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1、内蒙古工业大学本科课程设计说明书第一章 设计方案的确定 蒸发操作条件的确定主要是指对以下参数的确定：蒸发器加热蒸汽的压强（或温度）、冷凝器的操作压强（或温度）的确定。合理选择蒸发过程的操作条件，对于保证产品质量以及降低能耗都是极为重要的。1.1蒸发操作条件的确定1.1.1加热蒸汽压强的确定原则 被蒸发溶液有一个允许的最高温度，即保证物料不会被分解或发生其他反应的极限温度，这是确定加热蒸汽压强的一个重要依据。正确的做法是使操作在低于最大温度范围内进行，常用方法有加压蒸发，常压蒸发或真空蒸发（闪蒸）。蒸发过程消耗大量加热蒸汽同时产生大量二次蒸汽的，因此从节能的观点出发，应充分利用二次蒸汽作为其它加
2、热用的热源（即要求蒸发装置能够提供温度较高的二次蒸汽）。这样既可减少锅炉产生蒸汽的消耗量，又可以减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量，提高了蒸汽利用率，故采用较高温度的饱和蒸汽作为加热蒸汽对蒸发操作的过程来说是有利的，但通常所用饱和蒸汽的温度不超过180,因为过高温会导致过高压强,反而会增加设备费和操作费，考虑到经济效益的问题，一般的加热蒸汽压强在500-800 kPa范围之内。本次设计任务中，加热蒸气设计压强为500 kPa。1.1.2 冷凝器操作压强的确定原则 若一效采用较高压强的加热蒸汽，则末效可采用常压或加压蒸汽，此时末效产生的二次蒸汽具有较高的温度，可以全部利用。而且各效操作温度高时，溶液
3、粘度低，传热好。若一效加热蒸汽压强低，末效应采用真空操作，此时各效二次蒸汽温度低，进入冷凝器冷凝需消耗大量冷却水，而且溶液粘度大，传热差。但对于那些热敏性物料的蒸发，为充分利用热源还是经常采用的。对混合式冷凝器，其最大的真空度取决于冷凝器内的水温和真空装置的性能。通常冷凝器的最大真空度为80-90kPa。本次设计中，以大气压强为100 kPa，冷凝器设计压强为80 kPa。1.2 蒸发器的类型及其选择 在化工、制药、食品、生物等生产中，大多数蒸发器都是利用饱和水蒸汽作为加热介质，因而蒸发器中热交换的一方是饱和水蒸汽冷凝，另一方是溶液的沸腾，所以，传热的关键在于料液沸腾一侧。为了适应各种不同物性
4、物料的蒸发浓缩，出现了各种不同结构形式的蒸发器，而且随着生产，技术的发展，其结构在不断改进。工业中常用的间壁式传热蒸发器，按溶液在蒸发器中的流动特点，可分为循环型（中央循环管式、悬筐式、外加热式、列文式、强制循环式等）和单程型（升膜式、降膜式、升-降膜式、刮板式等）两大类型。面对种类繁多的蒸发器，在结构上必须有利于过程的进行，为此在选用时应考虑以下原则：（1） 尽量保证较大的传热系数，满足生产工艺的要求。（2） 生产能力大，能完善分离液沫，尽量减慢传热面上的垢层的生成。（3） 结构简单，操作维修和清洗方便，造价低，使用寿命长。（4） 能适应所蒸发物料的一些工艺特性（如粘性、起泡性、热敏性、结垢
5、性、腐蚀性等）。由于单程型蒸发器适用于处理热敏性物料，本次设计任务中料液为NaOH水溶液，为非热敏性物料，综上各条件考虑，选用中央循环管式蒸发器。1.3 多效蒸发效数的确定在流程设计时首先应考虑采用单效还是多效蒸发，为充分利用热能，生产中一般采用多效蒸发。因多效蒸发中可以将前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，节省生蒸汽耗量。但不是效数愈多愈好，效数受经济上和技术上的因素所限制。首先经济上的限制是指效数超过一定时经济上不合算。随效数的增加，总蒸发量相同时所需生蒸汽量减少，虽然使操作费用降低，但是随效数增加，设备费成倍增长，而所节省的生蒸汽量愈来愈少，所以无限制增加效数已无实际意义，最适宜的效数
6、应使设备费和操作费二者之和为最小；其次技术上的限制是指效数过多，蒸发操作难于进行。一般工业生产中加热蒸汽压强和冷凝器操作压强都有一定限制，因此在一定操作下，蒸发器的理论总温差为一定值。在效数增加时，由于各效温差损失之和的增加，使总有效温差减小，分配到各效的有效温差小到无法保证各效发生正常的沸腾状态时，蒸发操作将无法进行下去。所以实际的多效蒸发过程效数并不多。为了保证传热的正常进行，每一效有效温差不能小于6-10。通常对于NaOH电解质溶液，由于其沸点升高较大，采用2-3效即可。本次设计采用的是三效蒸发。1.4多效蒸发流程的选择多效蒸发的操作流程根据加热蒸汽与料液的流向不同，可分为并流，逆流，平
7、流及错流四种。并流法（顺流法），其料液和蒸汽呈并流。因各效间压差较大，料液能自动从前效进入后效，可省去输料泵；前效的温度高于后效，料液从前效进入后效时呈过热状态，可以产生自蒸发；结构紧凑，操作简便，应用广泛。但由于后效较前效的温度低，浓度大，因而逐效料液的粘度增加，传热系数下降，故只适用于粘度不大的料液蒸发。逆流法即料液于蒸汽呈逆流操作。随着料液浓度的提高，其温度相应提高，使料液粘度增加较小，各效的传热系数相差不大，故可生产较高浓度的浓缩液。因而逆流法操作适用于粘度较大的料液蒸发，但由于逆流操作需设置效间料液输送泵，动力消耗较大，操作也较复杂。此外对浓缩液在高温时易分解的料液，不宜采用此流程。
