NaOH水溶液蒸发装置的设计-中央循环管式蒸发器

目 录 符号说明······································································2 第一节 概述··································································3 一、蒸发及蒸发流程····················································3 二、蒸发操作的分类····················································4 三、蒸发操作的特点····················································4 四、蒸发设备··························································4 五、蒸发器选型························································5 第二节 工艺流程草图···························································5 第三节 三效蒸发器得工艺计算··················································5 一、估计各效蒸发量和完成液浓度·······································5 二、估计各效溶液的沸点和有效总温差···································6 （一）各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失 /···············6 （二）各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失 ···················7 （三）流体阻力产生压降所引起的温度差损失 ······················8 （四）各效料夜的温度和有效总温差·································8 三、加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算·······························8 四、蒸发器的传热面积的估算···········································9 五、有效温差的再分配·················································10 六、重复上述计算步骤·················································10 （一）计算各效溶液浓度···········································10 （二）计算各效溶液沸点···········································10 （三）各效焓衡算·················································11 （四）蒸发器传热面积的计算·······································12 七、计算结果·························································12 第四节 蒸发器的主要结构尺寸计算 一、加热管的选择和管数的初步估计·····································12 二、循环管的选择·····················································13 三、加热室直径及加热管数目的确定·····································13 四、分离室直径与高度的确定···········································13 五、接管尺寸的确定···················································14 (一)溶液的进出口················································14 （二）加热蒸气进口与二次蒸汽出口 ································14 （三）冷凝水出口·················································14 第五节 蒸发装置的辅助设备····················································14 一、气液分离器························································14 二、蒸汽冷凝器························································15 （一）冷却水量· ···············································15 （二） 冷凝器的直径···············································16 （三）淋水板的设计················································16 第六节 主要设备强度计算及校核················································17 一、蒸发分离室厚度设计···············································17 二、加热室厚度校核···················································18 符号说明 第一节 概述 1、​ 蒸发及蒸发流程 蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化单位部分杂质，使溶液得以浓缩的单元操作过程。 蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。化工生产中蒸发主要用于以下几种目的： 1获得浓缩的溶液产品； 2、将溶液蒸发增浓后，冷却结晶，用以获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品； 3、脱除杂质，获得纯净的溶剂或半成品，如海水淡化。进行蒸发操作的设备叫做蒸发器。 蒸发器内要有足够的加热面积，使溶液受热沸腾。溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动，被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。蒸发器内备有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，应将其在冷凝器中加以冷凝。 蒸发过程中经常采用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。 2、​ 蒸发操作的分类 按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。 按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。 按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。真空蒸发有许多优点： （1）、在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积； （2）、可以利用低压蒸气作为加热剂； （3）、有利于对热敏性物料的蒸发； （4）、操作温度低，热损失较小。 在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用。因此，单效蒸发多为真空蒸发；多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。 3、​ 蒸发操作的特点 从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点 : (1)​ 沸点升高 蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较同温度下纯溶剂的蒸气压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。在加热蒸气温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热唇溶剂的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。 (1)​ 物料的工艺特性 蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出晶体，或易于结垢；有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。如何根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的问题。 (1)​ 节约能源 蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸气。如何充分利用热量，提高加热蒸气的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。 四、蒸发设备    蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸气，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。    蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸气全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空装置。兹分述如下：   由于生产要求的不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类： （1）循环型蒸发器    特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。操作稳定。此类蒸发器主要有    a.中央循环管式蒸发器，    b.悬筐式蒸发器 c.外热式蒸发器， d.列文式蒸发器 e.强制循环蒸发器。 其中，前四种为自然循环蒸发器。 （2）单程型蒸发器    特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。   优点：溶液停留时间短，故特别适用于热敏性物料的  蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。   缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。   此类蒸发器主要有      a.升膜式蒸发器，      b.降膜式蒸发器，      c.