1、中南大学化工原理课程设计 设计题目 NaOH水溶液三效并流加料的蒸发装置学 院 化学化工学院专业班级 高级工程人才实验班学生学号 1507110128学生姓名 姚玉婷指导老师 邱运仁目 录1. 设计任务（3）2. 设计方案简介（4）3. 三效并流蒸发设计计算（5）4. 蒸发器的主要结构尺寸的计算（16）5. 蒸发装置的辅助设备的选用计算（19）6. 三效蒸发器结构尺寸确定（21)7. 附图（23)8. 参考文献（25）9. 后记（26）10CAD图（27）1.设计任务1.1设计条件 （1）处理能力 年产30000吨NaOH水溶液 （2）设备形式 中央循环式管式蒸发器 （3）操作条件NaOH水溶
2、液的原料浓度为10，完成液体浓度为40，原料液温度为第一效沸点温度。加热汽压力为500Kpa（绝热），冷凝器的绝压为15.5kpa热）。各效蒸发器的总传热系数分别为K1=3000 W/（m2*0C） K2=1500 W/（m2*0C） K3=750 W/（m2*0C）蒸发器中溶液的液面高度为2m。各效加热蒸发汽的冷凝液在饱和温度下排出，忽略热损失。每年按照330天计，每天24小时1.2附加说明 （1）设计方案简介：对确定的工艺流程及蒸发器型式进行简要论述 （2）蒸发器的工艺计算：确定蒸发器的传热面积 （3）蒸发器的主要结构尺寸设计 （4）主要辅助设备选型，包括气液分离器及蒸汽冷凝器等。 （5）
3、绘制NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的设备工艺简图 （6）对本设计进行评述2.设计方案简介 2.1 设计方案论证多效蒸发的目的是：通过蒸发过程中的二次蒸汽再利用，以节约蒸汽的消耗，从而提高蒸发装置的经济性。目前根据加热蒸汽和料液流向的不同，多效蒸发的操作流程可以分为平流、逆流、并流和错流等流程。本设计根据任务和操作条件的实际需要，采用了并流式的工艺流程。下面就此流程作一简要介绍。并流流程也称顺流加料流程（如图1），料液与蒸汽在效间同向流动。因各效间有较大的压力差，液料自动从前效流到后效，不需输料泵；前效的温度高于后效，料液从前效进入后效呈过热状态，过料时有闪蒸出现。此流程有下面几点优点：各效
4、间压力差大，可省去输料泵；有自蒸发产生，在各效间不必设预热管；由于辅助设备少，装置紧凑，管路短，因而温度损失小；装置操作简便，工艺条件稳定，设备维修工作减少。同样也存在着缺点：由于后效温度低、浓度大，因而料液的黏度增加很大，降低了传热系数。因此，本流程只适应于黏度不大的料液。2. 蒸发器简介随着工业蒸发技术的发展，蒸发设备的结构与型式亦不断改进与创新，其种类繁多，结构各异。根据溶液在蒸发中流动情况大致可分为循环型和单程型两类。循环型蒸发器可分为循环式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等；单程蒸发器包括升膜式、降膜式、升降膜式及刮板式等。还可以按膜式和非膜式给蒸发器分类。工业上使用的蒸发设备约
5、六十余种，其中最主要的型式仅十余种。本设计采用了中央循环管式蒸发器，下面就其结构及特点作简要介绍。中央循环管式蒸发器（如图2）又称标准蒸发器。其加热室由一垂直的加热管束（沸腾管束）构成，管束中央有一根直径较大的管子叫做中央循环管，其截面积一般为加热管束截面积的40100。加热管长一般为12m，直径2575mm，长径比为2040。其结构紧凑、制造方便、操作可靠，是大型工业生产中使用广泛且历史长久的一种蒸发器。至今在化工、轻工等行业中广泛被采用。但由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在0.5m/s以下）；管内溶液组成始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温差小；设备的清洗和检修不够方便。其
