化工原理课程设计说明书.doc

内蒙古工业大学本科课程设计说明书学校代码： 学 号： 课程设计说明书题 目：38.5kt/a NaOH溶液三效蒸发装置设计学生姓名：学 院：化工学院班 级：过程装备与控制工程07-3班指导教师： 2010 年 7 月 9 日第1章 设计方案的确定蒸发操作条件的确定主要指蒸发器加热蒸汽的压强（或温度），冷凝器的操作压强（或温度）的确定，正确选择蒸发的操作条件，对保证产品质量和降低能耗极为重要。1.1 加热蒸汽压强的测定通常被蒸发的溶液有一个允许的最高温度，若超过了此温度物料就会变质，破坏或分解，这是确定加热蒸汽压强的一个依据。应使操作在低于最大温度范围内进行，可以采用加压蒸发，常压蒸发或真空蒸发。蒸发是一个消耗大量加热蒸汽而又产生大量二次蒸汽的过程。从节能的观点出发，应充分利用二次蒸汽作为其它加热用的热源，即要求蒸发装置能够提供温度较高的二次蒸汽。这样既可减少锅炉产生蒸汽的消耗量，又可以减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量，提高了蒸汽利用率。因此，能够采用较高温度的饱和蒸汽作为加热蒸汽的有利的，但通常所用饱和蒸汽的温度不超过180,超过时相应的压强就很高,这样增加加热的设备费和操作费，一般的加热蒸汽压强在300-800 kPa范围之内。针对本次设计任务，加热蒸气设计压强（绝压）为600 kPa。1.2 冷凝器操作压强的测定 若一效采用较高压强的加热蒸汽，则末效可采用常压或加压蒸汽，此时末效产生的二次蒸汽具有较高的温度，可以全部利用。而且各效操作温度高时，溶液粘度低，传热好。若一效加热蒸汽压强低，末效应采用真空操作，此时各效二次蒸汽温度低，进入冷凝器冷凝需消耗大量冷却水，而且溶液粘度大，传热差。但对于那些热敏性物料的蒸发，为充分利用热源还是经常采用的。对混合式冷凝器，其最大的真空度取决于冷凝器内的水温和真空装置的性能。通常冷凝器的最大真空度为70-80kPa。本次设计中，冷凝器设计压强为76 kPa(真空度)。1.3 进料状况根据经验和实验得出沸点进料有利于蒸发和传质过程的进行，减少蒸发过程的热损失，增大蒸发过程的处理量，所以选择沸点进料。1.4 蒸发器的形式在化工生产中，大多数蒸发器都是利用饱和水蒸汽作为加热介质，因而蒸发器中热交换的一方是饱和水蒸汽冷凝，另一方是溶液的沸腾，所以，传热的关键在于料液沸腾一侧。为了适应各种不同物性物料的蒸发浓缩，出现了各种不同结构形式的蒸发器，而且随着生产，技术的发展，其结构在不断改进。工业中常用的间壁式传热蒸发器，按溶液在蒸发器中的流动特点，可分为循环型（中央循环管式、悬筐式、外加热式、列文式、强制循环式等）和单程型（升膜式、降膜式、升-降膜式、刮板式等）两大类型。由于单程型蒸发器适用于处理热敏性物料，本次设计任务中料液为NaOH水溶液，不是热敏性物料，故选用循环型蒸发器，常见循环型蒸发器比较见表1-1。表1-1 常见循环型蒸发器比较中央循环管式悬筐式列文式强制循环式优点料液呈自然循环流动，蒸发器结构紧凑，制造方便，操作可靠，有“标准蒸发器”之称。料液循环流动，循环速度高，热损失小，适于蒸发易结垢或有晶体析出的溶液。 循环管内流动阻力小，循环速度大，传热效果好，适于处理有晶体析出或易结垢的溶液。传热系数大，适于处理黏度较大或易结垢的物料。缺点设备清洗和检修不太方便结构复杂，单位传热面需要的设备材料量较大。设备庞大，需要的厂房高，所需加热蒸气压力较高。动力消耗大，利用外加动力。面对种类繁多的蒸发器，在结构上必须有利于过程的进行，为此在选用时应考虑以下原则：（1） 尽量保证较大的传热系数，满足生产工艺的要求。（2） 生产能力大，能完善分离液沫，尽量减慢传热面上的垢层的生成。（3） 结构简单，操作维修和清洗方便，造价低，使用寿命长。（4） 能适应所蒸发物料的一些工艺特性（如粘性、起泡性、热敏性、结垢性、腐蚀性等）。综上各条件考虑，选用中央循环管式蒸发器。1.5 效数的选择在流程设计时首先应考虑采用单效还是多效蒸发，为充分利用热能，生产中一般采用多效蒸发。