NaOH水溶液三效并流加料的蒸发装置

1、化工原理课程设计蒸发单元操作设计任务书 班级 精化082 姓名 金玲敏 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： 12000 kg/h NaOH水溶液2、物料条件NaOH水溶液的原料液（初始）浓度：X0= 12 %(w) ；浓缩（完成）液浓度： Xn= 40 %(w) ；加料温度： 沸点 。（原料液温度为第一效沸点温度） 3、操作条件加热蒸汽压强： 510kPa 冷凝器压强： 16kPa 各效蒸发器的总传热系数：K1=1600W/（m2)，K2=1000W/（m2)，K3=600W/（m2)。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。各效蒸发器中料液液面高度为：1.5m。 每年按300天计，每天24小时连续运行。厂址：宁波地区。三、设备型式蒸发器： 中央循环管式 蒸汽冷凝器：水喷射式冷凝器四、设计项目(说明书格式) 1、封面、任务书、目录。2、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。 3、蒸发器的工艺计算：确定蒸发器的传热面积。4、蒸发器的主要结构尺寸设计。 5、主要辅助设备选型：物

2、料泵、蒸汽冷凝器及气液分离器（除沫器）等选型。 6、绘制NaOH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。 7、对本设计进行评述。 8、参考文献成绩评定 指导教师 杨春风、王志强 2011年 6月 8 日2.设计方案简介 2.1 设计方案论证多效蒸发的目的是：通过蒸发过程中的二次蒸汽再利用，以节约蒸汽的消耗，从而提高蒸发装置的经济性。目前根据加热蒸汽和料液流向的不同，多效蒸发的操作流程可以分为平流、逆流、并流和错流等流程。本设计根据任务和操作条件的实际需要，采用了并流式的工艺流程。下面就此流程作一简要介绍。并流流程也称顺流加料流程（如图1），料液与蒸汽在效间同向流动。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呈过热状态，过料时有闪蒸出现。此流程有下面几点优点：各效间压力差大，可省去输料泵；有自蒸发产生，在各效间不必设预热管；由于辅助设备少，装置紧凑，管路短，因而温度损失小；装置操作简便，工艺条件稳定，设备维修工作减少。同样也存在着缺点：由于后效温度低、浓度大，因而料液的黏度增加很大，降低了传热系数。因此，本流程只适应

3、于黏度不大的料液。2. 蒸发器简介随着工业蒸发技术的发展，蒸发设备的结构与型式亦不断改进与创新，其种类繁多，结构各异。根据溶液在蒸发中流动情况大致可分为循环型和单程型两类。循环型蒸发器可分为循环式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等；单程蒸发器包括升膜式、降膜式、升降膜式及刮板式等。还可以按膜式和非膜式给蒸发器分类。工业上使用的蒸发设备约六十余种，其中最主要的型式仅十余种。本设计采用了中央循环管式蒸发器，下面就其结构及特点作简要介绍。中央循环管式蒸发器（如图2）又称标准蒸发器。其加热室由一垂直的加热管束（沸腾管束）构成，管束中央有一根直径较大的管子叫做中央循环管，其截面积一般为加热管束截面积的。加热管长一般为m，直径mm，长径比为。其结构紧凑、制造方便、操作可靠，是大型工业生产中使用广泛且历史长久的一种蒸发器。至今在化工、轻工等行业中广泛被采用。但由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在.m/s以下）；管内溶液组成始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温差小；设备的清洗和检修不够方便。其适用于结垢不严重、有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液。3.三效并流蒸发设计计算3.1估计各效蒸

4、发量和完成液浓度Fx0=（F-W）x3（1）其中 F每小时的进料量，Kg/hW每小时的水份蒸发总量，Kg/h WF（1）12000（1）8400Kg/h因并流加料，存在着自蒸发，又蒸发中无额外蒸气引出，可取W1：W2：W31: 1.1: 1.2因为W= W1+ W2 + W3 计算出各效的蒸发量WiW1=2545.45Kg/hW2=1.12545.45=2800 Kg/hW3 =1.22545.45=3054.55 Kg/h由（1）式得 （2） 由（2）式得 计算出各效的浓度x1= =0.1523x2= 0.2164x3=0.40.估计各效液的沸点和有效总温差设各效间压力降相等，则总压力差为 kPa各效间的平均压力差为pi=164.67 kPa由各效压力差可求得各效蒸发室的压力，即 =P1-Pi =510164.67=345.33 kPa = P1- 2Pi =510-2164.67=180.66 kPa= =16 kPa表1 有关资料列表效数二次蒸气压力, kPa345.33180.6616二次蒸气温度Ti，(即下一效加热蒸汽温度)138.8116.653.5二次蒸气的气化潜热ri，

