2022年NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置设计方案.docx

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1、化工原理课程设计蒸发单元操作设计任务书班级姓名一、设计题目： NaOH 水溶液二、设计任务及操作条件三效并流加料蒸发装置的设计1、处理才能：2、物料条件15000kg/h NaOH 水溶液NaOH 水溶液的原料液（初始）浓度：X 0= 12 %w ；浓缩（完成）液浓度：Xn= 38 %w ；加料温度： 沸点 ；（原料液温度为第一效沸点温度）3、操作条件加热蒸汽压强：500kPa 冷凝器压强：16 kPa 各效蒸发器的总传热系数：K 1=1600W/（ m2 ，K 2=1000W/（m2，K 3=600W/（m2 ；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，并忽视热缺失； 各

2、效蒸发器中料液液面高度为：1.5m； 每年按 300 天计，每天 24 小时连续运行；厂址：宁波地区；三、设备型式蒸发器：中心循环管式 蒸汽冷凝器：水喷射式冷凝器四、设计工程 说明书格式 1、封面、任务书、目录；2、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；3、蒸发器的工艺运算：确定蒸发器的传热面积；4、蒸发器的主要结构尺寸设计；5、主要帮助设备选型：物料泵、蒸汽冷凝器及气液分别器（除沫器）等选型；6、绘制 NaOH 水溶液三效并流加料蒸发装置的流程图及蒸发器设备工艺简图；7、对本设计进行评述；8、参考文献成果评定指导老师目 录1 设计方案简介 01.1 设计方案论证 01.2

3、蒸发器简介 02 设计任务 12.1 估算各效蒸发量和完成液浓度 12.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差12.2.1 各效由于溶液沸点而引起的温度差缺失22.2.2 由于液柱静压力而引起的沸点上升（温度差缺失）32.2.3 由流淌阻力而引起的温度差缺失32.2.4 各效料液的温度和有效总温差32.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步运算 42.4 蒸发器传热面积的估算 52.5 有效温差的再安排 62.6 重复上述运算步骤 62.6.1 运算各效料液浓度 62.6.2 运算各效料液的温度 72.6.3 各效的热量衡算 72.6.4 蒸发器传热面积的运算 92.7 运算结果列表 93 蒸发

4、器的主要结构尺寸的运算 103.1 加热管的挑选和管数的初步估算 103.2 循环管的挑选 103.3 加热室直径及加热管数目的确定 103.4 分别室直径和高度的确定 113.5 接管尺寸的确定 113.5.1 热蒸汽进口，二次蒸气出口，其中Vs 为流体的体积流量 113.5.2 溶液进出口，由于第一效的流量最大，所以取其为运算量113.5.3 冷凝水出口 124 蒸发装置的帮助设备的选用运算 124.1 气液分别器 124.1.1 本设计采纳的是惯性式除沫器，其主要作用是为了防止缺失有用的产品或防止污染冷凝液体； 124.1.2 分别器的选型 124.2 蒸汽冷凝器的选型设计 134.2.

5、1 本设计采纳的是多层孔板式蒸汽冷凝器，其性能参数如表134.2.2 蒸汽冷凝器的选型 134.3 泵的挑选 145 评述 155.1 牢靠性分析 155.2 个人感想 156 参考文献 161 设计方案简介1.1 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，以节省蒸汽的消耗，从而提高蒸发装置的经济性；目前依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；本设计依据任务和操作条件的实际需要，采纳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淌；因各效间有较大的压力差，液料自动从前效

6、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，过料时有闪蒸显现；此流程有下 面几点优点：各效间压力差大，可省去输料泵；有自蒸发产生，在各效间 不必设预热管；由于帮助设备少，装置紧凑，管路短，因而温度缺失小； 装置操作简便，工艺条件稳固，设备修理工作削减；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；1.2 蒸发器简介随着工业蒸发技术的进展，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；依据溶液在蒸发中流淌情形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

7、、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；仍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六十余种，其中最主要的型式仅十余种；本设计采纳了中心循环管式蒸发器，下面就其结构及特点作简要介绍；中心循环管式蒸发器（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，管束中心有一根直径较大的管子叫做中心循环管，其截面积一般为加热管束截面积的40%100%；加热管长一般为12m，直径2575mm，长径比为 2040；其结构紧凑、制造便利、操作牢靠，是大型工业生产中使用广泛且历史长期的一种蒸发器；至今在化工、轻工等行业中广泛被采纳；但由于结构上的限

