雙效并流蒸發(fā)器設(shè)計 論文

1、授課時間：20112012年度 第 1 學(xué)期題 目：雙效并流蒸發(fā)器設(shè)計課程名稱：化工原理課程設(shè)計專業(yè)年級：學(xué) 號：姓名：成 績：指導(dǎo)教師：2011年12月20日目錄第1章設(shè)計方案簡介1第2章工藝流程圖及說明1第3章工藝計算及主體設(shè)備選型；13.1 估計各效蒸發(fā)量和完成液濃度13.2 估計各效溶液的沸點和有效總溫度差23.2.1 各效由于溶液的蒸汽壓下降所引起的溫度差損失33.2.2 由于蒸發(fā)器中溶液靜壓強引起的溫度差損失33.2.3 由于管道流動阻力產(chǎn)生的壓強降所引起的溫度差損失43.2.4 各效溶液的沸點和有效總溫度差43.3 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算43.4 蒸發(fā)器的傳熱面積

2、估算63.5 有效溫度差的再分配63.6主體設(shè)備選型73.6.1 汽液分離器73.6.2 蒸汽冷凝器8第4章設(shè)計結(jié)果匯總表11第5章 設(shè)備布置流程圖.12第6章參考文獻12第7章設(shè)計評述13課程設(shè)計任務(wù)安排表學(xué)院班級：課程名稱：化工原理課程設(shè)計填寫時間：_2011_年_12_月_2_日課程設(shè)計任務(wù)設(shè)計題目：雙效并流蒸發(fā)器設(shè)計設(shè)計條件：采用雙效并流加料將10%的NaOH水溶液濃縮到30%。蒸發(fā)能力：10000 kg/h；第I效的加熱蒸汽壓力：450kPa(絕壓)；冷凝器的絕壓為：35kPa；第I效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：2000W/(m2K)，溶液密度1200kg/m3；第II效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：

3、1200W/(m2K)，溶液密度1300kg/m3m；設(shè)計內(nèi)容：計算蒸發(fā)器的傳熱面積（設(shè)兩效的傳熱面積相等）。學(xué)生姓名學(xué)號參 考文 獻1 賈紹義，柴誠敬主編. 化工原理課程設(shè)計. 天津：天津大學(xué)出版社，2002.2 蘄明聰，程尚模，趙永湘. 換熱器. 重慶：重慶大學(xué)出版社，1990.3 魏兆燦. 塔設(shè)備設(shè)計. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1988.4 聶清德編. 化工設(shè)備設(shè)計. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.5 袁林根. 機械工程手冊（第二版）. 北京：機械工業(yè)出版社，1997.6 時鈞主編. 化學(xué)工程手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.7 匡國柱. 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計. 北京：化

4、學(xué)工業(yè)出版社，2006.8 陳英南，劉玉蘭主編. 常用化工單元設(shè)備的設(shè)計. 廣東：華東理工大學(xué)，2005.設(shè)計的基本要求、任務(wù)、研究的問題通過課程設(shè)計，要求學(xué)生能綜合運用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通、獨立思考，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的化工單元操作的設(shè)計任務(wù)，從而得到化工工程設(shè)計的初步訓(xùn)練。完成設(shè)計方案的簡介、蒸發(fā)工藝設(shè)計計算、繪制工藝流程圖設(shè) 計進 度安 排12月13日，布置任務(wù)，查閱、收集相關(guān)設(shè)計資料、參考文獻等；12月14日，完成設(shè)計計算；12月15日，完成設(shè)計說明書。指導(dǎo)教師（簽名）：_ _ _職稱：_ _ _主要符號說明：原料液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)；：完成液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，；

5、：第I效的加熱蒸汽壓力；：NaOH溶液的蒸發(fā)能力，即溶液的進料量；：過程總蒸發(fā)量；：第I效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)；：第I效蒸發(fā)器中溶液密度；：第II效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)；：第II效蒸發(fā)器中溶液密度；：原料液的比熱；：蒸發(fā)器中溶液的液面高度；：蒸發(fā)器中液面和底層的平均壓強：二次蒸氣的壓強，即液面處的壓強：溶液的平均密度，：第i效的傳熱速率，W：第i效的傳熱系數(shù)，W/（m2.）：第i效的傳熱溫度差，：第i效的傳熱面積，m2第1章 設(shè)計方案簡介化工原理課程設(shè)計要求我們綜合運用化工原理、化工設(shè)備機械基礎(chǔ)、化工儀表自動化等課程及有關(guān)先修課程所學(xué)知識，完成以化工單元操作為主的一次工程設(shè)計，主要內(nèi)容包括化工工藝

