NaOH水溶液三效并流加料的蒸發(fā)裝置

1、化工原理課程設(shè)計(jì)蒸發(fā)單元操作設(shè)計(jì)任務(wù)書 班級 精化082 姓名 金玲敏 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： 12000 kg/h NaOH水溶液2、物料條件NaOH水溶液的原料液（初始）濃度：X0= 12 %(w) ；濃縮（完成）液濃度： Xn= 40 %(w) ；加料溫度： 沸點(diǎn) 。（原料液溫度為第一效沸點(diǎn)溫度） 3、操作條件加熱蒸汽壓強(qiáng)： 510kPa 冷凝器壓強(qiáng)： 16kPa 各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：K1=1600W/（m2)，K2=1000W/（m2)，K3=600W/（m2)。各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出。假設(shè)各效

2、傳熱面積相等，并忽略熱損失。各效蒸發(fā)器中料液液面高度為：1.5m。 每年按300天計(jì)，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。廠址：寧波地區(qū)。三、設(shè)備型式蒸發(fā)器： 中央循環(huán)管式 蒸汽冷凝器：水噴射式冷凝器四、設(shè)計(jì)項(xiàng)目(說明書格式) 1、封面、任務(wù)書、目錄。2、設(shè)計(jì)方案簡介：對確定的工藝流程及蒸發(fā)器型式進(jìn)行簡要論述。 3、蒸發(fā)器的工藝計(jì)算：確定蒸發(fā)器的傳熱面積。4、蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。 5、主要輔助設(shè)備選型：物料泵、蒸汽冷凝器及氣液分離器（除沫器）等選型。 6、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)器設(shè)備工藝簡圖。 7、對本設(shè)計(jì)進(jìn)行評述。 8、參考文獻(xiàn)成績評定 指導(dǎo)教師 楊春風(fēng)、王志強(qiáng) 201

3、1年 6月 8 日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

4、管；由于輔助設(shè)備少，裝置緊湊，管路短，因而溫度損失??；裝置操作簡便，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、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)采用了中央循環(huán)管

5、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（如圖2）又稱標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器。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m，直徑mm，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.m/s以下）；管內(nèi)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3.1估計(jì)各效蒸

6、發(fā)量和完成液濃度Fx0=（F-W）x3（1）其中 F每小時(shí)的進(jìn)料量，Kg/hW每小時(shí)的水份蒸發(fā)總量，Kg/h WF（1）12000（1）8400Kg/h因并流加料，存在著自蒸發(fā)，又蒸發(fā)中無額外蒸氣引出，可取W1：W2：W31: 1.1: 1.2因?yàn)閃= W1+ W2 + W3 計(jì)算出各效的蒸發(fā)量WiW1=2545.45Kg/hW2=1.12545.45=2800 Kg/hW3 =1.22545.45=3054.55 Kg/h由（1）式得 （2） 由（2）式得 計(jì)算出各效的濃度x1= =0.1523x2= 0.2164x3=0.40.估計(jì)各效液的沸點(diǎn)和有效總溫差設(shè)各效間壓力降相等，則總壓力差為

7、kPa各效間的平均壓力差為pi=164.67 kPa由各效壓力差可求得各效蒸發(fā)室的壓力，即 =P1-Pi =510164.67=345.33 kPa = P1- 2Pi =510-2164.67=180.66 kPa= =16 kPa表1 有關(guān)資料列表效數(shù)二次蒸氣壓力, kPa345.33180.6616二次蒸氣溫度Ti，(即下一效加熱蒸汽溫度)138.8116.653.5二次蒸氣的氣化潛熱ri，KJ/Kg(即下一效加熱蒸氣的氫化熱)2152.32214.32370.0.求各效因溶液沸點(diǎn)而引起的溫度損失 根據(jù)各效二次蒸氣溫度和各完成液濃度xi，由NaOH水溶液杜林線圖可得各效NaOH的沸點(diǎn)tA