8、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便利；其适用于结垢不严峻、有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液；并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算的示意图如图4-15 所示；2 设计任务2.1 估算各效蒸发量和完成液浓度总蒸发量 WF 1x0x310000 10.120.407000kg / h因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设W 1 : W 2 : W 31.0 : 1.1: 1.2WW1W 2W 33.3W1W 170003.32121.2 kg / hW 21.12121.22333.3kg / hW

9、31.21818.22181.8kg / hxFx 01FW 1xFx 0210000100000.122121.2100000.15230.120.2164FW 1W 2100002121.22333.3x30.402.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差P1520kPaPk18kPa设各效间压力降相等，就总压力差为PP1PK52018502kPa各效间的平均压力差为P502Pi33167.3 kPa由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即P1 P1Pi520167.3352.7 kPaP2 P12Pi5202167.3185.4kPaPP3k18kPa由各效的二次蒸气压力，从手册中查得相应

10、的二次蒸气的温度和气化潜热列于下表中；表 1-1 各效二次蒸汽物化数据效数二次蒸气压力 pi ， kPa352.7185.418二次蒸气温度 Ti ，138.9118.157.0（即下一效加热蒸汽的温度）二次蒸气的气化潜热 ri ，kJ/kg2148.12214.02358.3即下一效加热蒸汽的气化潜热2.2.1 各效由于溶液沸点而引起的温度差缺失依据各效二次蒸气温度（也即相同压力下的沸点）和各效完成液的浓度xi ，由 NaOH 水溶液的杜林线图可查得各效溶液的沸点tA1=148tA2=132 tA3=841就各效由于溶液蒸气压下降所引起的温度差缺失tAi分别为T1t A1148.0138.9

11、9.12 T2t A2132118.113.9 T233t A3所以84.05727 9.1213.92750.02 oC2.2.2 由于液柱静压力而引起的沸点上升（温度差缺失）查手册得各效温度、浓度下的NaOH 密度，为简便计，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， 1=1170 kg/m3， 2=1240 kg/m3， 3=1430kg/m3；就依据流体静力学方程，液层的平均压力为mpp gL 2所以pm1P11gL2000352.7117029.8110 31.5361.3kPapm 2P22 gL2000185.4124029.811031.5194.5kPapm

12、33gLP3200018143029.811031.528.5kPam3由平均压力可查得对应的饱和温度为m1m 2Tp=140 ， Tp=119.3， Tp=67.9 1TP所以1140138.91.12 T1m12TPm2T2119.3118.11.2 TP3m 3T367.95710.9 1.121.210.913.22 2.2.3 由流淌阻力而引起的温度差缺失取体会值 1 o C ，即1o C ，就3 o C123故蒸发装置的总的温度差缺失为50.213.22366.24 2.2.4 各效料液的温度和有效总温差由各效二次蒸气压力pi 及温度差缺失i ，即可由下式估算各效料液的温度Tti

13、， tiii11122219.12213.91.1211.2111.24 16.1 33332710.9138.9 各效料液的温度为t1T1t 2T21138 .92118.111.2416.1150.12 134.2 t 3T335738.995.9 有效总温度差tTsTK由手 册可 查 得 500kPa 饱 和蒸 汽的 温 度为 153.3 1 、 汽 化潜 热为2103.9kJ/kg 1，所以TtTsK153.35766.2430.06 2.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步运算第效的热量衡算式为W11r1rD11Fc pot0t1 r1对于沸点进料，式为t0 = t1 ，考虑到 N

14、aOH 溶液浓缩热的影响，热利用系数运算10.980.7xi式中 xi 为第i 效蒸发器中料液溶质质量分数的变化；10.98所以0.7x10.980.70.15230.120.9574r1rW11D110.9574 D12103.92148.10.9377 D1a第效的热量衡算式为Wr2rW2212Fc poW1 cpwt1t 2r 220.980.7x20.980.70.21640.15230.9351W20.9351 W12148.1100003.77W14.187152.12134.20. 8745W1253.49b2214对于第效，同理可得r3t 2t 32214rW33 W23Fc

