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1、第一章 蒸发方案的确定1.1 加热蒸汽压的确定 蒸发是一个消耗大量加热蒸汽而又产生大量二次蒸汽的过程。通常被蒸发的溶液有一个允许的最高温度，从节能观点出发，应充分利用二次蒸汽作为后续蒸发过程或者其他加热用的热源，因此采用较高温度的饱和蒸汽作为加热蒸汽是有利的，但通常所用饱和蒸汽温度不超过180，超过时相应的压强，这将增加加热的设备费用和操作费用。所以加热蒸汽压强在400-800范围之内。故选择加热蒸汽压强500kPa(绝)。1.2 冷凝器操作压强的确定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发，此时末效产生的二次蒸汽具有较高温度，可以全部利用。而且各效操作温度高时，溶液粘度低，传
2、热效果好。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。故冷凝器操作压强为20kPa（绝）。1.3 蒸发器的类型 蒸发器有很多类型，在结构和操作上必须有利于蒸发过程的进行，选型时考虑一下原则：1. 尽量保证蒸发过程具有较大的传热系数，满足生产工艺过程的要求；2. 生产能力大，能完善分离液沫，尽量减缓传热壁面上污垢的形成；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特殊工艺特性根据以上原则选择中央循环管式蒸发器，其加热室由垂直的加热管束构成，在管束中央有一根直径较大 的管子，称为中
3、央循环管，其截面积为加热管束总截面积的40%-100%。当壳程的管间通入蒸汽加热时，因加热管（细管）内单位体积的受热面积大于中央循环管（粗管）内液体的受热面积，因此粗、细管内液体形成密度差，加之加热细管内蒸汽的抽吸作用，从而使得溶液在中央循环管下降、在加热管内上升的连续自然流动。溶液在粗细管内的密度差越大，管子越长，循环速度越大。主要的是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。且这种蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，因此选择中央循环管式蒸发器。1.4 蒸发效数的确定在多效蒸发中，将前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽加以利用，可节省生蒸汽的消耗量，故为充分利用热
4、能，生产中一般采用多效蒸发。除此之外，受到经济和技术上的限制，效数过多经济上不合算，技术上蒸发操作将难以进行。也为了保证传热的正常进行，各效的有效传热温度差不能小于6-10.且此次蒸发溶液12%NaOH为电解质溶液，故选择蒸发效数为3效。1.5 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、平流及错流四种。并流法亦称顺流法，是指料液和蒸汽呈同向流动的蒸发过程。因为各效之间有比较大的压强差，料液能自动从前效进入后效，可以省去输送物料泵，前效的温度高于后效，料液能自动从前效进入后效，可省去输送物料泵；前效温度高于后效温度，料液从前效进入后效处于过热状态，可以产生自
5、蒸发；且并流法结构紧凑、操作简便、应用广泛。但由于后效较前效温度低、浓度大，因而逐效料液的粘度增加，导致传热系数下降。因此并流法操作通常适用于溶液粘度岁浓度变化不大的料液蒸发。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。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
6、，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，应用不多。综合比较，选择并流蒸发流程。1.6 进料温度的选择 进蒸发器料液温度的高低直接影响到蒸发器中的传热情况和蒸发器传热面积的大小，生产上通常为了节约蒸汽用量和提高传热效果，在进蒸发器之前利用可回收的低温热源将料液预热到接近或者达到沸点状态，以实现节能消耗。 故选择沸点进料。 1.7 设计条件总述加热蒸汽压强500kPa(绝)，冷凝器操作压强为20kPa（绝）并流三效蒸发沸点进料第二章 蒸发过程的工艺计算多效蒸发工艺计算的主要项目有：加热蒸汽消耗量、各效水分蒸发量及各效蒸发器的传热面积。变量之间的各效关系受物料衡算
7、、热量衡算、传热速率方程以及相平衡方程式等基本关系支配。以三效并流加热蒸发为例，采用试差法计算。假设：（1）冷凝液饱和温度排出 （2）无额外蒸汽排出 （3）K值的选取 （4）多效传热面积相等2.1 各效蒸发量和完成液组成的估算原料液含 NaOH浓度12%，完成液含NaOH浓度34%。已知原料液量为45kt/a；，沸点进料。加热介质采用500kPa(绝压)的饱和水蒸气，冷凝器操作压力为20kPa(绝压)。三效的传热系数分别为K1 =1500W/(m2)，K2 =1000W/(m2), K3 =600W/(m2),原料液比热容为3.77KJ/(Kg),各效蒸发器中液面高度为2m。各效加热蒸汽的冷凝
