化工原理课程设计-蒸发

通常选取2~3效。
△tst
t'
单效
t△
t
2
双效
单效蒸发和双效蒸发有效 温度差的比较
2.3.2 多效蒸发流程
多效蒸发操作蒸汽与物料的流向有多种组合，常见的有： 并流： 溶液与蒸汽的流向相同，称并流。 逆流： 溶液与蒸汽的流向相反，称逆流。 错流： 溶液与蒸汽在有些效间成并流，而在有些效间成逆流。 平流： 每一效都加入原料液的方法。
• 工艺计算及主体设备 设计
• 辅助设备的计算及选 型
• 设计结果概要或设计 一览表
• 结束语（对本设计的 评述及建议）
• 参考文献目录 • 附图 • 生产工艺流程图 • 主体设备简图
二、 蒸发器的设计
2.1 概述 2.1.1 蒸发及应用
(1) 蒸发：蒸发是溶液浓缩的单元操作。 它采用加热的方法，将含有不挥发性溶质 的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部 分汽化除去，从而将溶液浓缩的过程称为 蒸发。
* 完成液：浓缩后的溶液；
* 单效蒸发 ：产生的二次蒸汽不加利用，直接冷凝排出； * 多效蒸发：二次蒸汽作为串联使用的下一个蒸发器的加热 蒸汽。
不凝性气体
单效蒸发流程： 蒸发流程
冷却水
二次蒸汽
料液 加热蒸汽
1
5 4 3 2
冷凝水
1-加热管； 2-加热室；
3-中央循环管； 4-蒸发室； 5-除沫器； 6-冷凝器
三、多效蒸发的计算
（二）蒸发器的主要结构尺寸 中央循环管式蒸发器的主要结构尺寸包括：加热室和分离 室的直径和高度；加热管与中央循环管的规格、长度及在管 板上的排列方式。这些尺寸的确定取决于工艺计算结果。 计算的已知参数包括：料液的流量、温度和组成、最终完 成液的组成、加热蒸汽的压力和冷凝器中的压力等。
▲ 当完成液浓度相同时，多效蒸发中各效温度差损失之和 大于单效蒸发； 即：温度差损失 多效蒸发 ＞ 单效蒸发
▲ 当理论传热温度差一定时，多效蒸发的各效有效传热温 度差之和小于单效蒸发。 即：有效传热温差 多效蒸发 < 单效蒸发
(2) 经济性
▲ 多效蒸发的生蒸汽经济性理论值与效数成正比，其经验 值也随效数增多而增加，但不成正比。
缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降； 不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。
① 升膜式蒸发器
说明：不适于较浓溶液、粘度大、 易结晶、易结垢物料的蒸发。
② 降膜式蒸发器
优点：传热系数较高，与升膜相比，可以 蒸发浓度较高的溶液， 对粘度较大的物料 也能适用。 缺点：结构较复杂。
（3）直接接触传热蒸发器
3.化工原理课程设计内容： (1)设计方案简介; (2)主要设备的工艺设计计算 (3)典型辅助设备的选型和计算 (4)带控制点的工艺流程图 (5)主体设备设计条件图
• 完整的课程设计报告由说明书和图纸两部分组成， 设计说明书应包括所有论述、原始数据、计算、 表格等。编排顺序如下：
• 标题页 • 设计任务书 • 目录 • 设计方案简介 • 工艺流程草图及说明
蒸汽多次利用，对易结晶的物 料较合适（因为结晶体不便在 效与效之间输送）。
三、多效蒸发的计算
（一）多效蒸发的工艺计算 主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。计算的 主要项目有：加热蒸汽的消耗量；各效溶剂的蒸发量；各效 的传热面积。 计算的已知参数包括：料液的流量、温度和组成、最终完 成液的组成、加热蒸汽的压力和冷凝器中的压力等。
4 6
料液
优点：气化在沸腾室进行，循环速度
7
加热
蒸汽
1
3
完
2
成
液 冷凝水
大，有利于减轻或避免加热管表面的 结晶和结垢，传热效果好。
缺点：温差损失大，设备庞大，消耗 材料多，需要高大厂房。
1-加热室；2-加热管；3-循环管；4-蒸发室 5-除沫器；6-挡板；7-沸腾室
列文式蒸发器
强制循环式蒸发器：
利用外加动力使溶液沿一定 方向作高速循环流动
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2.2 蒸发设备
主体设备：蒸发器-----主要由加热室和蒸发室组成。 辅助设备：除沫器、冷凝器。减压操作时还需真空装置。
2.2.1 蒸发器的结构和特点
按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：
