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1、广东石油化工学院化工单元操作课程设计说明书 课 题：水溶液三效并流加料蒸发装置的设计专 业： 应用化学 班 级： 应化11-1班 学 号： 姓 名： 指导老师： 日 期： 2014.07.03 目 录第一章 蒸发装置设计任务书31.1设计题目 31.2设计任务及操作条件 31.3设计项目 3第二章 设计方案简介42.1 设计方案论证42.2 蒸发器简介5第三章 设计任务63.1 估算各效蒸发量和完成液浓度63.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差63.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算93.4 蒸发器传热面积的估算113.5 有效温差的再分配123.6 重复上述计算步骤123.7 计算
2、结果列表17第四章 蒸发器的主要结构尺寸的计算174.1 加热管的选择和管数的初步估算174.2 循环管的选择184.3 加热室直径及加热管数目的确定184.4 分离室直径和高度的确定194.5 接管尺寸的确定20第五章 蒸发装置的辅助设备的选用计算225.1 气液分离器225.2 蒸汽冷凝器的选型设计235.3 封头尺寸的确定26第六章 5设计结果汇总276.1 多效蒸发的工艺计算276.2 蒸发器及辅助设备的结构尺寸设计27第七章 装置流程图及蒸发器设备条件图29第八章 设计评语29附录 30参考文献 33第一章蒸发装置设计任务书1.1 设计题目KNO3 水溶液三效并流加料蒸发装置的设计。
3、1.2 设计任务及操作条件3（1）处理能力5.20 104 t/a KNO3 水溶液（2）设备形式中央循环管式蒸发器。（3）操作条件KNO3 水溶液的原料液质量分数为 0.15，完成液质量分数为 0.45，原料 液温度为 80oC、恒压比热容为 3.5kJ/(kgoC)。加热蒸汽压力为 400kPa（绝压），冷凝器压力为 20kPa（绝压）。各效蒸发器的总传热系数为：K1=2000W/(m oC)，K2=1000W/(m oC)，K3=500W/(m oC)。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，并忽略溶液的浓缩热和蒸发器的热损失，不考虑液柱静压和流动阻力对沸点的影响。
4、每年按 300 天计，每天 24 小时连续运行。厂址：天津地区。1.3 设计项目（1）设计方案简介，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）蒸发装置的辅助设备（5）绘制 KNO3 水溶液三效并流加料蒸发装置的流程图及蒸发器设备工艺简 图。（6）对本设计进行评述。第二章设计方案简介2.1 工艺流程实际工业生产中，大多采用多效蒸发，其目的是降低蒸汽的消耗量，从而提高蒸发装置的经济性。在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，每一效的温差不能小于 57oC。通常，对于沸点升高较大的电解质溶液可采用353效，由 化
5、工物性算图手册1第304 页图 5.9 硝酸盐等水溶液的沸点可知，KNO3溶液沸点升高较大，所以本次设计取 3 效。根据加热蒸汽与物料流向的不同，多次蒸发的操作流程可分为并流、逆流、平流、错流等流程。并流流程也称顺流加料流程，料液与蒸汽在效间流动同向。因各效间有较大的压力差，液料自动从前效流到后效，不需输料泵；前效的温度高于后效，料液从前效进入后效时呈过热状态，过料时有闪蒸出现。并流流程结构紧凑，操作简便，应用广泛。对于并流流程，后效温度低、组成高，料液的黏度逐效增加，传 热系数逐效下降，并导致有效温差在各效间的分配不均。因此，本流程只适用于处理黏度不大的料液。由化工物性算图手册1第 169
6、页图 2.50 硝酸盐水溶液的粘度可知，KNO3 溶液的黏度不大，所以适用本流程。并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算示意图如图 1 所示。2.2 蒸发器形式随着工业蒸发技术的发展，蒸发设备的结构与形式亦不断改进与创新，其种 类繁多、结构各异。本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，其结构中，加热室由一垂直的加热 管束（沸腾管束）构成，在管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管。中央循环管式蒸发器具有结构紧凑、制造方便、操作可靠等优点，故在工业 上应用较广，有“标准蒸发器”之称。但实际上，由于结构上的限制，其循环速 度较低（一般在 0.5m/s 以下）；而且由于溶液在加热管内不断循环，使其组成
7、 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。此外，设备的清洗和检修也不够方便。第三章蒸发器的工艺计算确定蒸发器的传热面积3.1 估算各效蒸发量和完成液浓度总蒸发量因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设 3.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差 设各效间压力降相等，则总压力差为各效间的平均压力差为由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即由各效的二次蒸气压力，从化工原理（上册）第341页饱和水蒸气表可查得相应的二次蒸气的温度和汽化潜热,列于下表中表1 各效二次蒸汽物化数据效数二次蒸气压力，kPa 273.33146.6620二次蒸气温度，（即下一效加热蒸汽的温度）130.05110.
