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(最新整理)化工原理课程设计说明书-NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的设计

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内蒙古工业大学课程设计任务书

课程名称：化工原理学院：化工学院班级：化学工程与工艺09—2班学生姓名：袁海威学号：200920508050 指导教师：张红霞

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 3.96×104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·℃），各效蒸发器中溶液的平均密度为：ρ

=1014kg/m3，ρ2=1060 kg/m3，ρ3=1239 kg/m3；

(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：Ｋ1=1500Ｗ/(m2·℃），Ｋ2=1000Ｗ/（m2·℃），Ｋ3=600Ｗ/（m2·℃);

（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

（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

①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

②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。

③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：

①溶液在效间是从低压流向高压的，因而必须用泵输送。

②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.

③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： 3.96×10

吨/年=3.96×104

÷330÷24=5000kg/h

Ｗ＝Ｆ（1—1

x x ）＝5000×（1-32.01

.0）＝3437。5kg/h

因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出,可设

Ｗ1：Ｗ2：Ｗ3＝1。0:1.1:1.2 Ｗ＝Ｗ1＋Ｗ2＋Ｗ3＝3。3Ｗ1

解得Ｗ1＝

.35

.3437＝1041。67 kg/h Ｗ2＝1041.67×1。1＝1145.837kg/h Ｗ3＝1041。67×1。2＝1250.004kg/h

1x ＝10

W F Fx -＝67.104150001.05000-?＝0.126

2x ＝210

W W F Fx --＝837.114567.104150001.05000--?＝0.178

3x ＝0.32

2。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：

∑?P ＝k P -P 1＝600-15＝585 kPa

各效间的平均压强差为 i ?P ＝

∑?P

＝3

585＝195 kPa

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:

(1)各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失

?根据各效的二次蒸汽温度'

i T （亦即相同压强下水的沸点）和各效完成液的浓度i x ，由NaOH 水溶液的杜林线图查的各效溶液的沸点i A t ,分别为：

1,A t ＝150℃ 2,A t ＝130℃ 3,A t ＝78℃ 则各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失为

1?＝1,A t —'1T ＝150—143.8＝6。2℃ '

2?＝2,A t —'2T ＝130-121。4＝8。6℃

'3?＝3,A t -'

3T ＝78—53。5＝24。5℃ 所以

'∑?＝6.2＋8。6＋24。5＝39.3℃

(2)各效由于溶液静压强所引起的温度差损失''?

根据 m P ＝2

ρ+

得

1,m P ＝405×103

＋

.281.91123??＝418。77×103Pa ＝418。77kPa

2,m P ＝210×103＋2

.281.95.1165??＝224。3×103 Pa ＝224。3kPa

3,m P ＝15×103＋2

.281.95.1271??＝30.59×103 Pa ＝30。59kPa

根据各效溶液的平均压强，由书中查得对应的饱和温度为：

1,m T ＝145。39℃ 2,m T ＝123.88℃ 3,m T ＝69。11℃

从而得

'1?＝1,m T —'1T ＝145。39—143。8＝1。59℃

''2?＝2,m T -'2T ＝123.88—121.4＝2。48℃

''3?＝3,m T —'3T ＝69.11—53.5＝15。61℃

所以

∑?'

'＝''1?＋'

'2?＋''3?＝1.59＋2。4＋15。61＝19.6℃

（3）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

'''1?＝'''2?＝'''3?＝1℃

所以

∑?'

''＝'''1?＋'

''2?＋'''3?＝3℃

∑=?'∑?+∑?''+∑?'

''=39。3+19.6+3=61。9

（4）各效溶液的沸点和有效总温度差溶液的沸点

1t ＝'

1T ＋1?＝143.8＋6.2＋1.59＋1＝152。59℃

2t ＝'2T ＋2?＝121.4＋8。6＋2。48＋1＝133.48℃ 3t ＝'3T ＋3?＝53。5＋24。5＋15.61＋1＝94。61℃

有效总温度差

∑?t ＝()

∑?--'

1k T T

＝（158.86—53.5）- 61.9 ＝43。46℃

3.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：

()??

???-+='1100,'11111r t t Fc r r D W p η 因沸点进料，故10t t = 1W ＝'11

r r D η

1η＝0。98-0.7×（1x —0x )

＝0.98-0。7×(0。126-0.1)＝0。9618

1W ＝0.9618×2155

20861

D ?＝0。92151D （a ）

第二效的焓衡量式为：

()??

???--+='

221,10,'22122)(1r t t c W Fc r r W W W p p η

2η＝0。98—0.7×（2x -1x ）

＝0.98-0.7×（0.178-0。126)＝0。9436

查表得

=1,W p c 4。187 kj/（kg ·℃）

2W ＝0.9436()??

???-?-?+?8.220048.13359.152)187.47.35000(8.22002.213711W W ＝0.88191W ＋151.58

(b ）

第三效的焓衡量式为:

()??

???---+='

332,2,10,'33233)(21r t t c W c W Fc r r W W W p W p p η 3η＝0。98—0.7×（3x —2x )

＝0。98—0。7×（0。32—0。178）＝0。8806

查表得

=2,W p c 4.187kj/（kg ·℃)

3W ＝0.88()??

