氫氧化鈉三效蒸發(fā)課程設(shè)計(jì)說明書

1、第一章 蒸發(fā)方案的確定1.1 加熱蒸汽壓的確定 蒸發(fā)是一個(gè)消耗大量加熱蒸汽而又產(chǎn)生大量二次蒸汽的過程。通常被蒸發(fā)的溶液有一個(gè)允許的最高溫度，從節(jié)能觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)充分利用二次蒸汽作為后續(xù)蒸發(fā)過程或者其他加熱用的熱源，因此采用較高溫度的飽和蒸汽作為加熱蒸汽是有利的，但通常所用飽和蒸汽溫度不超過180，超過時(shí)相應(yīng)的壓強(qiáng)，這將增加加熱的設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用。所以加熱蒸汽壓強(qiáng)在400-800范圍之內(nèi)。故選擇加熱蒸汽壓強(qiáng)500kPa(絕)。1.2 冷凝器操作壓強(qiáng)的確定若一效采用較高壓強(qiáng)的加熱蒸汽，則末效可采用常壓或加壓蒸發(fā)，此時(shí)末效產(chǎn)生的二次蒸汽具有較高溫度，可以全部利用。而且各效操作溫度高時(shí)，溶液粘度低，傳

2、熱效果好。若一效加熱蒸汽壓強(qiáng)低，末效應(yīng)采用真空操作，此時(shí)各效二次蒸汽溫度低，進(jìn)入冷凝器冷凝需消耗大量冷卻水，而且溶液粘度大，傳熱差。故冷凝器操作壓強(qiáng)為20kPa（絕）。1.3 蒸發(fā)器的類型 蒸發(fā)器有很多類型，在結(jié)構(gòu)和操作上必須有利于蒸發(fā)過程的進(jìn)行，選型時(shí)考慮一下原則：1. 盡量保證蒸發(fā)過程具有較大的傳熱系數(shù)，滿足生產(chǎn)工藝過程的要求；2. 生產(chǎn)能力大，能完善分離液沫，盡量減緩傳熱壁面上污垢的形成；3. 結(jié)構(gòu)簡單，操作維修和清洗方便，造價(jià)低，使用壽命長；4. 能適應(yīng)所蒸發(fā)物料的一些特殊工藝特性根據(jù)以上原則選擇中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，其加熱室由垂直的加熱管束構(gòu)成，在管束中央有一根直徑較大 的管子，稱為中

3、央循環(huán)管，其截面積為加熱管束總截面積的40%-100%。當(dāng)殼程的管間通入蒸汽加熱時(shí)，因加熱管（細(xì)管）內(nèi)單位體積的受熱面積大于中央循環(huán)管（粗管）內(nèi)液體的受熱面積，因此粗、細(xì)管內(nèi)液體形成密度差，加之加熱細(xì)管內(nèi)蒸汽的抽吸作用，從而使得溶液在中央循環(huán)管下降、在加熱管內(nèi)上升的連續(xù)自然流動(dòng)。溶液在粗細(xì)管內(nèi)的密度差越大，管子越長，循環(huán)速度越大。主要的是溶液的循環(huán)流動(dòng)提高了沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，強(qiáng)化了蒸發(fā)過程。且這種蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)緊湊，制造方便，傳熱較好，操作可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。1.4 蒸發(fā)效數(shù)的確定在多效蒸發(fā)中，將前一效的二次蒸汽作為后一效的加熱蒸汽加以利用，可節(jié)省生蒸汽的消耗量，故為充分利用熱

