1、 化工原理课程设计蒸发单元操作设计任务书 班级 姓名 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： 15000 kg/h NaOH 水溶液2、物料条件NaOH 水溶液的原料液（初始）浓度：X 0= 12 %(w) ；浓缩（完成）液浓度： Xn= 38 %(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： 500 kPa 冷凝器压强： 16 kPa 各效蒸发器的总传热系数：K1=1600W/（m 2)，K 2=1000W/（m 2)，K 3=600W/（m 2)。各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。假设
2、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 目录目 录1 设计
3、方案简介 11.1 设计方案论证 .11.2 蒸发器简介 .12 设计任务 32.1 估算各效蒸发量和完成液浓度 .32.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差 .32.2.1 各效由于溶液沸点而引起的温度差损失 .42.2.2 由于液柱静压力而引起的沸点升高（温度差损失） .42.2.3 由流动阻力而引起的温度差损失 .52.2.4 各效料液的温度和有效总温差 .52.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算 .62.4 蒸发器传热面积的估算 .72.5 有效温差的再分配 72.6 重复上述计算步骤 .82.6.1 计算各效料液浓度 .82.6.2 计算各效料液的温度 .82.6.3 各效的
4、热量衡算 .92.6.4 蒸发器传热面积的计算 102.7 计算结果列表 113 蒸发器的主要结构尺寸的计算 .123.1 加热管的选择和管数的初步估算 123.2 循环管的选择 123.3 加热室直径及加热管数目的确定 123.4 分离室直径和高度的确定 123.5 接管尺寸的确定 133.5.1 热蒸汽进口，二次蒸气出口，其中 Vs 为流体的体积流量 133.5.2 溶液进出口，因为第一效的流量最大，所以取其为计算量 133.5.3 冷凝水出口 134 蒸发装置的辅助设备的选用计算 .154.1 气液分离器 154.1.1 本设计采用的是惯性式除沫器，其主要作用是为了防止损失有用的产品或防
5、止污染冷凝液体。 .154.1.2 分离器的选型 154.2 蒸汽冷凝器的选型设计 15目录I4.2.1 本设计采用的是多层孔板式蒸汽冷凝器，其性能参数如表 154.2.2 蒸汽冷凝器的选型 164.3 泵的选择 175 评述 .195.1 可靠性分析 195.2 个人感想 196 参考文献 .20课程设计01 设计方案简介1.1 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
6、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，本流程只适应于黏度不大的料液。1.2 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，
7、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 40%100%。加热管长一般为 12m，直径2575mm，长径比为 2040。其结构紧凑、
8、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。课程设计1并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算的示意图如图 4-15 所示。课程设计22 设计任务2.1 估算各效蒸发量和完成液浓度总蒸发量 hkgxFW/704.12013因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设2.:0.:3211hkg/71W322k/8.1.8.3 152.02
9、011Fx 164.03.2 4.3x2.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差 kPa5201k8设各效间压力降相等，则总压力差为 kPaK502181各效间的平均压力差为 Pi 3.675023由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即 kPai .52.11 Pi 483675202ka83课程设计3由各效的二次蒸气压力，从手册中查得相应的二次蒸气的温度和气化潜热列于下表中；表 1-1 各效二次蒸汽物化数据效数 二次蒸气压力 ，kPa ip 352.7 185.4 18二次蒸气温度 ，iT（即下一效加热蒸汽的温度） 138.9 118.1 57.0二次蒸气的气化潜热 ，kJ/kgir(即下一
