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

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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NaOHK溶液

2. 设备形式蒸发器

3. 操作条件

a. NaOH水溶液的原料液浓度为10%(Wt),温度为35C ,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：

K仁3000 w∕(m2∙C )

2

K2=1500 W∕(m ∙C)

2

K3= 750W∕(m ∙C)

d各效蒸发器中的液面高度：1.5-2.5m0

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：

①在加热蒸汽压强相同的情况下，减压蒸发时溶液的沸点低，传热温差可以增大，当传热量一定时，蒸发器的传热面积可以相应地减小；

②可以蒸发不耐高温的溶液；

③可以利用低压蒸汽或废气作为加热剂；

④操作温度低，损失于外界的热量也相应地减小。

但是，减压蒸发也有一定的缺点，这主要是由于溶液沸点降低，黏度增大，

导致总的传热系数下降，同时还要有减压装置。

单效蒸发和多效蒸发

根据二次蒸汽是否用来作为另一蒸发器的加热蒸汽，蒸发过程分为单效蒸发和多效蒸发。单效蒸发中加热蒸汽在冷凝器中用水冷却排出。多效蒸发中，第一个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第二个蒸发器的加热蒸汽，第二个蒸发器蒸出的二次蒸汽用作第三个蒸发器的加热蒸汽，以此类推，串联蒸发器的个数称为效数。

①多效蒸发的经济性

多效蒸发时，除末效外，各效的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽加以利用，因而和单效相比，相同的生蒸汽量D可蒸发更多的水量VV亦即提高了生蒸汽的经济性W/D如前所述，在若干假定条件下，单效时的W/D约为1 同理，双效时约为2,三效时约为3,等等。考虑实际情况，根据经验，不同效数时生蒸汽的经济性大致如下表：

正由于多效蒸发时生蒸汽的经济性较高，所以在蒸发大量水分时广泛采用多效蒸发。但上表也说明，当效数增加时，W/D值虽然增加，但并不和效数成正比。

②多效蒸发的代价

首先，多效蒸发时需要多个蒸发器，为便于制造和维修，各蒸发器的传热面积常相同，此时，多效蒸发的设备费近似和效数成正比。因此，多效蒸发时生蒸汽经济性的提高是以设备费为代价的。

其次，当生蒸汽的压力（温度）和冷凝器的压力（温度）给定时，不论单效或多效蒸发，其理论传热温度差均为Δ tr=T- T。这里，T和「分别为加热蒸汽和冷凝器处二次蒸汽的温度。换句话说，理论传热温差与效数无关，多效蒸发只是将上述传热温度差按某种规律分配至各效。而且，多效蒸发的每一效都存在沸点上升或传热温度差损失，因

而各效有效传热温度差之和一一总有效传热温度差必然小于单效时的有效传热温度差，结果导致多效时的生产能力小于单效。

间歇蒸发和连续蒸发

间歇蒸发有两种操作方法：

①一次进料，一次出料

②连续进料，一次出料

工业上大规模的生产过程通常采用的是连续蒸发。

1.1.3蒸发器的生产强度与蒸汽的经济性

(一)蒸发器的生产能力与生产强度

1、蒸发器的生产能力

蒸发器的生产能力可用单位时间内蒸发的水分量来表示。由于蒸发水分量取决于传热量的大小，因此其生产能力也可表示为

KSCt m

F r

W—蒸发器的生产能力，kg/h ；

Q—蒸发器的传热速率，kJ/h ；

厂一操作压力下二次蒸汽的汽化潜热，kJ/kg ；

2、蒸发器的生产强度

蒸发器的生产强度U简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸发的

水量，kg∕(m2 ∙h)

W

U - S

若为沸点进料，且不计热损失，根据Q= K^ t m=D r =Wr，

U W _ KΛm

则r'

由上式可知，若蒸发操作的压力一定，则二次蒸气的汽化热r ‘也可视为常数，因此，欲提高蒸发器的生产强度，主要途径是提高总传热系数K和传热温度差Δ tm（T-11 ）。前者，上面已述。提高传热温度差的方法：采用真空蒸发或选用高温热源，如高温导热油、熔盐或用电加热等。