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1、 化化 工工 原原 理理 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 设计题设计题目 目 NaOH 水溶液蒸水溶液蒸发发装置的装置的设计设计 设计设计者 班者 班级级 过过控控 0702 姓名 姓名 黄建章黄建章 日期 日期 2010 11 29 指指导导教教师师 设计设计成成绩绩 目目 录录 符号说明符号说明 1 1 蒸发装置设计任务书蒸发装置设计任务书 1 1 1 设计题目 2 1 2 设计任务及操作条件 2 1 3 设计内容 2 2 前言前言 2 2 1 概述 2 2 1 1蒸发及蒸发流程 2 2 1 2蒸发操作的分类 3 2 1 3蒸发操作的特点 3 2 1 4 蒸发设备 3 3 蒸发器
2、工艺设计计算蒸发器工艺设计计算 4 3 1 蒸浓液浓度计算 4 3 2 溶液沸点和有效温度差的确定 5 3 2 1各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失 5 3 2 2各效由于溶液静压强所引起的温度差损失 6 3 2 3由经验不计流体阻力产生压降所引起的温度差损失 6 3 3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算 7 3 4 蒸发器的传热面积和有效温度差在各效中的分布以及传热系数 K 的确定 8 3 5 温差的重新分配与试差计算 9 3 5 1重新分配各效的有效温度差 9 3 5 2重复上述计算步骤 9 3 6 计算结果列表 11 4 蒸发器工艺尺寸计算蒸发器工艺尺寸计算 11 4 1 加热
3、管的选择和管数的初步估计 11 4 1 1加热管的选择和管数的初步估计 11 4 1 2循环管的选择 12 4 1 3加热室直径及加热管数目的确定 12 4 1 4分离室直径与高度的确定 12 4 2 接管尺寸的确定 13 4 2 1溶液进出口 13 4 2 2加热蒸气进口与二次蒸汽出口 13 4 2 3冷凝水出口 13 5 蒸发装置的辅助设备蒸发装置的辅助设备 14 5 1 气液分离器 14 5 2 蒸汽冷凝器 14 5 2 1冷却水量 L V 14 5 2 2冷凝器直径D 15 5 2 3 淋水板的设计 15 6 主要设备强度计算及校核主要设备强度计算及校核 16 6 1 蒸发分离室和加热
4、室厚度设计 16 7 课程设计心得课程设计心得 17 符号说明符号说明 2 2 CmWK kgJh mh smg f hkgF hkgD mD md CkgkJc mb 总传热系数 二次蒸汽的焓 高度 重力加速度 校正系数 无因次 原料液流量 加热蒸汽消耗量 直径 加热管的内径 比热容 管壁厚度 英文字母 误差 无因次 温度损失 对流川热系数 希腊字母 质量 单位体积冷却水的蒸汽 次溶质的质量分率 无因 质量流量 蒸发量 分离室的体积 流体得体积流量 蒸发体积强度 C CmW mkgX x hkgW hkgW mV smV smmU S 2 3 3 3 33 饱和的 秒 污垢的 压力 流速 温
5、度 管心距 溶液的温度 沸点 传热面积 污垢热阻 气话潜热 雷诺系数 无因次 总传热速率 热通量 普兰特准数 无因次 绝对压力 蒸发系统总效数 管数 溶液质量 子周边上的单位时间内通过单位管 长度 S s s p smu CT mt Ct mS WCmR kgkJr R WQ mWq P Pap n n smkg M mL e r 2 2 2 壁面的 水的 体积的 蒸汽的 外侧的 最小的 最大的 平均的 液体的 冷凝器的 内侧的 沸腾的 平均的 下标 水流收缩系数 无因次 因次管材质的校正系数 无 密度 表面张力 粘度 导热系数 热利用系数 无因次 w w u v o m L K i B av
6、 mkg mN sPa CmW min max 3 1 蒸发装置设计任务书蒸发装置设计任务书 1 1 设计题目设计题目 NaOH 水溶液蒸发装置的设计 1 2 设计任务及操作条件设计任务及操作条件 1 设计任务 处理量 7200 kg h 6000 7200 24000 料液浓度 10 6 wt 4 7 10 6 质量分率 产品浓度 23 7 wt 23 7 30 质量分率 加热蒸汽温度 158 1 151 158 1 末效冷凝器的温度 59 6 49 59 6 2 操作条件 加料方式 三效并流加料 原料液温度 第一效沸点温度 各效蒸发器中溶液的平均密度 1 1014kg m3 2 1060k
7、g m3 3 1239kg m3 加热蒸汽压强 500kPa 绝压 冷凝器压强为 20 kPa 绝压 各效蒸发器的总传热系数 K1 1500W m2 K K2 1000W m2 K K3 600W m2 K 各效蒸发器中液面的高度 1 5m 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 3 设备型式 中央循环管式蒸发器 4 厂 址 四 川 绵 阳 5 工作日 每年 300 天 每天 24 小时连续运行 1 3 设计内容设计内容 1 设计方案的简介 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
