化工原理课程设计——三效逆流蒸发器

NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的设计设计单位：设计者：设计日期：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2.5×104吨/年NaOH水溶液2.设备形式蒸发器3.操作条件a．N aOH水溶液的原料液浓度为10%(wt)，温度为35℃，用预热器加热至第一效沸点温度，再送进蒸发器；完成液浓度为40%(wt)。

b．加热蒸汽压强为500kPa（绝压），末效为真空，压力为15.5kPa（绝压）。

c．各效传热系数分别为：K1=3000W/(m2·℃)K2=1500W/(m2·℃)K3=750W/(m2·℃)d．各效蒸发器中的液面高度：1.5-2.5m。

e．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。

f．每年按330天计，每天24小时连续运行。

三、设计项目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，包括预热器、汽液分离器及蒸汽冷凝器。

5.绘制NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的流程图及蒸发器总装配图。

目录1.概述 (1)1.1蒸发操作的特点 (1)1.2蒸发设备及蒸发器 (5)1.3三效蒸发工艺流程 (10)2.工艺计算及主体结构计算 (11)2.1三效蒸发工艺计算 (11)2.1.1三效蒸发器设计流程 (11)2.1.2设计计算 (13)2.2蒸发器主要结构计算 (23)3.蒸发装置辅助设备选型 (30)4.探索使用Aspen Plus设计蒸发器方法 (33)5.后记 (35)1、概述1.1蒸发操作的特点蒸发是将非挥发性物质的稀溶液加热沸腾，使溶剂气话，溶液浓缩得到浓溶液的过程。

1.1.1蒸发的基本流程蒸发过程的两个必要组成部分是加热溶剂使水蒸气汽化和不断除去汽化的水蒸气，前一部分在蒸发器内进行，后一部分在冷凝器完成。

蒸发器实质上是一个换热器，由加热室和分离室两部分组成，加热室通常用饱和水蒸气加热，从溶液中蒸发出来的水蒸气在分离室分离后从蒸发器引出，为了防止液滴随蒸汽带出，一般在蒸发器顶部设有气液分离用的除沫装置从蒸发器蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，在多效蒸发中，二次蒸汽用于下一效的物料加热。

冷却水从冷凝器顶加入，与上升的蒸汽接触，将它冷凝成水从下部排出，不凝气体从顶部排出。

通常不凝气体来源有两个方面，料液中溶解的空气和系统减压操作时从周围环境中漏入的空气。

料液在蒸发器中蒸浓达到要求后称为完成液，从蒸发器底部放出，是蒸发操作的产品。

1.1.2蒸发的操作方法根据各种物料的特性和工艺要求，蒸发过程可以采用不同的操作条件和方法。

常压蒸发和减压蒸发根据操作压力不同，蒸发过程可以分为常压蒸发和减压蒸发，常压蒸发是指冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力为大气压或略高于大气压，此时系统中的不凝气依靠本身的压力从冷凝器排出。

