化工原理课程设计

中南大学。

化工原理》课程设计。

设计题目 naoh水溶液三效并流加料的蒸发装置。

学院化学化工学院。

专业班级高级工程人才实验班。

学生学号 1507110128

学生姓名姚玉婷。

指导老师邱运仁。

1. 设计任务3）

2. 设计方案简介4）

3. 三效并流蒸发设计计算5）

4. 蒸发器的主要结构尺寸的计算16）

5. 蒸发装置的辅助设备的选用计算………19）

6. 三效蒸发器结构尺寸确定21)

7. 附图23)

8. 参考文献25）

9. 后记26）

10．cad图27）

1.设计任务。

1.1设计条件。

（1）处理能力年产30000吨naoh水溶液。

（2）设备形式**循环式管式蒸发器。

（3）操作条件。

naoh水溶液的原料浓度为10％，完成液体浓度为40％，原料液温度为第一效沸点温度。

加热汽压力为500kpa（绝热），冷凝器的绝压为15.5kpa热）。

各效蒸发器的总传热系数分别为。

k1=3000 w/（m2*0c）

k2=1500 w/（m2*0c）

k3=750 w/（m2*0c）

蒸发器中溶液的液面高度为2m。

各效加热蒸发汽的冷凝液在饱和温度下排出，忽略热损失。

每年按照330天计，每天24小时。

1.2附加说明。

（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，包括气液分离器及蒸汽冷凝器等。

（5）绘制naoh水溶液三效并流加料蒸发装置的设备工艺简图。

（6）对本设计进行评述。

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：

①各效间压力差大，可省去输料泵；②有自蒸发产生，在各效间不必设预热管；③由于辅助设备少，装置紧凑，管路短，因而温度损失小；④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，本流程只适应于黏度不大的料液。

2.２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**循环管式蒸发器，下面就其结构及特点作简要介绍。

**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**有一根直径较大的管子叫做**循环管，其截面积一般为加热管束截面积的40％～100％。加热管长一般为1～2m，直径25～75mm，长径比为20～40。

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0.

5m/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 估计各效蒸发量和完成液浓度。

fx0=（f-w）x31）

其中 f—每小时的进料量，kg/h

w—每小时的水份蒸发总量，kg/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：w3＝1: 1.1: 1.2

因为w= w1+ w2 + w3 计算出各效的蒸发量wi

w1=861kg/h

w2=947kg/h

w3 =1033kg/h

由（1）式得2）由（2）式得计算出各效的浓度。

x3=0.4

.２估计各效液的沸点和有效总温差。

设各效间压力降相等，则各效间的平均压力差为。

式中 —各效加热蒸汽压力与二次蒸汽压力之差，；

—第ⅰ效加热蒸汽的压力，；

—末效冷凝器中的压力，。

则，平均压力差：

各效压力差可求得各效蒸发室的压力，即：

表1有关资料列表。

.２.求各效因溶液沸点而引起的温度损失δ’

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= 104.2ta2 = 107.4℃ ta3= 128.4℃

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常 =4.2℃

'2常 = ta2 – t'2=7.4 ℃

'3常= ta3 – t'3=28.4 ℃

.２.求由于液柱静压力而引起的温度损失δ’’

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。

p** = p'i +（其中l为液面高度，m）……6）

所以 kpa

kpakpa

由平均压力查得对应饱和温度为。

t 'p**1 =138.8℃ t 'p**2 =118.5℃ t 'p**3=68.9℃

所以 δ'1= t 'p**1– t'1 = 138.8– 137.6 = 1.2℃

δ''2= t 'p**2– t'2 = 118.5 – 116.3 = 2.2 ℃

δ''3= t 'p**3– t'3 = 68.9 – 54.6 = 14.3 ℃

故 ''1.2 +2.2 + 14.3= 17.7℃

.２.由流动阻力引起的温差损失δ＇＇

取经验值1℃，即∑δ'1=δ'2=δ'3 =1℃ ，则∑δ'3℃

综合(1)(2)(3)步得总温度损失。

.２.各效料液的温度和有效总温差。

各效温度损失∑δi=∑δ1+∑δ1+ ∑1

得 ∑δ1=δ'1+δ'1+δ'1= 5.3+ 1.2+1=7.5℃

各效料液的温度为由ti=ti＇+δi

t1=t1＇+δ1=137.6+7.5= 145.1℃

t2=t2＇+δ2=116.3+11.4 = 126.9℃

t3=t3＇+δ3=54.6+36.2= 90.8℃

3.３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+……7）

在(4)式，其中di一第i效加热蒸气量，kg/h

ri—第i效加热蒸汽的汽化潜热，kｊ/kg

-第i效二次蒸汽的汽化潜热， kｊ/kg

cp0 —原料液的比热容，kｊ/(kg/℃)

cpw—水的比热容， kｊ/(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，kｊ

由(7)式两边同时除以得：

wi=diri/ +fcp0-w1cpw-w2cpw-…-wn-1cpw)(ti-ti-1)/ 8）

由式(8)去掉- /乘以热利用系数ηi，表示上式得：

wi=ηi［diri/ +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ⅰ效热衡算式为。

w1=1(+)

a) 第ⅱ效热衡算式为。

b) 同理得第ⅲ效。

c) 又 w1+w2+w3=2841d)

联解式(a)至(d),可得。

w1=1000.88kg/h w2=991.85kg/h

w3=848.27 kg/h d1=1064.77kg/h

.４蒸发器传热面积估算。

式中 —第效的传热面积，；

—第效的传热速率，；

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