NaOH 水溶液三效并流加料蒸发装置的设计设计者：设计日期： 年 月 日审核：2009 级化工单元操作课程设计任务书一、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3.96X 104吨/年NaOH水溶液2. 设备形式中央循环管式蒸发器3. 操作条件(1) NaOH水溶液的原料液浓度为5%。完成液浓度为25%，原料液温度为第 一效沸点温度，原料液比热为3.7KJ(kg C),各效蒸发器中溶液的平均密 度为：P = 1014kg/m3, p 2=1060 kg/m3, p 3=1239 kg/m3；123(2) 加热蒸气压强为500kPa (绝压)，冷凝器压强为15 kPa (绝压)：(3) 各效蒸发器的总传热系数：K=i500W/(m2 C), K2=1000W/(m2 C),K3=600W/(m2 C)；3(4) 各效蒸发器中页面的高度：1.5m；(5) 各效加热蒸气的冷凝液均在饱和温度下下排出,假设各效传热面积相 等,并忽略热损失；( 6 )每年按330天计算,每天24小时运行。三、设计项目(1) 设计方案简单,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) 绘制 NaOH 水溶液三效并流加料蒸发装置的流程及蒸发器设备工艺简 图；(5) 对本设计的评述目录一）蒸发器的形式、流程、效数论证二）工艺计算三）蒸发器主要工艺尺寸的设计计算四）设计感想五）设计图纸（一）蒸发器的形式、流程、效数论证1.蒸发器的形式：中央循环管式2蒸发器的流程：三效并流加料3.效数论证：在工业中常用的加热方式有直接加热和间接加热。直接加热的优 势是传热速率高，金属消耗量小。劣势是应用范围受到被蒸发物料和 蒸发要求的限制；间接加热是热量通过间壁式换热设备传给被蒸发溶 液而使溶液气化。一般工业蒸发多采用这类。间接加热蒸发器分为循环型和单程型两大类，循环型分为中央循 环管式、悬挂筐式、外加热式、列文式及强制循环式；单程型有升膜 式、降膜式、升降模式及刮板式。本次选用循环性的中央循环管式，因为此循环管结构简单、制造 方便、操作可靠、投资费用较少等优点。蒸发器的类型一般有单效蒸发和多效蒸发，单效蒸发是蒸发装置 中只有一个蒸发器，蒸发时产生的二次蒸汽直接进入冷凝器不再利 用；多效蒸发器是将几个蒸发器串联操作，使蒸汽的热能得到多次利 用，蒸发器的串联个数称谓效数。多效蒸发器的效数受到经济和技术 的限制。对于电解质溶液采用2-3 个效数，对于非电解质可采用4-6 个。根据情况本次采用多效蒸发器中的三效蒸发器。多效蒸发器的流向一般有并流加料、逆流加料、分流加料和错流 加料。并流加料的优点如下 溶液从压强和温度高的蒸发器流向压强和温度低的蒸发器，溶 液可依靠效间的压差流动而不需泵送 溶液进入温度和压强较低的下一效时处于过热状态，因而会产 生额外的气化，得到较多的二次蒸汽。 完成液在末效排出，其温度最低，故总的热量消耗较低。 缺点是：由于各效中溶液的浓度依次增高，而温度依次降低，因此溶液的黏度增加很快，使加热室的传热系数依次下降，这将导致整 个蒸发装置生产能力的下降或传热面积的增加。由此可见并流加料流 程只适用于黏度不大的料液的蒸发。逆流加料优点是：溶液浓度在各效中依次增高的同时，温度也随 之增高，因而各效内溶液的黏度变化不大，这种流程适用于粘度随浓 度和温度变化较大的溶液蒸发。缺点有： 溶液在效间是从低压流向高压的，因而必须用泵输送。 溶液在效间是从低温流向高温，每一效的进料相对而言均为冷 液，没有自蒸发，产生的二次蒸汽量少于并流流程。 完成液在第一效排出，其温度较高，带走热量较多而且不利于 热敏性料液的蒸发。分流加料其特点是溶液不在效间流动。适用于蒸发过程中有结晶析出的情况，或要求得到不同浓度溶液的场合。错流加料流程中采用 部分并流加料和部分逆流加料，以利用逆 流合并流流程各自的优点。一般在末效采用并流，但操作比较复杂。综上所述，本次选用并流加料流程二）工艺设计1.估算各效蒸发量和完成液浓度 总蒸发量：3. 96X 104 吨/年=396X 104*330*24=5000kg/hxW=F (1-)=5000x(i-005)=4000kg/h x10.25因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设W： W： W=i.0：i.i：i.2123w=w+w+W=3-3wi解得W 一 4000 =1212 kg/h13.3W2 = 1212X 1.1 = 1333kg/hW3 = 1212X 1.2 = 1454kg/hFxF _ W 一 5000x0.05 =0.066F W15000 _ 1212Fx05000 x 0.05- F - W1 - W2 - 5000匚 212】 1333 一0102x 3 =0.252.