5、KJ/Kg(即下一效加热蒸气的氢化热)2152.32214.32370.0.求各效因溶液沸点而引起的温度损失 根据各效二次蒸气温度和各完成液浓度xi，由NaOH水溶液杜林线图可得各效NaOH的沸点tAi分别为tA1= 144 tA2 = 125 tA2 = 80 则各效由于溶液沸点比水的沸点升高而引起的温差损失1 = tA1 - T1=144138.8 = 5.2 2 = tA2 T2=125116.6 = 8.4 3 = tA3 T3=8053.5 = 26.5 所以 =5.2+8.4+26.5=40.1.求由于液柱静压力而引起的温度损失为方便起见，以液层中点处压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，根据流体静力学方程，液层的平均压力Pav = Pi + （其中l为液面高度，m）（3）查表得原料液在三效中液体的平均密度分别为1110Kg/m3 、1170 Kg/m3 、1390 Kg/m3。所以 Pav1 = P1+ =345.33 + =353.42 kPa Pav2 = P2+ =180.66 + =189.27 kPa Pav3 = P3+ = 16 + = 26.23 k

6、Pa由平均压力查得对应饱和温度为T Pav1 =139.1 T Pav2 =118.2 T Pav3=63.2所以 1 = T Pav1 T1 = 139.1138.8 = 0.3 2= T Pav2 T2 = 118.2116.6 = 1.6 3= T Pav3 T3 = 63.253.5 = 9.7 故 = 0.3 + 1.6 + 9.7 = 11.6 .由流动阻力引起的温差损失 取经验值1，即1=2=3 =1 ，则=3综合(1)(2)(3)步得总温度损失=+ + =40.1 + 11.6 + 3= 54.7.各效料液的温度和有效总温差各效温度损失i=1+1 + 1得1=1+1+1= 5.2+ 0.3+1=6.52=2+2+2=8.4+1.6+1=11.03=3+3 +3=26.5+9.7+1=37.2各效料液的温度为 由ti=Ti+i t1=T1+1=138.8+6.5= 145.3 t2=T2+2=116.6+11.0= 127.6 t3=T3+3=53.5+37.2= 90.7因 =(Ts-Tk)- 由手册查得500kPa饱和汽温度为152.4，气化潜热为2110KJ/Kg,

7、所以= (Ts-Tk)-i= 152.4-53.5- 54.7 =44.23. 加热蒸气消耗量和各效蒸发水量的初步计算 由热量衡算式Qi=Diri=(Fcp0-W1cpw-W2cpw-Wn-1cpw)(ti-ti-1)+Wi+（4）在(4)式，其中Di一第i效加热蒸气量,Kg/hri第i效加热蒸汽的汽化潜热,K/Kg-第i效二次蒸汽的汽化潜热, K/Kgcp0 原料液的比热容,K/(Kg/)cpw水的比热容, K/(Kg/)ti,ti-1分别为地i效和第i-1效溶液的温度(沸点), 热损失量,K由(4)式两边同时除以得: Wi=Diri/ +(Fcp0-W1cpw-W2cpw-Wn-1cpw)(ti-ti-1)/ - /（5）由式(5)去掉- /,乘以热利用系数i，表示上式得:Wi=iDiri/ +( Fcp0-W1cpw-W2cpw-Wn-1cpw)(ti-ti-1)/ - /对于沸点进料t0=t1,考虑到NaOH溶液浓度浓缩热影响，热利用系数算式为=0.98-0.7其中为第i效蒸发器中液料溶质质量分数的变化. 第效热衡算式为W1=1(+)= (a) 第效热衡算式为W2= =0.8776W1 + 338.16(b) 同理得第效 =0.7400W2-0.05551W1+599.77 (c) 又 W1+W2+W3=8400 kg/h (d)联解式(a)至(d),可得W1=2918.6Kg/h W2=2898.6Kg/hW3=2582.8Kg/h D1=3109.6Kg/h .蒸发器传热面积估算 , Qi=Diri Q=D1r1=1.823106 Wt1=T1- t1=152.4-145.3 =7.1S1= m2Q2=W1r2=1.745106 Wt2=T2- t2=T1t2=138.8127.6 =11.2S2= m2Q3=W2r3=106 Wt3=T3- t3=T2- t3=116.6 -90.7=25.9S3= m2误差，误差较大，应调整各效有效温差，使三个蒸发器的传热面积尽量相等。.有效温差的再分配取平均面积 m2若使各值保持不变则有tiiti其中ti是各效经过有效温差再分配后的温差t1= 8.6t2=1

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