6、設(shè)計和化工設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。從而對我們進行一次設(shè)計技能的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的書本知識解決實際問題的能力。通過課程設(shè)計，要求能夠綜合運用本課程和前修課程的基本知識進行融會貫通，并在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計任務(wù)，從而得到化工工程設(shè)計的初步訓(xùn)練。蒸發(fā)操作條件的確定主要指蒸發(fā)器加熱蒸汽的壓強（或溫度），冷凝器的操作壓強（或溫度）的確定，正確選擇蒸發(fā)的操作條件，對保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗極為重要。本課程設(shè)計是雙效并流設(shè)計。第2章 工藝流程圖及說明第3章 工藝計算及主體設(shè)備選型；3.1估計各效蒸發(fā)量和完成液濃度過程總蒸發(fā)量：已知，原料液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，完成液中溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，則：假設(shè)各效蒸發(fā)

7、量相等，則第效蒸發(fā)量為：因而初估各效完成液的濃度為：3.2 估計各效溶液的沸點和有效總溫度差為求各效溶液沸點，需假定各效操作壓強。加熱蒸汽壓強=450,冷凝器中的操作壓強，其它各效二次蒸汽壓強可按各效間蒸汽壓強降相等的假設(shè)來確定。 即各效加熱蒸汽壓強與二次蒸汽壓強之差為：故第效二次蒸氣壓強為：由可查得或計算得到對應(yīng)蒸汽的溫度和汽化潛熱，如表3-1，同時前一效的二次蒸汽即為后一效的加熱蒸汽。對于飽和水蒸汽，已知壓強（或者溫度）時可通過飽和水蒸汽表查取對應(yīng)的溫度（或者壓強）、汽化潛熱。表3-1 二次蒸汽溫度和相應(yīng)的汽化潛熱蒸汽壓力溫度汽化潛熱一效二次蒸汽二效二次蒸汽各效由于溶液的蒸汽壓下降所引起的

8、溫度差損失則 f= = = f=0.43+1.49=式中 f - 校正因數(shù)，無因次，- 常壓下由于溶液蒸汽壓下降引起的溫度差，- 實際壓力下水的沸點，r實際壓力下水的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg。由于蒸發(fā)器中溶液靜壓強引起的溫度差損失由于蒸發(fā)器中溶液靜壓強引起的溫度差損失 某些蒸發(fā)器在操作時，器內(nèi)溶液需維持一定的液位，因而蒸發(fā)器中溶液內(nèi)部的壓強大于液面的壓強，致使溶液內(nèi)部的沸點較液面處的為高，二者之差即為因溶液靜壓強引起的溫度差損失，為簡便起見，日夜內(nèi)部的沸點可按液面和底層的平均壓強來查取，平均壓強近似按靜力學(xué)方程估算：=+式中 蒸發(fā)器中液面和底層的平均壓強，Pa二次蒸氣的壓強，即液面處的壓強，Pa溶

9、液的平均密度，kg/液層高度,mg重力加速度，m/根據(jù)=+取液位高度L=由 NaOH水溶液比重圖可得下列數(shù)據(jù):NaOH水溶液密度為(kg/)，則 =根據(jù)各效溶液平均壓強查附錄九得對應(yīng)的飽和溶液溫度為:T=； T =根據(jù) = 式中 -根據(jù)平均壓強求取NaOH溶液的沸點，-根據(jù)二次蒸氣壓強求得水的沸點所以1= T- T=120.29-118.83=2= T- T=77.83-70.75=1.45+7.08=由于管道流動阻力產(chǎn)生的壓強降所引起的溫度差損失由于管道流體阻力產(chǎn)生的壓強降所引起的溫度差損失在多效蒸發(fā)中末效以前各效的二次蒸汽流到次一效的加熱室的過程中由于管道阻力使其壓強降低蒸汽的飽和溫度也相

10、應(yīng)降低由此引起的溫度差損失即為,取經(jīng)驗值1各效溶液的沸點和有效總溫度差根據(jù)以估算的各效二次蒸汽壓強及溫度差損失，即可由下式估算溶液各效溶液的沸點t所以總的溫度差損失為=+ =1.92+8.53+3=溶液的沸點ti=Ti+0.43+1.45+1=2.88 1.49+7.08+1=所以各效溶液沸點：t=121.72 t=由手冊可查得400KPa飽和蒸汽壓的溫度為，汽化熱為2138.5 KJ/kg，所以3.3 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的初步計算第i效的焓衡算式為：有上式可求得第i效的蒸發(fā)量，若在焓衡算式計入溶液的能縮熱及蒸發(fā)器的熱損失時，尚需考慮熱利用系數(shù)一般溶液的蒸發(fā)，可取得4x（式中x為溶液