6、适用于结垢不严重、有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液。3.三效并流蒸发设计计算3.1估计各效蒸发量和完成液浓度Fx0=（F-W）x3（1）其中 F每小时的进料量，Kg/hW每小时的水份蒸发总量，Kg/h=因并流加料，存在着自蒸发，又蒸发中无额外蒸气引出，可取W1：W2：W31: 1.1: 1.2因为W= W1+ W2 + W3 计算出各效的蒸发量WiW1=861Kg/hW2=947Kg/hW3 =1033Kg/h由（1）式得 （2） 由（2）式得 计算出各效的浓度= = x3=0.4.估计各效液的沸点和有效总温差设各效间压力降相等，则各效间的平均压力差为（3） 式中 各效加热蒸汽压力与二次蒸汽压
7、力之差，； 第效加热蒸汽的压力，； 末效冷凝器中的压力，。则，平均压力差： 各效压力差可求得各效蒸发室的压力，即： 表1 有关资料列表效数二次蒸气压力, kPa338.517715.5二次蒸气温度Ti，(即下一效加热蒸汽温度)137.6116.354.6二次蒸气的气化潜热ri，KJ/Kg(即下一效加热蒸气的氢化热)215622152367.求各效因溶液沸点而引起的温度损失 根据各效二次蒸气温度和各完成液浓度xi，由NaOH水溶液杜林线图可得各效NaOH的沸点tAi分别为tA1= 104.2 tA2 = 107.4 tA3= 128.4 则各效由于溶液沸点比水的沸点升高而引起的温差损失（4）（5
8、）1常 =4.22常 = tA2 T2=7.4 3常= tA3 T3=28.4 1=5.3 2=8.23=20.9= 5.3+ 8.2 + 20.9 = 34.4.求由于液柱静压力而引起的温度损失为方便起见，以液层中点处压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，根据流体静力学方程，液层的平均压力Pav = Pi + （其中l为液面高度，m）（6）所以 kPa kPa kPa由平均压力查得对应饱和温度为T Pav1 =138.8 T Pav2 =118.5 T Pav3=68.9所以 1= T Pav1 T1 = 138.8 137.6 = 1.2 2= T Pav2 T2 = 118.5 1
9、16.3 = 2.2 3= T Pav3 T3 = 68.9 54.6 = 14.3 故 = 1.2 +2.2 + 14.3= 17.7.由流动阻力引起的温差损失 取经验值1，即1=2=3 =1 ，则=3综合(1)(2)(3)步得总温度损失=+ + =34.4+17.7+3= 55.1.各效料液的温度和有效总温差各效温度损失i=1+1+ 1得1=1+1+1= 5.3+ 1.2+1=7.52=2+2+2=8.2+2.2+1=11.43=3+3+3=20.9+14.3+1=36.2各效料液的温度为 由ti=Ti+i t1=T1+1=137.6+7.5= 145.1 t2=T2+2=116.3+11
10、.4 = 126.9 t3=T3+3=54.6+36.2= 90.83. 加热蒸气消耗量和各效蒸发水量的初步计算 由热量衡算式Qi=Diri=(Fcp0-W1cpw-W2cpw-Wn-1cpw)(ti-ti-1)+Wi+（7）在(4)式，其中Di一第i效加热蒸气量,Kg/hri第i效加热蒸汽的汽化潜热,K/Kg-第i效二次蒸汽的汽化潜热, K/Kgcp0 原料液的比热容,K/(Kg/)cpw水的比热容, K/(Kg/)ti,ti-1分别为地i效和第i-1效溶液的温度(沸点), 热损失量,K由(7)式两边同时除以得: Wi=Diri/ +(Fcp0-W1cpw-W2cpw-Wn-1cpw)(ti
11、-ti-1)/ - /（8）由式(8)去掉- /,乘以热利用系数i，表示上式得:Wi=iDiri/ +( Fcp0-W1cpw-W2cpw-Wn-1cpw)(ti-ti-1)/ - /对于沸点进料t0=t1,考虑到NaOH溶液浓度浓缩热影响，热利用系数算式为=0.98-0.7其中为第i效蒸发器中液料溶质质量分数的变化. 第效热衡算式为W1=1(+)= (a) 第效热衡算式为 (b) 同理得第效 (c) 又 W1+W2+W3=2841 (d)联解式(a)至(d),可得W1=1000.88Kg/h W2=991.85Kg/hW3=848.27 Kg/h D1=1064.77Kg/h .蒸发器传热面