8、i分別為tA1= 144 tA2 = 125 tA2 = 80 則各效由于溶液沸點(diǎn)比水的沸點(diǎn)升高而引起的溫差損失1 = tA1 - T1=144138.8 = 5.2 2 = tA2 T2=125116.6 = 8.4 3 = tA3 T3=8053.5 = 26.5 所以 =5.2+8.4+26.5=40.1.求由于液柱靜壓力而引起的溫度損失為方便起見，以液層中點(diǎn)處壓力和沸點(diǎn)代表整個(gè)液層的平均壓力和平均溫度，根據(jù)流體靜力學(xué)方程，液層的平均壓力Pav = Pi + （其中l(wèi)為液面高度，m）（3）查表得原料液在三效中液體的平均密度分別為1110Kg/m3 、1170 Kg/m3 、1390 Kg

9、/m3。所以 Pav1 = P1+ =345.33 + =353.42 kPa Pav2 = P2+ =180.66 + =189.27 kPa Pav3 = P3+ = 16 + = 26.23 kPa由平均壓力查得對應(yīng)飽和溫度為T Pav1 =139.1 T Pav2 =118.2 T Pav3=63.2所以 1 = T Pav1 T1 = 139.1138.8 = 0.3 2= T Pav2 T2 = 118.2116.6 = 1.6 3= T Pav3 T3 = 63.253.5 = 9.7 故 = 0.3 + 1.6 + 9.7 = 11.6 .由流動(dòng)阻力引起的溫差損失 取經(jīng)驗(yàn)值1，

10、即1=2=3 =1 ，則=3綜合(1)(2)(3)步得總溫度損失=+ + =40.1 + 11.6 + 3= 54.7.各效料液的溫度和有效總溫差各效溫度損失i=1+1 + 1得1=1+1+1= 5.2+ 0.3+1=6.52=2+2+2=8.4+1.6+1=11.03=3+3 +3=26.5+9.7+1=37.2各效料液的溫度為 由ti=Ti+i t1=T1+1=138.8+6.5= 145.3 t2=T2+2=116.6+11.0= 127.6 t3=T3+3=53.5+37.2= 90.7因 =(Ts-Tk)- 由手冊查得500kPa飽和汽溫度為152.4，氣化潛熱為2110KJ/Kg,

11、所以= (Ts-Tk)-i= 152.4-53.5- 54.7 =44.23. 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Qi=Diri=(Fcp0-W1cpw-W2cpw-Wn-1cpw)(ti-ti-1)+Wi+（4）在(4)式，其中Di一第i效加熱蒸氣量,Kg/hri第i效加熱蒸汽的汽化潛熱,K/Kg-第i效二次蒸汽的汽化潛熱, K/Kgcp0 原料液的比熱容,K/(Kg/)cpw水的比熱容, K/(Kg/)ti,ti-1分別為地i效和第i-1效溶液的溫度(沸點(diǎn)), 熱損失量,K由(4)式兩邊同時(shí)除以得: Wi=Diri/ +(Fcp0-W1cpw-W2cpw-Wn-1cpw)

12、(ti-ti-1)/ - /（5）由式(5)去掉- /,乘以熱利用系數(shù)i，表示上式得:Wi=iDiri/ +( Fcp0-W1cpw-W2cpw-Wn-1cpw)(ti-ti-1)/ - /對于沸點(diǎn)進(jìn)料t0=t1,考慮到NaOH溶液濃度濃縮熱影響，熱利用系數(shù)算式為=0.98-0.7其中為第i效蒸發(fā)器中液料溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化. 第效熱衡算式為W1=1(+)= (a) 第效熱衡算式為W2= =0.8776W1 + 338.16(b) 同理得第效 =0.7400W2-0.05551W1+599.77 (c) 又 W1+W2+W3=8400 kg/h (d)聯(lián)解式(a)至(d),可得W1=2918.6

