1、1广东石油化工学院化 工单元操 作课程 设计说明 书课 题： 水溶液三效并流加料蒸发装置的设计3KNO专 业： 应用化学 班 级： 应化 11-1 班 学 号： 姓 名： 指导老师： 日 期： 2014.07.03 2目 录第一章 蒸发装置设计任务书 .31.1设计题目 . 31.2设计任务及操作条件 . 31.3设计项目 . 3第二章 设计方案简介 .42.1 设计方案论证 .42.2 蒸发器简介 .5第三章 设计任务 .63.1 估算各效蒸发量和完成液浓度 .63.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差 .63.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算 .93.4 蒸发器传热面积的估算 .
2、113.5 有效温差的再分配 .123.6 重复上述计算步骤 .123.7 计算结果列表 .17第四章 蒸发器的主要结构尺寸的计算 .174.1 加热管的选择和管数的初步估算 .174.2 循环管的选择 .184.3 加热室直径及加热管数目的确定 .184.4 分离室直径和高度的确定 .194.5 接管尺寸的确定 .20第五章 蒸发装置的辅助设备的选用计算 .225.1 气液分离器 .225.2 蒸汽冷凝器的选型设计 .235.3 封头尺寸的确定 .26第六章 5设计结果汇总 .276.1 多效蒸发的工艺计算 .276.2 蒸发器及辅助设备的结构尺寸设计 .27第七章 装置流程图及蒸发器设备条
3、件图 .29第八章 设计评语 .29附录 .30参考文献 .333第一章 蒸发装置设 计任务书1.1 设 计题 目KNO3 水溶液三效并流加料蒸发装置的设计。1.2 设 计任 务 及操 作条 件（1）处理能力 5.20 104 t/a KNO3 水溶液（2）设备形式 中央循环管式蒸发器。（3）操作条件KNO 3 水溶液的原料液 质量分数为 0.15， 完成液质量分数 为 0.45， 原料 液温度为80 oC、恒压比热容为3.5kJ/(kg oC)。加热蒸汽压力为400kPa（绝压） ，冷凝器压力为20kP a（绝压） 。各效蒸发器的总传热系数为： K1=2000W/(m oC)，K 2=100
4、0W/(m oC)，K3=500W/(m oC)。各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。假设各效传热面积相等，并忽略溶液的浓缩热 和蒸发器的热 损失，不考 虑液柱静压和流动阻 力对沸点的影响。每年按300天计，每天2 4小时连续运行。厂址：天津地区。1.3 设 计项 目（1）设计方案简介，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）蒸发装置的辅助设备（5）绘制KNO 3 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。（6）对本设计进行评述 。43第二章 设计方案简 介2.1 工 艺流 程实际工业生
5、产中， 大多采用多效蒸发， 其目的 是降低蒸汽的消耗量， 从而提高蒸发装置的经济性。 在蒸发操作中， 为保证传热的正常进行， 根据经验， 每一效的温差不能小于 57 oC。通常，对于沸点升高较大的电解质溶液可采用35效， 由 化工物性算图手册1第 304 页图 5.9 硝酸盐等水溶液的沸点可知， KNO3 溶液沸点升高较大，所以本次设计取3效。根据加热蒸汽与物料流向的不同，多次蒸发的操作流程可分为并流、逆流 、平流、错流等流程。并流流程也称顺流加料流程 ， 料液与蒸汽在效间流动同向。 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 时
6、呈过热状态， 过料时有闪蒸出现。 并流流程结构紧凑， 操作简便， 应用广泛。 对于并流流程， 后效温度低、 组成高， 料液的黏度 逐效增加， 传 热系数 逐效下降， 并导致有效温差在各效间的分配不均。因此， 本流程只适用 于处 理 黏度不大的料液。由化工物性算图手册 1第 169 页图 2.50 硝酸盐水溶 液的粘度可知， KNO3 溶液的黏度不大，所以适用本流程。并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算示意图如图1所示。52.2 蒸 发器 形 式随着工业蒸发技术的发展，蒸发设备的结构与形式亦不断改进与创新，其种 类繁多、结构各异。本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，其结构中，加热室由一垂直的加热
