1、1化 工 原 理 课 程 设 计NaOH 蒸 发 系 统 设 计2目 录第一章 前言11 概述第二章 蒸发工艺设计计算21 蒸浓液浓度计算22 溶液沸点和有效温度差的确定 221 各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失 /222 各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失223 由经验不计流体阻力产生压降所引起的温度差损失23 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的计算24 蒸发器的传热面积和有效温度差在各效中的分布以及传热系数 K 的确定25 温差的重新分配与试差计算 251 重新分配各效的有效温度差，252 重复上述计算步骤 26 计算结果列表第三章 NaOH 溶液的多效蒸发优化程序部分31 具体
2、的拉格朗日乘子法求解过程32 程序内部变量说明33 程序内容：34 程序优化计算结果35 优化前后费用比较 第四章 蒸发器工艺尺寸计算41 加热管的选择和管数的初步估计 411 加热管的选择和管数的初步估计412 循环管的选择413 加热室直径及加热管数目的确定414 分离室直径与高度的确定42 接管尺寸的确定421 溶液进出422 加热蒸气进口与二次蒸汽出口 423 冷凝水出口 第五章、蒸发装置的辅助设备51 气液分离器52 蒸汽冷凝器 521 冷却水量 522 计算冷凝器的直径523 淋水板的设计53 泵选型计算54 预热器的选型第六章 主要设备强度计算及校核61 蒸发分离室厚度设计62
3、加热室厚度校核第七章 小结与参考文献：3符号说明希腊字母：c比热容， KJ/(Kg.h) 对流传热系数，/m2. d管径，m 温度差损失， D直径，m 误差，D加热蒸汽消耗量，Kg/h 热损失系数，f校正系数， 阻力系数，F进料量， Kg/h 导热系数，/m2.g重力加速度，9.81m/s2 粘度，Pa.sh高度，m 密度， Kg/m3H高度，m k 杜林线斜率 K总传热系数，W/m2. 加和L液面高度，m 系数L加热管长度，m L淋水板间距，m 下标：n效数 1,2,3效数的序号 n第 n 效 0进料的 p压强，Pa i内侧q热通量，W/m2 m平均Q传热速率，W o外侧r汽化潜热，KJ/K
4、g p压强 R热阻，m2./W s污垢的S传热面积， m2 w水的 t管心距，m w壁面的 T蒸汽温度，u流速，m/sU蒸发强度，Kg/m2.h 上标：V体积流量，m3/h ：二次蒸汽的W蒸发量， Kg/h ：因溶液蒸汽压而引起的W质量流量， Kg/h ：因液柱静压强而引起的x溶剂的百分质量, ：因流体阻力损失而引起的4第一章 前言11 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
5、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而次蒸汽。2 蒸发操作的分类按操作的方式
6、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
7、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
8、度越高，这种影响也越显著。(2) 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。(3) 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。54 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
9、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
10、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“标准蒸发器“之称。为
11、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 12m；加热管径多为 2575mm 之间。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度一般在 0.40.5m/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。6第二章 蒸发工艺设计计算21 蒸浓液浓度计算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
12、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。（2） 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。（3） 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。（4） 根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。（5） 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。F=43.102=4557.3kg/h总蒸发量:W=F (1- 03X)=4557.
13、3(1- 3.01)=3038.2kg/h并流加料蒸发中无额外蒸汽引出,可设 W:W2:W3=1:1.1:1.2而 W=W1+W2+W3=3038.2kg/h由以上三式可得:W 1=920.7kg/h;W2=1012.7kg/h;W3=1104.8kg/h;X1=01F=0.125; X2= 012F=0.174;X3=0.322 溶液沸点和有效温度差的确定7设各效间的压强降相等，则总压强差为：P=P1-PK/=501.3-30.4=470.9KPaP= n式中 P -各效加热蒸汽压强与二次蒸气压强之差 KPa，1 -第一次加热蒸气的压强 KPa/K-末效冷凝器中的二次蒸气的压强 KPa各效间
14、的压强差可求得各效蒸发室的压强即 P1/=P1-Pi=501.3-470.9/3=344.3KPaP2/ =P1-2 Pi=501.3-2470.9/3=187.4KPaP3/=Pk /=30.4KPa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:第一效 第二效 第三效二次蒸汽压强 Pi/(KPa)344.3 187.4 30.4二次蒸汽温度 Ti/()(即下一效加热蒸汽温度) 138.2 117.9 66.8二次蒸汽的汽化潜热(即下一效加热蒸汽的 ri/) 2154.1 2197.5 2332.8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 )(/1KTt
