化工原理設計說明書

1、設計題目：NaOHK溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設計設計者：設計日期：年月曰審核：2009級化工單元操作謀程設計任務書一、設計題目NaOHK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3.96x104噸/年NaOK溶液2. 設備形式中央循環(huán)管式蒸發(fā)器3. 操作條件(1) NaOH水溶液的原料液濃度為5%完成液濃度為25%原料液溫度為第一效沸點溫度，原料液比熱為3.7KJ(kgC),各效蒸發(fā)器中溶液的平均密度為：p1=1014kg/m3,p2=1060kg/m3,p3=1239kg/m3；(2) 加熱蒸氣壓強為500kPa(絕壓)，冷凝器壓強為15kPa(絕壓)：(3) 各效

2、蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：K1=150時/(m2),K2=100CW/(m2),K3=600W/(m2C)；(4) 各效蒸發(fā)器中頁面的高度：1.5m；(5) 各效加熱蒸氣的冷凝液均在飽和溫度下下排出，假設各效傳熱面積相等，并忽略熱損失；(6) 每年按330天計算，每天24小時運行。三、設計項目(1) 設計方案簡單，對確定的工藝流程及蒸發(fā)器形式進行簡要論述；(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) 繪制NaOH*溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的流程及蒸發(fā)器設備工藝簡圖；對本設計的評述目錄（一）蒸發(fā)器的形式、流程、效數(shù)論證（二）工藝計算（三）蒸發(fā)器主要工藝尺寸的

3、設計計算（四）設計感想（五）設計圖紙（一）蒸發(fā)器的形式、流程、效數(shù)論證1. 蒸發(fā)器的形式：2. 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的流程：3. 三效并流加料效數(shù)論證：在工業(yè)中常用的加熱方式有直接加熱和間接加熱。直接加熱的優(yōu)勢是傳熱速率高，金屬消耗量小。劣勢是應用范圍受到被蒸發(fā)物料和蒸發(fā)要求的限制；間接加熱是熱量通過間壁式換熱設備傳給被蒸發(fā)溶液而使溶液氣化。一般工業(yè)蒸發(fā)多采用這類。間接加熱蒸發(fā)器分為循環(huán)型和單程型兩大類，循環(huán)型分為中央循環(huán)管式、懸掛筐式、外加熱式、列文式及強制循環(huán)式；單程型有升膜式、降膜式、升降模式及刮板式。本次選用循環(huán)性的中央循環(huán)管式，因為此循環(huán)管結構簡單、制造方便、操作可靠、投資費用較少等優(yōu)

4、點。蒸發(fā)器的類型一般有單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)，單效蒸發(fā)是蒸發(fā)裝置中只有一個蒸發(fā)器，蒸發(fā)時產(chǎn)生的二次蒸汽直接進入冷凝器不再利用；多效蒸發(fā)器是將幾個蒸發(fā)器串聯(lián)操作，使蒸汽的熱能得到多次利用，蒸發(fā)器的串聯(lián)個數(shù)稱謂效數(shù)。多效蒸發(fā)器的效數(shù)受到經(jīng)濟和技術的限制。對于電解質(zhì)溶液采用2-3個效數(shù)，對于非電解質(zhì)可采用4-6個。根據(jù)情況本次采用多效蒸發(fā)器中的三效蒸發(fā)器。多效蒸發(fā)器的流向一般有并流加料、逆流加料、分流加料和錯流加料。并流加料的優(yōu)點如下溶液從壓強和溫度高的蒸發(fā)器流向壓強和溫度低的蒸發(fā)器，溶液可依靠效間的壓差流動而不需泵送 溶液進入溫度和壓強較低的下一效時處于過熱狀態(tài)，因而會產(chǎn)生額外的氣化，得到較多的二次蒸