7、 管束（沸腾管束）构成，在管束中央有一根直径较大的管子，称为中央循环管。中央循环管式蒸发器具有结构紧凑、制造方便、操作可靠等优点，故在工业 上应用较广，有“标准蒸发器”之称。但实际上，由于结构上的限制，其循环速 度较低（一般在 0.5m/s 以下） ；而且由于溶液在加热管内不断循环，使其组成 始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温度差减小。此外，设备的清洗和检修也不够方便。6第三章 蒸发器的工 艺计算确 定蒸发器 的传热 面积3.1 估算各效蒸发量和完成液浓度总蒸发量 0430.1515.23467t/xWFa因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设123:.13.W1467105/.W
8、ta2 6/t31.05120a012.8FxW021250.10.2653.45x3.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差140Pka（ 绝 压 ）32（ 绝 压 ）设各效间压力降相等，则总压力差为 140238kkPa各效间的平均压力差为 386.7iP由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即7a140126.73.iPkPa2 146i3ka由各效的二次蒸气压力，从化工原理（上册） 第 341 页饱和水蒸气表2可查得相应的二次蒸气的温度和汽化潜热,列于下表中表 1 各效二次蒸汽物化数据效数 二次蒸气压力 ，kPa ip 273.33 146.66 20二次蒸气温度 ，iT（即下一效加热蒸
9、汽的温度） 130.05 110.47 60.1二次蒸气的气化潜热 ，irkJ/kg(即下一效加热蒸汽的气化潜热)2177.33 2231.00 2354.9蒸发操作常常在加压或减压下进行，但从手册中很难直接查到非常压下溶液的沸点。当缺乏实验数据时，由化工单元操作课程设计3第 87 页可知，可用下式估算。afrTf2)73(016.式中 常压（101.3kPa ）下由于溶质存在而引起的沸点升高，oC； 操作压力下由于溶质存在而引起的沸点升高， oC;8f 校正系数；T 操作压力下二次蒸气的温度， oC；r 操作压力下二次蒸气的汽化潜热，kJ/kg。常压下水的沸点为100 oC。由化工原理（上册
10、 2第 349 页无机盐水溶液的沸点表 知，常压下不同 质量分数的KNO 3 沸点如下表表 2 常压下不同 质量分数的KNO 3 沸点质量分数 18.8% 26.1% 45%沸点 101.5 102.3 104.8（1）各效由于溶液沸点升高而引起的温度差损失为oC20.162(3.57)(10.5)1.8faoC22.(.4)(.3)2.46foC230.16(.7)(10.8).359fa由于不考虑液注静压和流动阻力对沸点的影响，所以蒸发装置的总的温度差损失为 1.82463.7.9o（2）各效料液的温度和有效总温差根据已估算的各效二次 蒸气压力 p i 及温度差损失 i ，可根据 下式估算
11、各效溶液的沸点t iti T i i1=.82463.9各效料液温度为1130.5813.6tT2247.29336.t有效总温度差 KsTt由由化工原理（上册） 2第 341 页饱和水蒸气表可查得 400kPa 饱和蒸汽的温度为 143.4 ,汽化潜热为 2138.5kJ/kg，所以 143.607.935.sKt（ ）3.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步估算由化工单元操作课程设计3第 88 页可知第 i 效的热量衡算式为 1211( )()iipopwpwipwiiiQDrFcWcWctWr 由于忽略溶液的浓缩热及蒸发器的热损失，即可忽视热利用系数 （ =1） ，所以 1121 (
12、)i iii popwpwipwr ttWFcccr式中 第i效加热蒸汽量， t/a，当无额外蒸汽 抽出时，D i Wi 1 ；Di第i效加热蒸汽的汽化潜热， kJ/kg；ri第i效二次蒸气的汽化潜热， kJ/kg；i原料液的比热容， kJ/(kgoC)；poc水的比热容， kJ/(kgoC)；wti 、t i 1 分别为第i效和第i- 1效溶液的温度（沸点） oC。第 I 效的热量衡算式为011ptDrWFcr1011238.58013.6203.57270.94.9D 第 II 效的热量衡算式为12 122011 1()7.3 3.8612.93(53.54.87)0=0.944.ppwWrtFcrW 第 III 效的热量衡算式为 23 2330122 1212( ). 1.936.7(53.54.874.87)2549 54=0.870.860.ppwpwWr tFcWcrW 又t/a 123W467联立 ，计算得W1=10517t/aW2=11434 t/aW3=12715 t/aD1=15121 t/a与第一次计算结果比较，其相对误差为 05=.0117
