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1、m NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的设计设计者：设计日期： 年 月曰审核：2009级化工单元操作课程设计任务书一、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3.96 X 104吨/年NaOH水溶液2. 设备形式中央循环管式蒸发器3. 操作条件(1) NaOH水溶液的原料液浓度为5%。完成液浓度为25%，原料液温度为第 一效沸点温度，原料液比热为3.7KJ(kg C),各效蒸发器中溶液的平均密 度为：P =1014kg/m3, P 2=1060 kg/m3, P 3=1239 kg/m3；(2) 加热蒸气压强为500kPa (绝压)，冷凝器压强为15
2、 kPa (绝压)：(3) 各效蒸发器的总传热系数：K=1500W/(m2 C), K2=1000W/(m2 C),K3=600W/(m2 C)；3(4) 各效蒸发器中页面的高度：1.5m；(5) 各效加热蒸气的冷凝液均在饱和温度下下排出，假设各效传热面积相 等，并忽略热损失；(6) 每年按330天计算，每天24小时运行。三、设计项目(1) 设计方案简单，对确定的工艺流程及蒸发器形式进行简要论述；(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) 绘制NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的流程及蒸发器设备工艺简 图；(5) 对本设计的评述目录（一）蒸发器的形
3、式、流程、效数论证（二）工艺计算（三）蒸发器主要工艺尺寸的设计计算（四）设计感想（五）设计图纸（一）蒸发器的形式、流程、效数论证1. 蒸发器的形式：中央循环管式2. 蒸发器的流程：三效并流加料3. 效数论证：在工业中常用的加热方式有直接加热和间接加热。直接加热的优 势是传热速率高，金属消耗量小。劣势是应用范围受到被蒸发物料和 蒸发要求的限制；间接加热是热量通过间壁式换热设备传给被蒸发溶 液而使溶液气化。一般工业蒸发多采用这类。间接加热蒸发器分为循环型和单程型两大类，循环型分为中央循 环管式、悬挂筐式、外加热式、列文式及强制循环式；单程型有升膜 式、降膜式、升降模式及刮板式。本次选用循环性的中央
4、循环管式，因为此循环管结构简单、制造 方便、操作可靠、投资费用较少等优点。蒸发器的类型一般有单效蒸发和多效蒸发，单效蒸发是蒸发装置 中只有一个蒸发器，蒸发时产生的二次蒸汽直接进入冷凝器不再利 用；多效蒸发器是将几个蒸发器串联操作，使蒸汽的热能得到多次利 用，蒸发器的串联个数称谓效数。多效蒸发器的效数受到经济和技术 的限制。对于电解质溶液采用2-3个效数，对于非电解质可采用4-6 个。根据情况本次采用多效蒸发器中的三效蒸发器。多效蒸发器的流向一般有并流加料、逆流加料、分流加料和错流 加料。并流加料的优点如下 溶液从压强和温度高的蒸发器流向压强和温度低的蒸发器，溶 液可依靠效间的压差流动而不需泵送
5、 溶液进入温度和压强较低的下一效时处于过热状态，因而会产 生额外的气化，得到较多的二次蒸汽。 完成液在末效排出，其温度最低，故总的热量消耗较低。缺点是：由于各效中溶液的浓度依次增高，而温度依次降低，因 此溶液的黏度增加很快，使加热室的传热系数依次下降，这将导致整 个蒸发装置生产能力的下降或传热面积的增加。由此可见并流加料流 程只适用于黏度不大的料液的蒸发。逆流加料优点是：溶液浓度在各效中依次增高的同时，温度也随 之增高，因而各效内溶液的黏度变化不大，这种流程适用于粘度随浓 度和温度变化较大的溶液蒸发。缺点有： 溶液在效间是从低压流向高压的，因而必须用泵输送。 溶液在效间是从低温流向高温，每一效
6、的进料相对而言均为冷 液，没有自蒸发，产生的二次蒸汽量少于并流流程。 完成液在第一效排出，其温度较高，带走热量较多而且不利于 热敏性料液的蒸发。2分流加料其特点是溶液不在效间流动。适用于蒸发过程中有结晶 析出的情况，或要求得到不同浓度溶液的场合。错流加料流程中采用部分并流加料和部分逆流加料，以利用逆 流合并流流程各自的优点。一般在末效采用并流，但操作比较复杂。综上所述，本次选用并流加料流程（二）工艺设计1.估算各效蒸发量和完成液浓度总蒸发量：3. 96X 104 吨/年=3.96X 104*33O*24=5OOOkg/hxW=F (1-0xi)=5000x(1-005 ) =4000kg/h0
7、.25因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设W : W : W=1.0：1.1：1.2123w=w+w+W=3-3wi解得W = 4000 =1212 kg/h13.3W2 = 1212X 1.1 = 1333kg/hW3 = 1212X 1.2 = 1454kg/hFx0F w = 5000 x 0.05 =0.066 F W15000 1212Fx0F W W1 25000 x 0.055000 1212 1333= 0.102x 3 =0.252.估算各效溶液的沸点和有效温度差设各效间压强降相等，则总压强为：2 ap = P-卩上=500-15 = 485 kPa各效间的平均压强差为2