减压蒸发冷凝器和蒸发器溶液侧的操作压力低于大气压，此时系统中的不凝气需用真空泵抽出。

减压蒸发较常压蒸发具有如下优点：（如用来预热原料液），则对蒸发装置来说，能量消耗已降至最低限度，只是将加热蒸汽转变为温度较低的二次蒸汽而已。

同理，对多效蒸发，如果将末效蒸发器的二次蒸汽有效的利用，也可大大提高加热蒸汽的利用率。

2.冷凝水显热的利用蒸发装置消耗大量蒸汽必随之产生数量可观的冷凝水。

此冷凝液排出加热室外可用以预热料液，也可像图7-19所示将冷凝水减压，减压至下一效加热室的压力。

使之用过热产生自蒸发现象。

汽化的蒸汽可与二次蒸汽一并进出入后一效的加热室，于是，冷凝水的显热得以部分地回收利用。

3.二次蒸汽的再压缩（热泵蒸发）在单效蒸发中，二次蒸汽在冷凝器中冷凝除去，蒸汽的潜热即完全除去，很不经济。

考虑此二次蒸汽通过热泵（即压缩机）绝热压缩，使其p↑，T ↑，然后再送回原来的蒸发器中作为加热蒸汽，则其潜热可得到反复利用。

但是，要达到较好的经济效益，压缩功的压缩比不能太大，即二次蒸汽的压力和温度需提高的愈多，压缩比愈大，愈不经济。

这样，二次蒸汽的温升不可能高，传热推动力不可能大，而所需的传热面积则必然较大。

对于沸点升高大的溶液的蒸发，热泵蒸发器的经济程度大为降低。

由此可知，热泵蒸发量不适用沸点上升比较大的情况。

此外，压缩机的投资费用较大，需要维修保养，这些缺点也在一定程度上限制了它的使用。

1.2蒸发设备蒸发设备中包括蒸发器和辅助设备1..2.1蒸发器的型式与结构蒸发器主要由加热室和分离室组成。

加热室有多种多样的形式，以适应各种生产工艺的不同要求。

按照溶液在加热室中的运动的情况，可将蒸发器分为循环型和单程型（不循环）两类。

（一）循环型蒸发器特点：溶液在蒸发器中循环流动，因而可以提高传热效果。

由于引起循环运动的原因不同。

有分为自然循环型和强制循环型两类。

自然循环：由于溶液受热程度不同产生密度差引起强制循环：用泵迫使溶液沿一定方向流动1.中央循环管式蒸发器中央循环管式蒸发器为最常见的蒸发器，其结构如图5-2所示，它主要由加热室、蒸发室、中央循环管和除沫器组成。

蒸发器的加热器由垂直管束构成，管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管，其截面积一般为管束总截面积的40%～100%。

当加热蒸汽（介质）在管间冷凝放热时，由于加热管束内单位体积溶液的受热面积远大于中央循环管内溶液的受热面积，因此，管束中溶液的相对汽化率就大于中央循环管的汽化率，所以管束图5-2中央循环管式蒸发器中的气液混合物的密度远小于中央循环管内气液混合物的密度。

这样造成了混合液在管束中向上，在中央循环管向下的自然循环流动。

混合液的循环速度与密度差和管长有关。

密度差越大，加热管越长，循环速度越大。

但这类蒸发器受总高限制，通常加热管为1～2m，直径为25～75mm，长径比为20～40。

优点：溶液循环好；传热效率高；结构紧凑、制造方便、操作可靠。

缺点：循环速度低；溶液粘度大、沸点高；不易清洗。

适于处理结垢不严重、腐蚀性小的溶液。

2.悬筐式蒸发器悬筐式蒸发器是中央循环管蒸发器的改进。

其加热室像个悬筐，悬挂在蒸发器壳体的下部，可由顶部取出，便于清洗与更换。

加热介质由中央蒸汽管进入加热室，而在加热室外壁与蒸发器壳体的内壁之间有环隙通道，其作用类似于中央循环管。

操作时，溶液沿环隙下降而沿加热管上升，形成自然循环。

一般环隙截面积约为加热管总面积的100～5-3悬筐式蒸发器150%，因而溶液循环速度较高(约为1～1.5m/s)。

由于与蒸发器外壳接触的是温度较低的沸腾液体，故其热损失较小。

3.外热式蒸发器如图5-4为常用的外热式蒸发器，其主要特点是采用了长加热管（管长与直径之比l D 50~100），且液体下降管（又称循环管），不再受热。

这样有利于液体在器内的循环，循环速度可达1.5m/s。

优点：降低了整个蒸发器的高度，便于清洗和更换；循环速度较高，使得对流传热系数提高；结垢程度小。

适于处理易结垢、有晶体析出、处理量大的溶液。

4.列文蒸发器结构特点：在特点是在加热室上部设置沸腾室，加热室中的溶液因受到附加液柱的作用，必须上升到沸腾室才开始沸腾，这样避免了溶液在加热管中结垢或析出晶体。

优点：流动阻力小；循环速度高；传热效果好；加热管内不易堵塞。

缺点：设备费高；厂房高，耗用金属多。

适于处理有晶体析出或易结垢的溶液。

5.强制循环型蒸发器上述几种蒸发器均为自然循环型蒸发器，即靠加热管与循环管内溶液的密度差作为推动力，导致溶液的循环流动，因此循环速度一般较低，尤其在蒸发粘稠溶液（易结垢及有大量结晶析出）时就更低。

