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。冷凝器有間壁式和直接接觸式兩種。倘若二次蒸汽為需回收的有價(jià)值物料或會(huì)嚴(yán)重污染水源，則應(yīng)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

23、一般均在負(fù)壓下操作，這時(shí)為將混合冷凝后的水排出，冷凝器必須設(shè)置得足夠高，冷凝器底部的長(zhǎng)管稱為大氣腿。2. 真空裝置當(dāng)蒸發(fā)器在負(fù)壓下操作時(shí)，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(fù)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(fù)式或旋轉(zhuǎn)式真空泵等。三效蒸發(fā)工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。多效蒸發(fā)流程1.并流流程 即加熱蒸氣和原

24、料液均順次流經(jīng)各效。這種加料的特點(diǎn)是前一效到后一效可自動(dòng)加料，后一效中的物料會(huì)產(chǎn)生自蒸發(fā)，可多蒸出部分水汽，但溶液的黏度會(huì)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(diǎn)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結(jié)晶物料。4.錯(cuò)流流程 本流程的特點(diǎn)是在各效間兼用并流和逆流加料法。兼有并、逆流的優(yōu)點(diǎn)，但是 操作復(fù)雜，適于料液粘度隨濃度顯著增加的場(chǎng)合。由于本次設(shè)

25、計(jì)所處理的物料為燒堿溶液，才用一般的并流操作即可。工藝流程圖2、 工藝計(jì)算及主體結(jié)構(gòu)計(jì)算三效蒸發(fā)工藝計(jì)算三效蒸發(fā)器設(shè)計(jì)流程用試差法求解的具體計(jì)算采取以下步驟：1、 設(shè)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(jù)具體蒸發(fā)過程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。各效的操作壓力可按各效壓差相等計(jì)算，即取相鄰兩效間的壓差相等計(jì)算。2、 根據(jù)各效蒸發(fā)量的初值，應(yīng)用物料衡算就確定各效溶液溶液濃度xi。3、 根據(jù)各效壓力的初設(shè)值與計(jì)算出的溶液濃度xi，確定各效的溫度差損失i和溶液沸點(diǎn)ti。4、 應(yīng)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(yīng)用

26、傳熱速率方程式，計(jì)算各效所需的傳熱面積ai。6、 檢驗(yàn)各效蒸發(fā)量的計(jì)算值和初設(shè)值是否相等，各效傳熱面積是否相等，如果不相等，重設(shè)初值，重新計(jì)算。一、物料衡算第一效，設(shè)溶質(zhì)在蒸發(fā)過程中不揮發(fā)，且蒸發(fā)過程是個(gè)定態(tài)過程，單位時(shí)間進(jìn)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(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)； 完成液中溶質(zhì)的濃度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)。第二效，同第一效， 完成液的濃度： 二、熱量衡算 第一效，對(duì)蒸發(fā)器作熱量衡算，當(dāng)加熱蒸汽在飽和溫度下排出時(shí)， 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 ；

27、 原料液的平均質(zhì)量熱容，j/（kg×k） ； 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(duì)于naoh溶液，可以利用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： = 其中x為溶液在蒸發(fā)器中濃度的增高值，以質(zhì)量分?jǐn)?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(jì)算 其中，k為蒸發(fā)器的加熱室傳熱系數(shù)，為加熱室兩側(cè)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(fù)荷，根據(jù)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。 設(shè)計(jì)計(jì)算1. 估算各

28、效蒸發(fā)量和完成液濃度總蒸發(fā)量：f=×104噸/年=×104÷330÷24=3157kg/h因并流加料，蒸發(fā)中無額外蒸汽引出，可設(shè)1: 2: 3:1231解得：1h2×h3×861kg/h完成液的濃度：2.估算各效溶液的沸點(diǎn)和有效溫度差設(shè)各效間壓強(qiáng)降相等，則總壓強(qiáng)為：kpa各效間的平均壓強(qiáng)差為 kpa于是二次蒸汽壓強(qiáng)：各效的二次蒸汽壓強(qiáng)，從書中查的相應(yīng)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(qiáng)，kpa177二次蒸汽溫度，（即下一效加熱蒸汽溫度）二次蒸汽的比汽化焓，kj/kg(即下一效加熱蒸汽的比汽化焓)21552

29、2152370(1) 各效由于溶液的蒸汽壓下降所引起的溫度差損失根據(jù)各效的二次蒸汽溫度（亦即相同壓強(qiáng)下水的沸點(diǎn)）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(diǎn)分別為: 則各效由于溶液的蒸汽壓下降所引起的溫度差損失為 - - - 所以 (2) 各效由于溶液靜壓強(qiáng)所引起的溫度差損失根據(jù) 得339×103346×103pa346kpa178×103186×103 pa186kpa15×10324×103 pa24kpa根據(jù)各效溶液的平均壓強(qiáng)，由書中查得對(duì)應(yīng)的飽和溫度為： 從而得-所以（3）由于流體阻力產(chǎn)生壓強(qiáng)降所引起的溫度

