NaOH水溶液蒸發(fā)裝置的設計

1、目 錄1. 前言（1） 1.1蒸發(fā)及蒸發(fā)流程（1） 1.2 蒸發(fā)操作的分類（1） 1.3 蒸發(fā)操作的特點（2） 1.4 蒸發(fā)設備（3） 1.5 蒸發(fā)器選型（4）2.設計任務（5）2.1設計任務 （5）2.2操作條件 （5）3.設計條件及設計方案說明 （5）4.物性數(shù)據(jù)及相關計算 （6） 4.1估計各效蒸發(fā)量和完成液濃度（6） 4.2估計各效蒸發(fā)溶液的沸點和有效總溫度差（7） 4.3加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算（10） 4.4蒸發(fā)器傳熱面積的估算（11） 4.5有效溫度的再分配（11） 4.6重復上述計算步驟（12） 4.7計算結(jié)果列表（15）5.主體設備計算和說明（16） 5.1加熱

2、管的選擇和管數(shù)的初步估計（16） 5.2循環(huán)管的選擇（16） 5.3加熱管的直徑以及加熱管數(shù)目的確定（16） 5.4分離室直徑和高度的確定（18） 5.5接管尺寸的確定（19）6.附屬設備的選擇（21） 6.1氣液分離器（21） 6.2蒸汽冷凝器（21）7.三效蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果（23）8.參考文獻（24）9.后記及其他（25）10.附錄（26）1. 概述1.1 蒸發(fā)及蒸發(fā)流程蒸發(fā)是采用加熱的方法，使含有不揮發(fā)性雜質(zhì)（如鹽類）的溶液沸騰，除去其中被汽化單位部分雜質(zhì)，使溶液得以濃縮的單元操作過程。蒸發(fā)操作廣泛用于濃縮各種不揮發(fā)性物質(zhì)的水溶液，是化工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)中較為常見的單元操作

3、?；どa(chǎn)中蒸發(fā)主要用于以下幾種目的：（1）獲得濃縮的溶液產(chǎn)品；（2）將溶液蒸發(fā)增濃后，冷卻結(jié)晶，用以獲得固體產(chǎn)品，如燒堿、抗生素、糖等產(chǎn)品；（3）脫除雜質(zhì)，獲得純凈的溶劑或半成品，如海水淡化。進行蒸發(fā)操作的設備叫做蒸發(fā)器。蒸發(fā)器內(nèi)要有足夠的加熱面積，使溶液受熱沸騰。溶液在蒸發(fā)器內(nèi)因各處密度的差異而形成某種循環(huán)流動，被濃縮到規(guī)定濃度后排出蒸發(fā)器外。蒸發(fā)器內(nèi)備有足夠的分離空間，以除去汽化的蒸汽夾帶的霧沫和液滴，或裝有適當形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，應將其在冷凝器中加以冷凝。蒸發(fā)過程中經(jīng)常采用飽和蒸汽間壁加熱的方法，通常把作熱源用的蒸汽稱做一次蒸汽，從溶液蒸發(fā)出來的蒸汽叫做二次蒸

4、汽。1.2 蒸發(fā)操作的分類按操作的方式可以分為間歇式和連續(xù)式，工業(yè)上大多數(shù)蒸發(fā)過程為連續(xù)穩(wěn)定操作的過程。按二次蒸汽的利用情況可以分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)，若產(chǎn)生的二次蒸汽不加利用，直接經(jīng)冷凝器冷凝后排出，這種操作稱為單效蒸發(fā)。若把二次蒸汽引至另一操作壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸氣，并把若干個蒸發(fā)器串聯(lián)組合使用，這種操作稱為多效蒸發(fā)。多效蒸發(fā)中，二次蒸汽的潛熱得到了較為充分的利用，提高了加熱蒸汽的利用率。按操作壓力可以分為常壓、加壓或減壓蒸發(fā)。真空蒸發(fā)有許多優(yōu)點：（1）在低壓下操作，溶液沸點較低，有利于提高蒸發(fā)的傳熱溫度差，減小蒸發(fā)器的傳熱面積；（2）可以利用低壓蒸氣作為加熱劑；（3）有利于對熱敏性