10、效加热蒸汽的气化潜热) 2148.1 2214.0 2358.32.2.1 各效由于溶液沸点而引起的温度差损失根据各效二次蒸气温度（也即相同压力下的沸点）和各效完成液的浓度 ，ix由 NaOH 水溶液的杜林线图可查得各效溶液的沸点 分别为AittA1=148tA2=132tA3=84则各效由于溶液蒸气压下降所引起的温度差损失12.9380.141TtA2275.33tA所以 02.9.12.oC2.2.2 由于液柱静压力而引起的沸点升高（温度差损失）查手册得各效温度、浓度下的 NaOH 密度，为简便计，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， 1=1170 kg/m3， 2
11、=1240 kg/m3， 3=1430kg/m3。则根据流体静力学方程，液层的平均压力为2gLpm所以 kPaPm .611025.897.35011 课程设计4kPagLPpm 5.19402.814.852032 9333由平均压力可查得对应的饱和温度为=140 ， =119.3， =67.9 11mpT2mpT3mpT所以 12.981401 P.22m.57633TP 2139.01.2.2.3 由流动阻力而引起的温度差损失取经验值 1 ，即 ，则oCo1231Co3故蒸发装置的总的温度差损失为24.6.502.2.4 各效料液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
12、由下式估算各效料液的温度ipi，itiiiT24.1.12911 63229.38.0733各效料液的温度为 12.54.9181Tt62235733t有效总温度差 KsTt由手册可查得 500kPa 饱和蒸汽的温度为 153.3 1、汽化潜热为2103.9kJ/kg 1，所以06.32.573.1 Kst课程设计52.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算第效的热量衡算式为 1011rtFcrDWpo对于沸点进料， = ，考虑到 NaOH 溶液浓缩热的影响，热利用系数计算0t式为10.987ix式中 为第 效蒸发器中料液溶质质量分数的变化。i9574.012.53.079811 x所以(
13、a)1111 .245.0DDrW第效的热量衡算式为 21212 rtcWFrpwpo9351.0.64.0798.7.0982 x 49.25387.024873124351. 112 WW(b)对于第效，同理可得 321323 rtcWFcrpwppo851.064.07.987.0983 x 3.2589147.31.23541. 213 WW(c) .079.74.012W又 (d)31联解式(a)至式(d)，可得课程设计6hkgW/2194k/3.03hgD52612.4 蒸发器传热面积的估算 iitKQSW631 1083.60/19.205.36rDtTt 2611 8.71.3
14、08.mtKQSWrW632 104.0/249821.812tTtt 622 3.9.403.mtKQSWrW63 105./19829.6323tTtt633 4.10.5.mtKQS误差为 ，误差较大，应调整各效的有效温差，重75.82391maxin复上述计算过程。2.5 有效温差的再分配 2321 4.12.8.41.3.410698.7 mttStSi 课程设计7重新分配有效温度差得，5.718.3427tSt11 .69tt227.912.14.0tSt33 2.6 重复上述计算步骤2.6.1 计算各效料液浓度由所求得的各效蒸发量，可求各效料液的浓度，即 154.02910.1
15、WFx 218.236.x2.6.2 计算各效料液的温度因末效完成液浓度和二次蒸气压力均不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液的温度仍为 95.9，即 t3=95.9 则第效加热蒸汽的温度（也即第效二次蒸气温度）为57.16.95323 tT由第效二次蒸气的温度 及第效料液的浓度 查.2T2148.0x杜林线图得第效溶液的沸点为 。At由液柱静压力及流动阻力而引起的温度差损失可视为不变。故第效料液的温度为2.180.12622 At同理 31tT由 及第效料液的浓度 查杜林线图，得第 效溶液的9.36 169.0x沸点为 143.8。则第效料液的温度为课程设计892.1450.28.143
16、11 At第一效料液的温度也可由下式计算7.5.11tTt说明溶液的各种温度差损失变化不大，不需重新计算，故有效总温度差不变，即06.3t温度差重新分配后各效温度情况列于下表：效次 加热蒸汽温度， 3.15T03.1T57.12T有效温度差， 7t 82t 93t料液温度（沸点） ， 92.41 2.6.3 各效的热量衡算 03.121TkgJr/08.217 573 94 kJr/.3651第效9562.01.4.0798.7.09811 x1111 2356. DDrW第效 21212 rtcWFrpwpo9374.05.48.079.7.0982 x 72.851.0.21831.248