5、汽。 完成液在末效排出，其溫度最低，故總的熱量消耗較低。缺點是：由于各效中溶液的濃度依次增高，而溫度依次降低，因此溶液的黏度增加很快，使加熱室的傳熱系數(shù)依次下降，這將導致整個蒸發(fā)裝置生產(chǎn)能力的下降或傳熱面積的增加。由此可見并流加料流程只適用于黏度不大的料液的蒸發(fā)。逆流加料優(yōu)點是：溶液濃度在各效中依次增高的同時，溫度也隨之增高，因而各效內(nèi)溶液的黏度變化不大，這種流程適用于粘度隨濃度和溫度變化較大的溶液蒸發(fā)。缺點有： 溶液在效間是從低壓流向高壓的，因而必須用泵輸送。 溶液在效間是從低溫流向高溫，每一效的進料相對而言均為冷液，沒有白蒸發(fā)，產(chǎn)生的二次蒸汽量少于并流流程。 完成液在第一效排出，其溫度較高

6、，帶走熱量較多而且不利于熱敏性料液的蒸發(fā)。分流加料其特點是溶液不在效間流動。適用于蒸發(fā)過程中有結晶析出的情況，或要求得到不同濃度溶液的場合。錯流加料流程中采用部分并流加料和部分逆流加料，以利用逆流合并流流程各白的優(yōu)點。一般在末效采用并流，但操作比較復雜。綜上所述，本次選用并流加料流程（二）工藝設計1.估算各效蒸發(fā)量和完成液濃度總蒸發(fā)量:3.96X104噸/年=3.96X104+330+24=5000kg/hW=F(1-X0)=5000x(1-0050.25Xi=4000kg/h因并流加料，蒸發(fā)中無額外蒸汽引出，可設W1：W2：W3=1.0:1.1:1.2W=W1+W2+W3=3.3W1解得W1

7、=I000=1212kg/h3.3W2=1212X1.1=1333kg/hW3=1212X1.2=1454kg/hx=Fx。匚=33=0.066F-W15000-1212_50000.05FXoX2=50000.05F一叫W25000-1212-1333=0.102X3=0.252.估算各效溶液的沸點和有效溫度差設各效問壓強降相等，則總壓強為：'*=%一?k=500-15=485kPa各效問的平均壓強差為ZAPAPj=3由各效的二次蒸汽壓強,中：485=161kPa從書中查的相應的二次蒸汽溫度和比汽化焰列丁下表效數(shù)參數(shù)123二次蒸汽壓強Pi,kPa33917815二次蒸汽溫度Ti,C（

8、即下一效加熱蒸汽溫度）137.6116.253.5二次烝汽的比汽化焰i,kj/kg（即下一效加熱蒸汽的比汽化焰）215522152370（1）各效由丁溶液的蒸汽壓下降所引起的溫度差損失A根據(jù)各效的二次蒸汽溫'一一.度“（亦即相同壓強下水的沸點）和各效完成液的濃度Xi,由NaOK溶液的杜林線圖查的各效溶液的沸點tA,i分別為：tA,i=138.5CtA,2=123.1ctA,3=65.3c則各效由丁溶液的蒸汽壓下降所引起的溫度差損失為1=tA,1-T=138.5-137.6=0.9C2=tA,2-T2=123.1-116.2=6.9c3=tA,3-T3=65.3-53.5=11.8c所以

9、Z=0.9+6.9+11.8=19.5CPm=（2）各效由丁溶液靜壓強所引起的溫度差損失''根據(jù)Pm,i=339X103+1014x；81婦.5=346xI03pa=346kPaPm,2=178X103+1060*；81婦.5=186X103Pa=186kPapm3=15X103+1239履.81><1.5=24X103Pa=24kPa，2根據(jù)各效溶液的平均壓強，由書中查得對應的飽和溫度為：Tm,1=138.3cTm,2=117.6cTm,3=65.0c從而得a'1=Tm,1-T=138.3-137.6=0.7c'2=Tm,2-T2=117.6-11

10、6.2=1.4c3=Tm,3-T3=65.0-53.5=11.5c所以£''=a'1+A；+A；=0.7+1.4+11.5=13.6c由丁流體阻力產(chǎn)生壓強降所引起的溫度差損失根據(jù)經(jīng)驗取.I.I'"1=2=%=1C所以“'“'頃£A=A1+2+A3=3C各效溶液的沸點和有效總溫度差溶液的沸點't1=T1+=137.6+0.9+0.7+1=140.2Ct2=T2+2=116.2+6.9+1.4+1=125.5Ct3=T3+A3=53.1+11.8+11.5+1=77.3C有效總溫度差£At=氣-Tk=(