4、能，生產(chǎn)中一般采用多效蒸發(fā)。除此之外，受到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的限制，效數(shù)過多經(jīng)濟(jì)上不合算，技術(shù)上蒸發(fā)操作將難以進(jìn)行。也為了保證傳熱的正常進(jìn)行，各效的有效傳熱溫度差不能小于6-10.且此次蒸發(fā)溶液12%NaOH為電解質(zhì)溶液，故選擇蒸發(fā)效數(shù)為3效。1.5 蒸發(fā)流程的選擇多效蒸發(fā)的操作流程根據(jù)加熱蒸汽與料液的流向不同，可分為并流、逆流、平流及錯(cuò)流四種。并流法亦稱順流法，是指料液和蒸汽呈同向流動(dòng)的蒸發(fā)過程。因?yàn)楦餍еg有比較大的壓強(qiáng)差，料液能自動(dòng)從前效進(jìn)入后效，可以省去輸送物料泵，前效的溫度高于后效，料液能自動(dòng)從前效進(jìn)入后效，可省去輸送物料泵；前效溫度高于后效溫度，料液從前效進(jìn)入后效處于過熱狀態(tài)，可以產(chǎn)生自

5、蒸發(fā)；且并流法結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、應(yīng)用廣泛。但由于后效較前效溫度低、濃度大，因而逐效料液的粘度增加，導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降。因此并流法操作通常適用于溶液粘度歲濃度變化不大的料液蒸發(fā)。逆流法即料液于蒸汽呈逆流操作。隨著料液濃度的提高，其溫度相應(yīng)提高，使料液粘度增加較小，各效的傳熱系數(shù)相差不大，故可生產(chǎn)較高濃度的濃縮液。因而逆流法操作適用于粘度較大的料液蒸發(fā)，但由于逆流操作需設(shè)置效間料液輸送泵，動(dòng)力消耗較大，操作也較復(fù)雜。此外對(duì)濃縮液在高溫時(shí)易分解的料液，不宜采用此流程。平流法即各效都加入料液，又都引出濃縮液。此法除可用于有結(jié)晶析出的料液外，還可用于同時(shí)濃縮兩種以上的不同水溶液。錯(cuò)流法亦稱混流法，它是并

6、，逆流的結(jié)合。其特點(diǎn)是兼有并，逆流的優(yōu)點(diǎn)而避免其缺點(diǎn)，但操作復(fù)雜，控制困難，應(yīng)用不多。綜合比較，選擇并流蒸發(fā)流程。1.6 進(jìn)料溫度的選擇 進(jìn)蒸發(fā)器料液溫度的高低直接影響到蒸發(fā)器中的傳熱情況和蒸發(fā)器傳熱面積的大小，生產(chǎn)上通常為了節(jié)約蒸汽用量和提高傳熱效果，在進(jìn)蒸發(fā)器之前利用可回收的低溫?zé)嵩磳⒘弦侯A(yù)熱到接近或者達(dá)到沸點(diǎn)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能消耗。 故選擇沸點(diǎn)進(jìn)料。 1.7 設(shè)計(jì)條件總述加熱蒸汽壓強(qiáng)500kPa(絕)，冷凝器操作壓強(qiáng)為20kPa（絕）并流三效蒸發(fā)沸點(diǎn)進(jìn)料第二章 蒸發(fā)過程的工藝計(jì)算多效蒸發(fā)工藝計(jì)算的主要項(xiàng)目有：加熱蒸汽消耗量、各效水分蒸發(fā)量及各效蒸發(fā)器的傳熱面積。變量之間的各效關(guān)系受物料衡算

7、、熱量衡算、傳熱速率方程以及相平衡方程式等基本關(guān)系支配。以三效并流加熱蒸發(fā)為例，采用試差法計(jì)算。假設(shè)：（1）冷凝液飽和溫度排出 （2）無額外蒸汽排出 （3）K值的選取 （4）多效傳熱面積相等2.1 各效蒸發(fā)量和完成液組成的估算原料液含 NaOH濃度12%，完成液含NaOH濃度34%。已知原料液量為45kt/a；，沸點(diǎn)進(jìn)料。加熱介質(zhì)采用500kPa(絕壓)的飽和水蒸氣，冷凝器操作壓力為20kPa(絕壓)。三效的傳熱系數(shù)分別為K1 =1500W/(m2·)，K2 =1000W/(m2·), K3 =600W/(m2·),原料液比熱容為3.77KJ/(Kg·)

