NaOH水溶液三效并流加料的蒸發(fā)裝置——化工原理課程設(shè)計(jì)

1、中南大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目 naoh水溶液三效并流加料的蒸發(fā)裝置學(xué) 院 化學(xué)化工學(xué)院專業(yè)班級(jí) 高級(jí)工程人才實(shí)驗(yàn)班學(xué)生學(xué)號(hào) 1507110128學(xué)生姓名 姚玉婷指導(dǎo)老師 邱運(yùn)仁目 錄1. 設(shè)計(jì)任務(wù)（3）2. 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介（4）3. 三效并流蒸發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算（5）4. 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算（16）5. 蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備的選用計(jì)算（19）6. 三效蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸確定（21)7. 附圖（23)8. 參考文獻(xiàn)（25）9. 后記（26）10cad圖（27）1.設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)條件 （1）處理能力 年產(chǎn)30000噸naoh水溶液 （2）設(shè)備形式 中央循環(huán)式管式蒸發(fā)器 （3）操作條件naoh水溶

2、液的原料濃度為10，完成液體濃度為40，原料液溫度為第一效沸點(diǎn)溫度。加熱汽壓力為500kpa（絕熱），冷凝器的絕壓為15.5kpa熱）。各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)分別為k1=3000 w/（m2*0c） k2=1500 w/（m2*0c） k3=750 w/（m2*0c）蒸發(fā)器中溶液的液面高度為2m。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。每年按照330天計(jì)，每天24小時(shí)1.2附加說(shuō)明 （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，包括氣液分離器及蒸汽冷凝器等。 （5）

3、繪制naoh水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設(shè)備工藝簡(jiǎn)圖 （6）對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)述2.設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介 2.1 設(shè)計(jì)方案論證多效蒸發(fā)的目的是：通過(guò)蒸發(fā)過(guò)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(jiǎn)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(guò)熱狀態(tài)，過(guò)料時(shí)有閃蒸出現(xiàn)。此流程有下面幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：各效

4、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)熱管；由于輔助設(shè)備少，裝置緊湊，管路短，因而溫度損失?。谎b置操作簡(jiǎn)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(jiǎn)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

5、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)管式蒸發(fā)器，下面就其結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)作簡(jiǎn)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40100。加熱管長(zhǎng)一般為12m，直徑2575mm，長(zhǎng)徑比為2040。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(zhǎng)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0.5m/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?。辉O(shè)備的清洗和檢修不夠方便。其

6、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)各效蒸發(fā)量和完成液濃度f(wàn)x0=（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=因并流加料，存在著自蒸發(fā)，又蒸發(fā)中無(wú)額外蒸氣引出，可取w1：w2：w31: 1.1: 1.2因?yàn)閣= w1+ w2 + w3 計(jì)算出各效的蒸發(fā)量wiw1=861kg/hw2=947kg/hw3 =1033kg/h由（1）式得 （2） 由（2）式得 計(jì)算出各效的濃度= = x3=0.4.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，則各效間的平均壓力差為（3） 式中 各效加熱蒸汽壓力與二次蒸汽壓

7、力之差，； 第效加熱蒸汽的壓力，； 末效冷凝器中的壓力，。則，平均壓力差： 各效壓力差可求得各效蒸發(fā)室的壓力，即： 表1 有關(guān)資料列表效數(shù)二次蒸氣壓力, kpa338.517715.5二次蒸氣溫度ti，(即下一效加熱蒸汽溫度)137.6116.354.6二次蒸氣的氣化潛熱ri，kj/kg(即下一效加熱蒸氣的氫化熱)215622152367.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)tai分別為ta1= 104.2 ta2 = 107.4 ta3= 128.4 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（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.求由于液柱靜壓力而引起的溫度損失為方便起見(jiàn)，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）（6）所以 kpa kpa kpa由平均壓力查得對(duì)應(yīng)飽和溫度為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.由流動(dòng)阻力引起的溫差損失 取經(jīng)驗(yàn)值1，即1=2=3 =1 ，則=3綜合(1)(2)(3)步得總溫度損失=+ + =34.4+17.7+3= 55.1.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= 5.3+ 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各效料液的溫度為 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+（7）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(7)式兩邊同時(shí)除以得: wi=diri/ +(fcp0-w1cpw-w2cpw-wn-1cpw)(ti

