課程設(shè)計(jì)-蒸發(fā)器

1、 西南科技大學(xué)本科過程設(shè)備原理課程設(shè)計(jì) XVIII過程設(shè)備原理課程設(shè)計(jì)題目：NaOH水溶液蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)學(xué)院： 制造科學(xué)與工程學(xué)院 系別: 過程裝備與控制工程 班級: 過控1102 學(xué)生姓名： 周偉 學(xué)號： 20116201 指導(dǎo)老師： 張健平 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014/7/4 過程設(shè)備原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目：NaOH水溶液蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)（1）設(shè)計(jì)任務(wù)：處理量： 7.92×104 （噸/年）（7.92×104，9.95×104，1.667×105）；料液濃度： 4.7% （4.7，10.6%）質(zhì)量%；產(chǎn)品濃度： 23.7% （23.7%，30

2、%）質(zhì)量%；加熱蒸汽溫度 151 （）（151，158.1）；末效冷凝器的溫度 49 （）（49，59.6）。（2）操作條件：加料方式：三效并流加料；原料液溫度：第一效沸點(diǎn)溫度；各效蒸發(fā)器中溶液的平均密度：1=1014kg/m3，2=1060kg/m3，3=1239kg/m3；加熱蒸汽壓強(qiáng)：500kPa；冷凝器壓強(qiáng)：20kPa；各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：K1=1500W/（m2K），K2=1000W/（m2K），K3=600W/（m2K）；各效蒸發(fā)器中液面的高度：1.5m；各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出；假設(shè)各效傳熱面積相等，并忽略熱損失。（3）設(shè)備型式：中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。（4）廠址：

3、四川綿陽。（5）工作日：每年300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。二、基本要求（1）設(shè)計(jì)方案的簡介：對確定的工藝流程及蒸發(fā)器型式進(jìn)行簡要論述。（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）繪制工藝流程圖及蒸發(fā)器設(shè)計(jì)條件圖。（5）設(shè)計(jì)結(jié)果匯總。（6）對設(shè)計(jì)過程的評述和有關(guān)問題的討論。（7）編寫課程設(shè)計(jì)說明書。三、參考資料1 中國石化集團(tuán)上海工程有限公司等. 化工工藝設(shè)計(jì)手冊（第四版上、下冊）. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.2尾范英郎（日）著. 徐忠權(quán)譯. 熱交換設(shè)計(jì)手冊. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1981.3時(shí)鈞, 汪家鼎. 化學(xué)工程手冊. 北京: 化學(xué)

4、工業(yè)出版社, 1996.4盧煥章. 石油化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)手冊. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1982.5陳敏恒，叢德茲. 化工原理(上、下冊)(第二版). 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2000.6大連理工大學(xué)化工原理教研室. 化工原理課程設(shè)計(jì). 大連: 大連理工大學(xué)出版社, 1994.7柴誠敬, 劉國維, 李阿娜. 化工原理課程設(shè)計(jì). 天津: 天津科學(xué)技術(shù)出版社, 1995.目 錄目錄 II 目 錄 1 設(shè)計(jì)方案簡介 . 1 1.1  設(shè)計(jì)方案論證 . 1 1.2 

5、; 蒸發(fā)器簡介 . 12 設(shè)計(jì)任務(wù) . 3 2.1  估算各效蒸發(fā)量和完成液濃度 . 3 2.2  估算各效溶液的沸點(diǎn)和有效總溫度差 . 3 2.3  加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計(jì)算 . 6 2.4  蒸發(fā)器傳熱面積的估算 . 7 2.5 有效溫差的再分配 . 7 2.6 

6、; 重復(fù)上述計(jì)算步驟 . 82.7  計(jì)算結(jié)果列表 . 11 3 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算 . 123.1  加熱管的選擇和管數(shù)的初步估算 . 12 3.2  循環(huán)管的選擇 . 12 3.3  加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定 . 12 3.4  分離室直徑和高度的確定 . 12 3.5&#

7、160; 接管尺寸的確定 . 13 4 蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備的選用計(jì)算 . 154.1  氣液分離器 . 15 4.2  蒸汽冷凝器的選型設(shè)計(jì) . 155 評述 . 19 5.1  可靠性分析 . 19 5.2  個人感想 . 19 6 參考文獻(xiàn) . 20第一章 緒論1&

8、#160;設(shè)計(jì)方案簡介 1.1  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。因各效間有較大的壓力差，液料自動從前效流到后效，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

9、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，因而溫度損失小；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。 1.2  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