8、平流法即各效都加入料液，又都引出浓缩液。此法除可用于有结晶析出的料液外，还可用于同时浓缩两种以上的不同水溶液。错流法亦称混流法，它是并，逆流的结合。其特点是兼有并，逆流的优点而避免其缺点，但操作复杂，控制困难，应用较少。采用多效蒸发装置是节能的途径之一。此外为了回收系统中的热量，应尽量利用低温热源，如蒸汽冷凝液的利用及二次蒸汽的压缩再利用等，可参考有关蒸发专著。基于上述比较，本设计采用选择并流流程。1.5进料温度的确定根据经验和实验得出沸点进料有利于蒸发和传质过程的进行，减少蒸发过程的热损失，增大蒸发过程的处理量，因此选择沸点进料。第二章 三效并流蒸发过程的工艺计算 多效蒸发工艺计算依据物料衡
9、算，热量衡算以及传热速率三个基本方程。在多效蒸发中，各效的操作压力依次降低，与之相应的，各效的加热蒸汽温度及溶液的沸点亦依次降低。以下以三效蒸发为例，采用试差法进行计算。计算步骤如下：第一，根据工艺要求及溶液性质确定蒸发的操作条件，蒸发的形式，流程和效数。第二，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。第三，根据经验假设蒸汽通过各效压强降相等，估计各效溶液沸点和有效总温差。第四，根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。第五，根据转热速率方程计算各效的转热面积。本次设计条件是：设计一个连续操作的三效并流蒸发装置，NaOH溶液处理量：36.0kt/a；溶液浓度30%，温度30；完
10、成液含NaOH浓度30%。每年按8000小时计算。原料液进料流量：F =36.0 kt/a=4500 2.1常用的试差法 该法是一种近似计算方法，它是对蒸发过程进行一些适当的简化和假设，然后按假设条件对未知参数进行估算。若计算的结果与假设的条件不符，则对假设条件进行调整并重复计算，直至两者基本符合或者相近为止。具体步骤多种多样，下面介绍逐次逼近法（以蒸发器的传热面积相等为原则）的计算步骤。 1.各效蒸发量和完成液浓度的估算蒸发过程总蒸发量： W = F（1） （2-1） 式中：F原料液进料流量， W过程蒸发量， 进料浓度 完成液浓度 W = F（1）= 4500（10.1/0.3）= 3000
11、 取各效蒸发量相等、第i效蒸发量为： W = (2-2) 式中 第i效蒸发量 溶液蒸发总量 效数即W1 = W2= W3 = 6500/3 = 2166.7 各效完成液浓度: (2-3)2.2估算各效二次蒸汽温度设各效间的压强降相等，则各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差：设加热蒸汽压强P1=500kpa,冷凝器操作压强Pn=20kpa （2-4） 第i效二次蒸汽压强 = （25）式中：各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差，第效的操作压强， 查附表得到蒸汽的温度和汽化热表2-1二次蒸汽的温度和汽化热第一效第二效第三效二次蒸汽压强(kPa)34018020二次蒸汽温度（）137.7116.660.1
12、二次蒸汽的汽化热（KJ/Kg）2155.462214.32854.92.3计算各效传热温度差各效温度差损失： （1）由于溶液蒸汽压降引起的温度差损失校正系数法: （2-6）式中：为常压下由于溶液蒸汽压强下降引起的温度损失，某些水溶液在常压下的沸点值可在有关手册中查得。校正系数，无因次。一般取 （2-7） 上式中：操作压强下水溶液的沸点，即二次蒸汽的饱和温度，； 操作压强下二次蒸汽的潜化热，。第一效： 第二效： 第三效： (2) 由液层静压效应引起的温度差损失某些蒸发器操作时，蒸发器内部需要维持一定的液位，因而溶液内部的压力大于液面上方的压力，致使溶液的实际沸腾温度较液面高，两者之差即为因溶液静
13、压强引起的温差损失。为简便计算溶液内部沸点升高按液面与底部的平均压强下水的沸点和二次蒸汽压强下水的沸点差估算。平均压强按静力学方程式计算： 则 （2-8） （2-9） 式中取液层高度L=2.6m 一效：查附表 139.23139.23-137.7=1.53二效： 119.34 119.34-116.6=2.74三效：71.671.6-60.1=1.5（3）由管道流动阻力产生的压强降所引起的温度差损失 在多效蒸发器中，各效二次蒸汽从上一效的蒸发室流动到下一效加热室时，由于管道阻力，其压力下降，致使蒸汽的饱和温度相应降低，由此引起的温度差损失即为。根据经验，一般取=1。 （2-10）（4）各效料液的温度和有效总温差各效传热温度差计算式：为前一效二次蒸汽温度（即第i效加热蒸汽温度），为第i效溶液沸点，其计算式为：为第i效二次蒸汽温度，为第i效温度差损失所以各效沸点为：第一效：第二效：第三效：2.4 计算各效蒸发量Wi和传热量Qi根据物料衡算和热量衡算得公式 （2-11）式