刮板式蒸发器 五、蒸发器选型 本次设计采用的是中央循环管式蒸发器 ： 结构和原理：其下部的加热室由垂直管束组成，中间由一根直径较大的中央循环管。当管内液体被加热沸腾时，中央循环管内气液混合物的平均密度较大；而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，而由加热管上升，做自然循环流动。溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数，强化了蒸发过程。 这种蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用十分广泛，有" 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 蒸发器"之称。为使溶液有良好的循环，中央循环管的截面积，一般为其余加热管总截面积的40%～100%；加热管的高度一般为1～2m；加热管径多为25～75mm之间。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度一般在0.4～0.5m/s以下；蒸发器内溶液浓度始终接近完成液浓度；清洗和维修也不够方便。 第2节​ 蒸发装置设计任务 一、​ 设计题目 NaOH水溶液蒸发装置的设计 二、设计任务及操作条件 1、设计任务 处理量（ ）： 5000 （kg/h） 料液浓度（ ）： 5% （wt%）质量分率 产品浓度（ ）： 30% （wt%）质量分率 加热蒸汽温度（ ） 147.3 （℃） 末效冷凝器的温度（ ） 65.2 （℃） 2、操作条件 加料方式： 三效并流加料 原料液温度： 15℃ 各效蒸发器中溶液的平均密度：ρ1=1060kg/m3，ρ2=1250kg/m3，ρ3=1330kg/m3 加热蒸汽压强： 445kPa（绝压） ，冷凝器压强为 28 kPa（绝压） 各效蒸发器的总传热系数：K1=1800W/（m2·K），K2=1200W/（m2·K），K3=600W/（m2·K） 各效蒸发器中液面的高度： 2m 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。 3、设备型式 中央循环管式蒸发器 第3节​ 三效蒸发器得工艺计算 一、估计各效蒸发量和完成液浓度 多效蒸发的工艺计算的主要依据是物料衡算和、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸气（生蒸气）的消耗量、各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积。计算的已知参数有：料液的流量、温度和浓度，最终完成液的浓度，加热蒸气的压强和冷凝器中的压强等。 蒸发器的设计计算步骤多效蒸发的计算一般采用试算法。 （1）​ 根据工艺要求及溶液的性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸气压强及冷凝器的压强），蒸发器的形式、流程和效数。 （1）​ 根据生产经验数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液的浓度。 （1）​ 根据经验假设蒸气通过各效的压强降相等，估算个效溶液沸点和有效总温差。 （1）​ 根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。 （1）​ 根据传热速率方程计算各效的传热面积。若求得的各效传热面积不相等，则应按下面介绍的方法重新分配有效温度差，重复步骤（3)至（5），直到所求得各效传热面积相等（或满足预先给出的精度要求）为止。 总蒸发量: 并流加料蒸发中无额外蒸汽引出,可设 W=W1+W2+W3=3.5 =4167kg/h 由以上两式可得: W1=1191kg/h; W2=1429kg/h; W3=1547kg/h; X1= = =0.067; X2= = =0.105; X3=0.30 二、估计各效溶液的沸点和有效总温差 设各效间的压强降相等，则总压强差为： 各效压力差 式中 P ---各效加热蒸汽压强与二次蒸气压强之差KPa， ----第一次加热蒸气的压强KPa -----末效冷凝器中的二次蒸气的压强KPa 由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力, 即 由各效的二次蒸汽压强，从手册中查得相应的二次蒸汽温度和汽化潜热列与下表中: 效数 第一效 第二效 第三效 二次蒸汽压强Pi/(KPa) 306 167 28 二次蒸汽温度 Ti/(℃) (即下一效加热蒸汽温度) 134.0 114.3 65.2 二次蒸汽的汽化潜热(即下一效 加热蒸汽的ri/)（kj/kg） 2166 2221 2338 多效蒸发中的有效传热总温度差可用下式计算： 有效总温度差 式中 -----有效总温度差，为各效有效温度差之和，℃。 -----第一效加热蒸气的温度，℃。 -----冷凝器操作压强下二次蒸气的饱和温度，℃。 -------总的温度差损失，为各效温度差损失之和，℃， = /+ //+ /// 式中 /--- 由于溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失，℃， //---由于蒸发器红溶液的静压强而引起的温度差损失，℃， ///----由于管道流体阻力产生压强降而引起的温度差损失，℃， （一）各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失 / 杜林规则（dnhring’srule）:某种溶液的沸点和相同压强下标准液体（一般为水）的沸点呈线性关系。 