10、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40%100%。加熱管長一般為12m，直徑2575mm，長徑比為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

11、的沸點(diǎn)高、有效溫差小；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。 并流加料三效蒸發(fā)的物料衡算和熱量衡算的示意圖如圖所示： 第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)2.1  估算各效蒸發(fā)量和完成液濃度總蒸發(fā)量：W=11000*（1-0.047/0.237）=8819設(shè)三效蒸發(fā)：W1:W2:W3=1:1.1:1.2W=W1+W2+W3=3.3WW1=8819/3.3=2672.4 kg/hW2=1.1*2672.4=2039.7 kg/hW3=1.2*2672.4=3206.9 kg/h得到各效料液濃度：X1=FX0/(F-W1)=11000*0.047

12、/(11000-2672.4)=0.0621X2=FX0/(F-W1-W2)=11000*0.047/(11000-2672.4-2939.7)=0.0960X3=0.2372.2 估算各效溶液的沸點(diǎn)和有效總溫度差P1=500 KPa Pk=20KPa各效之間的平均壓差：P=P1-Pk=500-20=480 KPaPi=P/3=160 KPa故P1=500-PI=500-160=340 KPaP2=P1-Pi=340-160=180 KPaP3=20 KPa對第一效：查的常壓下濃度為6.21%的NaOH沸點(diǎn)為101.6=101.6-100=1.6查的二次蒸汽為640 KPa時(shí)的飽和溫

13、度為T1=137.7 r=2155.2 KJ/Kg=0.0162*（137.7+273）2 /2155.2*1.6=2.0液層的平均壓力Pavi=340+1014*9.81*1.5/（2*103）=347.5 KPa此壓力下的水的沸點(diǎn)138.5=138.5-137.7=0.8取=1則第一效溶液的溫度 t1=T1+=137.7+1.6+0.8+1=141.1對第二效：查的9.6%的NaOH溶液沸點(diǎn)為102.8常=102.8-100=2.8二次蒸汽在180KPa時(shí)飽和溫度為T2=116.6 r2=2214 KJ/Kg=0.0162*（116.6+273）2 /2114*2.8=3.1液層的平均壓力

14、Pav2=180+1060*9.81*1.5/（2*103）=187.7 KPa此時(shí)水的沸點(diǎn)為118=118-116.6=1.4取=1第二效溶液溫度t2= T2+=116.6+3.1+1.4+1=122.1對第三效：查的23.7%的NaOH溶液沸點(diǎn)為110常=110-100=10二次蒸汽在20KPa時(shí)飽和溫度為T3=60.1 r2=2355 KJ/Kg=0.0162*（60.1+273）2 /2355*2.8=7.6液層的平均壓力Pav3=20+1239*9.81*1.5/（2*103）=29.1 KPa此時(shí)水的沸點(diǎn)為68.2=68.2-60.1=8.1取=1第二效溶液溫度t3= T3+=60

15、.1+7.6+8.1+1=76.8查的500KPa下飽和蒸汽溫度為151.7汽化潛熱為3113 KJ/Kg有效溫度差t=（Ts-tk）-t=151.7-60.1-26=65.62.3求加熱蒸汽量及各效蒸發(fā)量第一效為沸點(diǎn)加料有：T0=t1=141.1熱利用系數(shù)=0.98-0.7*（0.0621-0.0477）=0.978則W1=1D1r1/r1=0.978*2113/2155.2*D1=0.959D1對第二效：2=0.98-0.7*（0.096-0.0621）=0.956W2=2W1r2/r2+（FCpo-W1Cpo）（t1-t2）/r2=0.896W1+340.2對第三效：3=0.98-0.7

16、*（0.237-0.096）=0.881W3=2W1r2/r2+（FCpo-W1Cpo-W2Cpo）（t2-t3）/r3=0.694W1+677.5W1+W2+W3=8819 KJ/Kg解得：W1=3012 KJ/Kg W2=3039 KJ/Kg W3=2767.8 KJ/Kg D1=3140.8 KJ/Kg2.4蒸發(fā)傳熱面積估算Si=Qi/KitiQ1=D1*r1=3140.8*2113*103/3600=1.843*106 wt1=T1-t1=151.7-141.1=10.6S1=1.843*106/（1500*10.6）=151.9m2Q2=W1r2=3012*2214*1000/360

