三效蒸发器的设计--化工原理课程设计.doc

化工原理课程设计 字符说明- 2 -第一节 概述- 3 -一蒸发及蒸发流程- 3 -二蒸发操作的分类- 3 -三蒸发操作的特点- 3 -四、蒸发设备- 4 -五、蒸发器选型- 4 -第二节 蒸发装置设计任务- 5 -一、设计题目- 5 -二、设计任务及操作条件- 5 -第三节 三效蒸发器得工艺计算- 5 -一、估计各效蒸发量和完成液浓度- 5 -二、估计各效溶液的沸点和有效总温差- 6 -三 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算- 8 -四、蒸发器的传热面积的估算- 9 -五、有效温差的再分配- 10 -六、重复上述计算步骤- 10 -七、计算结果- 12 -第四节 蒸发器的主要结构尺寸计算- 12 -一、加热管的选择和管数的初步估计- 12 -二、循环管的选择- 12 -三、加热室直径及加热管数目的确定- 13 -四、分离室直径与高度的确定- 13 -五、接管尺寸的确定- 14 -第五节 蒸发装置的辅助设备- 15 -一、气液分离器- 15 -二、蒸汽冷凝器- 15 -三 淋水板的设计- 16 -【参考文献】- 17 -字符说明 第一节 概述一蒸发及蒸发流程蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化单位部分杂质，使溶液得以浓缩的单元操作过程。蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。化工生产中蒸发主要用于以下几种目的：1获得浓缩的溶液产品；2、将溶液蒸发增浓后，冷却结晶，用以获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品；3、脱除杂质，获得纯净的溶剂或半成品，如海水淡化。进行蒸发操作的设备叫做蒸发器。蒸发器内要有足够的加热面积，使溶液受热沸腾。溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动，被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。蒸发器内备有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，应将其在冷凝器中加以冷凝。蒸发过程中经常采用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。二蒸发操作的分类按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有许多优点：（1）、在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积；（2）、可以利用低压蒸气作为加热剂；（3）、有利于对热敏性物料的蒸发；（4）、操作温度低，热损失较小。在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。因此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。三蒸发操作的特点从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点 :沸点升高 蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较同温度下纯溶剂的蒸气压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。在加热蒸气温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热唇溶剂的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。物料的工艺特性 蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出晶体，或易于结垢；有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。如何根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的问题。节约能源 蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸气。如何充分利用热量，提高加热蒸气的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。四、蒸发设备   蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。   蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空装置。