NaOH水溶液三效并流加料的蒸发装置

西南科技大学《化工原理》课程设计说明书设计题目NaOH水溶液三效并流加料的蒸发装置学院制造科学与控制工程指导老师张健平专业班级过控0803学生学号20085440学生姓名王成全完成时间2011年11月27日2目录1.设计任务……………………………………………………….…（3）2.设计方案简介………………………………………………….…（4）3.三效并流蒸发设计计算…………………………………………（7）4.蒸发器的主要结构尺寸的计算……………………………...…（20）5.蒸发装置的辅助设备的选用计算…………………………...…（24）6.三效蒸发器结构尺寸确定………………………………………（27)7.参考文献…………………………………………………...……（29）8.总结……………………………………………….………..……（30）31设计任务及操作条件1.1设计任务处理量：）（hkg/7200的NaOH水溶液料液浓度：%6.10的质量分数产品浓度：%30的质量分数1.2操作条件加料方式：三效并流加料，如图1所示：图１三效并流蒸发系统原料液温度：第一效沸点温度各效蒸发器中溶液的平均密度：31/1014mkg，32/1060mkg，33/1239mkg加热蒸汽压强：kPa500（绝热），冷凝器压强为kPa20（绝热）各效蒸发器的总传热系数：)/(150021KmWK，)/(100022KmWK)/(60023KmWK4原料液的比热容为)//(77.3CkgkJ各效蒸发器中溶液的液面高度：m5.1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。1.3设备形式：中央循环式管式蒸发器1.4厂址：四川绵阳1.5工作日：每年按照300天计，每天24小时连续运行。1.6设计内容（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设计方案简介2.1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5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：①各效间压力差大，可省去输料泵；②有自蒸发产生，在各效间不必设预热管；③由于辅助设备少，装置紧凑，管路短，因而温度损失小；④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。2.２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。中央循环管式蒸发器又称标准蒸发器，如下图图2。6图２中央循环管式蒸发器1-加热室2-分离室3-蒸发室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%100~%40。加热管长一般为2m~1，直径75m~25，长径比为40m~20。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0.5m/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。73三效并流蒸发设计计算三效并流蒸发设计计算按照图3进行计算。图３并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算3.1各效蒸发量和完成液组成的估计总蒸发量)1(30xxFW……………………………………...…（1）式中F—原料液量，hkg/；W—总蒸发量，hkg/；0x—原料液溶质的质量分率，无因次；3x—第Ⅲ效中完成的产品质量分率，无因次。则：hkgxxFW/4656%30%6.1017200)1(30）（在蒸发过程中，总蒸发量为各效蒸发量之和，即iWW……………………………………………….…（2）式中iW—各效的蒸发量，hkg/。8且对于并流加料，因存在闪蒸现象，又蒸发中无额外蒸气引出，可取2.1:1.1:1::321则，计算出各效的蒸发量iW：hkgWW/9.14103.311hkgWW/0.15523.31.12hkgWW/1.16933.32.13任一效中完成液的组成为iiWFFxx0………………………………………..………（3）式中ix—各效完成液溶质的质量分率，无因次。则，计算出各效的质量分率ix：132.09.14107200%6.107200101WFFxx180.015529.14107200%6.107200202WFFxx3.03x３.２各效溶液沸点及有效总温度差的估计设各效间压力降相等，则各效间的平均压力差为nPPPK1………………………..……………..………（4）式中P—各效加热蒸汽压力与二次蒸汽压力之差，kPa；1P—第Ⅰ效加热蒸汽的压力，kPa；KP—末效冷凝器中的压力，kPa。