估算各效溶液的沸点和有效温度差 设各效间压强降相等，则总压强为：E ap = P _ 卩上=50015 = 485 kPa各效间的平均压强差为Y APAPi = 3=161 kPaz3由各效的二次蒸汽压强，从书中查的相应的二次蒸汽温度和比汽化焓列于下表 中：-效数参数123二次蒸汽压强P； , kPa33917815二次蒸汽温度T : ,C （即卩下一效加热蒸汽温度）137.6116.253.5二次蒸汽的比汽化焓；, kj/kg（即下一效加热蒸 汽的比汽化焓）2（1）各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失A根据各效的二次蒸汽温 度T :（亦即相同压强下水的沸点）和各效完成液的浓度由NaOH水溶液 的杜林线图查的各效溶液的沸点tA）分别为：tA1 =138.5。tA2 =123.1ctA 3 =65.3。则各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失为A 1= t 1-T1=138.5-137.6=0.9。1 A 11A2=tA 2-T2=123.1-116.2=6.9。A3=tA 3-T3=65.3-53.5=11.8。所以工 A =0.9 + 6.9+11.8 = 19.5c（2）各效由于溶液静压强所引起的温度差损失A ”根据pm,1pm,2= 178X 103+ 106x 981x L52=186X103 Pa=186kPapm,3= 15X 103+ 1239 x 9.81x L5 =24X 103 Pa = 24kPa2根据各效溶液的平均压强，由书中查得对应的饱和温度为T 1 =138.3。m,1 从而得A = T _ T1m,1 - 1A = T -T 2m,2 - 2T ,2 =117.6。 T ,3=65.0。m,2m,3= 138.3-137.6 = 0.7= 117.6-116.2=1.4A = T ,3-T=65.0-53.5=11.5。3m,3 3所以乙 A = A + A2 + A =0.7 + 1.4+11.5 = 13.61233) 由于流体阻力产生压强降所引起的温度差损失 根据经验取A = A = A =11= 2 = 3 =1。所以乙A” = A + A + A =3s= 1+ 2 + 3 =3。4) 各效溶液的沸点和有效总温度差 溶液的沸点t1 = T1+ A1 =137.6+0.9+0.7+1=140.2。t2 = T2 + A2=116.2+6.9+1.4+1=125.5。t3 = T 3 + A3 =53.1+11.8+11.5+1=77.3。有效总温度差/Y At = &k=(151.7-53.5)-(19.5+13.6+3)=62.1。= 339X 103+ I0】4 x 9$1 x 1.5 = 346 x 103p&=346kPa23.加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算第一效的焓衡量式为：Dr Fc C -1 )i i +p ,o o 1r1r1因沸点进料，故10W = n1=t1Dri r1“ 1 =0.98-0.7X( xx0)= 0.98-0.7X(0.066-0.05)=0.968882113 x DWi =0.96888X2155 1 =0.9499 Da)第二效的焓衡量式为：W二耳22Wr (Fc -Wc)C -1 )1 2 +P ,01 P ,比 12rr22耳 2=0.98-07X( x2-X1)=0.98-0.7X(0.102-0.066)=0.9548查表得cp,% = 4.282 kj/(kg C)2155 x W= 0.95482215 1 +(5000x3.7-4.282xW12215)(140.2 -125.5)1b)=0.9018W1117.2=0.8566D117.21第三效的焓衡量式为：W r (Fc - Wc - W c )C -1 )W n2 3 +p,01 p,叫2 p2 333 rrL 33n 3 =0.98-0.7X( x 3 - x 2 )= 0.98-0.7X(0.25-0.102)=0.8764查表得cp,W2 4.245kj/(kg C)=0.87642215 x W (5000 x 3.7 - 4.282 x W - 4.245 x W )(125.5 - 77.3)2 + 1 223702370=0.8764(0.9346W2376.3-0.0871W1-0.0863W2) =0.7435W2329.8-0.0763W1 =0.7435X(0.8566D117.2)329.8-0.0763X0.9499D11=0.5644D416.9(c)1W1W2W3=4000(d联立(a)、(b)、(c)、(d)式，解得D 1 =1462kg/hW1=1389kg/hW2=1369kg/hW3=1242kg/h4.估算蒸发器的传热面积S - Qii KTQ1Q2Q3At1At2At3=D1 -1462X2113-3089206W=-1389X2155-2993295W=W2r2 -1369X2215-3032335W=T1 一 t1 -151.7T40.2-11.5C=T2 一12 =-12 -137.6-125.5-12.1C=T3 一t3 = T2 -13 -116.2-773-38.9CS =Qii3089206T 3.5 A Q nr 2K At - 1500 x 11.549.7511Q2KAT222993295 十3.5 -68 72 m21000 x 12.1-68.72