??-?-?-?+?23706.9448.133)187.4187.47.35000(23708.2200212W W W ＝0。88(0。92862W ＋303.42—0.068671W —0.068672W ）

＝0.75732W ＋267.19-0。060471W （c ）

1W +2W +3W ＝3437。5 kg/h (d ）

联立（a)、（b ）、（c)、（d ）式,解得

1D ＝1265.95kg/h

1W ＝1166。57kg/h 2W ＝1180。38kg/h 3W ＝1090.55kg/h

4。估算蒸发器的传热面积

i i

i t K Q S ?=

111r D Q =＝1265。95×2086＝733547。69W '112r W Q =＝1166.57×2137。2＝692553。72W '223r W Q =＝1180.38×2200。8＝721605.64W

111t T t -=?＝158。86-152.59＝6.27℃

2'1222t T t T t -=-=?＝143.8-133.48＝10。32℃ 3'2333t T t T t -=-=?＝121.4-94。61＝26。79℃

1111t K Q S ?=＝ 6.271800733547.69?＝64.996

2m 2222t K Q S ?=＝10.321200692553.72?＝55.9232m 3333t K Q S ?=

＝26.79600721605.64?＝44.8932m

误差估算

05.0max min/1<-S S

05.03092.0996

.64893

.441>=-

所以需调整各效的有效温度差

5。重新分配各效的有效温差

∑??+?+?=

t S t S t S S 332211

679

.232.1027.679.26893.4432.10923.5527.6996.64++?+?+?=S

＝50.422m

即

t S S t ?=?==?72.642

.50996.648.08

t S S t ?=?＝=?32.1042

.50923.5511.45℃

t S S t ?=?＝=?79.2642

.50893.4423.85℃

6.重复上述计算步骤

（1)由所求得的各效蒸汽量.求各效溶液的浓度。他们分别为：

101

W F Fx x -=＝57.116650001.05000-?＝0.1304

2102

W W F Fx x --=＝38.118057.116650001.05000--?＝0.1885

25.03

（2)计算各效溶液沸点

因末效完成液浓度和二次蒸汽压强不变，各种温度差损失可视为恒定,故末效溶

液的沸点3t 不变。则第三效加热蒸汽温度（即第二效二次蒸汽温度）为： '

33'23t t T T ?+==

＝94。61+23.85=118.46℃

由第二效的二次蒸汽温度'2T 及2x 查杜林线图得第二效溶液的2,A t =128。8，且由于静压强引起的温差损失''?及由于流体阻力引起的温差损失'

''?可视为不变,故第二效溶液的沸点为：

''2''22,2?+?+=A t t

＝128。8+2。48+1=132.28℃

同理

22'12t t T T ?+==

＝132。28+11。45=143.73℃

'11t T t ?-==158.86-8.08=150.78

温差重新分配后各效温度情况如下：

（3）各效的焓恒算

1η＝0.98—0.7×（1x -0x ）

＝0。98-0.7×（0。1304—0。1）=0。9587 1W ＝'1

11r r D η

＝0.9587×5

.213320861

D ?=0.93741D (a ）

2η＝0。98-0。7×（2x —1x ）

＝0。98-0。7×(0.1885—0。1304)=0.9393

()??

???--+='

221,10,'22122)(1r t t c W Fc r r W W W p p η ＝0。9393()??

???-?-?+?2.220928.13278.150)187.47.35000(2.22095.213311W W ＝0。9393(0。9661W +155。09—0。03511W )

＝0。8741W +145.67 （b ）

3η＝0。98-0.7×（3x —2x ）

＝0.98—0。7×（0.32-0。1885)=0.888

()??

???---+='

332,2,10,'33233)(21r t t c W c W Fc r r W W W p W p p η

3W ＝0。888()??

???-?-?-?+?5.23736.9428.132)187.4187.47.35000(5.23732209212W W W ＝0.888（0.9312W +293。61-0。06651W —0.06652W ）

＝0.76772W +260.73-0。05911W （c ）

1W ＋2W ＋3W ＝3437。5 （d ）

联立(a ）、(b ）、（c ）、(d ）得

1D ＝1252.76kg/h

1W ＝1174。34kg/h 2W ＝1172.05kg/h 3W ＝1091。11kg/h

核对,1—W

及相对误差均小于0。05故计算的值W 符合

（4）计算蒸发器的传热面积

111r D Q =＝1252.76×2086＝725904.82W '112r W Q =＝1174.34×2133。5＝695959.55W '223r W Q =＝1172.05×2209。2＝719248。02W

111t T t -=?＝151。7—139。2＝12.5℃ 2'1222t T t T t -=-=?＝18.5℃ 3'2333t T t T t -=-=?＝31。2℃

1111t K Q S ?=＝8.0818********.82?＝49。91

2m 2222t K Q S ?=＝11.451200695959.55?＝50.652m 3333t K Q S ?=＝23.85600719248.02?＝50。26

2m 误差估算

05.0max min/1<-S S

05.00146.065

.5091.491<=-

误差结果合理

21S S S S ++=

27.503

.5065.5091.49=++=2

7．计算结果列表