水溶液三效并流加料蒸发装置的设计.docx

广东石油化工学院化工单元操作课程设计说明书课 题：KNO3水溶液三效并流加料蒸发装置的设计专 业：应用化学班 级：应化11-1班学 号： 姓 名： 指导老师： 日 期： 2014.07.03 第一章 蒸发装置设计任务书 31.1 设计题目 31.2 设计任务及操作条件 31.3 设计项目 3第二章 设计方案简介 42.1 设计方案论证 42.2 蒸发器简介 5第三章 设计任务 63.1 估算各效蒸发量和完成液浓度 63.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差 63.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算 93.4 蒸发器传热面积的估算 113.5 有效温差的再分配 123.6 重复上述计算步骤 123.7 计算结果列表 17第四章 蒸发器的主要结构尺寸的计算 174.1 加热管的选择和管数的初步估算 174.2 循环管的选择 184.3 加热室直径及加热管数目的确定 184.4 分离室直径和高度的确定 194.5 接管尺寸的确定 20第五章 蒸发装置的辅助设备的选用计算 225.1 气液分离器 225.2 蒸汽冷凝器的选型设计 235.3 封头尺寸的确定 26第六章 5 设计结果汇总 276.1 多效蒸发的工艺计算 276.2 蒸发器及辅助设备的结构尺寸设计 27第七章 装置流程图及蒸发器设备条件图 29第八章 设计评语 29附录 30参考文献 33第一章蒸发装置设计任务书1.1 设计题目KNOK溶液三效并流加料蒸发装置的设计。

1.2 设计任务及操作条件(1)处理能力 5.20x104 t/aKNOK溶液(2)设备形式 中央循环管式蒸发器3)操作条件①KNOK溶液的原料液质量分数为0.15 ,完成液质量分数为0.45,原料 液温度为80匕 恒压比热容为3.5kJ/(kg  °C)②加热蒸汽压力为400kPa (绝压)，冷凝器压力为20kPa (绝压)③各效蒸发器的总传热系数为：K1=2000W/(m - °C , &=1000W/(m - °C , K=500W/(m  °C) 0④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，并忽略溶液的浓缩热和蒸发器的热损失， 不考虑液柱静压和流动阻力对沸点的影响⑤每年按300天计，每天24小时连续运行⑥厂址：天津地区1.3 设计项目(1)设计方案简介，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4)蒸发装置的辅助设备(5)绘制KNO水溶液三效并流加料蒸发装置的流程图及蒸发器设备工艺简 图6)对本设计进行评述第二章 设计方案简介2.1工艺流程实际工业生产中，大多采用多效蒸发，其目的是降低蒸汽的消耗量，从而提高蒸发装置的经济性。

在蒸发操作中， 为保证传热的正常进行， 根据经验， 每一效的温差不能小于5〜7°C通常，对于沸点升高较大的电解质溶液可采用 3〜5 效， 由 《化工物性算图手册》 [1] 第 304 页图 5.9 硝酸盐等水溶液的沸点可知，KNO籀液沸点升高较大，所以本次设计取3效根据加热蒸汽与物料流向的不同，多次蒸发的操作流程可分为并流、逆流、平流、错流等流程并流流程也称顺流加料流程， 料液与蒸汽在效间流动同向 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时呈过热状态， 过料时有闪蒸出现 并流流程结构紧凑， 操作简便， 应用广泛 对于并流流程， 后效温度低、 组成高， 料液的黏度逐效增加， 传 热系数逐效下降， 并导致有效温差在各效间的分配不均 因此，本流程只适用于处理黏度不大的料液 由《化工物性算图手册》 [1] 第 169 页图 2.50 硝酸盐水溶 液的粘度可知， KNO3 溶液的黏度不大， 所以适用本流程并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算示意图如图 1所 示2.2蒸 发器形式随着工业蒸发技术的发展， 蒸发设备的结构与形式亦不断改进与创新， 其种类繁多、结构各异。

