化工原理设计说明书-三效并流蒸发器

设计题目：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 3.96X 1()4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)Na()H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：
^^lOUkg/m', kg/m', 3= 1239 kg/m ' ；
⑵加热蒸气压强为500kPa (绝压)，冷凝器压强为15 kPa (绝压)：
⑶各效蒸发器的总传热系数：兀二15()0W/(m2弋)，AT2=1000W/(m2 - °C),
A73=6OOW/(m2 • °C)；
(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；
⑷绘制NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的流程尺蒸发器设备工艺简
图；
(5)对本设计的评述
1
目录
（一）蒸发器的形式.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......................
2
（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髙，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。

1
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
①溶液从压强和温度髙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
②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。

③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髙，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，温度也随之增髙，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：
①溶液在效间是从低压流向高压的，因而必须用泵输送。

②溶液在效间是从低温流向高温，每一效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。

③完成液在第一效排岀，其温度较高，带走热量较多而且不利于热敏性料液的蒸发。

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
2
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
3
(二)工艺设计
1 •估算各效蒸发畳和完成液浓度
总蒸发量:
3.96 X 1（）4吨 / 年二3.96 X 104-F 330 一24= 5000^?
iy=F(l-¥)= 5()()()X (1-^|) =400()如?
因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设
W f. Wi W3=\.MAA2
W=【亿+匹+巧=3.3叭
解得
W i=^- = \2\2kg/h
匹=1212 X 1.1 = 1333矽7?
W3= 1212X1.2=1454矽7?
"=r w ="（"卩（八=（）・（）66 r -W{5000-1212
5000x0.05
5000—1212 —
1333
兀 3 = 0.25
2.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：
工吐R ~P A =500-15=485 kPa
各效间的平均压强差为
AP,=弓_ 485 _]65
3 3
由各效的二次蒸汽压强，从书中査的相应的二次蒸汽温度和比汽化焙列于下表中：
4
（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T；（亦即相同压强下水的沸点）和各效完成液的浓度"，由NaOH水溶液的杜林线图査的各效溶液的沸点f A.i分别为：
Cu =138.5°C 4,2 =123.1°C 『A,3 =65.3°C 则各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失为
△1 =4,1/ = 138.5-137.6=0.9°C
人2 = G,2-^2 =123.1-116.2=6.9°C
t 1
= G,3-r3 =65.3-53.5 = 11.8°C
所以
工A =0.9 + 6.9+11.8=19.5°C
(2)各效由于溶液静压强所引起的温度差损失A'
根据
得
P“j =339 X103 + ⑴⑴彳。

•引9心=346 X l(pp a=346kPa 2
P,“ 7=178X1O3+ "叫=186X 103Pa=l86kPa 2
P,“ 3 = 15 X 1 ()3 + 12込9.X1 少=24X103 Pa = 24kPa
2
根据各效溶液的平均压强，由书中査得对应的饱和温度为：
丁皿」=138.3°C T”],2—117.6°C ^/«.3 — 65.0 °C 从而得
l«I
Al =T mA-T\ =138.3-137.6=0.7°C
人2 =几,2-丁2 =117.6-116.2 = 1.4，C
A3 = 丁叭3 丁3 =65.0-53.5= 11.5°C 所以
+ A2 + A3 =0.7+1.4+11.5= 13.6°C
(3)由于流体阻力产生压强降所引起的温度差损失
根据经验取
IM HI HI
亠=亠=A3=i r
所以
. 、iii HI »•»•»!
，A = A】+ A2 + A3=3°C
(4)各效溶液的沸点和有效总温度差
溶液的沸点
G =人 + 人1 =137.6+0.9+0.7+1 = 140.210
「 I
『2=0 + A2 =116.2+6.9 + 1.4+l = 125.5°C
(3 = 3 + 人3 =53.1 + 11.8+11.5 + l=77.3°C
有效总温度差
工3 =(7；—力―工A
=(151.7-53.5)- (19.5+13.6 + 3)
= 62・1°C
3 •加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算
第一效的焙衡量式为:
D“ * FCp o (/o _ 4)
因沸点迸料，故'o =r i
D,r, 必=巾亠
〃1 = 0.98-0.7 X (x i-x o)
3
uz 2113x0
"1 = 0.96888 X —― =0.9499 9
(a)
第二效的焰衡量式为：
% /举 +(%。

