naoh水溶液三效并流加料的蒸发装置——化工原理课程设计

中南大学化工原理课程设计设计题目NAOH水溶液三效并流加料的蒸发装置学院化学化工学院专业班级高级工程人才实验班学生学号1507110128学生姓名姚玉婷指导老师邱运仁目录1设计任务（3）2设计方案简介（4）23三效并流蒸发设计计算（5）4蒸发器的主要结构尺寸的计算（16）5蒸发装置的辅助设备的选用计算（19）6三效蒸发器结构尺寸确定（217附图（238参考文献（25）9后记（26）10CAD图（27）1设计任务11设计条件（1）处理能力年产30000吨NAOH水溶液（2）设备形式中央循环式管式蒸发器（3）操作条件3NAOH水溶液的原料浓度为10，完成液体浓度为40，原料液温度为第一效沸点温度。加热汽压力为500KPA（绝热），冷凝器的绝压为155KPA热）。各效蒸发器的总传热系数分别为K13000W/（M20C）K21500W/（M20C）K3750W/（M20C）蒸发器中溶液的液面高度为2M。各效加热蒸发汽的冷凝液在饱和温度下排出，忽略热损失。每年按照330天计，每天24小时12附加说明（1）设计方案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）主要辅助设备选型，包括气液分离器及蒸汽冷凝器等。（5）绘制NAOH水溶液三效并流加料蒸发装置的设备工艺简图（6）对本设计进行评述2设计方案简介21设计方案论证多效蒸发的目的是通过蒸发过程中的二次蒸汽再利用，以节4约蒸汽的消耗，从而提高蒸发装置的经济性。目前根据加热蒸汽和料液流向的不同，多效蒸发的操作流程可以分为平流、逆流、并流和错流等流程。本设计根据任务和操作条件的实际需要，采用了并流式的工艺流程。下面就此流程作一简要介绍。并流流程也称顺流加料流程（如图1），料液与蒸汽在效间同向流动。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呈过热状态，过料时有闪蒸出现。此流程有下面几点优点各效间压力差大，可省去输料泵；有自蒸发产生，在各效间不必设预热管；由于辅助设备少，装置紧凑，管路短，因而温度损失小；装置操作简便，工艺条件稳定，设备维修工作减少。同样也存在着缺点由于后效温度低、浓度大，因而料液的黏度增加很大，降低了传热系数。因此，本流程只适应于黏度不大的料液。2蒸发器简介随着工业蒸发技术的发展，蒸发设备的结构与型式亦不断改进与创新，其种类繁多，结构各异。根据溶液在蒸发中流动情况大致可分为循环型和单程型两类。循环型蒸发器可分为循环式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等；单程蒸发器包括升膜式、降膜式、升降膜式及刮板式等。还可以按膜式和非膜式给蒸发器分类。工业上使用的蒸发设备约六十余种，其中最主要的型式仅十余种。本设计采用了中央循环管式蒸发器，下面就其结构及特点作简要介绍。5中央循环管式蒸发器（如图2）又称标准蒸发器。其加热室由一垂直的加热管束（沸腾管束）构成，管束中央有一根直径较大的管子叫做中央循环管，其截面积一般为加热管束截面积的40100。加热管长一般为12M，直径2575MM，长径比为2040。其结构紧凑、制造方便、操作可靠，是大型工业生产中使用广泛且历史长久的一种蒸发器。至今在化工、轻工等行业中广泛被采用。但由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在05M/S以下）；管内溶液组成始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温差小；设备的清洗和检修不够方便。其适用于结垢不严重、有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液。3三效并流蒸发设计计算31估计各效蒸发量和完成液浓度FX0（FW）X3（1）其中F每小时的进料量，KG/HW每小时的水份蒸发总量，KG/H130X7102841KG/24H因并流加料，存在着自蒸发，又蒸发中无额外蒸气引出，可取W1W2W311112因为WW1W2W3计算出各效的蒸发量WIW1861KG/HW2947KG/H6W31033KG/H由（1）式得（2）X1F3II由（2）式得计算出各效的浓度I0I012FXXW378136022094X304估计各效液的沸点和有效总温差设各效间压力降相等，则各效间的平均压力差为（3）NPK1式中各效加热蒸汽压力与二次蒸汽压力之差，；KPA第效加热蒸汽的压力，；1PKPA末效冷凝器中的压力，。