8、,各效蒸發(fā)器中液面高度為2m。各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出。假設(shè)各效轉(zhuǎn)熱面積相等，并忽略熱損失。每年按330天計(jì)算，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。原料液進(jìn)料流量： 總蒸發(fā)量：并流加料蒸發(fā)，初估各校完成液的濃度： 2.2 溶液沸點(diǎn)和有效溫度差的確定各效間的壓強(qiáng)降相等： 由各效的二次蒸汽壓強(qiáng)查相應(yīng)的二次蒸汽的溫度和汽化熱，見表2-1表2-1 二次蒸汽的溫度和汽化熱第一效第二效第三效二次蒸汽壓強(qiáng)(kPa)34018020二次蒸汽溫度（）137.7116.660.1二次蒸汽的汽化熱（KJ/Kg）2155.462214.32354.9由于溶液蒸汽壓下降引起的溫度差損失多效蒸發(fā)中各效溫度差損失的計(jì)算可用

9、：為溶液沸點(diǎn)升高引起的溫度差損失為液層靜壓效應(yīng)引起的溫度差損失為蒸汽流動(dòng)中的阻力和熱損失而引起的溫度差損失校正系數(shù)法: 常壓下由于溶液蒸汽壓下降引起的溫度差損失，校正系數(shù)，無因次一般取操作壓強(qiáng)下水的沸點(diǎn)，操作壓強(qiáng)下二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg其他數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見表2-2表2-2 數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果（kpa）340180200.1530.20470.34()105.4108.36120.3()5.48.3620.3由于蒸發(fā)器中溶液靜壓強(qiáng)引起的溫度差損失由于蒸發(fā)器操作時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)部需要維持一定的液位，因而溶液內(nèi)部壓強(qiáng)將大于液面上方的壓強(qiáng)，致使溶液的實(shí)際沸騰溫度較液面高，兩者之差即為因溶液靜壓強(qiáng)引起的

10、溫差損失。根據(jù)流體靜力學(xué)方程，液層的平均壓力為：式中各濃度下溶液密度見下表濃 度%15.320.4734密 度1167.41224.31369.7對(duì)應(yīng)的水的溫度及對(duì)應(yīng)的水的沸點(diǎn)見表2-3表2-3 對(duì)應(yīng)的水的溫度及對(duì)應(yīng)的水的沸點(diǎn)第一效第二效第三效對(duì)應(yīng)的水的溫度（）138.93120.1969.41對(duì)應(yīng)的水的沸點(diǎn)（）137.79116.660.1（）1.143.599.31由管道流動(dòng)阻力產(chǎn)生的壓強(qiáng)降所引起的溫度差損失 在多效蒸發(fā)中，各效二次蒸汽從上一效的蒸發(fā)室流動(dòng)到下一效加熱室時(shí)，由于管道阻力使其壓強(qiáng)降低，致使蒸汽的飽和溫度相應(yīng)降低，由此引起的溫度差即為管道流動(dòng)阻力產(chǎn)生的壓強(qiáng)降所引起的溫度差損失根

11、據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常取各效料液的溫度和有效總溫差所以各效沸點(diǎn)為 2.3 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的計(jì)算對(duì)第i效進(jìn)行焓衡算，并計(jì)入溶液的濃縮熱及蒸發(fā)器的損失時(shí)，第i效的蒸發(fā)量的計(jì)算式為式中：第i效的加熱蒸汽量，kg/h 為第i效加熱蒸汽的汽化熱，kJ/kg 為原料液的比熱，kJ/（kg ）, =3.77 kJ/（kg ） 為水的比熱，kJ/（kg ）, =4.18 kJ/（kg ） 分別為第i效及第i-1效溶液的沸點(diǎn)， 為第i效的熱利用系數(shù)，對(duì)NaOH水溶液蒸發(fā)，x各效的熱利用系數(shù)： 根據(jù)水蒸汽表，查各壓強(qiáng)下的汽化熱見表2-4。表2-4123146.7130.4785.9(kJ/kg)2155.46