17、0=1.852*106t2=T2-t2=137.7-122.1=15.6S2=1.852*106/（1000*15.6）=118.7m2Q3=W2r3=3039*2355*1000/3600=1.988*106t3=T3-t3=116.6-76.8=15.6S3=1.988*106/（600*39.8）=83.2m2 誤差：1-Smin/Smax=1-83.2/151.9=0.45 誤差過大2.5 有效溫差的再分配S=（S1t1+S2t2+S3t3）/t=（151.9*10.6+118.7*15.6+83.2*39.6）/65.6=103.3m2重新分配有效溫差t1=S1/S *t1

18、=151.9/103.3*10.6=15.6t2=S2/S *t2=118.7/103.3*15.6=17.9t3=S3/S *t3=83.2/103.3*39.8=32.12.6重復(fù)上述計(jì)算計(jì)算個料液濃度，由所求的的各效蒸發(fā)量可得各效料液濃度：X1=FX0/(F-W1)=11000*0.047/(11000-3012)=0.065X2=FX0/(F-W1-W2)=11000*0.047/(11000-3012-3039)=0.104X3=0.237計(jì)算各料液的溫度，因末效完成液濃度和二次蒸汽壓力均不變，個溫度損失視為恒定值，故末效溫度任為76.8t3=76.8T3=T2=t3+t3=76.8

19、+7.6+8.1+1=93.5由第二效蒸汽溫度T2以及第二效料液濃度X2查杜林線圖得到第二效料液沸點(diǎn)為102.1。而由液柱靜壓力及流動阻力引起的誤差視為不變，則可得到第二效溫度為: t2=tA2+2+2=102.1+0.8+1=103.0同理T2=T1=t2+t2=103.5+17.9=121.4由T2以及第一效料液濃度查杜林線圖得到第一效料液沸點(diǎn)為128.6則第一效的料液溫度為t1=tA1+1+1=128.6+2.0+1=131.6重新分配各效溫度情況列于下表:效次一二三加熱蒸汽/151121.493.5有效溫差/15.617.932.1料液溫度/131.6103.076.8各效熱量恒算：第

20、一效 =0.98-0.7*（0.065-0.047）=0.967則W1=1D1r1/r1=0.967*2113/2245.6*D1=0.950D1對第二效：2=0.98-0.7*（0.104-0.065）=0.953W2=2W1r2/r2+（FCpo-W1Cpo）（t1-t2）/r2=0.81W1+488.6對第三效：3=0.98-0.7*（0.237-0.104）=0.887W3=2W1r2/r2+（FCpo-W1Cpo-W2Cpo）（t2-t3）/r3=0.635W1+827.8W1+W2+W3=8819 KJ/Kg解得：W1=2980.3 KJ/Kg W2=3029.7KJ/Kg W3=

21、2809.0KJ/Kg D1=3137.2 KJ/Kg與第一次計(jì)算結(jié)果比較：1-2980.3/3012=0.011 1-3029.7/3039=0.003 1-2809/2767.8=0.014相對誤差都在0.05一下，故各效蒸發(fā)量計(jì)算合理。蒸發(fā)傳熱面積的計(jì)算：Si=Qi/KitiQ1=D1*r1=3127.2*2113*103/3600=1.841*106 wt1= 15.6S1=1.841*106/（1500*15.6）=98.7m2Q2=W1r1=2980.3*2245.6*1000/3600=1.859*106t2=17.9S2=1.859*106/（1000*17.9）=103.8m

22、2Q3=W2r2=3029.7*2270.2*1000/3600=1.911*106t3=32.1S3=1.911*106/（600*32.1）=99.2m2 誤差：1-Smin/Smax=1-98.7/151.9=0.04 誤差<0.05,故迭代計(jì)算結(jié)果合理。取平均傳熱面積S=100.5m22.7計(jì)算結(jié)果列表效次一二三冷凝器加熱蒸汽溫度Ti/151121.493.560.1操作壓力piKPa3401802020溶液溫度ti/131.6103.076.8完成液濃度Xi/%6.510.423.7蒸發(fā)量Wi/kg*h-12980.33029.72809.0蒸汽消耗量D/kg*h-13137.