12、积估算 (9)式中 第效的传热面积，； 第效的传热速率，； 第效的传热系数，； 第效的传热温差，C。则： 误差，误差较大，应调整各效的有效温差，使三个蒸发器的传热面积尽量相等，重复上述计算过程。.有效温差的再分配取平均面积 若Q不变， 重新分配有效温差得： .重复上述步骤. 计算各效料液的质量分数 . 计算各效料液温度因末效完成液浓度和二次蒸发汽压力均不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液温度仍为90.8即 t3=90.8则第效加热蒸气的温度为 T3=T2= t3+t3= 90.8+24.5=115.3查杜林图，得第效料液沸点为tA2=115.2,由液柱静压力及流动阻力引起的温度损失可视为
13、不变,故第效的料液温度为 t2= tA2+2+2=115.2+9.6+2.14+1.0=128 同理 T2=T1= t2+t2=128+12=139.9查杜林图，得第效料液沸点为tA1 =140 ，则t1= tA1+1+1=140+0.9+5.8+1.0=147.7由上知，各种温差损失变化不大，无需重新计算。故有效总温差不变，即=46.9温差重新分配后各效温度列于表2表2 各效温差重新分配表效次加热蒸汽温度 T1=151.7T1=140T2=115.2有效温差，t1=6.3t2=12.0t3=24.5料液温度，t1=147.8t2=128t3=90.8.各效热量衡算查手册得出 T1=140 r
14、1=2149 KJ/Kg T2=115.2 r2=2218.4KJ/Kg T3=54.6 r3=2367 KJ/Kg 第效=0.98-0.7=0.98-0.7(0.136-0.1)=0.955(e)第效=0.928（f）第效=0.847(g)又W1+W2+W3=2841 Kg/h(h) 联解式(e)至式(h)，得W1=1000Kg/h W2=982Kg/hW3=859Kg/h D1=1065Kg/h与第一次结果比较，计算结果均在0.05以下，故各效蒸发量计算结果合理.蒸发器传热面积计算 误差为，迭代计算结果合理，取传热面积34.计算结果列表3表3 计算结果表效次 冷凝器加热蒸气温度Ti, 15
15、1.7140115.254.6操作压力Pi,KPa361.47170.3915.515.5溶液温度(沸点)ti, 145.512890.8完成液浓度,%13.621.040蒸发量Wi,Kg/h1000982859蒸汽消耗量D,kg/h1065传热面积Si ,m2343434.蒸发器的主要结构尺寸的计算.加热管的选择和管数的初步估算 所需管子数= 其中S蒸发器的传热面积，m2，由前面的工艺计算决定d0加热管外径，mL加热管长度，m，取L=2m,d0=38mm有 根.循环管的选择循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减小的原则来考虑的。中央循环管式蒸发器的循环管截面积可取加热管总截面积的。加热管的总截
16、面积可按计算，循环管内径以表示，在计算中去60%。则： (10)即：由于管子规格所限，在规格中只能选中循环管与加热管的长度相同，去2.0米。.加热室直径及加热管数目的确定按正三角形排列，根据加热管间距为48mm及所选定的循环管大小，可查表及计算得，加热室的内径为：806mm。选定加热室为内径1000mm，壁厚10mm。.分离室直径和高度的确定分离室的体积计算式为 (11)式中 分离室的体积，； 某效蒸发器的二次蒸气流量，； 某效蒸发器的二次蒸气的密度，； 蒸气体积强度，；即每立方米分离室每秒钟的二次蒸汽量，一般允许值为。由（11）式，且取, , 所以： 分离室体积确定后，其高度与直径的关系：利
17、用此关系确定高度和直径时应考虑如下原则：分离室的高度与直径之比 = H =1.8m故选h=2m D=1.4m.接管尺寸的确定流体进出口的内径按下式计算 (12)式中 流体的体积流量，； 流体的适宜流速，。.1溶液进出口 对于三效并流加料的三效蒸发，第效的流量最大，所以取其为计算量 因为其流动为强制流动，,所以取则有取管为.2 热蒸汽进口与二次蒸气出口 一般情况下，末效的体积流量最大，所以取其为计算量因为其流动为饱和蒸汽流动，,所以取则有取管为 .冷凝水出口 一般由各效加热蒸汽消耗量较大者来定，而末效的加热蒸汽消耗量最大，所以取为计算量因为其流动为自然流动，,所以取则有u=0.1m/s 取管 .