5、物料的蒸發(fā)；（4）操作溫度低，熱損失較小。在加壓蒸發(fā)中，所得到的二次蒸氣溫度較高，可作為下一效的加熱蒸氣加以利用。因此，單效蒸發(fā)多為真空蒸發(fā)；多效蒸發(fā)的前效為加壓或常壓操作，而后效則在真空下操作。1.3 蒸發(fā)操作的特點從上述對蒸發(fā)過程的簡單介紹可知，常見的蒸發(fā)時間壁兩側(cè)分別為蒸氣冷凝和液體沸騰的傳熱過程，蒸發(fā)器也就是一種換熱器。但和一般的傳熱過程相比，蒸發(fā)操作又有如下特點 :(1)沸點升高 蒸發(fā)的溶液中含有不揮發(fā)性的溶質(zhì)，在港臺壓力下溶液的蒸氣壓較同溫度下純?nèi)軇┑恼魵鈮旱?，使溶液的沸點高于純?nèi)芤旱姆悬c，這種現(xiàn)象稱為溶液沸點的升高。在加熱蒸氣溫度一定的情況下，蒸發(fā)溶液時的傳熱溫差必定小于加熱唇溶

6、劑的純熱溫差，而且溶液的濃度越高，這種影響也越顯著。(2)物料的工藝特性 蒸發(fā)的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在濃縮時可能析出晶體，或易于結(jié)垢；有些則具有較大的黏度或較強的腐蝕性等。如何根據(jù)物料的特性和工藝要求，選擇適宜的蒸發(fā)流程和設備是蒸發(fā)操作彼此必須要考慮的問題。(3)節(jié)約能源 蒸發(fā)時汽化的溶劑量較大，需要消耗較大的加熱蒸氣。如何充分利用熱量，提高加熱蒸氣的利用率是蒸發(fā)操作要考慮的另一個問題。1.4 蒸發(fā)設備  蒸發(fā)設備的作用是使進入蒸發(fā)器的原料液被加熱，部分氣化，得到濃縮的完成液，同時需要排出二次蒸氣，并使之與所夾帶的液滴和霧沫相分離。  蒸發(fā)

7、的主體設備是蒸發(fā)器，它主要由加熱室和蒸發(fā)室組成。蒸發(fā)的輔助設備包括：使液沫進一步分離的除沫器，和使二次蒸氣全部冷凝的冷凝器。減壓操作時還需真空裝置。茲分述如下：  由于生產(chǎn)要求的不同，蒸發(fā)設備有多種不同的結(jié)構(gòu)型式。對常用的間壁傳熱式蒸發(fā)器，按溶液在蒸發(fā)器中的運動情況，大致可分為以下兩大類：（1）循環(huán)型蒸發(fā)器  特點：溶液在蒸發(fā)器中做循環(huán)流動，蒸發(fā)器內(nèi)溶液濃度基本相同，接近于完成液的濃度。操作穩(wěn)定。此類蒸發(fā)器主要有   a.中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，   b.懸筐式蒸發(fā)器 c.外熱式蒸發(fā)器 d.列文式蒸發(fā)器 e.強制循環(huán)蒸發(fā)器 其中

8、，前四種為自然循環(huán)蒸發(fā)器。（2）單程型蒸發(fā)器 特點：溶液以液膜的形式一次通過加熱室，不進行循環(huán)。   優(yōu)點：溶液停留時間短，故特別適用于熱敏性物料的  蒸發(fā)；溫度差損失較小，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。   缺點：設計或操作不當時不易成膜，熱流量將明顯下降；不適用于易結(jié)晶、結(jié)垢物料的蒸發(fā)。   此類蒸發(fā)器主要有:     a.升膜式蒸發(fā)器，     b.降膜式蒸發(fā)器，     c.刮板式蒸發(fā)器1.5 蒸發(fā)器