因在多效蒸发中，将前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，可节省生蒸汽耗量。但不是效数愈多愈好，效数受经济上和技术上的因素所限制。经济上的限制是指效数超过一定时经济上不合算。多效蒸发中，随效数的增加，总蒸发量相同时所需生蒸汽量减少，使操作费用降低。但随效数增加，设备费成倍增长，而所节省的生蒸汽量愈来愈少，所以无限制增加效数已无实际意义，最适宜的效数应使设备费和操作费二者之和为最小。技术上的限制是指效数过多，蒸发操作难于进行。一般工业生产中加热蒸汽压强和冷凝器操作压强都有一定限制，因此在一定操作下，蒸发器的理论总温差为一定值。在效数增加时，由于各效温差损失之和的增加，使总有效温差减小，分配到各效的有效温差小到无法保证各效发生正常的沸腾状态时，蒸发操作将无法进行下去。基于上述理由，实际的多效蒸发过程效数并不多。为了保证传热的正常进行，每一效有效温差不能小于5-7。通常对于电解质溶液，如NaOH水溶液，由于其沸点升高较大，采用2-3效，对于非电解质溶液，有机溶液等，其沸点升高较小，可取为4-6效。其真正适宜的效数，需通过最优化的方法加以确定。通过选择，本次设计采用3效蒸发。1.6流程的选择多效蒸发的操作流程根据加热蒸汽与料液的流向不同，可分为并流，逆流，平流及错流四种。并流法亦称为顺流法，其料液和蒸汽呈并流。因各效间有较大压差，料液能自动从前效进入后效，可省去输料泵；前效的温度高于后效，料液从前效进入后效时呈过热状态，可以产生自蒸发；结构紧凑，操作简便，应用广泛。但由于后效较前效的温度低，浓度大，因而逐效料液的粘度增加，传热系数下降。因而并流法操作只适用于粘度不大的料液蒸发。逆流法即料液于蒸汽呈逆流操作。随着料液浓度的提高，其温度相应提高，使料液粘度增加较小，各效的传热系数相差不大，故可生产较高浓度的浓缩液。因而逆流法操作适用于粘度较大的料液蒸发，但由于逆流操作需设置效间料液输送泵，动力消耗较大，操作也较复杂。此外对浓缩液在高温时易分解的料液，不宜采用此流程。平流法即各效都加入料液，又都引出浓缩液。此法除可用于有结晶析出的料液外，还可用于同时浓缩两种以上的不同水溶液。错流法亦称混流法，它是并，逆流的结合。其特点是兼有并，逆流的优点而避免其缺点，但操作复杂，控制困难，应用不多。采用多效蒸发装置是节能的途径之一。此外为了回收系统中的热量，应尽量利用低温热源，如蒸汽冷凝液的利用及二次蒸汽的压缩再利用等，可参考有关蒸发专著。基于上述各种蒸发流程的比较，选择并流流程。第2章 三效并流蒸发过程的工艺计算多效蒸发工艺计算依据物料衡算，热量衡算以及转热速率三个基本方程。在多效蒸发中，各效的操作压力依次降低，与之相应的，各效的加热蒸汽温度及溶液的沸点亦依次降低。以下以三效蒸发为例，采用试差法进行计算。计算步骤如下：第一，根据工艺要求及溶液性质确定蒸发的操作条件，蒸发的形式，流程和效数。第二，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。第三，根据经验假设蒸汽通过各效压强降相等，估计各效溶液沸点和有效总温差。第四，根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。第五，根据转热速率方程计算各效的转热面积。本次设计条件是：设计一个连续操作的三效并流蒸发装置，NaOH溶液处理量：38.5kt/a；溶液浓度10%，温度30；完成液含NaOH浓度32%。每年按300天计算。原料液进料流量：F = 2.1各效蒸发量和完成液浓度的估算过程总蒸发量： W = F×（1） （2-1） 式中：F原料液进料流量， W过程蒸发量， 进料浓度 完成液浓度 W = F×（1）= 5486.1×（10.1/0.32）= 3676 取各效蒸发量相等第i效蒸发量为： W = (2-2) 式中 第i效蒸发量 溶液蒸发总量 效数即W1 = W2= W3 = = 1225 各效完成液浓度: (2-3) = = = = = 2.2估算各效二次蒸汽温度设各效间的压强降相等，则各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差： （2-4）取 