12、2214.32354.9初始?jí)毫?00kPa時(shí)水蒸氣汽化熱為2113.2kJ/kg第一效： (1) 第二效： (kJ/kg) （2）第三效：(kJ/kg) （3） （4）聯(lián)立式（1）（2）（3）（4）解，得： 誤差為： 誤差均小于5%，符合要求。=1281.54632113.2=2708163.6 kJ/hQ2=1225.15832155.46=2640779.7 kJ/h=1237.36572354.9=2913872.5 kJ/h2.4各效傳熱面積的計(jì)算及有效差的調(diào)整差距較大，調(diào)整各效的有效溫度差平均傳熱面積：重新分配的有效溫度差為： 2.5 傳熱面積的校正第三效：3 =t3+=85.9+

13、22.4=108.3第二效: = 3 =108.3 沸點(diǎn) t2=+=108.3+13.8696=122.17 T2= t2+ =122.17+12.2=134.37第一效：= T2=134.37 沸點(diǎn) =143.37+8.3=151.67各效數(shù)據(jù)表，見表2-5 表2-5第一效第二效第三效151.67134.37108.5 (kJ/kg)2092.332165.12236.02134371083601(kJ/kg)21651223656235491433712217859第一效： (1) 第二效： （2）第三效： （3） （4）聯(lián)立式（1）（2）（3）（4）解，得： 誤差為： 誤差均小于5%，可

14、以繼續(xù)計(jì)算=1304.82092.33=2730072.184kJ/h=1206.92165.1=2613059.19kJ/h=1248.92236.56=2793239.784 kJ/h則平均傳熱面積：誤差: S1 S2 S3 由計(jì)算結(jié)果可知誤差均小于4%，符合要求。則S正=（1+10%） 59.09=65m2第三章 蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)工藝尺寸的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)選用的是，中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。就以此為例介紹蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)方法。3.1 加熱管的選擇和管束的初步估計(jì)蒸發(fā)器的加熱管通常選用25×2.5mm、38×2.5mm、57×3.5mm等幾種規(guī)格的無縫鋼管。一般為

15、加熱管的長度為0.2-6.0mL= ，則=2,L= 3m,加熱管選用長為3m，38×2.5mm不銹鋼管。初步估計(jì)所需的管子數(shù)（根）式中：為蒸發(fā)器的傳熱面積，； 為加熱管的外徑，； 為加熱管的長度，。初估所需管子數(shù)為188根。3.2 循環(huán)管直徑的選擇循環(huán)管的截面積是根據(jù)使循環(huán)阻力盡量減少的原則來考慮的。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的循環(huán)管截面積可取加熱管總截面積的40%-100%。對(duì)加熱面積較小的蒸發(fā)器，應(yīng)取較大的百分?jǐn)?shù)，故選擇其截面積為加熱總面積的70%。加熱管的總截面積可按計(jì)算，循環(huán)管內(nèi)徑表示，則選取循環(huán)管，管長與加熱管管長相同為3.3.3 加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定加熱室的內(nèi)徑取決于加熱

16、管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)目及在管板上的排列方式。由于加熱管排列方式多為三角形排列，選擇為正三角形排列。又因?yàn)楣茏右?guī)格確定，故管心距一定t=48mm。 正三角形排列初步估算加熱室內(nèi)徑，即n取188，取=16取 后以加熱室內(nèi)徑和循環(huán)管外徑做同心圓，在同心圓的環(huán)系中，按加熱管的排列方式和管心距作圖，確定出加熱室內(nèi)徑為1000mm,加熱管數(shù)為256根。3.4 分離室直徑與高度的計(jì)算分離室的直徑和高度取決于分離室的體積，而分離室的體積又與二次蒸汽流量及蒸發(fā)體積的強(qiáng)度有關(guān)。分離室體積的計(jì)算：式中： 表3-3效數(shù)第一效第二效第三效二次蒸汽溫度134.37108.360.1密度1.6870.7840.131則：所

