NaOH水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計

./化工原理課程設(shè)計《蒸發(fā)》單元操作設(shè)計任務(wù)書班級姓名一、設(shè)計題目：NaOH水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)及操作條件1、處理能力：15000kg/hNaOH水溶液2、物料條件NaOH水溶液的原料液〔初始濃度：X0=12%<w>；濃縮〔完成液濃度：Xn=38%<w>；加料溫度：沸點?！苍弦簻囟葹榈谝恍Х悬c溫度3、操作條件加熱蒸汽壓強：500kPa冷凝器壓強：16kPa各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：K1=1600W/〔m2·℃>,K2=1000W/〔m2·℃>,K3=600W/〔m2·℃>。各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出。假設(shè)各效傳熱面積相等,并忽略熱損失。各效蒸發(fā)器中料液液面高度為：1.5m。每年按300天計,每天24小時連續(xù)運行。廠址：XX地區(qū)。三、設(shè)備型式蒸發(fā)器：中央循環(huán)管式蒸汽冷凝器：水噴射式冷凝器四、設(shè)計項目<說明書格式>1、封面、任務(wù)書、目錄。2、設(shè)計方案簡介：對確定的工藝流程及蒸發(fā)器型式進行簡要論述。3、蒸發(fā)器的工藝計算：確定蒸發(fā)器的傳熱面積。4、蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計。5、主要輔助設(shè)備選型：物料泵、蒸汽冷凝器及氣液分離器〔除沫器等選型。6、繪制NaOH水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的流程圖及蒸發(fā)器設(shè)備工藝簡圖。7、對本設(shè)計進行評述。8、參考文獻成績評定指導(dǎo)教師.目錄1設(shè)計方案簡介11.1設(shè)計方案論證11.2蒸發(fā)器簡介12設(shè)計任務(wù)32.1估算各效蒸發(fā)量和完成液濃度32.2估算各效溶液的沸點和有效總溫度差32.2.1各效由于溶液沸點而引起的溫度差損失42.2.2由于液柱靜壓力而引起的沸點升高〔溫度差損失42.2.3由流動阻力而引起的溫度差損失52.2.4各效料液的溫度和有效總溫差52.3加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算62.4蒸發(fā)器傳熱面積的估算72.5有效溫差的再分配72.6重復(fù)上述計算步驟82.6.1計算各效料液濃度82.6.2計算各效料液的溫度82.6.3各效的熱量衡算92.6.4蒸發(fā)器傳熱面積的計算102.7計算結(jié)果列表113蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的計算123.1加熱管的選擇和管數(shù)的初步估算123.2循環(huán)管的選擇123.3加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定123.4分離室直徑和高度的確定123.5接管尺寸的確定133.5.1熱蒸汽進口,二次蒸氣出口,其中Vs為流體的體積流量133.5.2溶液進出口,因為第一效的流量最大,所以取其為計算量133.5.3冷凝水出口134蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備的選用計算154.1氣液分離器154.1.1本設(shè)計采用的是慣性式除沫器,其主要作用是為了防止損失有用的產(chǎn)品或防止污染冷凝液體。154.1.2分離器的選型154.2蒸汽冷凝器的選型設(shè)計154.2.1本設(shè)計采用的是多層孔板式蒸汽冷凝器,其性能參數(shù)如表154.2.2蒸汽冷凝器的選型164.3泵的選擇175評述195.1可靠性分析195.2個人感想196參考文獻20.1設(shè)計方案簡介1.1設(shè)計方案論證多效蒸發(fā)的目的是：通過蒸發(fā)過程中的二次蒸汽再利用,以節(jié)約蒸汽的消耗,從而提高蒸發(fā)裝置的經(jīng)濟性。目前根據(jù)加熱蒸汽和料液流向的不同,多效蒸發(fā)的操作流程可以分為平流、逆流、并流和錯流等流程。