K则，平均压力差501653PKPA各效压力差可求得各效蒸发室的压力，即101385PKPA235267AKKP表1有关资料列表7效数二次蒸气压力,KPAIP3385177155二次蒸气温度TI，即下一效加热蒸汽温次蒸气的气化潜热RI，KJ/KG即下一效加热蒸气的氢化热215622152367求各效因溶液沸点而引起的温度损失根据各效二次蒸气温度和各完成液浓度XI，由NAOH水溶液杜林线图可得各效NAOH的沸点TAI分别为TA11042TA21074TA31284则各效由于溶液沸点比水的沸点升高而引起的温差损失（4）AF（5）RTF2730161常422常TA2T2743常TA3T328415328232095382209344求由于液柱静压力而引起的温度损失8为方便起见，以液层中点处压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，根据流体静力学方程，液层的平均压力PAVPI（其中L为液面高度，M）（6）2AVGL所以KPA,13,11209838545AVAVHPKPA,23,271720AVAVGKPA,33,31469852AVAVH由平均压力查得对应饱和温度为TPAV11388TPAV21185TPAV3689所以1TPAV1T113881376122TPAV2T211851163223TPAV3T3689546143故1222143177由流动阻力引起的温差损失取经验值1，即1231，则3综合123步得总温度损失3441773551各效料液的温度和有效总温差各效温度损失I111得11115312175222282221114933332091431362各效料液的温度为由TITIIT1T111376751451T2T2211631141269T3T335463629083加热蒸气消耗量和各效蒸发水量的初步计算由热量衡算式QIDIRIFCP0W1CPWW2CPWWN1CPWTITI1WI（7）1在4式，其中DI一第I效加热蒸气量,KG/HRI第I效加热蒸汽的汽化潜热,K/KG第I效二次蒸汽的汽化潜热,K/KG1CP0原料液的比热容,K/KG/CPW水的比热容,K/KG/TI,TI1分别为地I效和第I1效溶液的温度沸点,热损失量,K1Q由7式两边同时除以得1RWIDIRI/FCP0W1CPWW2CPWWN1CPWTITI1/11RQ/（8）1由式8去掉/,乘以热利用系数I，表示上式得1QRWIIDIRI/FCP0W1CPWW2CPWWN1CPWTITI1/1R1R10对于沸点进料T0T1,考虑到NAOH溶液浓度浓缩热影响，热利用系数算式为09807IIX其中为第I效蒸发器中液料溶质质量分数的变化IX109871309523834第效热衡算式为W11DR0PFC1TRA111123950946DR第效热衡算式为02312111145269W09837808725WPTRFCWWRB同理得第效02323111221569080837848714376056WPPRTFCRC又W1W2W32841D联解式A至D,可得W1100088KG/HW299185KG/HW384827KG/HD1106477KG/H蒸发器传热面积估算119IITKQS式中第效的传热面积，；I2M第效的传热速率，；IW第效的传热系数，；IK/2C第效的传热温差，C。IT则3510647210/6210/QDRKJH15TTT2113160SMKT3521821560/610/QWRKJH23797TTT5222310SMKT35329851/601/QWRKJH3169TTT52330317SMKT误差，误差较大，应调整各效的有效温差，MINAX161537S使三个蒸发器的传热面积尽量相等，重复上述计算过程。12有效温差的再分配取平均面积123STS231673095M若Q不变，重新分配有效温差得IIST16283C2710TTS3954重复上述步骤计算各效料液的质量分数0113781036FXXW021221934X计算各效料液温度因末效完成液浓度和二次蒸发汽压力均不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液温度仍为908即T3908则第效加热蒸气的温度为T3T2T3T39082451153查杜林图，得第效料液沸点为TA21152,由液柱静压力及流动阻力引起的温度损失可视为不变,故第效的料液温度为T2TA2221152962141012813同理T2T1T2T2128121399查杜林图，得第效料液沸点为TA1140，则T1TA1111400958101477由上知，各种温差损失变化不大，无需重新计算。故有效总温差不变，即469温差重新分配后各效温度列于表2T表2各效温差重新分配表效次加热蒸汽温度T11517T1140T21152有效温差，T163T2120T3245料液温度，T11478T2128T3908各效热量衡算查手册得出T1140R12149KJ/KGT21152R222184KJ/KGT3546R32367KJ/KG第效098070980701360109551IXE111123W095094DRD第效092820121221114947280837806482WPRTFCWWR（F）14第效084730232312121184890W073748527396367WPPRTFCWWRG又W1W2W32841KG/HH联解式E至式H，得W11000KG/HW2982KG/HW3859KG/HD11065KG/H与第一次结果比较，计算结果均在005以下，故各效蒸发量计算结果合理蒸发器传热面积计算3210652103QSMKT322498T3238210175065QSMKT误差为，迭代计算结果合理，取传热面积3412M15计算结果列表3表3计算结果表效次冷凝器加热蒸气温度TI,15171401152546操作压力PI,KPA3614717039155155溶液温度沸点TI,1455128908完成液浓度,IX13621040蒸发量WI,KG/H1000982859蒸汽消耗量D,KG/H1065传热面积SI,M234343416蒸发器的主要结构尺寸的计算加热管的选择和管数的初步估算所需管子数N10LDS其中S蒸发器的传热面积，M2，由前面的工艺计算决定D0加热管外径，ML加热管长度，M，取L2M,D038MM有根3041513812SND循环管的选择循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减小的原则来考虑的。