根据各效二次蒸汽温度（也即相同温度压力水的沸点）和各效完成液的浓度 ，由氢氧化钠水溶液的杜林线图可查的各效溶液得沸点分别为； tA1=136℃; tA2=117℃; tA3=81℃; 则各效由于溶液蒸汽压压下降所引起的温度差损失为： =136-134=2.0℃ =117-114.3=2.7℃ =81-65.2=15.8℃ 所以 =2.0+2.7+15.8=20.5℃ （二）各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失 为简便计算，以液层中部点处的压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，则根据流体静力学方程，液层的平均压力为： 式中 —蒸发器中 液面和底层的平均压强，pa —二次蒸气的压强，即液面处的压强，，pa —溶液的平均密度， -液层高度 g-重力加速度， 根据 又因液位高度为2米 由 NaOH水溶液比重图可得下列数据: NaOH水溶液密度(Kg/m3) = =316KPa = =179KPa = =41KPa 根据各效溶液平均压强查得对应的饱和溶液温度为: =135.1℃ ; =116.4℃; =75.6℃ 根据 = 式中 --根据平均压强求取的水的沸点℃， --根据二次蒸气压强求得水的沸点℃, 所以 1= - T =135.1-134.0=1.1℃ 2= - T =116.4-114.3=2.1℃ 3= -T =75.6-65.2=10.4℃ =1.1+2.1+10.4=13.6℃ （三）流体阻力产生压降所引起的温度差损失 取经验值1 ，即 =0 ，则 故蒸发装置得总的温度差损失为 = + + =20.5+13.6+0=34.1 ℃ （四）各效料夜的温度和有效总温差 由各效二次蒸气压力 及温度差损失 ，即可由下式估算各效料夜的温度 ， ti=Ti/+ 2.0+1.1+0=3.1 各效料夜得温度为： t1= =134.0+3.1=137.1℃， t2= =114.3+4.8=119.1℃ ， t3= =65.2+26.2=91.4℃ 有效总温度差为 由手册查的445Kpa饱和蒸气的温度为147.3℃，气化潜热为2127KJ/kg,所以 =147.3-65.2-34.1=48.0℃ 三、加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算 第i效的焓衡算式为： = 0.94-0.7△x（式中△x为溶液的浓度变化，以质量分率表示）。 第i效的蒸发量 的 计算式为 式中 ------第i效的加热蒸汽量，当无额外蒸汽抽出时 = ------ 第i效加热蒸气的汽化潜热 ------第i效二次蒸气的汽化潜热 -----------原料液的比热 ---------水的比热 ， --------分别为 第i效及第i-1效溶液的沸点 -----------第i效的热利用系数,无因次， 对于沸点进料， ，考虑到氢氧化钠溶液溶液浓缩热的影响，则 由前面可知道， ,代入 ………………………….(a) 第二效的热衡算式为: 由前面可知道， ，所以 …….(b) 第三效的热衡算式为: 由前面可知道， ,所以 ….(C) 又因W1+ W2+ W3=4167 (d) 联立(a),(b),(c),(d)式,解得: =1453Kg/h =1462Kg/h =1252Kg/h D1= 1530 Kg/h 四、蒸发器的传热面积的估算 任意一效的传热速率方程为 式中 ---第i效的传热速率，W。 ----第i效的传热系数，W/（m2, ℃）. ---第i效的传热温度差，℃ Si-------第i效的传热面积，m2 在三效蒸发中，为了便于制造和安装，通常采用各效传热面积相等的蒸发器，即 各效蒸发器的总传热系数： Q1=D1r1= Kg/h ℃ 误差为 ，误差较大，应调整各效得有效温度，重复上述计算过程。 五、有效温差的再分配 平均传热面积: 重新分配有效温度差: = = = = ℃ = = ℃ 六、重复上述计算步骤 （1）​ 计算各效溶液浓度 ; ， =0.3， （2）​ 计算各效溶液沸点 末效溶液沸点和二次蒸汽压强保持不变,各种温度差损失可视为衡值，故末效溶液的沸点 =90.2℃.而 =27.5℃,则第三效加热蒸汽温度（即第二效二次蒸汽温度）为 ℃ 由于第二效二次蒸汽温度为T2/=117.8℃,再由X2=0.120查杜林曲线得:tA2=121.7℃, 所以第二效料夜的温度为 ℃ 同理 T2= T1/ = t2+ =123.8+12.8=136.6℃ 再由 T1/ =136.6℃，X1=0.07， 查杜林曲线得: tA1=138.5℃ ℃ 说明溶液的温度差损失变化不打，不必重新计算，故有效温度差为 ℃ 温度差重新分配后，各效温度情况列于下表: 效次 I II III 加热蒸气温度，℃ 有效温度差，℃ 料夜温度（沸点），℃ =139.6 =123.8 =91.4 （三）各效焓衡算: 第一效： （1） 第二效： （2） 第三效： …(3) 又因为： W 1+ W2+ W3=4167Kg/h …(4) 联解（1）~（4），得 W 1=1463Kg/h W2 =1442Kg/h W3 =1262 Kg/h D =1540Kg/h 与第一次热量恒算所得结果： 计算的相对误差均在0.05允许范围之内股计算得各效蒸发面积合理。其各效溶液浓度无明显变化不必再算。 （四）蒸发器传热面积的计算 Q1=D1r1=Kg/h ℃ ℃ 误差计算得： ；所以误差允许，取平均传热面积: 七、计算结果 效数 1 2 3 冷凝器 加热蒸汽温度(℃) 147.3 136.6 117.8 65.2 操作压强Pi/ (KPa) 329 186 28 28 溶液沸点ti℃ 139.6 123.8 91.4 完成液浓度(%) 7 12 30 蒸发水量Wi Kg/h 1463 1442 1262 生蒸汽量D Kg/h 1540 传热面积Si m2 56.8 56.8 56.8 表中操作压强按查得，按查得， 第四节 蒸发器的主要结构尺寸计算 一、加热管的选择和管数的初步估计 蒸发器加热管选取：， 的无缝钢管 S----蒸发器的传热面积，m2 L---加热管长度，m； d0----加热管外径，m； 当加热管的规格与长度确立后，可由下式初步估算所需管子数n’， 因加热管固定在管板上，考虑管板厚度所占据的传热面积，则计算n’时的管长应用（L—0.1）m. 