本設(shè)計根據(jù)任務(wù)和操作條件的實際需要,采用了并流式的工藝流程。下面就此流程作一簡要介紹。并流流程也稱順流加料流程〔如圖1,料液與蒸汽在效間同向流動。因各效間有較大的壓力差,液料自動從前效流到后效,不需輸料泵；前效的溫度高于后效,料液從前效進入后效呈過熱狀態(tài),過料時有閃蒸出現(xiàn)。此流程有下面幾點優(yōu)點：①各效間壓力差大,可省去輸料泵；②有自蒸發(fā)產(chǎn)生,在各效間不必設(shè)預(yù)熱管；③由于輔助設(shè)備少,裝置緊湊,管路短,因而溫度損失小；④裝置操作簡便,工藝條件穩(wěn)定,設(shè)備維修工作減少。同樣也存在著缺點：由于后效溫度低、濃度大,因而料液的黏度增加很大,降低了傳熱系數(shù)。因此,本流程只適應(yīng)于黏度不大的料液。1.2蒸發(fā)器簡介隨著工業(yè)蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展,蒸發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與型式亦不斷改進與創(chuàng)新,其種類繁多,結(jié)構(gòu)各異。根據(jù)溶液在蒸發(fā)中流動情況大致可分為循環(huán)型和單程型兩類。循環(huán)型蒸發(fā)器可分為循環(huán)式、懸筐式、外熱式、列文式及強制循環(huán)式等；單程蒸發(fā)器包括升膜式、降膜式、升－降膜式及刮板式等。還可以按膜式和非膜式給蒸發(fā)器分類。工業(yè)上使用的蒸發(fā)設(shè)備約六十余種,其中最主要的型式僅十余種。本設(shè)計采用了中央循環(huán)管式蒸發(fā)器,下面就其結(jié)構(gòu)及特點作簡要介紹。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器〔如圖2又稱標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器。其加熱室由一垂直的加熱管束〔沸騰管束構(gòu)成,管束中央有一根直徑較大的管子叫做中央循環(huán)管,其截面積一般為加熱管束截面積的40%~100%。加熱管長一般為1~2m,直徑25~75mm,長徑比為20~40。其結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、操作可靠,是大型工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛且歷史長久的一種蒸發(fā)器。至今在化工、輕工等行業(yè)中廣泛被采用。但由于結(jié)構(gòu)上的限制,其循環(huán)速度較低〔一般在0.5m/s以下；管內(nèi)溶液組成始終接近完成液的組成,因而溶液的沸點高、有效溫差??；設(shè)備的清洗和檢修不夠方便。其適用于結(jié)垢不嚴(yán)重、有少量結(jié)晶析出和腐蝕性較小的溶液。并流加料三效蒸發(fā)的物料衡算和熱量衡算的示意圖如圖4-15所示。2設(shè)計任務(wù)2.1估算各效蒸發(fā)量和完成液濃度總蒸發(fā)量因并流加料,蒸發(fā)中無額外蒸汽引出,可設(shè)2.2估算各效溶液的沸點和有效總溫度差設(shè)各效間壓力降相等,則總壓力差為各效間的平均壓力差為由各效的壓力差可求得各效蒸發(fā)室的壓力,即由各效的二次蒸氣壓力,從手冊中查得相應(yīng)的二次蒸氣的溫度和氣化潛熱列于下表中；表1-1各效二次蒸汽物化數(shù)據(jù)效數(shù)ⅠⅡⅢ二次蒸氣壓力,kPa352.7185.418二次蒸氣溫度,℃〔即下一效加熱蒸汽的溫度138.9118.157.0二次蒸氣的氣化潛熱,kJ/kg<即下一效加熱蒸汽的氣化潛熱>2148.12214.02358.32.2.1各效由于溶液沸點而引起的溫度差損失根據(jù)各效二次蒸氣溫度〔也即相同壓力下的沸點和各效完成液的濃度,由NaOH水溶液的杜林線圖可查得各效溶液的沸點分別為tA1=148℃tA2=132℃tA3=84℃則各效由于溶液蒸氣壓下降所引起的溫度差損失℃℃℃所以2.2.2由于液柱靜壓力而引起的沸點升高〔溫度差損失查手冊得各效溫度、濃度下的NaOH密度,為簡便計,以液層中部點處的壓力和沸點代表整個液層的平均壓力和平均溫度,ρ1=1170kg/m3,ρ2=1240kg/m3,ρ3=1430kg/m3。