兹分述如下：  由于生产要求的不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：（1）循环型蒸发器   特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。操作稳定。此类蒸发器主要有   a.中央循环管式蒸发器，   b.悬筐式蒸发器 c.外热式蒸发器， d.列文式蒸发器 e.强制循环蒸发器。其中，前四种为自然循环蒸发器。（2）单程型蒸发器   特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。  优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的  蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。  缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。  此类蒸发器主要有     a.升膜式蒸发器，     b.降膜式蒸发器，     c.刮板式蒸发器五、蒸发器选型本次设计采用的是中央循环管式蒸发器 ：结构特点：加热室是由垂直管束组成，管束中央有一根直径较粗的管子，细管内单位体积溶液受热面大于粗管的，即前者受热好，溶液气化得多，因此细管内汽液混合物的密度比粗管小，这种密度差促使溶液做沿粗管下降而沿细管上升的连续规则的自然循环运动。 优点：相对老式蒸发器而言，具有溶液循环好、传热效率高等优点，同时由于结构紧凑、制造方便、操作可靠，故应用十分广泛，有“标准蒸发器”之称。缺点：由于结构的限制，循环速度一般在0.4到0.5m/s以下；且由于溶液的不断循环，使加热管内的溶液始终接近完成液的组成，故有溶液粘度大、沸点高等缺点；此外，这种蒸发器的加热室不易清洗。第二节 蒸发装置设计任务一、设计题目NaOH水溶液三效逆流加料蒸发装置的设计二、设计任务及操作条件1、设计任务（1）处理量能力 35000吨/年NaOH水溶液（2）设备型式 中央循环管式蒸发器2、操作条件A、加料方式为三效逆流加料 B、原料液浓度为10%，完成液浓度为30%，原料液温度为第一效沸点温度。 C、加热蒸汽压强500kPa（绝压）；冷凝器压强为50 kPa（绝压） D、各效蒸发器的总传热系数：K1=1800W/（m2·K），K2=1200W/（m2·K），K3=600W/（m2·K） E、各效蒸发器中液面的高度为1.2m F、各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。假设各效传热面积相等，并忽略热损失。 第三节 三效蒸发器得工艺计算多效蒸发的工艺计算多效蒸发的工艺计算的主要依据是物料衡算和、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸气（生蒸气）的消耗量、各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积。计算的已知参数有：料液的流量、温度和浓度，最终完成液的浓度，加热蒸气的压强和冷凝器中的压强等。蒸发器的设计计算步骤多效蒸发的计算一般采用试算法。根据工艺要求及溶液的性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸气压强及冷凝器的压强），蒸发器的形式、流程和效数。根据生产经验数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液的浓度。根据经验假设蒸发器各效的压强，估算个效溶液沸点和有效总温差。根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。根据传热速率方程计算各效的传热面积。若求得的各效传热面积不相等，则应按下面介绍的方法重新分配有效温度差，重复步骤（3)至（5），直到所求得各效传热面积相等（或满足预先给出的精度要求）为止。一、估计各效蒸发量和完成液浓度总蒸发量: 并流加料蒸发中无额外蒸汽引出,可设 W=W1+W2+W3=3=3247kg/h 由以上两式可得:W1=1082kg/h;W2=1082kg/h;W3=1082kg/h;X3=0.1286X2= =0.18;X1=0.30二、估计各效溶液的沸点和有效总温差 设各效蒸发室的压力分别为 由各效的二次蒸汽压强，从手册中查得相应的二次蒸汽温度和汽化潜热列与下表中: 效数第一效第二效第三效二次蒸汽压强Pi/(KPa)2008020二次蒸汽温度 Ti/()(即下一效加热蒸汽温度)120.293.260.1二次蒸汽的汽化潜热(即下一效加热蒸汽的ri/)（kj/kg）220522752355多效蒸发中的有效传热总温度差可用下式计算：有效总温度差 式中 -有效总温度差，为各效有效温度差之和，。