30、差損失 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取 1 所以 3（4）各效溶液的沸點(diǎn)和有效總溫度差 溶液的沸點(diǎn) 111有效總溫度差 （）-（3）483. 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計(jì)算第一效：根據(jù)熱量衡算式沸點(diǎn)加料，t0=t1=，1=（13-10）= 加熱蒸汽的冷凝熱為2113kj/kg。 =×=第二效的焓衡量式為：（-）（19-13）查表得 kj/(kg·) （b） 第三效的焓衡量式為：h（-） （40-19）查表得(kg·) = = + （c） （d）聯(lián)立（a）、（b）、（c）、（d）式，解得 kg/h kg/h kg/h kg/h4.估算蒸發(fā)器的傳熱面積 ×2113

31、15;2155×2215誤差估算 5.重新分配各效的有效溫差 即6. 重復(fù)上述計(jì)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： （2） 計(jì)算各效溶液沸點(diǎn) 因末效完成液濃度和二次蒸汽壓強(qiáng)不變，各種溫度差損失可視為恒定，故末效溶液的沸點(diǎn)不變。則第三效加熱蒸汽溫度（即第二效二次蒸汽溫度）為： +=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(qiáng)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(diǎn)為： +1=同理 +=由、查杜林線圖得第一效溶液的 +1=+=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，溫度差，溶液沸點(diǎn)，蒸汽

32、的比汽化焓，kj/kg213421492205比熱容，kj(kg·)（3）各效的焓恒算（-） （）=×= （a）（-） （）= + + （-） （）= + (c） （d）聯(lián)立（a）、（b）、（c）、（d）得 hhhh（4）計(jì)算蒸發(fā)器的傳熱面積×21341858920×2134×2149 誤差估算: 誤差結(jié)果合理。 蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)計(jì)算1加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計(jì)選用d0=mm規(guī)格的無縫鋼管，長(zhǎng)度為 l=2m估算管子數(shù) 2循環(huán)管的選擇 內(nèi)徑的計(jì)算公式 整理得 因?yàn)楹拖嗖畈淮?，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

33、距離： 管心距為相鄰兩個(gè)管中心線之間的距離，一般為管外徑的倍。目前在換熱器設(shè)計(jì)中，管心距的數(shù)據(jù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，只要確定了管子規(guī)格，管心距則是定值。由于設(shè)計(jì)中管外徑為57mm，查得管心距為70mm。（2）計(jì)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(nèi)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(jì)算公式 （m3/（m3·s）m3m3m3因?yàn)轶w積最大，所以選擇由體積確定直徑 取解得 h=d= 5接管尺寸的確定 流體進(jìn)出口接管的內(nèi)徑計(jì)算公式 蒸發(fā)器的主要接管有溶液進(jìn)出口、冷凝水進(jìn)出口、加熱蒸汽進(jìn)口與二次蒸汽出口（1） 溶液進(jìn)口第一效 10% nao

34、h密度為1110 kg/msm第二效% naoh密度為1145 kg/msm第三效% naoh密度為1220 kg/msm因?yàn)榈谝恍Ч茏幼畲?，所以選擇（2）溶液的出口第一效% naoh密度為1145 kg/msm第二效 % naoh密度為1220 kg/msm第三效40% naoh密度為1430 kg/msm因?yàn)榈谝恍Ч茏幼畲?，所以選擇（3）冷凝水進(jìn)出口第一效 s m 第二效sm第三效sm因?yàn)榈谝恍Ч茏幼畲螅赃x擇（4）加熱蒸汽進(jìn)口第一效 s m 第二效sm第三效sm因?yàn)榈谌Ч茏幼畲?，所以選擇（5）二次蒸汽出口 第一效sm第二效s m第三效sm因?yàn)榈谌Ч茏幼畲?，所以選擇 6處理數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)

35、算值取用值材料中央循環(huán)管/mm內(nèi)徑280碳鋼（下同）加熱管/mm，加熱室規(guī)格/mm內(nèi)徑740分離室規(guī)格/mm內(nèi)徑1480高1480，料液進(jìn)口管/mm內(nèi)徑加熱蒸汽進(jìn)口管/mm內(nèi)徑冷凝水出口/mm內(nèi)徑完成業(yè)出口管/mm內(nèi)徑二次蒸汽出口管/mm內(nèi)徑3、 蒸發(fā)裝置輔助設(shè)備選型氣液分離器本設(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4表 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/s分離器的選型由 1: h=h=（）其中 二次蒸汽的管徑，m 除沫器內(nèi)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(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x，m 所以 = = m = =h= = h=蒸汽冷凝器的