17、3. 112 WW第效 321323 rtcWFcrpwppo951.04.6.0798.7.0983 x课程设计9 8.2365917.418.7.3108.236594891.0 23 WW.76.12又 7031联立解得 hkgW/9.285173k/.hgD5241与第一次计算结果比较，其相对误差为 09.384.2102.35.计算相对误差均在 以下，故各效蒸发量的计算结果合理。其各效溶液.浓度无明显变化，不需重新计算。2.6.4 蒸发器传热面积的计算W631 1054.60/19.2035.74rDQ.t 2611 35.10.70.mtKS WrWQ62 10439.6/8239
18、85.t课程设计102622 4.183.9104.mtKQS WrW633 107.0/756.9t 2633 157.904.1mtKQS误差为 ，迭代计算结果合理，取平均传0.4.63maxin热面积 。29.78S2.7 计算结果列表 效数 冷凝器加热蒸汽温度 o,CiT153.3 131.03 115.57 57操作压力 kPai352.7 185.4 18 18溶液温度（沸点） o,it 145.92 128.2 95.9完成液浓度 ,%ix15.4 21.48 33.6蒸发量 kg/hiW2385.39 2399.97 2215.35蒸汽消耗量 ,D2574.35传热面积 2mi
19、S123.95 123.95 123.95课程设计113 蒸发器的主要结构尺寸的计算3.1 加热管的选择和管数的初步估算所需管子数 = n)1.0L(dS其中 S蒸发器的传热面积，m 2，由前面的工艺计算决定d0加热管外径，mL加热管长度，m,取 L=2m, d0=57mm根36549.)1.2(057.1439n3.2 循环管的选择有经验公式循环管内径 =(0.4-1)i iDnd因为S较大，取 .ii取D i=0.604m3.3 加热室直径及加热管数目的确定按正三角形排列，管束中心在线管数=21.01=22 根3651.n加热室内径 Di=t(nc-1)+2 b其中t为管心距，取0.07m
20、, =1d0Di=0.07(22-1)+210.057=1.584m,取D i=1584mm3.4 分离室直径和高度的确定分类室的体积V= UW360课程设计12其中W为某效蒸发器的二次蒸气流量，为某效蒸发器的二次蒸气的密度，kg/m3，U为蒸气体积强度， 一般允许值为 1.11.5m3/（m 3s） 取W=W3=2215.35kg/h，=0.1240kg/m 3 U=1.1m3/(m3s)。所以V=4.512分离室高度H与直径D的关系：V= D2H, D=Di=1584mm4求出H=2.29m3.5 接管尺寸的确定3.5.1 热蒸汽进口，二次蒸气出口，其中 Vs 为流体的体积流量流体进出口的
21、内径按 d= 计算uVs4因为第一效的流量最大，所以取其为计算量Vs= m3/s96.124.03/5取 u 的流速为 25m/s，d= 5029.24.取管为 则实际流速为u= m/s1530 13623.5.2 溶液进出口，因为第一效的流量最大，所以取其为计算量Vs= m3/s027.1736/0因为其流动为强制流动，u =0.8-15 m/s, 所以取u = 3 m/s 则有d= m，取管为3.4.323 82.5则实际流速为 u= m/s7.20.13.5.3 冷凝水出口其中Vs 为流体的体积流量Vs= = m3/s3W4106.980/5.21按自然流动的液体计算，u=0.080.1
22、5 m/s,取u=0.12m/s，则计算出课程设计13d= m089.1.4364取管 ，实际流体流速为908u= m/s07143624课程设计144 蒸发装置的辅助设备的选用计算4.1 气液分离器4.1.1 本设计采用的是惯性式除沫器，其主要作用是为了防止损失有用的产品或防止污染冷凝液体。其性能参数如表表 0-1 惯性式除沫器性能参数如表捕捉雾滴的直径 压力降 分离效率 气速范围50m 196588KPa 8590 常压 1225m/s 减压25m/s4.1.2 分离器的选型由 D0 D1 D1：D 2：D 3：=1：1.5：2.0 H=D-3H=（0.40.5）D 1其中 D0二次蒸汽的
23、管径，mD 1除沫器内管的直径，mD 2除沫器外管的直径，mD 3除沫器外壳的直径，mH除沫器的总高度，mH除沫器的内管顶部与器顶的距离，m所以 D1= D0=0.53 m D2=0.795m D3=1.06mH= D3=1.06m h=0.5D1=0.265m4.2 蒸汽冷凝器的选型设计4.2.1 本设计采用的是多层孔板式蒸汽冷凝器，其性能参数如表表 0-2 多层孔板式蒸汽冷凝器性能参数表水气接触 压强 塔径范围 结构与要求 水量面积大 10672000Pa 大小均可 较简单 较大课程设计154.2.2 蒸汽冷凝器的选型1.冷却水量的确定查多孔板冷凝器的性能曲线得 18kPa 的进口蒸汽压力