23、2傳熱面積Si/m2100.5100.5100.53 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算3.1  加熱管的選擇和管數(shù)的初步估算所需管子數(shù)n=S/d0（L-0.1）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，m L加熱管長度，m,取 L=2m, 管徑d0=57mmn=100.5/（3.14*0.057*1.9）=295.5296根正三角形排列如圖所示：3.2  循環(huán)管的選擇由經(jīng)驗(yàn)公式循環(huán)管內(nèi)徑：Di=（0.4-0.1）ndi因?yàn)镾較大，?。篋i=（0.4n）di所以Di=0.54

24、8m選取630×20mm3.3  加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定 按正三角形排列，管束中心在線管數(shù)nz=1.1*296=19根加熱室內(nèi)徑Di=t（nc-1）+2b其中t為管心距，取0.07m, b=1d0Di=0.07*（19-1）+2*1*0.057=1.374m3.4分離室直徑和高度的確定分離室的體積V=W/3600u其中W為某效蒸發(fā)器的二次蒸氣流量，為某效蒸發(fā)器的二次蒸氣的密度，U為蒸氣體積強(qiáng)度， 一般允許值為1.11.5m3/（m3·s） 取W=W3=2809kg/h，=0.2668kg/m3 &#

25、160;U=1.1m3/(m3·s)。所以V=2.959m3分離室高度和直徑的關(guān)系為：V=d2H/4 d=di=1.374求得H=1.997m3.5  接管尺寸的確定3.5.1  熱蒸汽進(jìn)口，二次蒸氣出口，其中Vs 為流體的體積流量流體進(jìn)出口的內(nèi)徑d=（4Vs/u)因?yàn)榈谝恍Я髁孔畲螅匀∑錇橛?jì)算量Vs=2809/3600/0.124=6.293 m3/s取流速為25m/s d=（6.293*4/25）=0. 5663m取管為570×15則實(shí)際流速為 u=4*6.293/3.14*0.52 =32.06 m/s3.5.2&

26、#160; 溶液進(jìn)出口，因?yàn)榈谝恍У牧髁孔畲?，所以取其為?jì)算量 Vs=11000/3600/1170=0.00261 m3/s因?yàn)槠淞鲃訛閺?qiáng)制流動，u =0.8-15 m/s,所以取u = 3 m/s   則有d=（4*2.61*10-3/3.14*3）=0.0332 取管38×2.5則實(shí)際流速為u=4*0.0332/3.14/0.032=43.40 m/s3.5.3  冷凝水出口其中Vs 為流體的體積流量Vs=Ws/p=2809/3600/998=7.818*10

27、4m3/s按自然流動的液體計(jì)算，u=0.080.15 m/s,取u=0.12m/s，則計(jì)算出d=（4*7.818*10-4/3.14/0.1）=0.099m取管108×10實(shí)際流體流速為u=4*7.818*10-4/3.14/0.12=0.099 m/s4 蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備的選用計(jì)算4.1  氣液分離器 4.1.1  本設(shè)計(jì)采用的是慣性式除沫器，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。其性能參數(shù)如表 表 0-1 慣性式除沫器性能參數(shù)如表捕捉霧滴的直徑 壓力降分

28、離效率氣速范圍>50m196588KPa8590 常壓1225m/s減壓>25m/s 4.1.2  分離器的選型 由D0D1    D1：D2：D3：=1：1.5：2.0     H=D-3 H=（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     &#

29、160;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，m  所以  D1= D0=0.57 m     D2=0.855m   D3=1.14m H=D3=1.14m   

30、;  h=0.5D1=0.285m4.2  蒸汽冷凝器的選型設(shè)計(jì) 4.2.1  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大小均可較簡單較大4.2.2  蒸汽冷凝器的選型 1.冷卻水量的確定 查多孔板冷凝器的性能曲線得18kPa的進(jìn)口蒸汽壓力，冷卻水進(jìn)口溫度20,1m3冷卻水可冷卻蒸汽量為X=53Kg，得VL=2809/53=53m3/h 2、冷凝器直徑取二次蒸汽的流速u=15m/sD=(4W/u)= (4*

31、2809/3600/3.14/15/0.124)=0.7313、淋水板設(shè)計(jì)因?yàn)镈>500mm,取淋水板8塊淋水板間距以經(jīng)驗(yàn)公式Ln+1=0.7Ln 計(jì)算，取L末=0.15m 即L7=0.15m.依次計(jì)算出： L6=L7/0.7=0.21L5=L6/0.7=0.30L4=L5/0.7=0.43L3=L4/0.7=0.61L2=L3/0.7=0.87L1=L2/0.7=1.24L0=L1/0.7=1.77弓型淋水板的寬度  B=0.8D=0.8×649=519.2mm B=0.5D+50=0.5×649+50=374.5mm 其中B為最上面的一塊板，B為其它板 淋水板堰高h(yuǎn)，取h=50mm淋水板孔徑   冷卻水循環(huán)使用，取8mm淋水板孔數(shù)