則根據(jù)流體靜力學(xué)方程,液層的平均壓力為所以由平均壓力可查得對應(yīng)的飽和溫度為=140℃,=119.3℃,=67.9℃[1]所以℃℃℃℃2.2.3由流動阻力而引起的溫度差損失取經(jīng)驗值1,即,則故蒸發(fā)裝置的總的溫度差損失為℃2.2.4各效料液的溫度和有效總溫差由各效二次蒸氣壓力及溫度差損失,即可由下式估算各效料液的溫度,℃℃℃各效料液的溫度為℃℃℃有效總溫度差由手冊可查得500kPa飽和蒸汽的溫度為153.3℃[1]、汽化潛熱為2103.9kJ/kg[1],所以℃2.3加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算第Ⅰ效的熱量衡算式為對于沸點進料,=,考慮到NaOH溶液濃縮熱的影響,熱利用系數(shù)計算式為式中為第效蒸發(fā)器中料液溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的變化。所以<a>第Ⅱ效的熱量衡算式為<b>對于第Ⅲ效,同理可得<c>又<d>聯(lián)解式<a>至式<d>,可得2.4蒸發(fā)器傳熱面積的估算W℃℃℃誤差為,誤差較大,應(yīng)調(diào)整各效的有效溫差,重復(fù)上述計算過程。2.5有效溫差的再分配重新分配有效溫度差得,℃℃℃2.6重復(fù)上述計算步驟2.6.1計算各效料液濃度由所求得的各效蒸發(fā)量,可求各效料液的濃度,即2.6.2計算各效料液的溫度因末效完成液濃度和二次蒸氣壓力均不變,各種溫度差損失可視為恒定,故末效溶液的溫度仍為95.9℃,即t3=95.9℃則第Ⅲ效加熱蒸汽的溫度〔也即第Ⅱ效二次蒸氣溫度為℃由第Ⅱ效二次蒸氣的溫度℃及第Ⅱ效料液的濃度查杜林線圖得第Ⅱ效溶液的沸點為℃。由液柱靜壓力及流動阻力而引起的溫度差損失可視為不變。故第Ⅱ效料液的溫度為℃同理℃由℃及第Ⅰ效料液的濃度查杜林線圖,得第Ⅰ效溶液的沸點為143.8℃。則第Ⅰ效料液的溫度為℃第一效料液的溫度也可由下式計算℃說明溶液的各種溫度差損失變化不大,不需重新計算,故有效總溫度差不變,即℃溫度差重新分配后各效溫度情況列于下表：效次ⅠⅡⅢ加熱蒸汽溫度,℃有效溫度差,℃料液溫度〔沸點,℃2.6.3各效的熱量衡算℃℃℃第Ⅰ效第Ⅱ效第Ⅲ效又聯(lián)立解得與第一次計算結(jié)果比較,其相對誤差為計算相對誤差均在以下,故各效蒸發(fā)量的計算結(jié)果合理。其各效溶液濃度無明顯變化,不需重新計算。2.6.4蒸發(fā)器傳熱面積的計算W℃℃℃誤差為,迭代計算結(jié)果合理,取平均傳熱面積。2.7計算結(jié)果列表效數(shù)ⅠⅡⅢ冷凝器加熱蒸汽溫度153.3131.03115.5757操作壓力352.7185.41818溶液溫度〔沸點145.92128.295.9完成液濃度15.421.4833.6蒸發(fā)量2385.392399.972215.35蒸汽消耗量2574.35傳熱面積123.95123.95123.953蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸的計算3.1加熱管的選擇和管數(shù)的初步估算所需管子數(shù)=其中S—蒸發(fā)器的傳熱面積,m2,由前面的工藝計算決定d0—加熱管外徑,mL—加熱管長度,m,取L=2m,d0=57mm根3.2循環(huán)管的選擇有經(jīng)驗公式循環(huán)管內(nèi)徑因為S較大,取取Di=0.604m3.3加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定按正三角形排列,管束中心在線管數(shù)=21.01=22根加熱室內(nèi)徑Di=t<nc-1>+2其中t為管心距,取0.07m,=1d0Di=0.07×<22-1>+2×1×0.057=1.584m,取Di=1584mm3.4分離室直徑和高度的確定分類室的體積V=其中W為某效蒸發(fā)器的二次蒸氣流量,ρ為某效蒸發(fā)器的二次蒸氣的密度,kg/m3,U為蒸氣體積強度,一般允許值為1.1—1.5m3/〔m3·s取W=W3=2215.35kg/h,ρ=0.1240kg/m3U=1.1m3/<m3·s>。