9、選型本次設計采用的是中央循環(huán)管式蒸發(fā)器 ：結(jié)構(gòu)和原理：其下部的加熱室由垂直管束組成，中間由一根直徑較大的中央循環(huán)管。當管內(nèi)液體被加熱沸騰時，中央循環(huán)管內(nèi)氣液混合物的平均密度較大；而其余加熱管內(nèi)氣液混合物的平均密度較小。在密度差的作用下，溶液由中央循環(huán)管下降，而由加熱管上升，做自然循環(huán)流動。溶液的循環(huán)流動提高了沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，強化了蒸發(fā)過程。這種蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)緊湊，制造方便，傳熱較好，操作可靠等優(yōu)點，應用十分廣泛，有"標準蒸發(fā)器"之稱。為使溶液有良好的循環(huán)，中央循環(huán)管的截面積，一般為其余加熱管總截面積的40%100%；加熱管的高度一般為12m；加熱管徑多為2575mm之間。但實

10、際上，由于結(jié)構(gòu)上的限制，其循環(huán)速度一般在0.40.5m/s以下；蒸發(fā)器內(nèi)溶液濃度始終接近完成液濃度；清洗和維修也不夠方便。2.設計任務2.1設計任務（1） 蒸發(fā)器處理能力為年產(chǎn)96000噸NaOH水溶液；（2） 每年按照300天計，每天24小時；（3） NaOH水溶液的原料濃度為12，完成液體濃度為30；（4） 蒸發(fā)器的設備形式為中央循環(huán)式管式蒸發(fā)器；（5） 廠址選為長沙地區(qū)。2.2操作條件（1）加熱汽壓力為500 kPa（絕熱），冷凝器的絕壓為20 kPa（絕熱）；（2）各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)分別為K1=1800 W/（m2·）、 K2=1200 W/（m2·）、 K3=

11、600 W/（m2·） ；（3）三效蒸發(fā)器中各效平均密度依次為1120 kg/m3 、1290 kg/m3 、1460 kg/m3；（4）原料液的比熱容為3.77 KJ /（Kg/0C），原料液溫度為第一效沸點溫度；（5）蒸發(fā)器中溶液的液面高度為1.2 m；（6）各效加熱蒸發(fā)汽的冷凝液在飽和溫度下排出，忽略熱損失。3.設計條件及設計方案說明 本次設計要求采用中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，在工業(yè)上被稱為標準蒸發(fā)器。其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、操作可靠等。它的加熱室由一垂直的加熱管束構(gòu)成，在管束中央有一根直徑較大的管子，為中央循環(huán)管。 在蒸發(fā)操作中，為保證傳熱的正常進行，根據(jù)經(jīng)驗，每一效的溫差不能

12、小于57。通常，對于沸點升高較大的電解質(zhì)溶液，應采取23效。由于本次設計任務是處理NaOH溶液。這種溶液是一種沸點升高較大的電解質(zhì)，故選用三效蒸發(fā)器。另外，由于NaOH溶液是一種粘度不大的料液，故多效蒸發(fā)流程采用并流操作。多效蒸發(fā)器工藝設計的主要依據(jù)是物料衡算、熱量衡算及傳熱速率方程。計算的主要項目有：加熱蒸氣的消耗量，各效溶劑蒸發(fā)量以及各效的傳熱面積等。多效蒸發(fā)器的計算一般采用迭代計算法。4.物性數(shù)據(jù)及相關計算4.1估計各效蒸發(fā)量和完成液濃度 年產(chǎn)量：96000噸 ，且每年按照300天計算，每天24小時。 總蒸發(fā)量： 因并流加料，蒸發(fā)中無額外蒸氣引出，可設4.2 估計各效蒸發(fā)溶液的沸點和有效