为提高循环速度，可用循环泵进行强制循环，如图4-10所示。

这种蒸发器的循环速度可达1.5～5m/s。

其优点是，传热系数大，利于处理粘度较大、易结垢、易结晶的物料。

但该蒸发器的动力消耗较大，每平方米传热面积消耗的功率约为0.4～0.8kW。

（二）单程型蒸发器（膜式蒸发器）循环型蒸发器的共同特点蒸发器内料液的滞留量大，物料在高温下停留时间长，对热敏性物料不利。

在单程型蒸发器中，物料一次通过加热面即可完成浓缩要求；离开加热管的溶液及时加以冷却，受热时间大为缩短，因此对热敏性物料特别适宜。

1.升膜式蒸发器图5-7所示升膜式蒸发器，这种蒸发器的加热管束可长达3~10m。

溶液由加热管底部进入，经一段距离的加热，汽化后，管内气泡逐渐增多，最终液体被上升的蒸汽拉成环状薄膜，沿管壁运动，汽液混合物由管口高速冲出。

被浓缩的液体经汽液分离即排出蒸发器。

此种蒸发器需要妥善地设计和操作，使加热管内上升的二次蒸汽具有较高的速度，从而获得较高传热系数，使溶液一次通过加热即达预定的浓缩要求。

在常压下，管上端出口速度以保持20~50m/s为宜。

适用于：蒸发量大（较稀的溶液），热敏性及易起泡的溶液。

不适用于：高粘度，易结晶、结垢的溶液。

2.降膜式蒸发器如图7-6所示降膜式蒸发器。

料液由加热室顶部加入，经液体分布器分布后呈膜状向下流动。

汽液混合物由加热管下端引出，经汽液分离即得完成液。

为使溶液在加热管内壁形成均匀液膜，且不便二次蒸汽由管上端窜出，须良好地设计液体分布器。

适用于：粘度大的物料不适用于：易结晶的物料，固形成均匀的液膜较难，K不高。

（3）升-降膜式蒸发器蒸发器由升膜管束和降膜管束组合而成，蒸发器的底部封头内有一隔板，将加热管束分成两部分。

溶液由升膜管束底部进入，流向顶部，然后从降膜管束流下，进入分离室，得到完成液。

适于处理浓缩过程中粘度变化大的溶液、厂房有限制的场合。

（4）刮板薄膜式蒸发器如图5-11所示。

专为高粘度溶液的蒸发而设计。

料液自顶部进入蒸发器后，在刮板的搅动下分布于加热管壁，并呈模式旋转向下流动。

汽化的二次蒸汽在加热管上端无夹套部分被旋刮板分去液沫，然后由上部抽出并加以冷凝，浓缩液由蒸发器底部放出。

特点：借外力强制料液呈膜状流动，可适应高粘度，易结晶、结垢的浓溶液蒸发缺点：结构复杂，制造要求高，加热面不大，且需要消耗一定的动力。

图5-8降膜式蒸发器（三）其它蒸发器1.直接加热蒸发器（浸没燃烧式）将一定比例的燃烧气与空气直接喷入溶液中，燃烧气的温度可高达1200～1800℃，由于气、液间的温度差大，且气体对溶液产生强烈的鼓泡作用，使水分迅速蒸发，蒸出的二次蒸汽与烟道气一同由顶部排出。

优点：结构简单，不需要固定的传热面，热利用率高适于处理易结垢、易结晶或有腐蚀性的溶液。

不适于处理不能被燃烧气污染及热敏性的溶液。

2.螺旋管蒸发器在螺旋加热管中，要被蒸发的液体从顶部流向底部，同时，沸腾膜与蒸汽并流流动，由于加热管当然螺旋形状，在中等高度的设备中可以容纳很长的管子，经过很长的管道流动中产生的蒸汽对液膜施加一个很高的剪切力。

为此，弯曲的螺旋管将引起二次流，二次流被施加在沿管轴的流动上，这此作用可促进湍流并强化高粘情况下的热传递。