-叱
"L 厂2
厂2
」
“2 =0.98-0.7 X (无2 ・兀1) = 0.98-0.7 X (0.102-0.066) =0.9548
査表得
c
P y\\ ~ 4.282 kj/(kg - °
C) (5000 x 3.7 - 4.282 x WJ (140.2 — 125.5) + 2215
= 0.9018 % +117.2 = 0.8566/)!+117.2
7
第三效的焰衡量式为：
（FCpo — W]C 严州一—『3）
0.98-0.7 X (尤3・尤2) =0.98-0.7 X (0.25-0.102) =0.8764
査表得
m 2155 xW,
“2 =0.9548 一"]5_
(b)
C
P
SV2 — 4.245kj/(kg - °C)
% =().8764 2215 xM
2370
(5000 x 3.7 - 4.282 x W】一4.245 x % )(125.5 - 77.3)
「2370
= 0.8764 (0.9346% +376.3-0.0871 % -0.0863 ) = ().7435% + 329.8-().0763 "1
= 0.7435 X (0.8566 +117.2) + 329.8-0.0763 X 0.9499
=().5644 Q+416.9
%+% + %=4000
联立(小、山)、(C)、(d)式，解得
D =1462kg/h
W] =1389kg/h
巴=1369kg/h
W? =1242kg/h
4.估算蒸发器的传热面积(c)
(d)
Qi
KM
8 Q\=1462X2113 = 3()892()6“
f
02 =Wj 人=1389 X 2155=2993295 w
I
Q3 = W2r2=1369X2215 = 3032335“
Ag = T]一人=151・7-14()・2=11.5°C
I
A‘2 =W_，2 = T\—『2 =137.6-125.5= 12.1 °C
t
&3 =73_Z3 =72_G =116.2-77,3=38.9°C
€ = © 3089206 2
' K]Af] = 1500x11.5 =49.75 加
€ _ @2993295 ”，
山一吋=1000x12.1^5 皿.72〃
乂 _ 2 3032335 2
3 _ 和匚=600x38.9十=%（）*m
误差估算
1-5 min/ S max < 0.05
1 一= o.47 > 0.05 68.72
所以需调整各效的有效温度差
5.重新分配各效的有效温差
S| Afj + + Af
_ 49.75 x 11.5 + 68.75 x 12.1 + 36.08 x 38.9 11.5 +
12.1 + 38.9
2
= 44.92 加
如 xll.5" 44.92
12.74C
Ar 3 = ^f-Ar 3_ f22^xi i.5 = 3124t
S - 44.92
3L24C
6.重复上述计算步骤
(1) 由所求得的各效蒸汽量。

求各效溶液的浓度。

他们分别为：
r _ Fx°
5000x0.05 - F-W l = 5000-1389 =0*()69 丫 _ &o
5000x0.05
T F-W X -W 2 = 5000-1389-1369 =()112 x 3 = 0.25
(2) 计算各效溶液沸点
因末效完成液浓度和二次蒸汽压强不变，各种温度差损失可视为恒定，故末 效溶液的沸点『3不变。

则第三效加热蒸汽温度(即第二效二次蒸汽温度)为：
T 3=T 2=t 3 + At 3
= 77.3+31.24=l()8.5°C
由第二效的二次蒸汽温度⑺及勺查杜林线图得第二效溶液的匚,2 ,且由于
Il
in
静压强引起的温差损失A 及由于流体阻力引起的温差损失△可视为不变，故 第二效溶液的沸点为：
H
"・
(2 — G.2 + A? + A?
= 115.4+1.4+1=117.8°C
10
49.75
44.92
xll.5
18.52°C
同理
T° =7\ = 2 + △匚
=125.5+18.52=144.()°C
由A'、"査杜林线图得第一效溶液的
It U9
r i = f AA +A[ +4
= 137・5+()・7+1=139・2°C
各效的恰恒算
Cp , KJ (kg - °C)=0.98-0.7 X (兀1・兀0 )
=0.98-0.7 X (0.069-0.05) =0.9667
2113x0]
—“ ]3一 =()・9667 D,
/72 = 0.98-0.7 X (x 2-x \)
=0.98-0.7 X (0.112-0.()69) =0.9499
11 蜥“ I (FCp.o —尚)01 —『2)
丫2
6 _
2113 x% (5000 x3.7-4.318 x)(139.2-117.8)~ 2159
2159
_
= 0.9499 (0.9787% +183.4-0.0428^1 ) = 0.8890^+174.2 = 0.85942+174.2
〃3=().98-().7X (X 3-X 2)
= 0.98-0.7 X (0.25-0.112) =0.8834
I 他二仍I (FCp.O —刚Cp.M — %C“W2)(f2—「3)
3
L r 3
r
3 _
「2159 xW 2 (5000 x3.7-4.318 xW, -4.279 x W 2)(117.8-77,3)_ = 0.8834 [
— +
2236 _
= 0.8834(0.9656% +335.1-0.0782M -0.0775% ) =0.9947% +296.0-0.0691 % = ().5735 0+489.8
(c)
r
l = 0.9667 X
=0.9499
(b)
%+% + %=40()()(d)
12
联立(a)、(b)、(c)^ (d)得
D =1390kg/h
"1 =1344kg/h
巴=1369kg/h
W3 =1287kg/h
(4)计算蒸发器的传热面积
Qi = D x r x = 1390 X 2113 = 2937070 W
f
Q2=W“ = 1344 X 2113=2839872 w I
Q3 = w2r2 =1369X2159 = 2955671 w
Afj =T\ -t x = 151.7-139.2 =12.5°C
Af2=T2-t2 = Tj -r2 =i8.5°c
Ar3= T3-t3=T2-t3 =3i.2°c
误差估算
1 — 5 min/ S max < 0.05
1-旦= 0.03 <0.05
43.9
13
误差结杲合理
S= Si +S2 +S3
_ 3
43.5 + 42.6 + 43.9 (2)
= ---------------------------- = 433 m
3
1.加热管的选择和管数的初步估计
选用d产①57x3.5 mm规格的无缝钢管，长度为L=2m
I
估算管于数n
S
n = ---------------------
加()(厶_0.1)
43.3
= 128
3.14x57-1000 x(2 - 0.1)
2.循环管的选择
内径°,的计算公式
—D? = (0.4 ~ 1)H—船
4 1 4 1
整理得
D i =d*(0・4~W
I
因为巾和斤相差不大，所以统一用一种规格的循环管。