二、循环管的选择 中央循环管式蒸发器的循环管截面积可取加热管总截面积的40%--100%。加热管的总截面积可按n’计算。循环管内径以D1表示，对于加热面积较小的蒸发器，应去较大的百分数，取加热管的面积70%，则 选取管子的直径为：循环管管长与加热管管长相同为2.0m。 三、加热室直径及加热管数目的确定 加热室的内径取决于加热管和循环管的规格、数目及在管板撒谎能够的排列方式。 加热管在管板上的排列方式有三角形排列、正方形排列、同心圆排列。 查表4-4，加热管的管心距 管子按正三角形排列，管束中心线上管数 初步估算加热室内径，即 其中 取 。则 查国家标准压力容器公称直径表和表4-5 选取加热室壳体内径，壁厚 按加热管的排列方式和管心距作图 通过作图，求得加热管数，而初步估算 其相对误差 所以误差不大，计算合理，所以循环管的规格一次选定。 四、分离室直径与高度的确定 分离室的直径与高度取决于分离室的体积，而分离室的体积又与二次蒸汽的体积流量及蒸发体积强度有关。 分离室体积的计算式为 式中 -----分离室的体积，m3; -----某效蒸发器的二次蒸汽量，kg/h; -----某效蒸发器二次蒸汽密度，Kg/m3 ， -----蒸发体积强度，m3/(m3.s);。一般用允许值为 为方便起见，各效分离室的尺寸取一致。分离室体积宜取其中较大者。 蒸发强度选 因为末效体积最大，故分离室体力为 确定了分离室的体积，其高度与直径符合下列关系， 利用此关系确定高度和直径时应考虑如下原则： (1)分离室的高度与直径之比。对于中央循环管式蒸发器，其分离室一般不能小于1.8m，以保证足够的雾沫分离高度。分离室的直径也不能太少，否则二次蒸汽流速过大，导致雾沫夹带现象严重。 (2)在条件允许的情况下，分离室的直径尽量与加热室相同，这样可使结构简单制造方便。 (3)高度和直径都适于施工现场的安放。 故选 五、接管尺寸的确定 流体进出口的内径按下式计算 式中 -----流体的体积流量 m3/s ； --------流体的适宜流速 m/s ， 估算出内径后，应从管规格表格中选用相近的标准管。 （1）​ 溶液的进出口 对于并流加料的三效蒸发，第一效溶液流量最大，各效设备尺寸一致，根据第一效溶液流量确定接管。取流体的流速为0.8 m/s； 所以取规格管。 （2）​ 加热蒸气进口与二次蒸汽出口 各效结构尺寸一致二次蒸汽体积流量应取各效中较大者。第III效体积流量最大，故 所以取规格管。 （三）冷凝水出口 冷凝水的排出一般属于液体自然流动，接管直径应由各效加热蒸气消耗量较大者确定。 所以取规格管。 第五节 蒸发装置的辅助设备 一、气液分离器 蒸发操作时，二次蒸汽中夹带大量的液体，虽在分离室得到初步的分离，但是为了防止损失有用的产品或防止污染冷凝液，还需设置气液分离器，以使雾沫中的液体聚集并与二次蒸汽分离，故气液分离器或除沫器。 选择惯性式除沫器，其工作原理是利用带有液滴的二次蒸汽在突然改变运动方向时，液滴因惯性作用而与蒸汽分离。 在惯性式除沫器的主要尺寸关系： 由加热蒸气进口与二次蒸汽出口接管尺寸， 所以 所以 二、蒸汽冷凝器 蒸汽冷凝器的作用是用冷却水将二次蒸汽冷凝。 二次蒸汽与冷却水直接接触进行热交换，其冷却效果好，结构简单，操作方便，价格低廉，因此被广泛采用。 所以，选用多孔板式蒸气冷凝器。 （1）​ 冷却水量 根据冷凝器入口蒸汽压强和冷却水进口温度可由图表4-13可查得。 式中， -----冷却水量m3/h； -----所需冷凝的蒸汽量，Kg/h 因为计算值值偏低，故设计时取 查图4-13， 实际取 （二） 冷凝器的直径 根据进入冷凝器的二次体积流量，用流量公式求出冷凝器直径 所以选 （三）淋水板的设计 (1) 淋水板数： ，淋水板取4块 (2)​ 淋水板间距： L末0.15m 又L0=D+(0.15~0.3)m 取 所以取 （3）弓型淋水板的宽度： 最上面一块=（0.8~0.9）D， 其他各淋水板B=D/2+0.05 m 所以 (4)淋水板堰高h： D=300mm<500mm,所以 h=40mm (5)淋水孔径： 冷却水循环使用,取d=10mm （6）淋水孔数： 淋水孔冷却水流速 考虑到长期操作易堵,最上一板孔数为 其他各板孔数为 第6节​ 主要设备强度计算及校核 筒体厚度计算公式设计厚度 :设计压力; :焊缝系数: :筒体内径; 材料的许用应力,MPa 压力实验选用水压试验,公式为 ---容器的有效厚度; ---圆筒焊缝系数 ---试验时容器承受压力; ---设计温度下屈服极限 1、​ 蒸发分离室厚度设计 分离室壳体材料选用,查表得设计温度下 , 最小厚度查取: <3 向上整和为, 水压试验 所以强度符合，按标准管当Di=1200mm时取12mm符合要求 封头选用椭圆型封头,则厚度 为焊接方便取封头厚度和筒体厚度相等即:12mm 二、加热室厚度校核 取进行校核 即 所以水压实验强度符合要求查标准管，内径为1200mm,最小壁厚为12mm,强度符合要求。 【参考文献】 1.​ 陈敏恒，丛德兹等. 化工原理(上、下册)(第二版). 北京：化学工业出版社，2000 2.​ 大连理工大学化工原理教研室. 化工原理课程设计. 大连：大连理工大学出版社，1994 3.​ 柴诚敬，刘国维，李阿娜. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社，1995 4.​ 时钧，汪家鼎等. 化学工程手册，北京：化学工业出版社，1996年 5.​ 上海医药设计院. 化工工艺设计手册(上、下). 北京：化学工业出版社，1986