11、151.7-53.5)-(19.5+13.6+3)3.加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算第一效的焰衡量式為：_iri一因沸點進料，故to=tiW1Dr=iini=0.98-0.7X(Xi-Xo)=0.98-0.7X(0.066-0.05)=0.96888(a)2ii3DiWi=0.96888X2i55=0.9499Di第二效的焰衡量式為：W(FcW2=24p,0一WiCp,Wi)L一G查表得n2=0.98-0.7X(X2-Xi)0.98-0.7X(0.i02-0.066)=0.9548Cp,wi=4.282kj/(kg-C)w2=爵548!"2i55W(50003.7-4.282

12、W)i40.2-i25.5J22i5=0.90i8叫+ii7.2=0.8566Di+ii7.2(b)第三效的焰衡量式為：.W2r3(Fcp,。-Wcpw-WzCpw)七2-3W3=3'-'n3=0.98-0.7X(X3-x2)=0.98-0.7X(0.25-0.102)=0.8764查表得Cp,W2=4.245kj/(kg-C)2215WW3=0.8764，2370_2370(50003.7-4.282W1-4.245W2)125.5-77.32370=0.8764(0.9346W2+376.3-0.0871Wi-0.0863W2)=0.7435W2+329.8-0.0763W

13、1=0.7435X(0.8566D1+117.2)+329.8-0.0763X0.9499D=0.5644D1+416.9(c)W1+W+W=4000(d)聯(lián)立（a）、（b）、（c）、（d）式，解得D1=1462kg/hW1=1389kg/hW2=1369kg/hW=1242kg/h4.估算蒸發(fā)器的傳熱面積SiQi=D1r1=1462X2113=3089206W'Q2=叫=1389X2155=2993295W,Q3=W22=1369X2215=3032335WtT-t1=151.7-140.2=11.5Ct2=T2-t2=T1-t2=137.6-125.5=12.1C't3=T

14、3一t3=T2-t3=116.2-77,3=38.9CQ1K1L3089206150011.53.5=49.75m2S2Q2K2G2993295100012.13.5=68.72m2S3K3t3303233560038.9-3.5一2=36.08m誤差估算1-Smin/Smax0.05=0.470.0536.081-68.72所以需調(diào)整各效的有效溫度差5.重新分配各效的有效溫差S§3S2追S3W3、t38.9c49.7511.568.7512.136.08S=11.512.138.9=44.92mti?149.75X44.9211.5=12.74Ctst249.75X44.9211.

15、5=18.52Ct349.75_X=44.92仃5=31.24C求各效溶液的濃度。他們分別為:6.重復上述計算步驟(1)由所求得的各效蒸汽量。X1FxoF-W150000.055000-1389=0.069X2FX0F-W1-W450000.055000T389T369=0.112x3=0.25(2)計算各效溶液沸點各種溫度差損失可視為包定，故末因末效完成液濃度和二次蒸汽壓強不變,效溶液的沸點t3不變。則第三效加熱蒸汽溫度(即第二效二次蒸汽溫度)為:T3=T2=t3t3=77.3+31.24=108.5C由第二效的二次蒸汽溫度T2及X2查杜林線圖得第二效溶液的七入2,且由丁.".靜壓

16、強引起的溫差損失及由丁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：t=t-、一.l2A,222=115.4+1.4+1=117.8C同理T2="t2t2=125.5+18.52=144.0C由I'、*查杜林線圖得第一效溶液的t*tl=tA,1=137.5+0.7+1=139.2C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Ti,c151.9136.3108.5'溫度差Ati,C12.718.531.2溶液沸點ti,c139.2117.877.3'烝汽的比汽化焰i,kj/kg211321592236比熱容Cp,KJ(kg-C)4.318

17、4.279(3)各效的焰包算Cp,KJ(kgC)=0.98-0.7X(X1-X0)=0.98-0.7X(0.069-0.05)=0.9667W1Di1=1'1=0.9667x2113D12113=0.9667D1(a)2=0.98-0.7x(X2-X1)=0.98-0.7X(0.112-0.069)=0.9499叫2(Fcp,。-WiCp,G"t22I'=0.94992113W_2159(50003.7-4.318W1)139.2-117.82159=0.9499(0.9787W1+183.4-0.0428W1)=0.8890W1+174.2=0.8594D1+174