-第一效加热蒸气的温度，。-冷凝器操作压强下二次蒸气的饱和温度，。-总的温度差损失，为各效温度差损失之和， =/+/+/式中 /- 由于溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失，/-由于蒸发器红溶液的静压强而引起的温度差损失，/-由于管道流体阻力产生压强降而引起的温度差损失，（一）各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失/ 杜林规则（dnhringsrule）:某种溶液的沸点和相同压强下标准液体（一般为水）的沸点呈线性关系。 根据各效二次蒸汽温度（也即相同温度压力水的沸点）和各效完成液的浓度，由氢氧化钠水溶液的杜林线图可查的各效溶液得沸点分别为；tA1=138.1;tA2=100.0;tA3=63.3; 则各效由于溶液蒸汽压压下降所引起的温度差损失为： =138.1-120.2=17.9 =100-93.2=6.8 =63.1-60.1=3.2 所以 =17.9+6.8+3.2=27.9 （二）各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失为简便计算，以液层中部点处的压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，则根据流体静力学方程，液层的平均压力为：式中 蒸发器中液面和底层的平均压强，KPa二次蒸气的压强，即液面处的压强，KPa -液层高度g-重力加速度，根据 又因液位高度为1.2米由 NaOH水溶液比重图可得下列数据:NaOH水溶液密度(Kg/m3) =207.8KPa=87.1KPa=26.7KPa根据各效溶液平均压强查得对应的饱和溶液温度为:=121.3=95.5=64.4根据 = 式中 -根据平均压强求取的水的沸点，-根据二次蒸气压强求得水的沸点, 所以1= - T=121.3-120.2=1.12= - T=95.5-93.2=2.33= -T=64.4-60.1=4.3=1.1+2.3+4.3=7.7（三）流体阻力产生压降所引起的温度差损失 取经验值1，即，则 故蒸发装置得总的温度差损失为 =+=27.9+7.7+3=38.6（四）各效料夜的温度和有效总温差由各效二次蒸气压力及温度差损失，即可由下式估算各效料夜的温度， 各效料夜得温度为：t1=120.2+20=140.2t2=93.2+ 10.1=103.3t3=60.1+8.5=68.6有效总温度差为 由手册查的500KPa气的温度为151.4为2113KJ/Kg.所以： =151.7-60.1-38.6=53三 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算对三效逆流加料流程，没有额外蒸汽引出或补充时：D1=W1:;D2=W2;D3=W3对第三效做热衡算第二效的热量衡算为 第一效热量衡算为 式中-第i效的加热蒸汽量- 第i效加热蒸气的汽化潜热-第i效二次蒸气的汽化潜热-原料液的比热-水的比热- 第i效溶液的沸点将数据分别代入公式整理得2356.4W3-2275.3W2=1565797(a)103.9W3-2311W2+2204.6W1=506134(b)56.5W3+56.5W2-2298.4W1+2113D0= 274994(c)又W1+W2+W3=3247(d) 联立(a),(b),(c),(d)式,解得: =1235kg/h =1036 kg/h =976kg/h D0= 1500 kg/h四、蒸发器的传热面积的估算 任意一效的传热速率方程为 式中 -第i效的传热速率，W。 -第i效的传热系数，W/（m2, ）. -第i效的传热温度差， Si-第i效的传热面积，m2在三效蒸发中，为了便于制造和安装，通常采用各效传热面积相等的蒸发器，即 各效蒸发器的总传热系数：Q1=D1r1= 误差为，误差较大，应调整各效得有效温度，重复上述计算过程。五、有效温差的再分配 平均传热面积: 重新分配有效温度差: 六、重复上述计算步骤计算各效溶液浓度; ， =0.30计算各效溶液沸点因为第一效二次蒸汽压强保持不变,各种温度差损失可视为衡值，故末效溶液的沸点.而溶液的温度差损失变化不大，不必重新计算，故有效温度差为 温度差重新分配后，各效温度情况列于下表:效次IIIIII加热蒸气温度，150.2119.295.7有效温度差，10.015.927.1料夜温度（沸点），140.2103.368.6（三）各效焓衡算: 效次IIIIII224622612393268426732652kj/kg2.933.473.66将以上的数据带入各效热量衡算方程，然后计算得与第一次热量恒算所得结果： 计算的相对误差均在0.05允许范围之内股计算得各效蒸发面积合理。其各效溶液浓度无明显变化不必再算。