13、總溫度差 設各效間壓力降相等，則總壓力差為 各效間的平均壓力差為 由各效的壓力差可求得各效蒸發(fā)室的壓力，即 由各效的二次蒸氣壓力，從手冊中可查得相應的二次蒸氣的溫度和氣化潛熱列于下表中。表4-1 二次蒸氣的溫度和氣化潛熱效數(shù) 二次蒸氣壓力34018020二次蒸氣溫度(即下一效加熱蒸汽的溫度）137.7116.660.1二次蒸氣的氣化潛熱（即下一效加熱蒸汽的氣化潛熱）215522142355(1)各效由于溶液沸點而引起的溫度差損失根據(jù)各效二次蒸氣溫度(也即相同壓力下水的沸點)和各效完成液的濃度，由水溶液的點杜林線圖可查得各效溶液的沸點分別為 則各效由于溶液蒸氣壓下降所引起的溫度差損失為 所以 (

14、2)由于液柱靜壓力而引起的沸點升高(溫度差損失） 為簡便計算，以液層中部點處的壓力和沸點代表整個液層的平均壓力和平均溫度，則根據(jù)流體靜力學方程，液層的平均壓力為 所以 由平均壓力可查得對應的飽和溫度為 所以（3） 由流動阻力而引起的溫度差損失 取經(jīng)驗值,即,則 故蒸發(fā)裝置的總溫度差損失為 （4） 各效料液的溫度和有效總溫差 由各效二次蒸氣Pi及溫度差損失，即可由下式估算各效料液的溫度， 有效總溫度差 由手冊可查得500kPa飽和蒸汽的溫度為、氣化潛熱為，所以4.3加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算 第效的熱量衡算式為 對于沸點進料,，考慮到NaOH溶液濃縮熱的影響，熱利用系數(shù)計算式為 所以

15、 第效的熱量衡算式為 對于第效，同理可得 又因為 聯(lián)解上面各式，可得4.4蒸發(fā)器傳熱面積的估算誤差為，誤差較大，應調(diào)整各效的有效溫度差，重復上述計算過程。4.5有效溫度的再分配 重新分配有效溫度差，可得4.6重復上述計算步驟（1） 計算各效料液 由所求得的各效蒸發(fā)量，可求各效料液的濃度，即 （2） 計算各效料液的溫度 因末效完成液濃度和二次蒸氣壓力均不變，各種溫度差損失可視為恒定，故末效溶液的溫度仍為,即 則第效加熱蒸汽的溫度（也即第效料液二次蒸氣溫度)為 由第效二次蒸氣的溫度（）即第效料液的濃度（0.196）查杜林線圖，可得第效料液的沸點為.有液柱靜壓力及流動阻力而引起的溫度差損失可視為不變

16、，故第效料液的溫度為 同理 由第效二次蒸氣的溫度()及第效料液的濃度（0.149）查杜林線圖，可得第效料液的沸點為。則第效料液的溫度為 第效料液的溫度也可由下式計算 說明溶液的各種溫度損失變化不大，不需要重新計算，故有效總溫度差不變，即 溫度差重新分配后各效溫度情況列于下表：表4-2 三效蒸發(fā)器各效的溫度效次加熱蒸汽溫度，0CT1=151.7T'1=136.8T'2=112.9有效溫度差，0C料液溫度（沸點），0Ct1=143.8t2=124.5t3=86.8（3） 各效的熱量衡算 第效第效 第效 又因為 聯(lián)解上面各式得 與第一次計算結(jié)果比較，其相對誤差為計算相對誤差均在0.0