11、的濃度變化，以質(zhì)量分率表示）。第i效的蒸發(fā)量的 計算式為式中 -第i效的加熱蒸汽量，kg/h，當(dāng)無額外蒸汽抽出時=；-第i效加熱蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg ； - 第i效二次蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg；-原料液的比熱 ， ； -水的比熱，；，-分別為第i效及第i-1效溶液的沸點，；-第i效的熱利用系數(shù)無因次，對于加熱蒸汽消耗量，可列出各效焓衡算式并與式聯(lián)解而求得。 第一效的焓衡量式為:5-0.10)=0.945進料，=3.70kJ/(kg.)，kJ/(kg.)，查課本附錄九得=21 kJ/kg,對于沸點進料，=45 =0.92 (a)同理第二效的熱衡算式為:=8(0.3-0.15)=0.875

12、所以5+(100000-4.187)=+577 (b)=52 (c)又+=6667 (d) 聯(lián)立(a),(b),(c),(d)式,解得:=kg/h；= kg/h= kg/h；= kg/h3.4 蒸發(fā)器的傳熱面積估算任意一效的傳熱速率方程為:=式中-第i效的傳熱速率，W-第i效的傳熱系數(shù)，W/（m2.）-第i效的傳熱溫度差，-第i效的傳熱面積，m2在雙效蒸發(fā)中，為了便于制造和安裝，通常采用各效傳熱面積相等的蒸發(fā)器，即 = =S誤差為誤差很小，在誤差允許范圍之內(nèi),故計算得各效蒸發(fā)面積合理。其各效溶液濃度無明顯變化不必再算。3.5 有效溫度差的再分配平均傳熱面積：重新分配有效溫度差得：；所以計算結(jié)果

13、合理,取平均面積的=(m2完成液的濃度為：， 主體設(shè)備選型蒸發(fā)裝置的設(shè)備主要包括汽液分離器和蒸汽冷凝設(shè)備，還需要真空泵，疏水器等輔助設(shè)備。3.6.1 汽液分離器蒸發(fā)操作時，二次蒸汽中夾帶大量液體，雖在分離室得到了初步分離，但是為了防止有用的產(chǎn)品損失或污染冷凝液體，還需設(shè)置器液分離設(shè)備，以使霧沫中的液體凝聚與二次蒸汽分離，故氣液分離器又稱除沫器。其類型較多，在分離室頂部設(shè)置的有簡易式，慣性式及網(wǎng)式除沫器等，在蒸發(fā)器外部設(shè)置的有折流式，旋流式及離心式除沫器等。慣性式除沫器是利用帶有液滴的二次蒸汽在突然改變方向時，液滴因慣性作用而與蒸汽分離，它的結(jié)構(gòu)比較簡單。因此，本次設(shè)計采用慣性式除沫器。慣性式除

14、沫器主要尺寸的計算：式中： 所以，以上除沫器內(nèi)管選用的不銹鋼無縫鋼管,除沫器外罩管選用的不銹鋼無縫鋼管，除沫器外殼直徑選的不銹鋼無縫鋼管。3.6.2 蒸汽冷凝器.2.1 冷凝器主要類型冷凝器的主要作用是用冷凝水將二次蒸汽冷凝。冷凝器分為直接接觸式冷凝器和間壁式冷凝器，當(dāng)二次蒸汽為水蒸氣不需要回收時，可采用直接接觸式冷凝器，使二次蒸汽與冷凝水直接接觸進行熱交換，其冷凝效果好，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，造價低廉，因此，本次實驗采用直接接觸式冷凝器。直接接觸式冷凝器包括多孔板式，水簾式，填充塔式及水噴射式等。多孔多板式是目前廣泛使用的型式之一。冷凝器內(nèi)裝有49塊不等距的多孔板，冷凝水通過板上小孔分散成液滴

15、與二次蒸汽接觸，接觸面積大，冷凝效果好。但多孔易堵塞，二次蒸汽在折流過程中壓力增大，所以也采用壓力較小的單層多孔板冷凝器，但冷凝效果差。水簾式冷凝器內(nèi)裝有34對固定的環(huán)形和圓形隔板，使冷卻水在隔板間形成水簾，二次蒸汽通過水簾式被冷凝。其結(jié)構(gòu)簡單，壓力較大。填充式冷凝器，塔內(nèi)上部裝有多孔板式液體分布板，塔內(nèi)裝填拉西環(huán)填料。冷水與二次蒸汽在填料表面接觸，提高了冷凝效果。適用于二次蒸汽量較大的情況及冷凝具有腐蝕性氣體的情況。水噴射式冷凝器，冷卻水依靠泵加壓后經(jīng)噴嘴霧化使二次蒸汽冷凝。不凝氣也隨冷凝水由排水管排出。此過程產(chǎn)生真空，則不需要真空泵就可以造成和保持系統(tǒng)的真空度。但單位二次蒸汽所需的冷卻水量

