化工原理课程设计__三效逆流蒸发器.docx
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1、NaOH 水溶液三效并流加料蒸发装置的设计设计设计单位单位：设计者：设计者：设计日期：设计日期：设计设计任务书任务书一、设计题目NaOH 水溶液三效并流加料蒸发装置的设计二、设计任务及操作条件1.处理能力2.5104吨/年 NaOH 水溶液2.设备形式蒸发器3.操作条件aNaOH 水溶液的原料液浓度为 10%(wt)，温度为 35，用预热器加热至第一效沸点温度，再送进蒸发器；完成液浓度为 40%(wt)。b加热蒸汽压强为 500kPa（绝压），末效为真空，压力为 15.5kPa（绝压）。c各效传热系数分别为：K1=3000 W/(m2)K2=1500 W/(m2)K3=750W/(m2)d各效
2、蒸发器中的液面高度：1.5-2.5m。e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。f每年按 330 天计，每天 24 小时连续运行。三、设计项目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，包括预热器、汽液分离器及蒸汽冷凝器。5.绘制 NaOH 水溶液三效并流加料蒸发装置的流程图及蒸发器总装配图。目录目录1.概述 11.1 蒸发操作的特点11.2 蒸发设备及蒸发器51.3 三效蒸发工艺流程 102.工艺计算及主体结构计算 112.1 三效蒸发工艺计算1
3、12.1.1 三效蒸发器设计流程112.1.2 设计计算132.2 蒸发器主要结构计算233.蒸发装置辅助设备选型 304.探索使用 Aspen Plus 设计蒸发器方法335.后记 35编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第0页 共39页第 0 页 共 39 页1、概述概述1.1 蒸发蒸发操作的特点操作的特点蒸发是将非挥发性物质的稀溶液加热沸腾，使溶剂气话，溶液浓缩得到浓溶液的过程。1.1.1 蒸发的基本流程蒸发的基本流程蒸发过程的两个必要组成部分是加热溶剂使水蒸气汽化和不断除去汽化的水蒸气，前一部分在蒸发器内进行，后一部
4、分在冷凝器完成。蒸发器实质上是一个换热器，由加热室和分离室两部分组成，加热室通常用饱和水蒸气加热，从溶液中蒸发出来的水蒸气在分离室分离后从蒸发器引出，为了防止液滴随蒸汽带出，一般在蒸发器顶部设有气液分离用的除沫装置从蒸发器蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，在多效蒸发中，二次蒸汽用于下一效的物料加热。冷却水从冷凝器顶加入，与上升的蒸汽接触，将它冷凝成水从下部排出，不凝气体从顶部排出。通常不凝气体来源有两个方面，料液中溶解的空气和系统减压操作时从周围环境中漏入的空气。料液在蒸发器中蒸浓达到要求后称为完成液，从蒸发器底部放出，是蒸发操作的产品。1.1.2 蒸发的操作方法蒸发的操作方法根据各种物料的特性和工艺要
5、求，蒸发过程可以采用不同的操作条件和方法。常压蒸发和减压蒸发根据操作压力不同，蒸发过程可以分为常压蒸发和减压蒸发，常压蒸发是指冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力为大气压或略高于大气压，此时系统中的不凝气依靠本身的压力从冷凝器排出。减压蒸发冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力低于大气压，此时系统中的不凝气需用真空泵抽出。编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共39页第 1 页 共 39 页减压蒸发较常压蒸发具有如下优点：在加热蒸汽压强相同的情况下，减压蒸发时溶液的沸点低，传热温差可以增大，当传热量一定时，蒸发器的传热面积可以相应地
6、减小；可以蒸发不耐高温的溶液；可以利用低压蒸汽或废气作为加热剂；操作温度低，损失于外界的热量也相应地减小。但是，减压蒸发也有一定的缺点，这主要是由于溶液沸点降低，黏度增大，导致总的传热系数下降，同时还要有减压装置。单效蒸发和多效蒸发根据二次蒸汽是否用来作为另一蒸发器的加热蒸汽，蒸发过程分为单效蒸发和多效蒸发。单效蒸发中加热蒸汽在冷凝器中用水冷却排出。多效蒸发中，第一个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第二个蒸发器的加热蒸汽，第二个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第三个蒸发器的加热蒸汽，以此类推，串联蒸发器的个数称为效数。多效蒸发的经济性多效蒸发时，除末效外，各效的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽加以利用，因