8、 主要辅助设备选型 包括气液分离及蒸气冷凝器等 5 绘制工艺流程图及蒸发器设计条件图 6 设计结果汇总 7 对设计过程的评述和有关问题的讨论 8 编写课程设计说明书 2 前言前言 2 1 概述概述 2 1 1 蒸发及蒸发流程蒸发及蒸发流程 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
9、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而次蒸汽 2 1 2 蒸发操作的分类蒸发操作的分类 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
10、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
11、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 2 1 3 蒸发操作的特点蒸发操作的特点 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 1 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 2 物料的工艺特性 蒸发的溶液本身具有某些特性
12、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 3 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 2 1 4 蒸发设备蒸发设备 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
13、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
14、 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 升 降膜式蒸发器 d 刮板式膜式蒸发器 本次设计采用的是中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器 结构和原理 结构和原理 其下部的加热室由垂直管束组成 中间由一根直径较大的中央循环管 当管内液 体被加热沸腾时 中央循环管内气液混合物的平均密度较大 而其余加热管内气液混合物的平均密 度较小 在密度差的作用下 溶液由中央循环管下降 而由加热管上升 做自然循环流动 溶液的 循环流动提高了沸腾表面传热系数 强化了蒸发过程 这种蒸发器结构紧凑 制造方便 传热较好 操作可靠等优点 应用十分广泛 有 标
15、准蒸发器 之称 为使溶液有良好的循环 中央循环管的截面积 一般为其余加热管总截面积的 40 100 加热管的高度一般为 1 2m 加热管径多为 25 75mm 之间 但实际上 由于结构上的限制 其循环 速度较低 一般在 0 4 0 5m s 以下 而且由于溶液在加热管内不断循环 使其组成始终接近完 成液的组成 因而溶液的沸点高 有效温度差减小 设备的清洗和检修也不够方便 3 蒸发工艺设计计算蒸发工艺设计计算 3 1 蒸浓液浓度计算蒸浓液浓度计算 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
16、的已知参数有 料液的 流量 温度和组成 最终完成液的浓组成 加热蒸气的压力和冷凝器中的压力等 一 蒸发器的设计步骤 多效蒸发的计算一般采用迭代计算法 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 器的型式 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组成 根据经验假设蒸气通过各效的压强降相等 估算个效溶液沸点和有效总温差 根据蒸发器的焓 热量 衡算 求各效的蒸发量和传热速率 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 则应根据各效传热 面积相等的原则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 二 蒸发器的设计计算 总蒸发量 W F 1 7200 1 3979 747 kg h 3 0 x x 237 0 106 0 因并流加料 蒸发中无额外蒸汽引出 可设 W1 W2 W3 1 1 1 1 2 W W1 W2 W3 3 3W1 W1 1205 9 3 3 474 3979 W2 1 1 1205 9 1326 49 W3 1 2 1205 9 1447 0