17、5以下，故各效蒸發(fā)量的計算結(jié)果合理。其各效溶液無明顯變化，不需要重新計算。（4） 蒸發(fā)器傳熱面積的計算 誤差為，迭代計算結(jié)果合理。 平均傳熱面積為4.7計算結(jié)果列表表4-3 物料計算的結(jié)果效次冷凝器加熱蒸汽溫度，0C151.7136.9112.960.1操作壓力P'i,kPa3271632020溶液溫度（沸點）ti,0C143.8124.586.8完成液濃度xi,%14.919.930蒸發(fā)量Wi，kg/h2585.42690.82712.9蒸氣消耗量D，kg/h2750.4傳熱面積Si,m2105.5105.5105.55 .主體設備計算和說明5.1加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計根據(jù)加熱

18、管的型號選用：38×2.5mm根據(jù)實際情況選擇加熱管長度選用：1.5m初步估算所需管子數(shù)為n5.2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40%100%。本次計算取50% 。則循環(huán)管的總截面積為 根據(jù)上式結(jié)果，選取管徑相近的標準管型號為630×20 mm 循環(huán)管的管長與加熱管相等，為1.5 m。5.3加熱管的直徑以及加熱管數(shù)目的確定加熱管的內(nèi)徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)目及在管板上的排列方式。節(jié)熱管在管板上的排列方式為正三角形,不同加熱管尺寸的管心距查表得 表5-1 不同加熱管尺寸的管心距加熱

19、管外徑19253857管心距25324870 由上表查得型號為38×2.5mm的管心距為 估計加熱管的內(nèi)徑 其中， 取 所以 表5-2 殼體的尺寸標準殼體內(nèi)徑，4007008001000110015001600200最小壁厚，8101214 根據(jù)估算，及容器的公稱直徑表，試選用作為加熱管的內(nèi)徑，并以此內(nèi)徑和循環(huán)管外徑作同心圓，在同心圓的環(huán)隙中，按加熱管的排列方式和管心距作圖。有圖可得，當內(nèi)徑為1400mm是，獲得管數(shù)為1565根，大于估算的管數(shù)，滿足要求。所以加熱管的直徑為,總加熱管數(shù)n=1565。5.4分離室直徑和高度的確定5.4.1分離室體積的計算式為 其中，U為蒸發(fā)體積強度，一

20、般允許值為，在此取。 將工藝計算中二次蒸氣的溫度和流量以及根據(jù)溫度所查得的二次蒸氣的密度列于下 表5-3 二次蒸氣相應密度 效次二次蒸氣溫度136.9112.760.1二次蒸汽流量Wi，kg/h2877.53022.53433.5二次蒸氣密度1.80890.90000.1307 依據(jù)上表數(shù)據(jù)，分別算出各效分離室數(shù)據(jù) 為方便起見，各效分離室的尺寸均取一致，所以體積V取最大值。5.4.2分離室的高度和直徑的確定 確定需考慮的原則：5.5接管尺寸的確定 流體進出口計算5.5.1溶液的進出口 為統(tǒng)一管徑，按第效的流量計算，溶液的適宜流速按強制流動算，即則 依據(jù)無縫鋼管的常用規(guī)格選為32×4m

21、m的標準管。5.5.2加熱管蒸汽進出口與二次蒸氣出口的確定 表5-4 流體的適宜流速強制流體的液體，m/s自然流體的液體，m/s 飽和蒸汽，m/s空氣及其他氣體，m/s 0.815 0.080.15 2030 1520 飽和蒸汽適宜的流速 為統(tǒng)一管徑，取體積流量最大的末效流量為計算管徑的體積流量，則 依據(jù)無縫鋼管的常用規(guī)格選用為530×15mm的標準管。5.5.3冷凝水進出口的確定 冷凝水的排出屬于自然流， 對于各效冷凝水密度可查的表表5-5 各效冷凝水密度效次 溫度 冷凝水的密度第效 143.8919.184第效124.5939.365第效86.8967.38 分別計算各效冷凝水的