7、而和单效相比，相同的生蒸汽量 D 可蒸发更多的水量 W，亦即提高了生蒸汽的经济性 W/D。如前所述，在若干假定条件下，单效时的 W/D 约为 1。同理，双效时约为 2，三效时约为 3，等等。考虑实际情况，根据经验，不同效数时生蒸汽的经济性大致如下表：表1-1 生蒸汽经济性 W/D 的经验值效数单效双效三效四效五效W/D0.911.752.53.333.70正由于多效蒸发时生蒸汽的经济性较高，所以在蒸发大量水分时广泛采用多效蒸发。但上表也说明，当效数增加时，W/D 值虽然增加，但并不和效数成正比。多效蒸发的代价首先，多效蒸发时需要多个蒸发器，为便于制造和维修，各蒸发器的传热面积常相同，此时，多效
8、蒸发的设备费近似和效数成正比。因此，多效蒸发时生蒸编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页 共39页第 2 页 共 39 页汽经济性的提高是以设备费为代价的。其次，当生蒸汽的压力（温度）和冷凝器的压力（温度）给定时，不论单效或多效蒸发，其理论传热温度差均为tr=T-T。这里，T 和 T分别为加热蒸汽和冷凝器处二次蒸汽的温度。换句话说，理论传热温差与效数无关，多效蒸发只是将上述传热温度差按某种规律分配至各效。而且，多效蒸发的每一效都存在沸点上升或传热温度差损失，因而各效有效传热温度差之和总有效传热温度差必然小于单效时的有效传
9、热温度差，结果导致多效时的生产能力小于单效。间歇蒸发和连续蒸发间歇蒸发有两种操作方法：一次进料，一次出料连续进料，一次出料工业上大规模的生产过程通常采用的是连续蒸发。1.1.3 蒸发器的生产强度与蒸汽的经济性蒸发器的生产强度与蒸汽的经济性（一）蒸发器的生产能力与生产强度1、蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力可用单位时间内蒸发的水分量来表示。由于蒸发水分量取决于传热量的大小，因此其生产能力也可表示为rtKSrQWmW蒸发器的生产能力，kg/h；Q蒸发器的传热速率，kJ/h；r操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg；2、蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度U简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸
10、发的水量，kg/(m2h)编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第3页 共39页第 3 页 共 39 页SWU 若为沸点进料，且不计热损失，根据mWrDrtKAQ，则mrtKSWU由上式可知，若蒸发操作的压力一定，则二次蒸气的汽化热 r也可视为常数，因此，欲提高蒸发器的生产强度，主要途径是提高总传热系数 K 和传热温度差tm（Tt1）。前者，上面已述。提高传热温度差的方法:采用真空蒸发或选用高温热源，如高温导热油、熔盐或用电加热等。3、提高蒸发强度的途径（1）提高传热温度差mt提高传热温度差可提高热源的温度或降低溶液的沸点等角
11、度考虑，工程上通常采用真空蒸发或高温热源来实现。（2）提高总传热系数蒸发器的总传热系数主要取决于溶液的性质、沸腾状况、操作条件以及蒸发器的结构等。这些已在前面论述，因此，合理设计蒸发器以实现良好的溶液循环流动，及时排除加热室中不凝性气体，定期清洗蒸发器（加热室内管），均是提高和保持蒸发器在高强度下操作的重要措施。（二）加热蒸汽的经济性蒸发过程是一个能耗较大的单元操作，通常把能耗也作为评价其优劣的另一个重要评价指标，或称为加热蒸汽的经济性，它的定义为 1kg 蒸汽可蒸发的水分量，即：rrWDe提高加热蒸汽的蒸汽性通常可以选择多效蒸发。（三）提高加热蒸汽经济程度的其他措施多效蒸发可以提高加热蒸汽的
12、经济程度，除此之外，还可以采用以下措施来提高生蒸汽的经济程度。1.二次蒸汽的部分利用（额外蒸汽的引出）编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第4页 共39页第 4 页 共 39 页在单效蒸发中，若能将二次蒸汽引出一部分，作为其他设备热源加以利用（如用来预热原料液），则对蒸发装置来说，能量消耗已降至最低限度，只是将加热蒸汽转变为温度较低的二次蒸汽而已。同理，对多效蒸发，如果将末效蒸发器的二次蒸汽有效的利用，也可大大提高加热蒸汽的利用率。2.冷凝水显热的利用蒸发装置消耗大量蒸汽必随之产生数量可观的冷凝水。此冷凝液排出加热室外可用以
13、预热料液，也可像图 7-19 所示将冷凝水减压，减压至下一效加热室的压力。使之用过热产生自蒸发现象。汽化的蒸汽可与二次蒸汽一并进出入后一效的加热室，于是，冷凝水的显热得以部分地回收利用。3.二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）在单效蒸发中，二次蒸汽在冷凝器中冷凝除去，蒸汽的潜热即完全除去，很不经济。考虑此二次蒸汽通过热泵（即压缩机）绝热压缩，使其p，T，然后再送回原来的蒸发器中作为加热蒸汽，则其潜热可得到反复利用。但是，要达到较好的经济效益，压缩功的压缩比不能太大，即二次蒸汽的压力和温度需提高的愈多，压缩比愈大，愈不经济。这样，二次蒸汽的温升不可能高，传热推动力不可能大，而所需的传热面积则必然较大。对