13、Kg/h W2=2898.6Kg/hW3=2582.8Kg/h D1=3109.6Kg/h .蒸發(fā)器傳熱面積估算 , Qi=Diri Q=D1r1=1.823106 Wt1=T1- t1=152.4-145.3 =7.1S1= m2Q2=W1r2=1.745106 Wt2=T2- t2=T1t2=138.8127.6 =11.2S2= m2Q3=W2r3=106 Wt3=T3- t3=T2- t3=116.6 -90.7=25.9S3= m2誤差，誤差較大，應(yīng)調(diào)整各效有效溫差，使三個(gè)蒸發(fā)器的傳熱面積盡量相等。.有效溫差的再分配取平均面積 m2若使各值保持不變則有tiiti其中ti是各效經(jīng)過有效

14、溫差再分配后的溫差t1= 8.6t2=13.2t3=22.4.重復(fù)上述步驟. 計(jì)算各效料液的質(zhì)量分?jǐn)?shù) X1= =0.159 X2= =0.233 X 3=0.4. 計(jì)算各效料液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90.7即 t3=90.7則第效加熱蒸氣的溫度為 T3=T2= t3+t3= 90.7+22.4=113.1查杜林圖，得第效料液沸點(diǎn)為tA2=125,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 t2= tA2+2+2=125+1.6+1.0=127.6 同理 T2=T1= t2+t2=127.6+13.2=14

15、0.8查杜林圖，得第效料液沸點(diǎn)為tA1 =143 ，則t1= tA1+1+1=143+0.3+1.0=144.3t1=T-t1=152.4-8.6=143.8由上知，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=46.9溫差重新分配后各效溫度列于表2表2 各效溫差重新分配表效次加熱蒸汽溫度 T1=152.4T1=140.8T2=113.1有效溫差，t1=8.6t2=13.2t3=22.4料液溫度，t1=144.3t2=127.6t3=90.7.各效熱量衡算查手冊得出 T1=140.8 r1=2146.3 KJ/Kg T2=113.1 r2=2223.9 KJ/Kg T3=53.5

16、r3=2369.3 KJ/Kg 第效=0.98-0.7=0.98-0.7(0.159-0.12)=0.9527W1=(e)第效=0.98-0.7=0.98-0.7(0.233-0.159)=0.9282W2=0.8666W1+315.33（f）第效=0.98-0.7=0.98-0.7(0.40-0.233)=0.8631 =0.7538W0.0563W+608.12(g)又 W1+W2+W3=8400 Kg/h(h) 聯(lián)解式(e)至式(h)，得W1=2938.33Kg/h W2=2861.82Kg/hW3=2599.85 Kg/h D1=3137.23Kg/h與第一次結(jié)果比較， 計(jì)算結(jié)果均在0

17、.05以下，故各效蒸發(fā)量計(jì)算結(jié)果合理.蒸發(fā)器傳熱面積計(jì)算 Q1=D1r1= Wt1=8.6S1= m2Q2=W1r1= Wt2= 13.2S2= m2Q3=W2r2=Wt3=22.4S3= m2 誤差50m 196588KPa 8590 常壓1225m/s減壓25m/s5.分離器的選型由D0D1 D1：D2：D3：=1：1.5：2.0 H=D3H=（0.40.5）D1其中 D0二次蒸汽的管徑，m D1除沫器內(nèi)管的直徑，m D2除沫器外管的直徑，m D3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 D1= D0=0.53 m D2=0.795m D3=1.06mH= D3=1.06m h=0.4D1=0.212m.蒸汽冷凝器的選型設(shè)計(jì).本設(shè)計(jì)采用的是水噴射式冷凝器，其性能參數(shù)如表5表5 水噴射式冷凝器性能參數(shù)表水氣接觸壓強(qiáng)塔徑范圍結(jié)構(gòu)與要求水量面積最大大二次蒸汽2t/h不簡易，加工有一定的要求最大.蒸汽冷凝器的選型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6 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573.5 mm加熱管（無縫鋼管）長度2 m加熱管（無縫鋼管)管數(shù)390循環(huán)管規(guī)格 573.5 mm加熱室內(nèi)徑1