9则，平均压力差：kPaP160320500由各效压力差可求得各效蒸发室的压力，即：PaPPPk34016050011PaPPPk1801602500212PaPPKk20'3表1查得有关资料列表效数ⅠⅡⅢ二次蒸气压力PaPKk,34018020二次蒸气温度CTK,3.1376.1161.60(即下一效加热蒸汽温度)二次蒸气的气化潜热kgkJrK/,3.21553.22149.2354(即下一效加热蒸气的氢化热)３.２.１求各效因溶液中溶质存在引起的沸点升高（温度损失）由公式af……………………………………………...………（5）rTf2)273(0162.0…………………………………………（6）式中a—常压下（kPa3.101）由于溶质存在而引起的沸点升高，C；—操作压力下由于溶质存在而引起的沸点升高，C；f—校正系数；T—操作压力下二次蒸汽的温度，C；10r—操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，kgkJ/。由表1有关数据和公式（6）得表2效数ⅠⅡⅢf27.111.176.0查附录的氢氧化钠溶液在kPa3.101下的沸点得表3效数ⅠⅡⅢix132.0180.03.0Bt溶液的沸点104107118a4718由表1数据、表2和公式（5）（6）则，求得：各效因溶液中溶质存在引起的沸点升高:C1.527.141C8.711.172C7.1376.0183所以C6.267.138.71.5３.２.２求由于液柱静压力而引起的沸点升高（温度差损失）为简便计，以液层中部点处的压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，则根据流体静力学方程，液层的平均压力为112gLPPmm……………………………………………….（7）式中mP—液层的平均压力，kPa;P—液面处的压力，即二次蒸汽的压力，kPa;m—溶液的平均密度，3/mkg;L—液层高度，m;g—重力加速度，2/sm。则得：kPagLPPmm5.347100025.181.910143402111kPagLPPmm8.187100025.181.910601802222kPagLPPmm1.29100025.181.91239202333溶液的沸点升高为Bmtt………………………………………………….（8）式中mt—平均压力mP下溶液的沸点，C；Bt—液面处压力（即二次蒸汽压力）P下溶液的沸点，C。作为近似计算，式（8）中的mt和Bt可分别用相应压力下水的沸点代替，则由液层的平均压力查得相应水的沸点温度为：CTm3.1381CTm1172CTm9.653则CTTm0.13.1373.138111CTTm4.06.116117222CTTm8.51.609.6533312故C2.78.54.00.1３.２.３由流动阻力引起的温度差损失由取经验值，各效间的温度差损失取C1,末效与冷凝器间约为C5.1~1则C5.35.111综合以上三个引起的温度差损失，得总温度损失：C3.37３.２.４多效蒸发中的有效传热温差t)(1KTTt………………………………………（9）式中t—有效总温差，为各效有效温差之和，C；1T—第Ⅰ效加热蒸汽的温度，C；KT—冷凝器的操作压力下二次蒸汽的饱和温度，C；—总的温度差损失，为各效温度差损失之和，C。各效的温度损失iiii………………………………………..（10）式中i—各效的总温度损失，C；iii,,—各效中的各种温度损失，C。则：C1.70.10.11.51111　C2.90.14.08.72222　C215.18.57.133333　各效料液的温度iiiTt………………………………………………..（11）13式中it—各效料液的温度，C；iT—各效操作压力下二次蒸汽的温度，C。再由式（10）得的数据和式（11）则得：CTt4.1441.73.137111CTt8.1252.96.116222CTt1.81211.60333再由公式（9）可得：由查附录可知kPa500饱和加热蒸汽的温度为C7.151，汽化潜热为kgkJ/2.2113且CTTK1.603则：CTTtK9.563.371.607.151)(1）（3.３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：iiiipwipwpwpoiiirWttcWcWcWFcrDQ))((121…（12）由上式可求得第i效的蒸发量iW。若在热量衡算式中计入溶液的浓缩热及蒸发器的热损失时，尚需考虑热利用系数。对于一般溶液的蒸发，可取x7.098.0（式中x为以质量分率表示的溶液的组成变化）。第i效的蒸发量iW的计算为iiipwipwpwpoiiiiirttcWcWcWFcrrDW1121)(……（13）式中iD—第i效加热蒸气量,hkg/，当无额外蒸汽抽出时，1iiWD；ir—第i效加热蒸汽的汽化潜热,kgkJ/；ir—第i效二次蒸汽的汽化潜热,kgkJ/；poc—原料液的比热容,CkgkJ/；14pwc