16、大，二次蒸汽量過大時不宜采用。各種型式蒸汽冷凝器的性能比較如下表：表3-4 各種型式蒸汽冷凝器的性能比較項目型式多層多孔板式單層多孔板式水簾式填充塔式水噴射式水氣接觸面大較小較大大最大壓強降1067-2000Pa小，可不計1333-3333Pa較小大塔徑范圍大小均可不宜過大二次蒸汽量結(jié)構(gòu)與要求較簡單簡單較簡單，安裝有一定要求簡單不簡單，加工有一定要求水量較大較大較大較大最大其它孔易堵塞適于腐蝕性蒸汽綜合考慮各種設(shè)備的性能，本設(shè)計選用水噴射式冷凝器。3.6.2.2 工作水量的計算對以冷凝為主的水噴射式冷凝器，其冷卻水用量決定于被冷凝蒸汽的熱焓、冷卻水的進出口溫度，可按下式計算：式中：。3.6.2

17、.3噴射器結(jié)構(gòu)尺寸計算（1）噴嘴數(shù)及噴嘴直徑:通過一個噴嘴的水流速度為:。工作水進口壓強選370，吸入壓強為20，即=370-20=350噴嘴直徑，在水質(zhì)清潔時可取后，噴嘴個數(shù)的確定為： ，選，由上式得：所以，（2）文氏管喉部直徑：式中：所以， 選，即（3）水噴射器其它各部尺寸按下列范圍選取：文氏管喉管長度 文氏管收縮口直徑 文氏管收縮段長度 文氏管收縮角度 文氏管擴散段直徑 文氏管擴散段長度 文氏管擴散段角度 左右 進水管直徑與進蒸汽管直徑可按一般原則計算，但管內(nèi)水流速不宜太高，否則電耗增大，取較好；蒸汽流速則隨真空度不同而變化，當(dāng)真空度在73-95時，其最大流速為不等。（1） 進水管直徑：

18、，圓整為89（2）進蒸汽管直徑：，圓整為3.6.2.4射流長度的決定噴射水的射流長度，是指噴嘴出口處到聚焦點的水柱長度。該長度越長，汽室就越高。實踐證明，射流長度以不出現(xiàn)散流為度，及設(shè)計水噴射冷凝器時，既要考慮到有利于熱交換，又要照顧到不凝性氣體的排除能力。通常從換熱觀點要求越長接觸面積越大；但過長則射流速度大大減慢，必將嚴重影響排出不凝性氣體的能力，以致無法獲得預(yù)期的真空度。噴射冷凝器的射流長度與噴嘴直徑關(guān)系大致如表，設(shè)計時可參考。表3-4 噴射冷凝器的射流長度與噴嘴直徑關(guān)系噴嘴直徑，噴射水流長度，16201215581500200012001500200500噴嘴直徑,噴射水流長度為180

19、0。第4章 設(shè)計結(jié)果匯總表表1：效數(shù)III加熱蒸汽溫度Ti, 141操作壓力, kPa2435溶液溫度（沸點）ti, 1完成液濃度xi, %蒸發(fā)量Wi, kg/h3蒸汽消耗量D, kg/h33傳熱面積Si, m251表2：蒸發(fā)器尺寸加熱管長度3000循環(huán)管內(nèi)徑加熱管管徑加熱管數(shù)目108根加熱室內(nèi)徑1000分離室內(nèi)徑1100分離室高度接管尺寸溶液進出口管加熱蒸汽與二次蒸汽接管冷凝水出口管氣液分離器除沫器外殼直徑除沫器總高度500除沫器內(nèi)管頂部與器頂距離112二次蒸汽管徑249除沫器內(nèi)管直徑249外罩管直徑蒸汽冷凝器噴嘴個數(shù)2噴嘴直徑文氏管喉管長110文氏管收縮口直徑62文氏管收縮段長度88文氏管

20、收縮角度12文氏管擴散段直徑66文氏管擴散段長度263文氏管擴散段角度4進水管直徑進蒸汽管直徑第5章 設(shè)備布置流程圖第6章 參考文獻1 賈紹義，柴誠敬主編. 化工原理課程設(shè)計M. 天津：天津大學(xué)出版社，2002.2 蘄明聰，程尚模，趙永湘. 換熱器M. 重慶：重慶大學(xué)出版社，1990.3 魏兆燦. 塔設(shè)備設(shè)計M. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988.4 聶清德編. 化工設(shè)備設(shè)計M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.5 袁林根. 機械工程手冊（第二版）M. 北京：機械工業(yè)出版社，1997.6 時鈞主編. 化學(xué)工程手冊M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.7 匡國柱. 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.8 陳英南，劉玉蘭主編. 常用化工單元設(shè)備的設(shè)計M. 廣東：華東理工大學(xué)，2005.9第7章 設(shè)計評述化工原理是在研究化學(xué)工業(yè)共性的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。本課程屬于技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要研究化工生