（1）循环型蒸发器
特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本 相同，接近于完成液的浓度，操作稳定。 根据引起循环的原因不同，又可分为自然循环和强制循环。
（1）除沫器 作用：利用液体的惯性使气液分离，以除去液沫。
型式：
（2）冷凝器和真空装置
冷凝器：冷凝二次蒸汽。多采用气液直接接触的混合式 冷凝器，如逆流高位冷凝器。 真空装置：排除少量不凝性气体，维持蒸发所需要的 真空度。 水环式真空泵、喷射泵、往复式真空泵。
2.3 多效蒸发的效数及流程
2.3.1多效蒸发问题分析 (1) 温度差损失和有效温度差
下面以三效为例加以说明： （1）并流流程 蒸汽流动方向： 1→2→3 溶液流动方向： 1→2→3
（1）并流流程 优点： ① 由于前效的压强较后效高，料液可借此压
强差自动地流向后一效而无须泵送； ② 溶液由前一效流入后一效处于过热状态会
放出溶液的过热量形成自蒸发，可产生更多 的二次蒸汽，因此第三效的蒸发量最大。
ρ1＝________kg/m3 ρ2＝________kg/m3 ρ4＝________kg/m3 ρ5＝________kg/m3
ρ3＝________kg/m3 ρ6＝________kg/m3
(5)各效蒸发器的总传热系数为：
K1＝________ W/( m2●℃) K2＝________ W/( m2●℃) K3＝________ W/( m2●℃) K4＝________ W/( m2●℃) K5＝________ W/( m2●℃) K6＝________ W/( m2●℃)
基本不变。
缺点：① 由于前效压强较后效高p，1 p2 p3 ，料液从后效往前
一
效要用泵输送。
② 各效进料（末效除外）都较沸点低，自蒸发不会发生，
所
（3）错流流程 溶液流向： 3→1→2或2→3→1
蒸汽流向： 1→2→3 优点：兼有逆流与并流的优点。 缺点：操作较复杂。 （4）平流 各效分别进料并分别出料，二次
代价的。
即： 生产能力：多效蒸发 < 单效蒸发
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生产强度：多效蒸发 < 单效蒸发
(4) 多效蒸发中效数的限制和选择 ▲ 传热温度差的限制； ▲ 设备费用的限制； ▲ 效数选择。
T
t△ s
△T=T-t’
△t 1 △t1t
△t 2
生蒸汽经济性随效数提高幅度减小， 而设备费用始终正比于效数。 选取原则：设备费用和操作费用总和最小，
自然循环蒸发器：
二次蒸气 5
料液
① 中央循环管式蒸发器
加热蒸气
优点：结构紧凑、制造方便、 1
传热较好、操作可靠； 2
缺点：循环速度在0.4~0.5m/s 以下，清洗和维修不方便。
4 3
1-外壳； 2-加热室； 3-中央循环管； 4-蒸发室； 5-除沫器
冷凝水
完成液
中央循环管式蒸发器
② 悬筐式蒸发器
三、多效蒸发的计算
（三）蒸发装置的辅助设备 主要包括气液分离器与蒸汽冷凝器。
三四、多效蒸发系统设计任务书
（一）设计题目：_________________________蒸发系统设计 本课程设计任务是依据实际生产情况并加以一定程度的简化 而提出的。
（二）设计任务及操作条件： 1．处理能力：___________吨原料液/年 2．设备型式：_______________蒸发器 3．各效蒸发器传热面积相等，各效蒸发器的热损失为加热量 的_____% 4．年工作日为________天，运行方式为24小时连续运行
优点：循环速度可稍大、 易于检修、热损失较小； 缺点：结构复杂、单位传 热面的金属消耗量大； 适用：易结晶、结垢溶液 的蒸发。
1－外壳 2－加热蒸气管 3－除沫器 4－加热室 5－液沫回流罐
③ 外热式蒸发器
优点：降低了蒸发器的高度、便 于清洗和更换、循环速度较大。
外热式蒸发器
5
二次蒸汽
④ 列文式蒸发器Βιβλιοθήκη 缺点：后效温度低、组成高，逐效料液的粘度增加， 传热系数下降，并导致有效温差在各效间的分配不均。
（2）逆流流程 溶液流动方向： 3→2→1 蒸汽流动方向： 1→2→3
优点：w1 w2 w3 w， ↑， ↑，1 2 3 t1 t2 t3 ，t ↑， ↓，1 2 3 w 、t 对 的影响大致抵消，各效的K
即：多效蒸发，可提高生蒸汽的经济性。
(3)生产能力和生产强度
▲ 在相同条件下，虽然多效蒸发传热面积为单效蒸发的m倍，