（四）蒸发器传热面积的计算 Q1=D1r1=J 误差计算得： ；所以误差允许，取平均传热面积: 七、计算结果效数123加热蒸汽温度()150.2119.295.7操作压强pi/ (kPa)2008020溶液沸点ti140.2103.368.6完成液浓度(%)3017.012.5蒸发水量Wi kg/h12501044953传热面积Si m240.6740.6740.67 第四节 蒸发器的主要结构尺寸计算一、加热管的选择和管数的初步估计蒸发器加热管选取：， 的无缝钢管 S-蒸发器的传热面积，m2 L-加热管长度，m； d0-加热管外径，m；当加热管的规格与长度确立后，可由下式初步估算所需管子数， 因加热管固定在管板上，考虑管板厚度所占据的传热面积，则计算时的管长应用（L0.1）m. 二、循环管的选择 外加热式自然循环蒸发器，循环管的大小可参考中央循环管式蒸发器来决定。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40%-100%。加热管的总截面积可按计算。循环管内径以表示，对于加热面积较小的蒸发器，应去较大的百分数，取加热管的面积60%，则 对于加热面积较小的蒸发器，应选取较大的百分数： 选取管子的直径为：循环管管长与加热管管长相同为1.5m。三、加热室直径及加热管数目的确定 加热室的内径取决于加热管和循环管的规格、数目及在管板上的排列方式。 加热管在管板上的排列方式有三角形排列、正方形排列、同心圆排列。目前以三角形排列居多。 查表3-5，加热管的管心距 管子按正三角形排列，管束中心线上管数 初步估算加热室内径，即 其中 取 。则 查国家标准压力容器公称直径表和表3-6 选取加热室壳体内径以该内径和循环管外径作同心圆，在同心圆的环隙中， 按加热管的排列方式和管心距作图 通过作图，求得加热管数，而初步估算 其相对误差 所以误差不大，计算合理，所以循环管的规格一次选定。四、分离室直径与高度的确定分离室的直径与高度取决于分离室的体积，而分离室的体积又与二次蒸汽的体积流量及蒸发体积强度有关。分离室体积的计算式为式中 -分离室的体积，m3; -某效蒸发器的二次蒸汽量，kg/h; -某效蒸发器二次蒸汽密度，kg/m3 ， -蒸发体积强度，m3/(m3.s);。一般用允许值为为方便起见，各效分离室的尺寸取一致。分离室体积宜取其中较大者。蒸发强度选因为末效体积最大，故分离室体力为 确定了分离室的体积，其高度与直径符合下列关系， 利用此关系确定高度和直径时应考虑如下原则：(1)分离室的高度与直径之比。(2)在条件允许的情况下，分离室的直径尽量与加热室相同，这样可使结构简单制造方便。(3)高度和直径都适于施工现场的安放。故选 五、接管尺寸的确定流体进出口的内径按下式计算式中 -流体的体积流量 m3/s ； -流体的适宜流速 m/s ，估算出内径后，应从管规格表格中选用相近的标准管。溶液的进出口 对于并流加料的三效蒸发，第一效溶液流量最大，各效设备尺寸一致，根据第一效溶液流量确定接管。取流体的流速为1.4 m/s；所以取规格管。加热蒸气进口与二次蒸汽出口 各效结构尺寸一致二次蒸汽体积流量应取各效中较大者。第III效体积流量最大，故 所以取规格管。（三）冷凝水出口 冷凝水的排出一般属于液体自然流动，接管直径应由各效加热蒸气消耗量较大者确定。 所以取规格管。第五节 蒸发装置的辅助设备一、气液分离器蒸发操作时，二次蒸汽中夹带大量的液体，虽在分离室得到初步的分离，但是为了防止损失有用的产品或防止污染冷凝液，还需设置气液分离器，以使雾沫中的液体聚集并与二次蒸汽分离，故气液分离器或除沫器。选择惯性式除沫器，其工作原理是利用带有液滴的二次蒸汽在突然改变运动方向时，液滴因惯性作用而与蒸汽分离。在惯性式除沫器的主要尺寸关系： 由加热蒸气进口与二次蒸汽出口接管尺寸， 所以 所以 二、蒸汽冷凝器蒸汽冷凝器的作用是用冷却水将二次蒸汽冷凝。 二次蒸汽与冷却水直接接触进行热交换，其冷却效果好，结构简单，操作方便，价格低廉，因此被广泛采用。所以，选用多孔板式蒸气冷凝器。冷却水量 根据冷凝器入口蒸汽压强和冷却水进口温度可由图表4-13可查得。 式中，-冷却水量m3/h； -所需冷凝的蒸汽量，kg/h因为计算值值偏低，故设计时取 查图3-4， 实际取 （二） 冷凝器的直径取D=500mm 三 淋水板的设计(1) 淋水板数： ，淋水板取7块淋水板间距： =0.65 L末0.15m 取=2.0m 所以符合条件（3）弓型淋水板的宽度：最上面一块=（0.80.9）D，其他各淋水板B=D/2+0.05 m所以 (4)淋水板堰高h： D=500mm,所以h=60mm (5)淋水孔径： 冷却水循环使用,取d=8mm（6）淋水孔数： 淋水孔冷却水流速 考虑到长期操作易堵,最上一板孔数为 其他各板孔数为 【参考文献】姚玉英 主编 化工原理（上册） 天津大学出版社贾绍义 柴诚敬 主编 化工原理课程设计天津大学出版社邹华生 钟理 伍钦 赖万东 编著 传热传质过程设备设计 华南理工大学出版社周涛 王晖 编著 化工原理 科学出版社- 17 -