22、管徑： 為統(tǒng)一管徑，取計算得到各效最大的管徑為設計的管徑，則依據(jù)無縫鋼管的常用規(guī)格選用直徑為114×4mm的標準管。6 .附屬設備的選擇6.1氣液分離器 根據(jù)蒸氣流速和各氣液體分離器的性能，選擇慣性式除沫器作為氣液分離器。其主要尺寸確定為： 除沫器內(nèi)管的直徑 且 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 為設計方便取6.2蒸汽冷凝器 選用多層多孔式冷凝器尺寸確定6.2.1冷卻水量 冷卻水進出口壓力為20 kPa，取冷卻水進出口溫度為 由板式蒸汽冷凝器的性能曲線可查得1m3冷卻水可冷卻的蒸汽量為46.5kg/m6.2.2冷凝器的直徑 根據(jù)二次蒸氣

23、的體積流量以及二次蒸氣的壓強，由冷凝器內(nèi)徑與蒸氣流量的關系圖可查得6.2.3淋水板的設計 淋水板數(shù)： 淋水板間距： 根據(jù)則 則淋水板間距符合條件 弓形淋水板的寬度： 淋水板堰高： 淋水板孔徑： 冷卻水循環(huán)使用，d取8 mm 淋水板孔數(shù)： 孔數(shù)應取整數(shù)，故為181根。7.三效蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 表7-1 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)設計尺寸加熱管（無縫鋼管）管徑規(guī)格38×2.5 mm加熱管（無縫鋼管）長度1.5 m加熱管（無縫鋼管)管數(shù)924循環(huán)管規(guī)格 630×20 mm加熱室內(nèi)徑1400 mm分離室直徑1600mm分離室高度2400 mm溶液進出口管徑

24、32×4 mm加熱蒸氣進出口與二次蒸氣出口管徑530×15 mm冷凝水出口管徑114×4 mm表7-2 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)設計尺寸除沫器內(nèi)管的直徑630 mm除沫器外罩管的直徑 945mm除沫器外殼的直徑1260 mm除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x 300 mm 表7-3 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)設計尺寸蒸汽冷凝器類型多層多孔式冷凝器冷卻水量71.76 m3/h冷凝器的直徑450 mm淋水板數(shù)5淋水板間距L11500 mm淋水板間距L2900 mm淋水板間距L3540 mm淋水板間距L4324 mm淋水板間距L5194.4 m

25、m弓形淋水板最上面一塊的寬度405 mm弓形淋水板的寬度275 mm淋水板堰高40 mm淋水板孔徑8 mm淋水板孔數(shù)1818.參考文獻1 王志魁主編 M.化工原理. 第三版 北京:化工工業(yè)出版社，20042 賈紹義 柴誠敬主編 M.化工原理課程設計. 天津:天津大學出版社，20023 賀匡國主編 M.化工容器及設備簡明設計手冊. 第二版 北京:化工工業(yè)出版社，20024 馮伯華等編輯委員會編 M.化工工程手冊. 北京:化工工業(yè)出版 社，19795 陳英南 劉玉蘭主編 M.常用化工單元設備的設計. 華東理工大學出版社，20056 華南理工大學化工原理教研室著.化工過程及設備設計M.廣州: 華南理工大學出版社,19869.后記及其他經(jīng)過近一個月的艱苦奮戰(zhàn)，終于做完了這個蒸發(fā)裝置的設計，回想這一段時間，覺得自己過的充實又日有所獲。剛拿到這個課程設計任務已是國慶過后，經(jīng)過國慶長假，老師上課講的化工原理課程設計早已拋到九霄云外，加之本來就對這門課感到畏難，這樣就使我更加的茫然。 但通過自己仔細看書，并與老師和同學們的交流和探討，我漸漸地發(fā)現(xiàn)，這個課程設計也并非我們想象的那么難，于是我堅定了一個信念，我一定能做好。 在課程設計過程中，我深刻的認識到查資料對于整個課