但生产能力小于单效蒸发；
▲ 当多效蒸发的 tT 及各效Ai，Ki ，与单效相同时，多效蒸 发的生产强度小于单效的1/m；
▲ 为完成相同的生产任务，多效蒸发所需要的传热面积大于
单效蒸发的m倍，多效蒸发经济性的提高是以增加设备费为
加热 蒸气
优点：适用于粘度大、易结晶、 1 易结垢物料的蒸发，循环速度 大小可调节，传热系数较大。 缺点：能量消耗大。
5
二次蒸气
4
1-加热室
2-循环泵
3-循环管
完成液
3 4-蒸发室 5-除沫器
冷凝水
2
强制循环蒸发器
（2）单程型蒸发器 特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。 优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的蒸发； 温度差损失较小，表面传热系数较大。
设备：蒸发器，冷凝器 。
二次蒸汽 料液
加热 蒸汽
冷凝水
完成液
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（2）应用： ① 将溶液浓缩后，冷却结晶，获得固体产品； ② 浓缩溶液，获得纯净的溶剂产品； ③ 获得浓缩的溶液产品。
(3) 几个概念 * 加热蒸汽(生蒸汽)：蒸发过程所用的加热蒸汽； * 二次蒸汽：从溶液中蒸出的蒸汽；
2.应提高的能力： • 熟悉查阅文献资料，搜集有关数据，正确选用公
式 • 综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进
行设备选型，并提出保证过程正常、安全运行所 需的检测和计量参数,同时还要考虑改善劳动条件 和环境保护的有效措施 • 准确而迅速的进行过程计算及主要设备的工艺设 计计算 • 用精练的语言、简洁的文字、清晰的图表来表达 自己自己的设计思想和计算结果。
一、化工原理课程设计的要求和内容
1 目的和要求
• 要求能综合运用本课程和前修课程的基本知识,进 行融会贯通的独立思考,在规定的时间内完成指定 的化工设计任务,从而得到化工工程设计的的初步 训练;
• 要求了解工程设计的基本内容,掌握化工设计的程 序和方法,培养分析和解决工程实际问题的能力;
• 使学生树立正确的设计思想,培养实事求是,严肃 认真,高度责任感的工作作风。
完成液
水
硝酸铵水溶液蒸发流程
2.1.2 分类
• 按操作方式：间歇式、连续式； • 按二次蒸汽的利用情况：单效蒸发、多效蒸发； • 按操作压力：常压、加压、减压（真空）； • 真空蒸发的优点：提高传热温差、利用低压蒸汽作
为热源、对热敏性物料的蒸发有利。
2.1.3 蒸发操作的特点
（1）蒸发器实质是一种两侧流体发生相变的换热器； （2）溶液的沸点升高 生蒸汽温度一定时，传热温差小于加热纯溶剂时的传热温差 （3）溶剂汽化时消耗大量能量为减小能耗必须提高加热蒸 汽利用率。 （4）根据物料本身特性(如粘度、结晶性、热敏性等)合理 选择设备和操作流程。
5．操作条件
(1)原料液为质量浓度为_____%的_________水溶液，末效完成液质
量浓度为_____%
(2)原料液温度为_____℃，原料液的恒压比热容为_____kJ/(kg●℃)
(3)一次蒸汽的压强为_______kPa(绝压)，蒸汽冷凝器压强为
_______kPa(绝压)
(4)各效蒸发器中溶液的平均密度为：
(6)各效蒸发器中液面的高度均为________ m
(7)各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出，蒸汽冷凝器冷却
水入口温度为_______℃
(8)采用惯性式汽液分离器设置在蒸发器分离室顶部，采用多孔板
式的蒸汽冷凝器。
(三)设计项目： 1．设计方案的确定及流程说明； 2．蒸发器的工艺计算，计算一次蒸汽的用量； 3．蒸发器主要结构尺寸的设计： (1)换热管尺寸、根数，实际传热面积，循环管的尺寸； (2)加热室、分离室结构尺寸； (3)各接管尺寸； 4．蒸汽冷凝器工艺结构设计和冷却水用量计算；
气汽混合物 燃料气
空气
优点：结构简单，适用于易结晶、 3 易结垢和具有腐蚀性物料的蒸发。 2 传热效果好，热利用率高。
缺点：不适用于不可被烟气污染 进料 物料的处理，且二次蒸汽利用受 到限制。
出料
4
1 1-外壳 2-燃烧室 3-点火口 4-测温管
直接接触传热(浸没燃烧)蒸发器
2.2.2 除沫器、冷凝器和真空装置