11、-ti-1)/ - /（8）由式(8)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(duì)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 (b) 同理得第效 (c) 又 w1+w2+w3=2841 (d)聯(lián)解式(a)至(d),可得w1=1000.88kg/h w2=991.85kg/hw3=848.27 kg/h d1=1064.77kg/h .蒸發(fā)器傳熱面

12、積估算 (9)式中 第效的傳熱面積，； 第效的傳熱速率，； 第效的傳熱系數(shù)，； 第效的傳熱溫差，c。則： 誤差，誤差較大，應(yīng)調(diào)整各效的有效溫差，使三個(gè)蒸發(fā)器的傳熱面積盡量相等，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程。.有效溫差的再分配取平均面積 若q不變， 重新分配有效溫差得： .重復(fù)上述步驟. 計(jì)算各效料液的質(zhì)量分?jǐn)?shù) . 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90.8即 t3=90.8則第效加熱蒸氣的溫度為 t3=t2= t3+t3= 90.8+24.5=115.3查杜林圖，得第效料液沸點(diǎn)為ta2=115.2,由液柱靜壓力及流動(dòng)阻力引起的溫度損失可視為

13、不變,故第效的料液溫度為 t2= ta2+2+2=115.2+9.6+2.14+1.0=128 同理 t2=t1= t2+t2=128+12=139.9查杜林圖，得第效料液沸點(diǎn)為ta1 =140 ，則t1= ta1+1+1=140+0.9+5.8+1.0=147.7由上知，各種溫差損失變化不大，無(wú)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=151.7t1=140t2=115.2有效溫差，t1=6.3t2=12.0t3=24.5料液溫度，t1=147.8t2=128t3=90.8.各效熱量衡算查手冊(cè)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) 聯(lián)解式(e)至式(h)，得w1=1000kg/h w2=982kg/hw3=859kg/h d1=1065kg/h與第一次結(jié)果比較，計(jì)算結(jié)果均在0.05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 誤差為，迭代計(jì)算結(jié)果合理，取傳熱面積34.計(jì)算結(jié)果列表3表3 計(jì)算結(jié)果表效次 冷凝器加熱蒸氣溫度ti, 15

15、1.7140115.254.6操作壓力pi,kpa361.47170.3915.515.5溶液溫度(沸點(diǎn))ti, 145.512890.8完成液濃度,%13.621.040蒸發(fā)量wi,kg/h1000982859蒸汽消耗量d,kg/h1065傳熱面積si ,m2343434.蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算.加熱管的選擇和管數(shù)的初步估算 所需管子數(shù)= 其中s蒸發(fā)器的傳熱面積，m2，由前面的工藝計(jì)算決定d0加熱管外徑，ml加熱管長(zhǎng)度，m，取l=2m,d0=38mm有 根.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(lái)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。加熱管的總截

16、面積可按計(jì)算，循環(huán)管內(nèi)徑以表示，在計(jì)算中去60%。則： (10)即：由于管子規(guī)格所限，在規(guī)格中只能選中循環(huán)管與加熱管的長(zhǎng)度相同，去2.0米。.加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定按正三角形排列，根據(jù)加熱管間距為48mm及所選定的循環(huán)管大小，可查表及計(jì)算得，加熱室的內(nèi)徑為：806mm。選定加熱室為內(nèi)徑1000mm，壁厚10mm。.分離室直徑和高度的確定分離室的體積計(jì)算式為 (11)式中 分離室的體積，； 某效蒸發(fā)器的二次蒸氣流量，； 某效蒸發(fā)器的二次蒸氣的密度，； 蒸氣體積強(qiáng)度，；即每立方米分離室每秒鐘的二次蒸汽量，一般允許值為。由（11）式，且取, , 所以： 分離室體積確定后，其高度與直徑的關(guān)系：利