24、，冷却水进口温度20,1m3 冷却水可冷却蒸汽量为 X=53Kg，得 VL= m3/h 与实际8.4153.2数据比，VL 偏小，故应取 VL=1.25，VL=52.25m 3/h2.冷凝器的直径取二次蒸汽的流速 u=15m/s则 D= m649.012.54.3/vW3.淋水板的设计因为 D500mm,取淋水板 8 块淋水板间距以经验公式 Ln+1=0.7Ln 计算，取 L 末=0.15m即 L7=0.15m.依次计算出： 21.05.063.7.65L4.0.5461.73.43L8.0.3224.17,021L10弓型淋水板的宽度 B=0.8D=0.8649=519.2mmB=0.5D+
25、50=0.5649+50=374.5mm其中 B为最上面的一块板，B 为其它板淋水板堰高 h，取 h=50mm课程设计16淋水板孔径 冷却水循环使用，取 8mm淋水板孔数 淋水孔流速 u0= gh2其中 -淋水孔的阻力系数，=0.950.98-水孔收缩系数，=0.800.82h-淋水板堰高,m取 =0.98 =0.82 计算 u0=0.980.82 s/m80.5.192孔数 n= 个3608.14.3654360202dV考虑到长期操作时易造成孔的堵塞，取最上层孔数为 1.15n=1.15361=414个，其它各板孔数应加大 5%，即 1.05n=1.05361=379 个淋水孔采用正三角形
26、排列。4.3 泵的选择(1) 真空泵真空度为 0.7atm, 真空泵排气量edcbaVVa-真空系统渗透空气量;b-蒸发过程中料液释放的不凝性气体量,常可以忽略;c-每小时冷却水能释放的空气量;dV-蒸发过程中流体的饱和蒸汽压的当量值;e-不凝性气体机械夹带的生蒸汽量,常忽略; a=0.45kg/h ； bV=0c= 22.510.510.65/L kghdV= (Aa+ b+ c)=1.01 (0.45+0+0.565)=1.015kg/he=0= a+ b+ c+ dV+ e=. .4.1.02.3/kgh根据排气量和所抽气体基本上是空气的前提条件,选用水喷射泵 11/2BA-6 系列功率
27、 极限真空度 材料 最大吸气量1.5KW 600mmHg A3 钢 7.4kg/h(2) 离心泵 q=F/=10000/998.2=10.01m3/h课程设计17查 IS 型单级单吸离心泵性能表：选型号：IS50-32-125流量：12.5m 3/h 扬程 20m 转数：2900r/min 轴功率：1.13Kw电机功率：2.2Kw 效率 60% 必须汽蚀余量：2.0m课程设计185 评述5.1 可靠性分析计算过程中有计算误差或者人为误差，没有多次验算，而且有些设备的选择不是很准确，所以最后结果可靠性不是很强。5.2 个人感想经历了一个星期的设计与计算，本次化工原理课程设计也将告于段落，在这十几
28、天的时间里收获了许多，是在平时的学习当中所感受不到的。原本课程设计在想象中是一件很容易的事情，但是现在心里绝对不是这种想法了。理解了设计人员的不易，每一个数据的确定都要有它自己的依据，不能凭空捏造，更要明白每个数据存在的意义。更是自己对上学期的化工原理的应用，让我明白了化工原理的重要性，以及开设这门课程的意义，它是我们化工生产中不可缺少的一部分，假如生产时人，那它就是人脚下的路。想要走好这条路，就必须先铺好它。在整个过程中也考验了自己多方面的能力，比如计算的严谨，相信很多人在这方面是深有感触也包括我自己在内，每组数据的计算都在三到四遍那样。还有对知识掌握的扎实程度，对公式的理解与运用，都是很重
29、要的，真有种牵一发而动全身的感觉。还有就是电脑的运用上，如公式编辑器，Word 的应用，AutoCAD 的运用都在这次课程设计中体现， 。让我认清了一件事，那就是作为当代大学生，不能只顾专业的学习，还要全方面的发展自己，让自己将来在社会上成为有用之人。课程设计196 参考文献1 夏清，陈常贵，姚玉英.化工原理上册M.天津：天津大学出社，2005：325，334-336，357-358，3642 柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计M.天津：天津科学技术出版社，1994：67-733 刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册M.北京：化学工业出版社，2002：2914 刁玉玮，王立业.化工设备机械基础M.第 5 版.大连：大连理工大学出版社，2003：2035 贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计M.天津：天津大学出版社，2002：73-100