14、于沸点升高大的溶液的蒸发，热泵蒸发器的经济程度大为降低。由此可知，热泵蒸发量不适用沸点上升比较大的情况。此外，压缩机的投资费用较大，需要维修保养，这些缺点也在一定程度上限制了它的使用。1.2 蒸蒸发设备发设备蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备1.2.1 蒸发器的型式与结构蒸发器的型式与结构蒸发器主要由加热室和分离室组成。加热室有多种多样的形式，以适应各种生产工艺的不同要求。按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第5页 共39页第 5 页 共 39 页型和单程型（不循环）两类。（一）
15、循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。由于引起循环运动的原因不同。有分为自然循环型和强制循环型两类。自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动1.中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器为最常见的蒸发器，其结构如图5-2所示，它主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。蒸发器的加热器由垂直管束构成，管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为管束总截面积的 40%100%。当加热蒸汽（介质）在管间冷凝放热时，由于加热管束内单位体积溶液的受热面积远大于中央循环管内溶液的受热面积，因此，管束中溶液的相对汽化率就大于中央
16、循环管的汽化率，所以管束中的气液混合物的密度远小于中央循环管内气液混合物的密度。这样造成了混合液在管束中向上，在中央循环管向下的自然循环流动。混合液的循环速度与密度差和管长有关。密度差越大，加热管越长，循环速度越大。但这类蒸发器受总高限制，通常加热管为 12m，直径为 2575mm，长径比为 2040。优点：溶液循环好；传热效率高；结构紧凑、制造方便、操作可靠。缺点：循环速度低；溶液粘度大、沸点高；不易清洗。适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液。2.悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器是中央循环管蒸发器的改进。其加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。加热介质由中央蒸汽管进入加
17、热室，而在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间有环隙通道，其作用类似于中央循环管。操作时，溶液沿环隙下降而沿加热管上升，形成自然循环。一般环隙截面积约为加热管总面积的 100150%，因而溶液循环速度较高(约为 11.5m/s)。由于与蒸发器外壳接触的是图 5-2 中央循环管式蒸发器5-3 悬筐式蒸发器图 5-4外热式蒸发器编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第6页 共39页第 6 页 共 39 页温度较低的沸腾液体，故其热损失较小。3.外热式蒸发器如图 5-4 为常用的外热式蒸发器，其主要特点是采用了长加热管（管长与直径之比1
18、0050Dl），且液体下降管（又称循环管），不再受热。这样有利于液体在器内的循环，循环速度可达 1.5m/s。优点：降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换；循环速度较高，使得对流传热系数提高；结垢程度小。适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液。4.列文蒸发器结构特点：在特点是在加热室上部设置沸腾室，加热室中的溶液因受到附加液柱的作用，必须上升到沸腾室才开始沸腾，这样避免了溶液在加热管中结垢或析出晶体。优点：流动阻力小；循环速度高；传热效果好；加热管内不易堵塞。缺点：设备费高；厂房高，耗用金属多。适于处理有晶体析出或易结垢的溶液。5.强制循环型蒸发器上述几种蒸发器均为自然循环型蒸发器，即靠加
19、热管与循环管内溶液的密度差作为推动力，导致溶液的循环流动，因此循环速度一般较低，尤其在蒸发粘稠溶液（易结垢及有大量结晶析出）时就更低。为提高循环速度，可用循环泵进行强制循环，如图 4-10 所示。这种蒸发器的循环速度可达 1.55m/s。其优点是，传热系数大，利于处理粘度较大、易结垢、易结晶的物料。但该蒸发器的动力消耗较大，每平方米传热面积消耗的功率约为 0.40.8kW。（二）单程型蒸发器（膜式蒸发器）循环型蒸发器的共同特点蒸发器内料液的滞留量大，物料在高温下停留时间长，对热敏性物料不利。在单程型蒸发器中，物料一次通过加热面即可完成浓缩要求；离开加热管的溶液及时加以冷却，受热时间大为缩短，因