15、poW1 cpwW2 c pwr330.980.7x30.980.70.40.21640.8515W30.8515 W22214100003.77W14.187W24.187134.295.92358.32358.30.7417W20.05792W1521.51c又W1W2W37000 d联解式 a至式d，可得W12219kg / hW22194kg / hW32021.3kg / hD12366.5kg / h2.4 蒸发器传热面积的估算iSQiKitiQ1D1r12366.52103.9103/ 36001.38310 6 Wt1T1t1Q153.31.383150.121063.18 S

16、11K 1 t116003.18271.8m2QW r 2219t2148.1103/ 36001.32410 6W21 1T12t2T2t2138.9134.24.68 2SQ2K 2t 21.32410001064.6869.23m2rtQ3W2 22194221410 3 / 36001.35106WTt3T3t3116.686.829.8 233SQ3K 3 t 31.3560010622.2101.4m 2误差为 1Smin Smax169.23271.80.745 ，误差较大，应调整各效的有效温差，重复上述运算过程；2.5 有效温差的再安排SS1 t1S2t2S3t3271.83.

17、1869.234.68101.422.2114.42m2ti重新安排有效温度差得，3.184.6822.2tS11 t1StS22 t 2S271.8114.4269.23114.423.184.687.55 2.83 tS33t 3S101.4114.4222.219.67 2.6 重复上述运算步骤2.6.1 运算各效料液浓度由所求得的各效蒸发量，可求各效料液的浓度，即xFx 01FW 1xFx 0210000100000.122219100000.1540.120.2148FW 1W 21000022192194x30.3362.6.2 运算各效料液的温度因末效完成液浓度和二次蒸气压力均不

18、变，各种温度差缺失可视为恒定， 故末效溶液的温度仍为95.9，即 t3=95.9t3就第效加热蒸汽的温度（也即第效二次蒸气温度）为T3T2t 395.919.67115.57 由第效二次蒸气的温度T2115.57 及第效料液的浓度x20.2148 查杜林线图得第效溶液的沸点为t A 2126 ；由液柱静压力及流淌阻力而引起的温度差缺失可视为不变；故第效料液的温度为t 2t A2221261.21.0128.2 同理T2T1t2t 2128.22.83131.03 由T1136.9 及第效料液的浓度x10.169 查杜林线图，得第效溶液的沸点为 143.8；就第效料液的温度为t1t A11114

19、3.81.121.0145.92 第一效料液的温度也可由下式运算t1T1t1153.37.5145.75 说明溶液的各种温度差缺失变化不大，不需重新运算，故有效总温度差不变，即t30.06 效次加热蒸汽温度，T1153.3T1131.03T2115.57有效温度差，t17.55t22.83t 395.9料液温度（沸点），t1145.92t 2128.2t395.92.6.3 各效的热量衡算温度差重新安排后各效温度情形列于下表：T1T2131.03 r12171.08kJ / kgT2T3115.57 r12214.9kJ/ kgT357 r12365.8kJ / kg第效10.980.7x10

20、.980.70.1540.120.9562r1W11D1r10.9562 D12103.92171.080.9266 D1第效Wr2rW2212Fc poW1 cpwt1t 2r 220.980.7x20.980.70.21480.1540.9374W20.9374 W12171.8100003.77W14.187145.92128.20.88751W1282.72第效W3r3r3 W232214.9Fc poW1 cpwW2 c pwt 2t 3 r32214.930.980.7x30.980.70.3360.21480.8951W30.8951 W22214.9100003.77W14.1

21、87W24.187128.295.92365.82365.80.7869W20.0510W1460.67又W1W2W37000联立解得W12385.39kg / hW22399.75kg / hW32215.35kg / hD12574.35kg / h与第一次运算结果比较，其相对误差为12219.42385.40.049122942399.80.0442220.312215.350.0022运算相对误差均在 0.05以下，故各效蒸发量的运算结果合理；其各效溶液浓度无明显变化，不需重新运算；2.6.4 蒸发器传热面积的运算Q1D1r12574.352103.910 3 / 36001.5041

22、06 Wt17.55 SQ11K 1 t11.21116001067.55120.35m2QW r 2385.392171.0810 3 / 36001.439106 W21 1t22.83 2SQ2K 2 t 21.43910001069.83126.4m2rQ3W2 22399.752214.9103/ 36001.47610 6Wt319.67 6SQ31.476103125m2K 3 t 360019.67误差为 1Smin Smax1120.35126.40.0470.05 ，迭代运算结果合理，取平均传热面积 S78.9m2 ；2.7 运算结果列表效数冷凝器加热蒸汽温度T , oC1