8、APAP i = 3= 485 =161 kPa z3由各效的二次蒸汽压强，从书中查的相应的二次蒸汽温度和比汽化焓列于下表中：-效数 参数123二次蒸汽压强P； , kPa33917815二次蒸汽温度丁 :，C （艮卩下一效加热蒸汽温度）137.6116.253.5二次蒸汽的比汽化焓：, kj/kg（即下一效加热蒸 汽的比汽化焓）215522152370（1）各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失A根据各效的二次蒸汽温 度 （亦即相同压强下水的沸点）和各效完成液的浓度二，由NaOH水溶液 的杜林线图查的各效溶液的沸点tA,分别为：tA1 =138.5。tA2 =123.1ctA 3 =65
9、.3。则各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失为A I = 丫T； =138.5T37.6 = 0.9c1 A, 1 1A = t2A, 2T =123.1116.2 = 6.9cA3 = J 3 - T3 =65.3-53.5 = 11.8c3A, 3 3所以工 A =0.9 + 6.9+11.8 = 19.5c（2）各效由于溶液静压强所引起的温度差损失A ”根据p gl22=178 X 103+ 16 x 9.81X 1.5 = 186 X 103 Pa= 186kPaPm 1 =339X 103+ I0】4 x 981x1.5 = 346 x 103Pa=346kPaPm ,22Pm
10、 3 =15X 103+ I239x9.81x1.5 =24X 103 Pa = 24kPa根据各效溶液的平均压强，由书中查得对应的饱和温度为：T =138.3。T 2 =117.6。T 3 =65.0。m ,1m, 2m, 3从而得A1 = T . - T1 =138.3-137.6 = 0.7。1 m ,11A2 = T 2 T2 =117.6-116.2=1.4。2 m ,22A； = T 3 -T； = 65.0-53.5 = 11.5。所以3 m ,3 3A = A1 + A 2 + a3 =0.7+1.4+11.5 = 13.6。(3) 由于流体阻力产生压强降所引起的温度差损失 根
11、据经验取A = A = A = i所以1 =2 =3 =1C工A = A + A + A =3。 1 +2 +33。(4)各效溶液的沸点和有效总温度差 溶液的沸点t1 = T1 + A i =137.6 + 0.9 + 0.7 + 1 = 140.2。t2 = T2 + A 2 =116.2 + 6.9 + 1.4+1 = 125.5。13 = T3 + A 3 =53.1 + 11.8 + 11.5 + 1 = 77.3 有效总温度差/At = & - T)-工 Ai k= (151.7-53.5) - (19.5 + 13.6 + 3)= 62.1。3.加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计
12、算第一效的焓衡量式为:D r1 1 + ir1-iFc C -1 )_p ,001ri因沸点进料，故10 = t11_Liri“ 1 =0.98-0.7X= 0.98-0.7X(0.066-0.05)=0.968882113 x D(a)W 1 =0.96888 X 2155 1 =0.9499 d 1 第二效的焓衡量式为：wWr(Fc -Wc )C -t )W 二耳1 2 +P ,01 P ,旳 122 2 rr1- 22“=0.98-0.7X( x2-x1 )2 2 1= 0.98-0.7X(0.102-0.066)=0.9548查表得cp= 4.282 kj/(kgC)2155 x W=
13、09548- +(5000 x 3.7 - 4.282 x W12215)(140.2 -125.5)_(b)= 0.9018 W1 +117.2 = 0.8566 D1 + 1172W r (Fc -Wc-Wc)C -1 )W n 2 3 +p,01 p,叫2 p2333 rrL 33n 3 =0.98-0.7X( x 3 - x 2 )= 0.98-0.7X(0.25-0.102)=0.8764查表得W3 =0.8764cp W 2 4.245kj/(kgC)2215 x W (5000 x 3.7 - 4.282 x W - 4.245 x W )(125.5 - 77.3)2 + 1 223702370= 0.8764 (0.9346W2 +376.3-0.0871 W1 -0.0863 W2 )= 0.7435 W2 +329.8-0.0763 W1= 0.7435X(0.8566D +117.2)+329.8-0.0763X0.9499Di= 0.5644 D +416.9iW1 + W2 + W3 =4000(c)(d)联立（a）、（b）、（c）、（d）式，解得D 1 =1462kg/hW1 =1389kg/hW2 =1369kg/hW3 =1242kg/h4.估算蒸发器的传热面积S - QiiKFi iQ2