本次设计要求采用中央循环管式蒸发器， 其结构中， 加热室由一垂直的加热管束（沸腾管束）构成，在管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管中央循环管式蒸发器具有结构紧凑、 制造方便、 操作可靠等优点， 故在工业上应用较广，有“标准蒸发器”之称但实际上，由于结构上的限制，其循环速度较低 （一般在 0.5m/s 以下） ； 而且由于溶液在加热管内不断循环， 使其组成 始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温度差减小此外，设备的清洗和检修也不够方便第三章 蒸发器的工艺计算确定蒸发器的传热面积3.1 估算各效蒸发量和完成液浓度总蒸发量xo 4 0.15W=FI1-- =5.2 10： 11 -—— =34667t/a x3 0.45因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设W1：W2：W3 =1：1.1：1.2W=W1 W2 W3 = 3.3W134667 W1 = = 10505t/a3.3W2 = 1.1 10505 11556/aW3 = 1.2 10505 = 12606t/ax1 =FxF -W152000 0.1552000-10505=0.188Fxc 52000 0.15x2 = =F -W1-W2 52000-10505-115560.260x3 = 0.453.2估算各效溶液的沸点和有效总温度差P1 =400kPa（绝压）P3 =20kP a（绝压）设各效间压力降相等，则总压力差为 '“ P =P-P =400 -20 =380kPa k各效问的平均压力差为3803=126.67kPa由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即"'=P - APi = 400 -126.67 = 273.33kPaP2 =P -2iPi =400 —2M126.67 =146.66kPaP3 =Pk ^20kPa由各效的二次蒸气压力，从《化工原理（上册）》［2］第341页饱和水蒸气表 可查得相应的二次蒸气的温度和汽化潜热，列于下表中表1各效二次蒸汽物化数据效数IRm二次蒸气压力pj, kPa273.33146.6620二次蒸气温度T', ℃（即下一效加热蒸汽的温度）130.05110.4760.1一次烝气的气化潜热ri', kJ/kg（即下一效加热蒸汽的气化潜热）2177.332231.002354.9蒸发操作常常在加压或减压下进行，但从手册中很难直接查到非常压下溶液 的沸点。

当缺乏实验数据时，由《化工单元操作课程设计》 ［3］第87页可知, 可用下式估算上 0.0162(T 273)2f 二 式中 △；——常压（101.3kPa）下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 ’——操作压力下二次蒸气的温度，°C;r ’——操作压力下二次蒸气的汽化潜热，kJ/kg常压下水的沸点为100 °C由《化工原理（上册）》［2］第349页无机盐水溶液的沸点表知，常压下不同质量分数的KNO沸点如下表△i _ _ _ 20162(1325 273)2177.33(101.5 -100) =1.81oC表2 常压下不同质量分数的KNO沸点质量分数18.8%26.1%45%沸点C101.5102.3104.8(1)各效由于溶液沸点升高而引起的温度差损失为 _ _ 2(102.3-100) =2.46oC0.0162(110.47 273)22231.000.0162(60.1 273) ».：3=f.：a (104.8 -100)=3.66 C2354.9由于不考虑液注静压和流动阻力对沸点的影响，所以蒸发装置的总的温度差 损失为“ ： -%「1.81 2.46 3.66 = 7.93 oC(2)各效料液的温度和有效总温差根据已估算的各效二次蒸气压力p；及温度差损失4 ,可根据下式估算各效溶液的沸点titi =T'i •」i.、=.“ =1.81C2= 2 -2.46C3= 3 -3.66C各效料液温度为t1 「130.05 1.81 = 131.86t2 =T2 2 =110.47 2.46=112.93t3 =T3 ：3 =60.1 3.66 = 63.76有效总温度差工且5 - Tk 口 △由由《化工原理(上册)》［2］第341页饱和水蒸气表可查得400kPa饱和蒸 汽的温度为143.4C，汽化潜热为2138.5kJ/kg,所以'、.：t= TS -Tk -'、.： =(143.4-60.6-7.93= 75.37C3.3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步估算由《化工单元操作课程设计》［3］第88页可知第i效的热量衡算式为— — . . . 一一 _ •Qi = Dri =(FCp。

WPpw-W2Cpw-|||-Wi_iCpw)(ti -ti_i) Wfi由于忽略溶液的浓缩热及蒸发器的热损失，即可忽视热利用系数 刈("=1),所D；r； — 「- t；Wi 」 (Fc po - WiCpw - W2Cpw -IH-Wi-1Cpw) i ' i ri ri式中 Di ——第i效加热蒸汽量，t/a ,当无额外蒸汽抽出时，Di =W」；ri 第i效加热蒸汽的汽化潜热，kJ/kg ;'r ——第i效二次蒸气的7^化潜热，kJ/kg ;Cpo ——原料液白^比热容，kJ/(kg •℃);Cpw ——水的比热容，kJ/(kg •℃)；ti、ti」一一分别为第i效和第i -1效溶液的温度(沸点)c第I效的热量衡算式为DrW二」r 一 rit -1+ FC to_JiFCp0 ，r1 12138. 5 60 131. 86= D1 52000 3-5一21 77. 313 21 77. 33=0. 98D2- 4334. 9第ii效的热量衡算式为第III效的热量衡算式为131.86-112.932231.00Wr t9 - tQ片 (FcicPw-WY2231.002354.9W (52000 3.5- 4.187W1 - 4.187W2)112.93 - 63.762354.9=- 0.0874W1 0.8600W, 3800.1皿 W2 W3 =34667t/a联立①②③④，计算得W 1=10517t/aW=11434 t/aW3=12715 t/aD1=15121 t/a与第一次计算结果比较，其相对误差为105051- =0.001110517W2 = ^-2 (Fcp0 -W1cpw) I2储 r22177.33= W1 (52000 3.5 - 4.187W1)2231.00 1。