设各效间的压强降相等： 第i效二次蒸汽压强 = （25）式中： 各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差， 第效的操作压强， 查1附表九得到蒸汽的温度和汽化热加热蒸汽 =575 =157 =2097第一效二次蒸汽 =395 =143 =2140第二效二次蒸汽 =215 =122.3 =2210第三效二次蒸汽 =35 =70.8 =23232.3计算各效传热温度差各效温度差损失： （1）由于溶液蒸汽压降引起的温度差损失由校正系数法：式中：,NaOH水溶液在常压下的沸点值。 一般取 （2-10） kJ/kg由1图7-16可查得NaOH水溶液的沸点第一效：146 1.31 3.93第二效：130 1.15 8.86第三效：93 0.82 18.2(2) 由液层静压效应引起的温度差损失由于液层内部的压力大于液面上的压力，使相应的溶液内部的沸点高于液面上的沸点，二者之差即为液注静压头引起的沸点升高。根据流体静力学方程，液层的平均压力为： （2-11）而 （2-12）式中取液层高度L=2.5m 一效：查1附表九 144.2144.2-143=1.2二效： 124.5 124.5-122.3=2.2三效：82.582.5-70.8=11.7（3）由管道流动阻力产生的压强降所引起的温度差损失 二次蒸汽从蒸发室流入冷凝器的过程中，由于管道阻力，其压力下降，故蒸发器内的压力高度高于冷凝器内的压力，由此造成的沸点升高约为1-1.5.（4）各效料液的温度和有效总温差各效传热温度差计算式：为前一效二次蒸汽温度（即第i效加热蒸汽温度），为第i效溶液沸点，其计算式为：为第i效二次蒸汽温度，为第i效温度差损失所以各效沸点为：第一效：第二效：第三效：2.4 计算各效蒸发量和传热量根据物料衡算和热量衡算得公式 式中：-第i效的加热蒸汽量，当无额外蒸汽抽出时Di=Wi-1-分别为第i效加热蒸汽与二次蒸汽的汽化潜热，-为原料液的比热，3.77kJ/（kg·）-为水的比热，4.187kJ/（kg·）-分别为第i效及第i-1效溶液的沸点-为第i效的热利用系数,对于NaOH水溶液蒸发，则 式中：第i效的热利用系数 溶液浓度差第一效：沸点进料 第二效：第三效 ： 由于W = W1 + W2 + W3 =3676 解得：各效传热量的计算：2.5各效传热面积的计算 式中：各效传热面积， 各效传热量， 各效传热系数 各效的有效温度差，各效传热面积相差较大，故应调整各效的有效温度差，重复上述步骤。2.6温差的重新分配与试差计算（1）重新分配各效的有效温度差平均传热面积:重新分配的有效温度差为： 式中：重新分配的有效温度差 S平均传热面积 第i效的有效温度差2.5.2试差运算各效蒸发量取上次计算值： 由各效蒸汽量求各效溶液浓度:第三效：冷凝器的压力和完成液的组成未改变第二效：查1 附表八 查图7-16得溶液沸点 查 1附表九 第二效溶液沸点第一效： 查图7-16 第一效溶液沸点 第一效：沸点进料 第二效：第三效 ： 由于W = W1 + W2 + W3 =3676 解得：求各效传热面积计算结果与初设值基本一致传热面积加10%余量第3章 蒸发器的主要结构工艺尺寸的设计下面就中央循环管式蒸发器为例说明蒸发器主要结构尺寸的设计计算方法。中央循环管式蒸发器的主要结构尺寸包括：加热室和分离室的直径和高度；加热管与中央循环管的规格、长度及在管板上的排列方式。这些尺寸的确定取决于工艺计算结果，主要是传热面积。3.1加热管的选择和管数的初步估计3.1.1加热管的选择和管数的初步估计蒸发器的加热管通常选用38×2.5mm的无缝钢管。加热管的长度L=3m 由以下初步估计所需的管子数n （3-1）式中：为蒸发器的传热面积，由前面的工艺计算决定。为加热管的外径，。为加热管的长度，。（根）3.1.2循环管的选择循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减少的原则来考虑的。