20、此对热敏性物料特别适宜。编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第7页 共39页第 7 页 共 39 页1.升膜式蒸发器图 5-7 所示升膜式蒸发器，这种蒸发器的加热管束可长达310m。溶液由加热管底部进入，经一段距离的加热，汽化后，管内气泡逐渐增多，最终液体被上升的蒸汽拉成环状薄膜，沿管壁运动，汽液混合物由管口高速冲出。被浓缩的液体经汽液分离即排出蒸发器。此种蒸发器需要妥善地设计和操作，使加热管内上升的二次蒸汽具有较高的速度，从而获得较高传热系数，使溶液一次通过加热即达预定的浓缩要求。在常压下，管上端出口速度以保持 2050m
21、/s 为宜。适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏性及易起泡的溶液。不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。2.降膜式蒸发器如图 7-6 所示降膜式蒸发器。料液由加热室顶部加入，经液体分布器分布后呈膜状向下流动。汽液混合物由加热管下端引出，经汽液分离即得完成液。为使溶液在加热管内壁形成均匀液膜，且不便二次蒸汽由管上端窜出，须良好地设计液体分布器。适用于：粘度大的物料不适用于：易结晶的物料，固形成均匀的液膜较难，K不高。（3）升-降膜式蒸发器蒸发器由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发器的底部封头内有一隔板，将加热管束分成两部分。溶液由升膜管束底部进入，流向顶部，然后从降膜管束流下，进入分离室，得到完成
22、液。适于处理浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的场合。（4）刮板薄膜式蒸发器如图 5-11 所示。专为高粘度溶液的蒸发而设计。料液自顶部进入蒸发器后，在刮板的搅动下分布于加热管壁，并呈模式旋转向下流动。汽化的二次蒸汽在加热管上端无夹套部分被旋刮板分去液沫，然后由上部抽出并加以冷凝，浓缩液由蒸发器底部放出。图 5-7升膜式蒸发器图 5-8降膜式蒸发器编号：时间：2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第8页 共39页第 8 页 共 39 页特点：借外力强制料液呈膜状流动，可适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发缺点：结构复杂，制造要求高，加
23、热面不大，且需要消耗一定的动力。（三）其它蒸发器1.直接加热蒸发器（浸没燃烧式）将一定比例的燃烧气与空气直接喷入溶液中，燃烧气的温度可高达 12001800，由于气、液间的温度差大，且气体对溶液产生强烈的鼓泡作用，使水分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由顶部排出。优点：结构简单，不需要固定的传热面，热利用率高适于处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的溶液。不适于处理不能被燃烧气污染及热敏性的溶液。2.螺旋管蒸发器在螺旋加热管中，要被蒸发的液体从顶部流向底部，同时，沸腾膜与蒸汽并流流动，由于加热管当然螺旋形状，在中等高度的设备中可以容纳很长的管子，经过很长的管道流动中产生的蒸汽对液膜施加一个很高的剪
24、切力。为此，弯曲的螺旋管将引起二次流，二次流被施加在沿管轴的流动上，这此作用可促进湍流并强化高粘情况下的热传递。适用于达到高浓度和高粘度。为获得高的蒸发比，这类蒸发器在高温度差下和单程操作。（四）蒸发器的选型蒸发器的结构形式较多，选用和设计时，要在满足生产任务要求，保证产品质量的前提下，尽可能兼顾生产能力大，结构简单，维修方便及经济性好等因素。表 5-1 列出了常见蒸发器的一些重要性能，可供选型的参考。（五）过程和设备的强化与展望纵观国内外蒸发装置的研究，概括可分为以下几个方面：1、开发新型蒸发器；2、改善蒸发器内液体的流动状况；3、改进溶液的工艺性质；4、优化设计和操作。编号：时间：2021
25、 年 x 月 x 日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第9页 共39页第 9 页 共 39 页1.2.2 蒸发器的辅助设备蒸发器的辅助设备（一）除沫器（汽液分离器）蒸发操作时产生的二次蒸汽，在分离室与液体分离后，仍夹带大量液滴，尤其是处理易产生泡沫的液体，夹带更为严重。为了防止产品损失或冷却水被污染，常在蒸发器内（或外）设除沫器。图 5-12 为几种除尘器的结构示意图。图中（a）（d）直接安装在蒸发器顶部，（e）（g）安装在蒸发器外部。（二）冷凝器和真空装置1.冷凝器冷凝器的作用是冷凝二次蒸汽。冷凝器有间壁式和直接接触式两种。倘若二次蒸汽为需回收的有价值物料或会
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