所以V=4.512分離室高度H與直徑D的關(guān)系：V=D2H,D=Di=1584mm求出H=2.29m3.5接管尺寸的確定3.5.1熱蒸汽進口,二次蒸氣出口,其中Vs為流體的體積流量流體進出口的內(nèi)徑按d=計算因為第一效的流量最大,所以取其為計算量Vs=m3/s取u的流速為25m/s,d=取管為則實際流速為u=m/s3.5.2溶液進出口,因為第一效的流量最大,所以取其為計算量Vs=m3/s因為其流動為強制流動,u=0.8--15m/s,所以取u=3m/s則有d=m,取管為則實際流速為u=m/s3.5.3冷凝水出口其中Vs為流體的體積流量Vs==m3/s按自然流動的液體計算,u=0.08—0.15m/s,取u=0.12m/s,則計算出d=m取管,實際流體流速為u=m/s4蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備的選用計算4.1氣液分離器4.1.1本設(shè)計采用的是慣性式除沫器,其主要作用是為了防止損失有用的產(chǎn)品或防止污染冷凝液體。其性能參數(shù)如表表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11慣性式除沫器性能參數(shù)如表捕捉霧滴的直徑壓力降分離效率氣速范圍>50μm196～588KPa85～90％常壓12～25m/s減壓>25m/s4.1.2分離器的選型由D0D1D1：D2：D3：=1：1.5：2.0H=D-3H=〔0.4～0.5D1其中D0－二次蒸汽的管徑,mD1－除沫器內(nèi)管的直徑,mD2－除沫器外管的直徑,mD3－除沫器外殼的直徑,mH－除沫器的總高度,mH－除沫器的內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x,m所以D1=D0=0.53mD2=0.795mD3=1.06mH=D3=1.06mh=0.5D1=0.265m4.2蒸汽冷凝器的選型設(shè)計4.2.1本設(shè)計采用的是多層孔板式蒸汽冷凝器,其性能參數(shù)如表表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s12多層孔板式蒸汽冷凝器性能參數(shù)表水氣接觸壓強塔徑范圍結(jié)構(gòu)與要求水量面積大1067～2000Pa大小均可較簡單較大4.2.2蒸汽冷凝器的選型1.冷卻水量的確定查多孔板冷凝器的性能曲線得18kPa的進口蒸汽壓力,冷卻水進口溫度20℃,1m3冷卻水可冷卻蒸汽量為X=53Kg,得VL=m3/h與實際數(shù)據(jù)比,VL偏小,故應(yīng)取VL’=1.25,VL=52.25m3/h2.冷凝器的直徑取二次蒸汽的流速u=15m/s則D=m3.淋水板的設(shè)計因為D>500mm,取淋水板8塊淋水板間距以經(jīng)驗公式Ln+1=0.7Ln計算,取L末=0.15m即L7=0.15m.依次計算出：弓型淋水板的寬度B‘=0.8D=0.8×649=519.2mmB=0.5D+50=0.5×649+50=374.5mm其中B‘為最上面的一塊板,B為其它板淋水板堰高h,取h=50mm淋水板孔徑冷卻水循環(huán)使用,取8mm淋水板孔數(shù)淋水孔流速u0=其中η-淋水孔的阻力系數(shù),η=0.95～0.98-水孔收縮系數(shù),Ψ=0.80～0.82h-淋水板堰高,m取η=0.98=0.82計算u0=0.98×0.82孔數(shù)n=個考慮到長期操作時易造成孔的堵塞,取最上層孔數(shù)為1.15n=1.15×361=414個,其它各板孔數(shù)應(yīng)加大5%,即1.05n=1.05×361=379個淋水孔采用正三角形排列。4.3泵的選擇<1>真空泵真空度為0.7atm,真空泵排氣量真空系統(tǒng)滲透空氣量;蒸發(fā)過程中料液釋放的不凝性氣體量,?？梢院雎?每小時冷卻水能釋放的空氣量;蒸發(fā)過程中流體的飽和蒸汽壓的當(dāng)量值;不凝性氣體機械夾帶的生蒸汽量,常忽略;=0.45kg/h；=0==++>=1.01<0.45+0+0.565>=1.015kg/h=0=++++=.根據(jù)排氣量和所抽氣體基本上是空氣的前提條件,選用水噴射泵11/2BA-6系列功率極限真空度材料最大吸氣量1.5KW600mmHgA3鋼7.4kg/h<2>離心泵q=F/ρ=10000/998.2=10.01m3/h查IS型單級單吸離心泵性能表：選型號：IS50-32-125流量：12.5m3/h揚程20m轉(zhuǎn)數(shù)：2900r/min軸功率：1.13Kw電機功率：2.2Kw效率60%必須汽蝕余量：2.0m5評述5.1可靠性分析計算過程中有計算誤差或者人為誤差,沒有多次驗算,而且有些設(shè)備的選擇不是很準(zhǔn)確,所以最后結(jié)果可靠性不是很強。5.