18、 蒸发装置的辅助设备的选用计算.气液分离器.本设计采用的是丝网式除沫器，其主要作用是为了防止损失有用的产品或防止污染冷凝液体，并且丝网式分离效果更好，本次采用三层结构。.蒸汽冷凝器的选型设计.本设计采用的是多层孔板式蒸汽冷凝器，其性能参数如表5表4 多层孔板式蒸汽冷凝器性能参数表水气接触压强塔径范围结构与要求水量面积大10672000Pa大小均可较简单较大.蒸汽冷凝器的选型.2. 冷却水量的确定查多孔板冷凝器的性能曲线得15.5KPa的进口蒸汽压力，冷却水进口温度30，1m3冷却水可冷却蒸汽量为39kg，与实际数据比，偏小,故设计时取： (13)式中 进入冷凝器二次蒸汽的流量，； 冷却水量，。
19、.2.冷凝器的直径 取二次蒸汽的流速u=15m/s。则：(14) .2.淋水板的设计淋水板板数：因为,取淋水板5块。淋水板间距以经验公式,；即依次计算出： 弓型淋水板的宽度：最上面一块；其他各块淋。淋水板堰高：取。淋水板孔径：冷却水循环使用，取d=9mm。淋水板孔数：淋水孔流速(15)式中 淋水孔的阻力系数，； 水孔收缩系数，；淋水板堰高, 。取 计算 选冷凝管规格管为则淋水孔数：考虑到长期操作时易造成孔的堵塞，取最上层孔数应加大即个，其它各板孔数应加大5%，即。淋水孔采用正三角形排列。6 .三效蒸发器结构尺寸确定 表5 蒸发器的主要结构尺寸的确定加热管主要结构设计尺寸加热管（无缝钢管）管径规
20、格382.5 mm加热管（无缝钢管）长度2 m加热管（无缝钢管)管数150循环管规格 3779 mm加热室内径1000 mm分离室直径1400 mm分离室高度2000 mm溶液进出口管径453.5 mm加热蒸气进出口与二次蒸气出口管径4269 mm冷凝水出口管径764 mm表6 蒸汽冷凝器主要结构的确定蒸气冷凝器主要结构设计尺寸蒸汽冷凝器类型多层多孔式冷凝器冷却水量61.044m3/h冷凝器的直径699 mm淋水板数7淋水板间距L11240mm淋水板间距L2870 mm淋水板间距L3610 mm淋水板间距L4430 mm淋水板间距L5300 mm淋水板间距L6210 mm弓形淋水板的宽度560
21、 mm淋水板堰高50 mm淋水板孔径8 mm淋水板孔数5607. 附图 图 三效并流蒸发系统图 中央循环管式蒸发器1-加热室 2-分离室 3-蒸发室F、x0、 t0D1 T1W3 T3W2 T2W1 T1x2 T2W2 t3W1T2 +1x1 t1P1P2 P3 x3 t3T1T2T3 图 并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算8. 参考文献1 刁玉玮,王立业. 化工设备机械基础M. 大连:大连理工大学出版社, 1998.2 柴诚敬，刘国维，李阿娜，化工原理课程设计M，天津：天津科学技术出版社，1994年.3 杨祖荣.化工原理 M. 北京:化学工业出版社,2009.4 贾绍义,柴诚敬. 化工原理
22、课程设计M. 天津:天津大学出版社, 2002.5 魏崇光，郑晓梅，化工工程制图M，北京：化学工业出版社，1992年。9.后记本次化工原理课程设计用时两周，是第一次独立的化工设计。对于化工原理课程设计这个课程，我起初并不是十分了解，但通过这次设计，使我学会了运用各种手册、图表查物理及化学性质，能画出工艺流程、蒸发器装置。 这次我们做的是三效蒸发装置的设计，在这个设计过程中，我遇到了许多以前没有掌握扎实的和没有学过的知识，比如说温度差的计算、热量衡算式的公式及怎样根据自己所算出的数字找相应合适的加热管数目和尺寸、加热室直径等等。通过这次设计让我巩固了许多的知识，同时让我锻炼了自学的能力。通过做计算，使我做事更加细心认真了；通过画图，使我做事更加耐心刻苦；通过写字，使我更加坚定、更加有决心（由于我字写的丑，决定练字。）；通过查阅各种不同的文献，使我更加的认识到原来知识是无穷无尽的。这次设计，使我对专业有了感性和理性的认识，对今后的学习有一定的指导作用，了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析能力，同时也树立了正确的设计思想，培养了严肃认真、严谨求实的设计态度。最后，要感谢老师的教导与帮助，感谢同学的帮助。限于水平，设计中难免有不足和谬误之处，恳请老师批评指正。10CAD图28