17、以，。設(shè)H=2D則 >0.834m >1.88m 對(duì)中央循環(huán)管，為保證足夠的霧沫分離高度，防止霧沫夾帶現(xiàn)象嚴(yán)重。且加熱室內(nèi)徑為1000mm,所以取，分離室直徑。3.5 接管尺寸的確定由接管內(nèi)徑計(jì)算式估算出內(nèi)徑，從管子規(guī)格中查出相近的標(biāo)準(zhǔn)管。 溶液進(jìn)出口管并流三效蒸發(fā)，第一效溶液流量最大，各效設(shè)備尺寸一致的話，根據(jù)第一效溶液流量確定接管，設(shè)計(jì)上進(jìn)出口直徑可取為一致。u=2 m/s，初始進(jìn)料液濃度為0.12，密度為1131kg/m3,F=5681.2kg/h.核算：u=1.97m/s符合要求u=1-3m/s。故選取 加熱蒸汽與二次蒸汽接管二次蒸汽體積流量取各效最大者W2=1248.9k

18、g/h, =0.784kg/m3,u=40m/s.核算：u=40.03m/s符合要求u=30-50m/s。故選取 冷凝水出口管 此管尺寸由加熱蒸汽量較大者確定，W2=1248.9kg/h，=968kg/m3,u=0.12m/s.核算：u=0.119m/s符合要求u=0.08-0.18m/s。故選取第四章 蒸發(fā)裝置輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)4.1 氣液分離器蒸發(fā)操作時(shí)，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。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(shí)，液滴因慣性作用

19、而與蒸汽分離。本次設(shè)計(jì)采用慣性式除沫器。慣性式除沫器主要尺寸的計(jì)算：式中： 所以，以上除沫器內(nèi)管選用,除沫器外罩管直徑選用的管，除沫器總高度574mm,除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x為143.5mm。4.2 蒸汽冷凝器蒸汽冷凝器的作用是用冷卻水將末效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝，此次蒸發(fā)物質(zhì)為NaOH溶液，水蒸氣不需回收，故選擇水噴式冷凝器。對(duì)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(jìn)出口溫度。工作水用量:式中： 。其中： D=W3=1220.67kg/h噴射器結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算：噴嘴數(shù)及噴嘴直徑：=320-20=300kpa =999kg/m3 =0.95通過一個(gè)噴嘴的水流

20、速度為： 噴嘴個(gè)數(shù)的確定為：故噴嘴個(gè)數(shù)為3個(gè)。文氏管喉部直徑：式中：水噴射器其它各部尺寸為：文氏管喉部長度 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(kuò)散段直徑 文氏管擴(kuò)散段長度 文氏管擴(kuò)散段角度 第五章 設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表表5-1 進(jìn)料條件效數(shù)第一效第二效第三效完成液濃度%15.320.4734蒸汽流量kg/h1206.91248.91220.67傳熱面積60.959.558.2表5-2 蒸發(fā)設(shè)備的數(shù)據(jù)蒸發(fā)器尺寸加熱管高度3m循環(huán)管內(nèi)徑加熱管管徑加熱管數(shù)目256根加熱室內(nèi)徑分離室直徑分離室高度接管尺寸溶液進(jìn)出口管加熱蒸汽與二次蒸汽接管冷凝水出口管除沫器總高度除沫器內(nèi)管頂部與器頂距離除沫器內(nèi)管直徑除沫器外罩管直徑除沫器外