18、.2(b)W3=0.8834聽3=0.98-0.7X(X3-x2)=0.98-0.7X(0.25-0.112)=0.8834.a,_Wil(FCpLWCpw-W2CP,W2)t2一t3觀="3I十'2159W2(50003.7-4.318W1-4.279W2)117.8-77.3IL22362236=0.8834(0.9656W>+335.1-0.0782W-0.0775W2)=0.9947W>+296.0-0.0691W=0.5735D1+489.8(c)W1+W4+W3=4000(d)聯(lián)立（a）、（b）、（c）、（d）得D1=1390kg/hW1=1344kg

19、/hW2=1369kg/hW3=1287kg/h(4)計算蒸發(fā)器的傳熱面積Q1=D1R=1390X2113=2937070W'Q2=W1=1344X2113=2839872W'一一一Q3=W22=1369X2159=2955671Wt=T1-t1=151.7-139.2=12.5Ct2=T2-t2=T1-t2=18.5C'去G=T3-=T2-=31.2CSiQiKiL2937070150012.53.5=43.5S2Q2Kt222839872100018.53.52=42.6mS3Q3K3&295567160031.23.5=43.9m2誤差估算1一Smin/S

20、max0.051一426=0.030.0543.9誤差結果合理SS2S3343.542.643.932=43.3m7.計算結果列表參數(shù)效數(shù)123冷凝器加熱蒸汽溫度Ti,C151.9136.3108.553.5'操作壓強Pi,kPa503.23325.68136.5715溶液沸點ti,C139.2117.877.3完成液濃度Xi,%6.911.225蒸發(fā)水量W,kg/h134413691287生蒸汽量Dikg/h1390傳熱面積S,m243.542.643.9(三)蒸發(fā)器主要工藝尺寸的設計計算1. 加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計選用出=。573.5mm®格的無縫鋼管，長度為L=2

21、m估算管子數(shù)nSn43.3do(L-0.1)=1283.14571000(2-0.1)循環(huán)管的選擇內(nèi)徑Di的計算公式(1) 一D：=(0.41)n-d"44整理得Dj=djV(0.41)n因為n和n相差不大，所以統(tǒng)一用一種規(guī)格的循環(huán)管Dj=501000丁0.4128=0.4m加熱室直徑和加熱管數(shù)目的確定管心距離：t=571.31=75mm計算管數(shù)中心線上管數(shù)1正三角形：nc=1.1*n2(貝為奇數(shù))1=1.1128=13初估加熱室內(nèi)徑D=t(j-1)+2b(b=(11.5)輔)2. =75-1000(13-1)2(157-1000)=1.041m作圖，見第2張草圖分離室直徑與高度的確

22、定分離室體積的計算公式3600UW113443600U36001.7791.530.140mW213693600?U36000.72801.53=0.348mW312873600:U3=2.394m36000.099561.5(U=1.11.5m3/(m3s)因為V體積最大，所以選擇2.394m3由體積確定直徑二2=-d2h4解得H=1.45mD=1.45m接管尺寸的確定流體進出口接管的內(nèi)徑計算公式4Vs'、u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5%NaO帝度為/=1054kg/mm3/s、/_Ws5000sp=1054x36000

23、.0013240.001320.024m3m第二效/=Ws5000-13443sp=1014*36000.001m/S40.0010.0206m3m第三效、/=Ws5000T344-1369sp=10603600"0.0006m/S40.0006八=0.016m3m因為第一效管子最大，所以選擇0.024m(2)溶液的出口第一效、/=Ws5000T344sp=101436000.021m/S40.0013.143=0.0206m第二效、/Ws5000-1344-1369sp=1060x3600-0.0006m/S40.0006=0.016m3第三效、/Ws5000-1344-1369-12871239360040.0002243.1430.0098m因為第一效管子最大，所以選擇0.0206m(3)冷凝水進出口第一效Vs土p1000360013900.000386ni/S40.000386=0.0181m3.