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计算，循环管内径表示，则： (3-2)式中： 加热管内径查1附表二十二取42612 管长3。3.1.3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、数目及在管板上的排列方式。加热管在管板上的排列方式又三角形、正方形、同心圆等，目前以三角形排列居多。管心距t为相邻两管中心线之间的距离，t一般为加热管外径的1.251.5倍。目前在换热器设计中，管心距的数值已经标准化，只要管子规格确定，相应的管心距则为确定值。表3-1摘录了管心距的数据加热管外径d019253857管心距t，mm25324870加热室内径和加热管数采用做图法来确定，具体做法是：先计算管束中心线上管束，管子按正三角形排列时：;管子按正方形排列时：,式中：n总加热管数. 初估加热管内径用。然后用容器公称直径，试选一内径作为加热室内径，并以此内径和循环管外径作同心圆，在同心圆的环隙中，按加热管的排列方式和管心距作图。作图所得管数n必须大于初估值，如不满足，应另选一设备内径，重新作图，直至适合为止。壳体内径的标准尺寸列于表3-2中，以供参考。 表3-2 壳体内径的标准尺寸壳体内径mm400-700800-10001100-15001600-2000最小壁厚mm8101214经过作图，实际管数大于初估值，符合要求。正三角形排列初步估算加热室内径，取 即 （33） （34）加热时内径为1100，通过作图法确定 3.1.4分离室直径与高度的确定分离室的直径和高度取决于分离室的体积，而分离室的体积又与二次蒸汽流量及蒸发体积的强度有关。分离室体积的计算： （35） 式中： 查1附表八 所以，。取最大分离室体积计算分离室高度与直径，取H=1800。 ，分离室直径取11003.2接管尺寸的确定3.2.1溶液的进出口管对并流三效蒸发，第一效溶液流量最大，若各效设备尺寸一致的话，根据第一效溶液流量确定接管。溶液的适宜流速按强制流动（u=0.8-1.5m/s）考虑，设计上进出口直径可取为一致。根据进料液的浓度x=0.12查表得对应密度为1130kg/m3,适宜流速选u=1.2m/s.溶液进出口管： （37）查1附表二十二选择mm3.2.2加热蒸汽与二次蒸汽接管 U取30故 故选择mm3.2.3冷凝水出口管U取0.12查1附表六 查1附表二十二mm第4章 设计结果汇总4.1操作条件设计本设计选用600kPa的加热蒸汽，冷凝器绝压选20kPa.4.2蒸发器类型因考虑蒸发料液的粘度、设备的操作费和处理量等主要因素，本设计选用中央循环管式蒸发器。4.3效数的选取因氢氧化钠水溶液随蒸发的进行沸点升高较大，影响传热，经综合考虑，本设计选三效蒸发。4.4流程的选择 虑氢氧化钠物性及操作条件，本设计选并流操作。4.5工艺计算结果汇总表5-1 工艺计算结果汇总 蒸发器尺寸加热管长度循环管内径加热管管径加热管数目200根加热室内径分离室内径分离室高度接管尺寸溶液进出口管加热蒸汽与二次蒸汽接管冷凝水出口管第5章对本设计的评述蒸发就是用加热的方法，将含有不挥发性溶质的溶液加热至沸腾状况，使部分溶剂汽化并被移除，从而提高溶剂中溶质浓度的单元操作。工业生产中应用蒸发操作有以下几种场合： 1、浓缩稀溶液直接制取产品或将浓溶液再处理（如冷却结晶）制取固体产品，例如电解烧碱液的浓缩，食糖水溶液的浓缩及各种果汁的浓缩等； 2、同时浓缩溶液和回收溶剂，例如有机磷农药苯溶液的浓缩脱苯，中药生产中酒精浸出液的蒸发等； 3、为了获得纯净的溶剂，例如海水淡化等。 总之，在化学工业、食品工业、制药等工业中，蒸发操作被广泛应用。通过本次课程设计让我们对蒸发有了更深的了解，对蒸发生产工艺有所了解。参考文献1 柴诚敬.化工流体流动与传热.北京：化工工业出版社.2007:298-3662 贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计.天津：天津大学出版社.2002:731003 内蒙古工业大学化工学院.化工原理课程设计指导书.呼和浩特：内蒙古工业大学印刷厂.2008:318 20