8、液均在饱和温度下排出。假设各效转热面积相等，并忽略热损失。每年按330天计算，每天24小时连续运行。原料液进料流量： 总蒸发量：并流加料蒸发，初估各校完成液的浓度： 2.2 溶液沸点和有效温度差的确定各效间的压强降相等： 由各效的二次蒸汽压强查相应的二次蒸汽的温度和汽化热，见表2-1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（）137.7116.660.1二次蒸汽的汽化热（KJ/Kg）2155.462214.32354.92.2.1由于溶液蒸汽压下降引起的温度差损失多效蒸发中各效温度差损失的计算可用：为溶液沸点升高引起的温度差损失为液层
9、静压效应引起的温度差损失为蒸汽流动中的阻力和热损失而引起的温度差损失校正系数法: 常压下由于溶液蒸汽压下降引起的温度差损失，校正系数，无因次一般取操作压强下水的沸点，操作压强下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg其他数据及计算结果见表2-2表2-2 数据及计算结果（kpa）340180200.1530.20470.34()105.4108.36120.3()5.48.3620.32.2.2由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失由于蒸发器操作时，蒸发器内部需要维持一定的液位，因而溶液内部压强将大于液面上方的压强，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压强引起的温差损失。根据流体静力学方程
10、，液层的平均压力为：式中各浓度下溶液密度见下表浓 度%15.320.4734密 度1167.41224.31369.7对应的水的温度及对应的水的沸点见表2-3表2-3 对应的水的温度及对应的水的沸点第一效第二效第三效对应的水的温度（）138.93120.1969.41对应的水的沸点（）137.79116.660.1（）1.143.599.312.2.3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，由于管道阻力使其压强降低，致使蒸汽的饱和温度相应降低，由此引起的温度差即为管道流动阻力产生的压强降所引起的温度差损失根据经验，通常取2.
11、2.4各效料液的温度和有效总温差所以各效沸点为 2.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算对第i效进行焓衡算，并计入溶液的浓缩热及蒸发器的损失时，第i效的蒸发量的计算式为式中：第i效的加热蒸汽量，kg/h 为第i效加热蒸汽的汽化热，kJ/kg 为原料液的比热，kJ/（kg ）, =3.77 kJ/（kg ） 为水的比热，kJ/（kg ）, =4.18 kJ/（kg ） 分别为第i效及第i-1效溶液的沸点， 为第i效的热利用系数，对NaOH水溶液蒸发，=0.98-0.7x各效的热利用系数： 根据水蒸汽表，查各压强下的汽化热见表2-4。表2-4123146.7130.4785.9(kJ/kg)21
12、55.462214.32354.9初始压力500kPa时水蒸气汽化热为2113.2kJ/kg第一效： (1) 第二效： (kJ/kg) （2）第三效：(kJ/kg) （3） （4）联立式（1）（2）（3）（4）解，得： 误差为： 误差均小于5%，符合要求。=1281.54632113.2=2708163.6 kJ/hQ2=1225.15832155.46=2640779.7 kJ/h=1237.36572354.9=2913872.5 kJ/h2.4各效传热面积的计算及有效差的调整差距较大，调整各效的有效温度差平均传热面积：重新分配的有效温度差为： 2.5 传热面积的校正第三效：3 =t3+=
13、85.9+22.4=108.3第二效: = 3 =108.3 沸点 t2=+=108.3+13.8696=122.17 T2= t2+ =122.17+12.2=134.37第一效：= T2=134.37 沸点 =143.37+8.3=151.67各效数据表，见表2-5 表2-5第一效第二效第三效151.67134.37108.5 (kJ/kg)2092.332165.12236.02134371083601(kJ/kg)21651223656235491433712217859第一效： (1) 第二效： （2）第三效： （3） （4）联立式（1）（2）（3）（4）解，得： 误差为： 误差均小于5%，可以继续计算=1304.82092.33=2730072.184kJ/h=1206.92165.1=2613059.19kJ/h=1248.92236.56=2793239.784 kJ/h则平均传热面积：误差: S1 S2 S3 由计算结果可知误差