15、式中 t-有效总温度差，为各效有效温度差之和，。1T-第一效加热蒸气的温度， 。/K-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，221 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（dnhringsrule）: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。在以水的沸点为横坐标，该溶液的沸点为纵坐标并以溶液的浓度为参数的直角坐标图上，可得一组直线，称为杜林直线。附录五
16、位 NaOH 水溶液的杜林线图。利用 杜林线图，可根据溶液的浓度及实际压强下水的沸点查出相同压强下溶液的沸点，从而可以得出 /值。根据杜林规则也可以计算液体在各种压强下沸点的近似值。此法的义举世：某液体8在两种不同压强下两沸点之差（ 12At） ，与水灾同样压强喜爱；两沸点之差（ 12BtT） ，其比值为一常数，即（ ）/ （ 12BtT）= k，求得 k 值，其他任意压强下的沸点 At可一由下式求得，即= 1-k( 2BtT)；所以，不要杜林线图也可以计算出溶液的 /值。我们的设计是根据 Ti/(即相间压强下水的沸点) 和各效完成液浓度 xi 由附录NaOH 水溶液的杜林线图查得各效溶液的沸
17、点 tAi 分别为:tA1=143.8; t A2=126.2; t A3=84.8;则 /1=143.8-138.2=5.6/2=126.2-117.9=8.3/3=84.8-66.8=18.0所以 /=5.6+8.3+18.0=31.9222 各效由于溶液静压强所因引起的温度差损失由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失 某些蒸发器在操作时，器内溶液需维持一定的液位，因而蒸发器中溶液内部的压强大于液面的压强，致使溶液内部的沸点较液面处的为高，二者之差即为因溶液静压强引起的温度差损失 ，为简便起见，日夜内部的沸点可按液面和底层的平均压强来查取，平均压强近似按静力学方程估算：pm=p/+ 2gL
18、式中 p m蒸发器中 液面和底层的平均压强，pap/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 pm=p/+ 2gL取液位高度为 1 米由 NaOH 水溶液比重图可得下列数据:NaOH 水溶液密度(Kg/m 3) 23089.4,1.9,28.7Pm1=344.3+ 3089.421=349.6KPaPm2=187.4+.=193.0KPaPm3 = 30.4+ 38.79210=36.7KPa根据各效溶液平均压强查得对应的饱和溶液温度为:T /pm=138.8 ; T 2/pm=118.9; T 3/pm=72.2根据 = t式中 pmt-根据平均
19、压强求取的水的沸点， pt-根据二次蒸气压强求得水的沸点所以 “1= T /pm- T/1=138.8-138.2=0.6“2= T /pm- T/2=118.9-117.9=1.09“3= T 3/pm-T/=72.2-66.8=5.4=0.6+1.0+5.4=7.0223 由经验不计流体阻力产生压降所引起的温度差损失由于管道流体阻力产生的压强降所引起的温度差损失在多效蒸发中末效以前各效的二次蒸汽流到次一效的加热室的过程中由于管道阻力使其压强降低蒸汽的饱和温度也相应降低由此引起的温度差损失即为 ，根据经验其值可以省略。=0根据以估算的各效二次蒸汽压强 1t及温度差损失，即可由下式估算溶液各效
20、溶液的沸点t所以总的温度差损失为=/+ + =31.9+7.0+0=38.9 溶液的沸点 ti=Ti/+/1/15.6+0.6+0=6.2/228.309.33542所以各效溶液沸点：t1=138.2+6.2=144.4， t2=117.9+9.3=127.2 ， t3=66.8+23.4=90.223 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： 01211(.)()pwi pcipwiiiQDrFcWctWr有上式可求得第 i 效的蒸发量 i.若在焓衡算式计入溶液的能缩热及蒸发器的热损失时，尚需考虑热利用系数 一般溶液的蒸发， 可取得 0.94-0.7x（式中x 为溶液的浓度
21、变化，以质量分率表示） 。 第 i 效的蒸发量 i的 计算式为 1012(.)pwi iiiipcipwr tDFccr 式中 i-第 i 效的加热蒸汽量，当无额外蒸汽抽出时 iD= 1iWr- 第 i 效加热蒸气的汽化潜热 -第 i 效二次蒸气的汽化潜热0pc-原料液的比热 pwc-水的比热it， 1-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，对于加热蒸气消耗量，可列出各效焓衡算式并与式（3-2）联解而求得。第一效的焓衡量式为:W 1=/10/1rtFcrDp10.947(.250.)925由相关手册查得 cp0=3.8644KJ/(Kg.) ，c pw =
22、4.2035 KJ/(Kg.)代入10W1= /1rD=0.9225D12.954(a)同理第二效的热衡算式为:W2=/21021)(rtWcFrpw0.94-0.7(0.174-0.125)=0.9057所以W2= 1 1 154. 4.127.0.97(7.3864.2035)08524.859W第三效的热衡算式为:W3= )( /3210/32 rtcWFcrpwpp0.947.4).85W3= 2 1215 17.902.8(604.5).8 38=0.7456 W2-0.0568W1+237.93 (c)又 W1+ W2+ W3=3038.2 (d)联立(a),(b),(c),(d)
23、式,解得:W1=1057.9Kg/hW2=1032.6Kg/hW3=947.7Kg/hD1= 1169.0 Kg/h24 蒸发器的传热面积和有效温度差在各效中的分布以及传热系数 K 的确定任意一效的传热速率方程为Si= itQ式中 -第 i 效的传热速率，W。 iK-第 i 效的传热系数，W/（m 2, ）.it-第 i 效的传热温度差， Si-第 i 效的传热面积，m 2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 S1=S3=S3=S若求得的传热面积不相等，应根据各效面积相的原则重新分配各校的有效温度差。方法如下：总的传热系数 K；000011SSimiddbR称为公式（A）式中 0， i-管外蒸汽冷凝传热系数与管内液体沸腾传热系数 S， -管外和管内的污垢热阻， -管壁的导热系数，b-管壁的厚度， 0d， m， i-加热管的外径、平均直径与内径，