23、53.3131.03115.5757i操作压力Pi ,kPa352.7185.41818溶 液 温 度 （ 沸 点 ）it , o C145.92128.295.9完成液浓度 xi ,%15.421.4833.6蒸发量 Wi , kg/h2385.392399.972215.35蒸汽消耗量 D,kg/h2574.352传热面积 Si ,m123.95123.95123.953 蒸发器的主要结构尺寸的运算3.1 加热管的挑选和管数的初步估算所需管子数 n =Sd0 L0.1其中 S蒸发器的传热面积， m2，由前面的工艺运算打算d0加热管外径， mL加热管长度， m,取 L=2m,d0=57mmn

24、123.95364.49365 根3.140.05720.13.2 循环管的挑选有体会公式循环管内径Di =0.4-0.1ndi由于S较大，取D =0.4n d取Di=0.604m3.3 加热室直径及加热管数目的确定按正三角形排列，管束中心在线管数 n1.1365 =21.01=22 根加热室内径 Di =tnc-1+2 b其中t为管心距，取 0.07m, b =1d0Di=0.0722-1+210.057=1.584m,取Di=1584mmii3.4 分别室直径和高度的确定分类室的体积 V=W 3600 U其中W为某效蒸发器的二次蒸气流量， 为某效蒸发器的二次蒸气的密度， kg/m3 ， U

25、 为 蒸 气 体 积 强 度 ， 一 般 允 许 值 为 1.11.5m3/ （ m3s ） 取 W=W 3=2215.35kg/h， =0.2140kg/m3 U=1.1m3/m3s；所以V=4.512分别室高度 H与直径 D的关系： V=D2H,D=D i=1584mm4求出H=2.29m3.5 接管尺寸的确定3.5.1 热蒸汽进口，二次蒸气出口，其中Vs 为流体的体积流量流体进出口的内径按 d=4Vs运算u由于第一效的流量最大，所以取其为运算量Vs=2215.35 / 36000.1244.963 m3/s取 u 的流速为 25m/s， d=4.9634250.5029取管为53015

26、就实际流速为 u=43.144.9630.5225.29m/s3.5.2 溶液进出口，由于第一效的流量最大，所以取其为运算量Vs=10000 / 360011700.00237 m3/s由于其流淌为强制流淌， u =0.8-15 m/s,所以取 u = 3 m/s 就有d=42.371033.1430.00237 m，取管为382.5就实际流速为 u= 40.002372.77m/s3.140.0332捕获雾滴的直径压力降分别效率气速范畴50m196588KPa8590 常压 1225m/s 减压25m/s3.5.3 冷凝水出口其中Vs 为流体的体积流量W 3Vs=2215.35 / 3600

27、9986.16610m /s43按自然流淌的液体运算， u=0.080.15 m/s,取u=0.12m/s，就运算出d=46.16610 43.140.10.089 m取管 1089 ，实际流体流速为u=46.1661043.140.0920.097 m/s4 蒸发装置的帮助设备的选用运算4.1 气液分别器4.1.1 本设计采纳的是惯性式除沫器，其主要作用是为了防止缺失有用的产品或防止污染冷凝液体；其性能参数如表表 01 惯性式除沫器性能参数如表4.1.2 分别器的选型由 D0D1D1：D2：D3： =1：1.5：2.0H=D-3H=（0.40.5）D1其中 D0二次蒸汽的管径， m D1除沫

28、器内管的直径， m D2除沫器外管的直径， m D3除沫器外壳的直径， m H除沫器的总高度， m H除沫器的内管顶部与器顶的距离， m所以 D1= D0=0.53 mD2 =0.795mD3=1.06m H= D3=1.06mh=0.5D1=0.265m4.2 蒸汽冷凝器的选型设计4.2.1 本设计采纳的是多层孔板式蒸汽冷凝器，其性能参数如表表 02 多层孔板式蒸汽冷凝器性能参数表水气接触压强塔径范畴结构与要求水量面积大1067 2000Pa大小均可较简洁较大4.2.2 蒸汽冷凝器的选型1. 冷却水量的确定查多孔板冷凝器的性能曲线得18kPa 的进口蒸汽压力，冷却水进口温度2215.3520