17、用此關(guān)系確定高度和直徑時(shí)應(yīng)考慮如下原則：分離室的高度與直徑之比 = h =1.8m故選h=2m d=1.4m.接管尺寸的確定流體進(jìn)出口的內(nèi)徑按下式計(jì)算 (12)式中 流體的體積流量，； 流體的適宜流速，。.1溶液進(jìn)出口 對(duì)于三效并流加料的三效蒸發(fā)，第效的流量最大，所以取其為計(jì)算量 因?yàn)槠淞鲃?dòng)為強(qiáng)制流動(dòng)，,所以取則有取管為.2 熱蒸汽進(jìn)口與二次蒸氣出口 一般情況下，末效的體積流量最大，所以取其為計(jì)算量因?yàn)槠淞鲃?dòng)為飽和蒸汽流動(dòng)，,所以取則有取管為 .冷凝水出口 一般由各效加熱蒸汽消耗量較大者來(lái)定，而末效的加熱蒸汽消耗量最大，所以取為計(jì)算量因?yàn)槠淞鲃?dòng)為自然流動(dòng)，,所以取則有u=0.1m/s 取管 .

18、 蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備的選用計(jì)算.氣液分離器.本設(shè)計(jì)采用的是絲網(wǎng)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，并且絲網(wǎng)式分離效果更好，本次采用三層結(jié)構(gòu)。.蒸汽冷凝器的選型設(shè)計(jì).本設(shè)計(jì)采用的是多層孔板式蒸汽冷凝器，其性能參數(shù)如表5表4 多層孔板式蒸汽冷凝器性能參數(shù)表水氣接觸壓強(qiáng)塔徑范圍結(jié)構(gòu)與要求水量面積大10672000pa大小均可較簡(jiǎn)單較大.蒸汽冷凝器的選型.2. 冷卻水量的確定查多孔板冷凝器的性能曲線得15.5kpa的進(jìn)口蒸汽壓力，冷卻水進(jìn)口溫度30，1m3冷卻水可冷卻蒸汽量為39kg，與實(shí)際數(shù)據(jù)比，偏小,故設(shè)計(jì)時(shí)取： (13)式中 進(jìn)入冷凝器二次蒸汽的流量，； 冷卻水量，。

19、.2.冷凝器的直徑 取二次蒸汽的流速u(mài)=15m/s。則：(14) .2.淋水板的設(shè)計(jì)淋水板板數(shù)：因?yàn)?取淋水板5塊。淋水板間距以經(jīng)驗(yàn)公式,；即依次計(jì)算出： 弓型淋水板的寬度：最上面一塊；其他各塊淋。淋水板堰高：取。淋水板孔徑：冷卻水循環(huán)使用，取d=9mm。淋水板孔數(shù)：淋水孔流速(15)式中 淋水孔的阻力系數(shù)，； 水孔收縮系數(shù)，；淋水板堰高, 。取 計(jì)算 選冷凝管規(guī)格管為則淋水孔數(shù)：考慮到長(zhǎng)期操作時(shí)易造成孔的堵塞，取最上層孔數(shù)應(yīng)加大即個(gè)，其它各板孔數(shù)應(yīng)加大5%，即。淋水孔采用正三角形排列。6 .三效蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸確定 表5 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(wú)縫鋼管）管徑規(guī)

20、格382.5 mm加熱管（無(wú)縫鋼管）長(zhǎng)度2 m加熱管（無(wú)縫鋼管)管數(shù)150循環(huán)管規(guī)格 3779 mm加熱室內(nèi)徑1000 mm分離室直徑1400 mm分離室高度2000 mm溶液進(jìn)出口管徑453.5 mm加熱蒸氣進(jìn)出口與二次蒸氣出口管徑4269 mm冷凝水出口管徑764 mm表6 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(shè)計(jì)尺寸蒸汽冷凝器類型多層多孔式冷凝器冷卻水量61.044m3/h冷凝器的直徑699 mm淋水板數(shù)7淋水板間距l(xiāng)11240mm淋水板間距l(xiāng)2870 mm淋水板間距l(xiāng)3610 mm淋水板間距l(xiāng)4430 mm淋水板間距l(xiāng)5300 mm淋水板間距l(xiāng)6210 mm弓形淋水板的寬度560 mm淋水板堰高50 mm淋水板孔徑8 mm淋水板孔數(shù)5607. 附圖 圖 三效并流蒸發(fā)系統(tǒng)圖 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器1-加熱室 2-分離室 3-蒸發(fā)室f、x0、 t0d1 t1w3 t3w2 t2w1 t1x2 t2w2 t3w1t2 +1x1 t1p1p2 p3 x3 t3t1t2t3 圖 并流加料三效蒸發(fā)的物料衡算和熱量衡算8. 參考文獻(xiàn)1