8、4760.1二次蒸气的气化潜热，kJ/kg(即下一效加热蒸汽的气化潜热)2177.332231.002354.9蒸发操作常常在加压或减压下进行，但从手册中很难直接查到非常压下溶液的沸点。当缺乏实验数据时，由化工单元操作课程设计3第 87 页可知，可用下式估算。 a式中常压（101.3kPa）下由于溶质存在而引起的沸点升高，oC；D 操作压力下由于溶质存在而引起的沸点升高，oC;f 校正系数；T 操作压力下二次蒸气的温度，oC；r 操作压力下二次蒸气的汽化潜热，kJ/kg。常压下水的沸点为 100 oC。由化工原理（上册）2第 349页无机盐水溶液的沸点表知，常压下不同 质量分数的 KNO3 沸
9、点如下表表2 常压下不同质量分数的 KNO3 沸点质量分数18.8%26.1%45%沸点101.5102.3104.8（1）各效由于溶液沸点升高而引起的温度差损失为 oC oC oC由于不考虑液注静压和流动阻力对沸点的影响，所以蒸发装置的总的温度差损失为（2）各效料液的温度和有效总温差根据已估算的各效二次蒸气压力 p i 及温度差损失 Di ，可根据下式估算各效溶液的沸点 titi = T i + Di各效料液温度为 有效总温度差由由化工原理（上册）2第 341页饱和水蒸气表可查得400kPa饱和蒸汽的温度为143.4 ,汽化潜热为2138.5kJ/kg，所以3.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水
10、量的初步估算由化工单元操作课程设计3第 88 页可知第 i 效的热量衡算式为由于忽略溶液的浓缩热及蒸发器的热损失，即可忽视热利用系数（ =1），所以式中 第 i 效加热蒸汽量，t/a，当无额外蒸汽抽出时，Di = Wi -1 ； 第 i 效加热蒸汽的汽化潜热，kJ/kg；第 i 效二次蒸气的汽化潜热，kJ/kg；原料液的比热容，kJ/(kgoC)；水的比热容，kJ/(kgoC)；ti 、 ti -1 分别为第 i 效和第 i-1 效溶液的温度（沸点）oC。第I 效的热量衡算式为 第II 效的热量衡算式为 第III 效的热量衡算式为 又t/a 联立 ，计算得 W1=10517t/a W2=114
11、34 t/a W3=12715 t/a D1=15121 t/a与第一次计算结果比较，其相对误差为计算相对误差均在 0.05 以下，故各效蒸发量的计算结果合理。3.4 蒸发器传热面积的估算任一效的传热面积为式中Qi 第 i 效的传热速率，W；Ki 第 i 效的总传热系数，W/(m2 )；iS 第 i 效的传热面积，m2；oDti 第 i 效的传热温差， 。所以误差为，误差较大，应调整各效的有效温差，重复上述计算过程。3.5 有效温差的再分配 重新分配有效温度差,得3.6 重复上述计算步骤（1）计算各效料液浓度由所求得的各效蒸发量，可求各效料液的浓度，即（2）计算各效料液的温度因末效完成液浓度和
12、二次蒸气压力均不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液的温度仍为63.76，即则第效加热蒸汽的温度（也即第效二次蒸气温度）为 由化工原理（上册）2第349页无机盐水溶液的沸点表知，常压下不同质量分数溶液的沸点如下表表3 常压下不同 质量分数的 KNO3 沸点质量分数18.8%26.1%45%沸点101.5102.3104.8 由化工原理（上册）【2】第 341 页饱和水蒸气表可查得106.45水的二次蒸气的汽化潜热为2241.66 kJ/kg，所以同样也可由化工原理（上册）2第 341 页饱和水蒸气表可查得128.00的二次蒸气的汽化潜热列于表4表4 温度差更新分配后各效二次蒸气的温度和汽化潜热效数二次蒸气温度，（即下一效加热蒸汽的温度）128.00106.4560.1二次蒸气的气化潜热，kJ/kg(即下一效加热蒸汽的汽化潜热)2183.132241.662354.9各效由于溶质存在和大气压而引起的温度差损失 D 各效料液的温度为温度差重新分配后各效温度情况列于下表。表5 温度差更新分配后各效温度情况效数加热蒸汽温度，/有效温度差，/13.6119.1642.69料液温度（沸点），/129.79108.8463.76（3）各效的热量衡算第