29、,1m3 冷却水可冷却蒸汽量为X=53Kg ，得 VL=53数据比， VL 偏小，故应取 VL =1.25，VL=52.25m 3/h 2.冷凝器的直径取二次蒸汽的流速 u=15m/s41.8m3/h 与实际就 D=4Wv42215.35 / 36000.649 m3.14150.1243.淋水板的设计由于 D500mm,取淋水板 8 块淋水板间距以体会公式 Ln+1=0.7Ln 运算，取 L 末=0.15m 即 L7=0.15m.依次运算出：LL 760.7LL 650.7LL 540.7LL 430.70.150.70.210.70.30.70 .430.70.210.300.430.61

30、L 30.610.70.7L 20.870,70.7L11.240.70 .7L 20.87L11.24L 01.77弓型淋水板的宽度 B=0.8D=0.8 649=519.2mm B=0.5D+50=0.5 649+50=374.5mm其中 B为最上面的一块板， B 为其它板淋水板堰高 h，取 h=50mm淋水板孔径 冷却水循环使用，取8mm淋水板孔数 淋水孔流速 u0=2gh其中 -淋水孔的阻力系数， =0.95-水孔收缩系数， =0.800.82 h-淋水板堰高 ,m取 =0.98=0.82 运算 u0=0.98 0.820.9829.810.050.80m / s孔数 n=V252.2

31、542361 个3600d 2u0436003.140.80.008考虑到长期操作时易造成孔的堵塞，取最上层孔数为1.15n=1.15 361=414个，其它各板孔数应加大 5%，即 1.05n=1.05 361=379 个淋水孔采纳正三角形排列；4.3 泵的挑选(1) 真空泵真空度为 0.7atm,真空泵排气量VVaVbVcVdVeV a -真空系统渗透空气量；Vb -蒸发过程中料液释放的不凝性气体量 ,常可以忽视；Vc -每小时冷却水能释放的空气量；Vd -蒸发过程中流体的饱和蒸汽压的当量值；Ve -不凝性气体机械夹带的生蒸汽量 ,常忽视；Va =0.45kg/h ； Vb =0Vc =

32、2.510VL22.510222.610.565kg / hVd = A Va +Vb +Vc =1.01Ve =0V =Va +Vb +Vc + Vd +Ve =. 0.450.45+0+0.565=1.015kg/h00.5651.01502.03kg / h依据排气量和所抽气体基本上是空气的前提条件功率极限真空度材料,选用水喷射泵 11/2BA-6 系列最大吸气量1.5KW600mmHgA3 钢7.4kg/h(2) 离心泵q=F/ 1=0000/998.2=10.01m3/h流量： 12.5m3/h扬程 20m转数： 2900r/min轴功率： 1.13Kw电机功率： 2.2Kw效率 6

33、0%必需汽蚀余量：2.0m5 评述5.1 牢靠性分析查 IS 型单级单吸离心泵性能表： 选型号： IS50-32-125运算过程中有运算误差或者人为误差，没有多次验算，而且有些设备的挑选不是很精确，所以最终结果牢靠性不是很强；5.2 个人感想经受了一个星期的设计与运算，本次化工原理课程设计也将告于段落，在这十几天的时间里收成了很多，是在平常的学习当中所感受不到的；原本课程设计在想象中是一件很简洁的事情，但是现在心里肯定不是这种想法了；懂得了设计人员的不易，每一个数据的确定都要有它自己的依据，不能凭空捏造，更要明白每个数据存在的意义；更是自己对上学期的化工原理的应用， 让我明白了化工原理的重要性

34、，以及开设这门课程的意义，它是我们化工生产中不行缺少的一部分，假如生产时人，那它就是人脚下的路；想要走好这条路，就必需先铺好它；在整个过程中也考查了自己多方面的才能，比如运算的严谨，信任很多人在这方面是深有感受也包括我自己在内，每组数据的运算都在三到四遍那样；仍有对学问把握的扎实程度，对公式的懂得与运用，都是很重要的，真有种牵一发而动全身的感觉；仍有就是电脑的运用上，如公式编辑器，Word 的应用， AutoCAD 的运用都在这次课程设计中表达，；让我认清了一件事，那就是作为当代高校生，不能只顾专业的学习，仍要全方面的进展自己，让自己将来在社会上成为有用之人；6 参考文献1 夏清，陈常贵，姚玉英. 化工原理上册 M. 天津：天津高校出社，2005： 325， 334-336， 357-358，3642 柴诚敬，刘国维，李阿