Dj =50-1000x/0.4xl28 = 0.4 m 3.加热室直径和加热管数目的确定
(1)管心距离：
t = 57x1.31 = 75mm (2)计算管数中心线上管数
= 2.394 n?
正三角形：(” •为奇数)
丄
= 1.1x128^ =13
15
(3) 初估加热室内径
D = t(n c -1) + 2/?( b = (1 〜1.5)do )
= 75 4-1000x(13-1) + 2x(1x57 4-1000) = 1.041m
(4) 作图，见第2张草图
4. 分离室直径与高度的确定
分离室体积的计算公式
宀3600 ><”(卩=1・ 1 〜l ・5n?/ ・s)
1287
3600 x pU 3600x0.09956xl.5
因为叫体积最大，所以选择2.394m 3
由体积确定直径
1344
3600 x pU
―巴
-3600 XQ U
3600x1.779x1.5 =0J4°m
1369
3600x0.7280x1.5 ~ °348 m
V=-D2H
4
取
£1 D
解得
H=1.45m
D 二1.45m
16
5.接管尺寸的确定
流体进出口接管的内径计算公式
蒸发器的主要接管有溶液进出口、冷凝水进出口、加热蒸汽进口与二次蒸汽出口（1）溶液进口
第一效
5% NaOH 密度为P = 1054 Vm
V 旦5000 、
5 p = 1054x3600 _0-()0132m7S
第二效4x0.00132
3.14x3
=0.024
= 0.016 m
比 5000-1344 _
p = 1014x3600 _（）-（）（）lm7S
(2)溶液的岀口
a =
第三效
1^21 =0.0206 m 3.14x3
比 5000-1344-1369 _
~p =
1060x3600-（）.（）（）（）6m7S 14x0.0006
V 3.14x3
= 0.016
因为第一效管于最大，所以选择0.024m 第一效
巴 5000-1344_ 厂 P = 1014x3600
_（）-021m7S
d =
1^21 =0.0206 m 3.14x3
17
第二效
比 5000-1344-1369 _
~p = —1060x3600— -（）.（）（）（）6m7S
14x0.0006
V 3.14x3
第三效
化 5000-1344-1369-1287
7 =
1239 x 3 6 00 =（）
-
（X ）（）224m7S
18
4x0.00^=0 0 3.14x1.5
第三效 “_叱
1369 _
、
s
~ p = 1000x3600~()-()0038()m 7S
d =
因为第一效管于最大，所以选择o.0181m
(4)加热蒸汽进口
第一效
0.000224
\ 3.14x3
= 0.0098
因为第一效管于最大，所以选择0.0206m
(3)冷凝水进岀口
第一效
1390
s
~~p = 1000x3600 _()-()()()386m7S
4X0.009竺"0⑻亦 3.14x1.5
第二效
1344
Vs
~~p ~ 1000x3600
0.000373m 3/S
4xO.OO^=oo 3.14x1.5
m
巴 1390 _
‘一 p = 2.667x3600 _0-145m7S
第二效
比 1344
_
~p = 2.598x3600 _(U44m7S
第三效
W 1369
1/ — ___ s_ ___________________ =
s
~y =
0.728 x 3600
°-
214m7s
=
0,0826 m
因为第三效管于最大，所以选择0.0826m
(5) 二次蒸汽岀口
第一效
/_叱 1344 _
厂万= 2.598x3600
曲'/S
a = 第二效
V _ 坠 1369 _ s
~~p = 1.779x3600 _()-21W/S
14x0.145 V3.14x40
=0.0680
14x0.144
V3.14x40
=0.0677
皿£=0.0677 3.14x40
第三效
W 1287
~~p = 0.7280x3600 一（皿列亦/S
因为第三效管于最大，所以选择0.0826m
6. 处理数据结果
计算值
取用值
备注
中央循环管/nun 内径400
①426x10
加热管/mm ① 57x3.5
①57x3.5, L = 2000
加热室规格/mm
内径1041 ①1100x20
分离室规格/mm
内径1450
高 1450
①1500x10,厶= 1450
料液进口管/nrn) 内径24 ① 33.5x3.25
加热蒸汽进口管/mm 内径82.6 ① 108x8
冷凝水岀口/mm 内径18.1 ① 26.8x2.75
完成业岀口管/mm
内径20.6
① 26.8x2.75
14x0,214 V3.14x40
=0.0826
19
/ 4x0.491
V3.14x120
=0.0556
20 （四）设计感想
22。