中央循环管式蒸发器的循环管截面积可取加热管总截面积的。加热管的总截面积可按计算，循环管内径以表示，104N1D在计算中去60。则10221404IDND即0615381INDM由于管子规格所限，在规格中只能选中379循环管与加热管的长度相同，去20米。加热室直径及加热管数目的确定按正三角形排列，根据加热管间距为48MM及所选定的循环管大17小，可查表及计算得，加热室的内径为806MM。选定加热室为内径1000MM，壁厚10MM。分离室直径和高度的确定分离室的体积计算式为11UWV360式中分离室的体积，；3M某效蒸发器的二次蒸气流量，；HKG/某效蒸发器的二次蒸气的密度，；3M蒸气体积强度，；即每立方米分离室每秒钟U/3SM的二次蒸汽量，一般允许值为。由（11）式，且取,3859/WKGH3085/KG31US所以28593601V分离室体积确定后，其高度与直径的关系HDHD24利用此关系确定高度和直径时应考虑如下原则分离室的高度与直径之比H18M故选H2MD14M12接管尺寸的确定流体进出口的内径按下式计算12UVDS4式中流体的体积流量，；SSM/318流体的适宜流速，。USM/1溶液进出口对于三效并流加料的三效蒸发，第效的流量最大，所以取其为计算量3137810/046SFVMS因为其流动为强制流动，,所以取则有5U1U304061D取管为45M2热蒸汽进口与二次蒸气出口一般情况下，末效的体积流量最大，所以取其为计算量3385921/60WVMS因为其流动为饱和蒸汽流动，,所以取则有U/0SMU/252814037835D取管为69M冷凝水出口一般由各效加热蒸汽消耗量较大者来定，而末效的加热蒸汽消耗量最大，所以取为计算量433102810/6WVMS因为其流动为自然流动，,所以取则有U01M/SSU/519取管428105623DM764M蒸发装置的辅助设备的选用计算气液分离器本设计采用的是丝网式除沫器，其主要作用是为了防止损失有用的产品或防止污染冷凝液体，并且丝网式分离效果更好，本次采用三层结构。蒸汽冷凝器的选型设计本设计采用的是多层孔板式蒸汽冷凝器，其性能参数如表5表4多层孔板式蒸汽冷凝器性能参数表水气接触压强塔径范围结构与要求水量面积大10672000PA大小均可较简单较大蒸汽冷凝器的选型2冷却水量的确定查多孔板冷凝器的性能曲线得155KPA的进口蒸汽压力，冷却水进口温度30，1M3冷却水可冷却蒸汽量为39KG，与实际数据比，偏小,故设计时取LV1331285912687/H3WMX理式中进入冷凝器二次蒸汽的流量，；VKG冷却水量，。LH/32冷凝器的直径取二次蒸汽的流速U15M/S。则2014S4V8594D04831601MU2淋水板的设计淋水板板数因为,取淋水板5块。MD50淋水板间距以经验公式,；NNL61MD200即依次计算出024828L10213243547740326150767LM弓型淋水板的宽度最上面一块；089415BD其他各块淋。/2/257BD淋水板堰高取。HM40淋水板孔径冷却水循环使用，取D9MM。D淋水板孔数淋水孔流速15GHU20式中淋水孔的阻力系数，；9805水孔收缩系数，；820淋水板堰高,。HM取计算09781209281047/UGMS21选冷凝管规格管为4802M则淋水孔数22068716893140936LVNDU考虑到长期操作时易造成孔的堵塞，取最上层孔数应加大即个，其它各板孔数应加大150102812NN5，即。60576淋水孔采用正三角形排列。6三效蒸发器结构尺寸确定表5蒸发器的主要结构尺寸的确定加热管主要结构设计尺寸加热管（无缝钢管）管径规格3825MM加热管（无缝钢管）长度2M加热管（无缝钢管管数150循环管规格3779MM加热室内径1000MM分离室直径1400MM分离室高度2000MM溶液进出口管径4535MM加热蒸气进出口与二次蒸气出口管径4269MM冷凝水出口管径764MM22表6蒸汽冷凝器主要结构的确定蒸气冷凝器主要结构设计尺寸蒸汽冷凝器类型多层多孔式冷凝器冷却水量61044M3/H冷凝器的直径699MM淋水板数7淋水板间距L11240MM淋水板间距L2870MM淋水板间距L3610MM淋水板间距L4430MM淋水板间距L5300MM淋水板间距L6210MM弓形淋水板的宽度560MM淋水板堰高50MM淋水板孔径8MM淋水板孔数560237附图图三效并流蒸发系统24图中央循环管式蒸发器1加热室2分离室3蒸发室W3T3W2T2W1T1X2T2W2T3W1T21X1T1P1P2