蒸發(fā)器課程設計

1、<p>　　第一章 蒸發(fā)操作條件的確定</p><p>　　蒸發(fā)作為化工產品工藝制造過程中的單元操作，有多種不同的設備，不同的流程和不同的操作方式。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，對保證產品質量和降低能耗極為重要。</p><p><b>　　加熱蒸汽壓強的確定</b><

2、;/p><p>　　通常被蒸汽的溶液有一個允許的最高溫度，若超過了此物料就會變質，破壞或分解，這是確定加熱蒸汽壓強的一個依據。應使操作在低于最大溫度范圍內進行，可以采用加壓蒸發(fā)，常壓蒸發(fā)或真空蒸發(fā)。</p><p>　　一些化工廠，常裝設蒸汽機或透平機以驅動發(fā)電機發(fā)電，因而蒸發(fā)用汽應考慮用蒸汽機、透平機的乏汽，直接采用未經做功的鍋爐蒸汽進行減壓蒸發(fā)是不經濟的，乏汽壓強一般在200～400 kP

3、a左右。</p><p>　　蒸發(fā)是一個消耗大量加熱蒸汽而又產生大量二次蒸汽的過程。從節(jié)能的觀點出發(fā)，應充分利用二次蒸汽作為其它加熱用的熱源，即要求蒸發(fā)裝置能夠提供溫度較高的二次蒸汽。這樣既可減少鍋爐產生蒸汽的消耗量，又可以減少末效進入冷凝器的二次蒸汽量，提高了蒸汽利用率。因此，能夠采用較高溫度的飽和蒸汽作為加熱蒸汽的有利的，但通常所用飽和蒸汽的溫度不超過180 ℃,超過時相應的壓強就很高,這樣增加加熱的設備費和

4、操作費。一般的加熱蒸汽壓強在400～800 kPa范圍之內。此次設計方案中加熱蒸汽壓強定為675 kPa（絕壓）。</p><p>　　1.2 冷凝器操作壓強的確定</p><p>　　若一效采用較高壓強的加熱蒸汽，則末效可采用常壓或加壓蒸汽，此時末效產生的二次蒸汽具有較高的溫度，可以全部利用。而且各效操作溫度高時，溶液粘度低，傳熱好。若一效加熱蒸汽壓強低，末效應采用真空操作。此時各效二次

5、蒸汽溫度低，進入冷凝器冷凝需消耗大量冷卻水，而且溶液粘度大，傳熱差。但對于那些熱敏性物料的蒸發(fā)，為充分利用熱源還是經常采用的。對混合式冷凝器，其最大的真空度取決于冷凝器內的水溫和真空裝置的性能。通常冷凝器的最大真空度為80～90 kPa。此次設計方案中冷凝器壓強定為20 kPa（絕壓）。</p><p>　　1.3 蒸發(fā)器的類型以及選擇</p><p>　　在化工生產中，大多數蒸發(fā)器都是利

6、用飽和水蒸汽作為加熱介質，因而蒸發(fā)器中熱交換的一方是飽和水蒸汽冷凝，另一方是溶液的沸騰，所以，傳熱的關鍵在于料液沸騰一側。為了適應各種不同物性物料的蒸發(fā)濃縮，出現(xiàn)了各種不同結構形式的蒸發(fā)器，而且隨著生產，技術的發(fā)展，其結構在不斷改進。工業(yè)中常用的間壁式傳熱蒸發(fā)器，按溶液在蒸發(fā)器中的流動特點，可分為循環(huán)型（中央循環(huán)管式、懸筐式、外加熱式、列文式、強制循環(huán)式等）和非循環(huán)型（升膜式、降膜式、升-降膜式、刮板式等）兩大類型。</p>

7、<p>　　面對種類繁多的蒸發(fā)器，在結構上必須有利于過程的進行，為此在選用時應考慮以下原則：</p><p>　　盡量保證較大的傳熱系數，滿足生產工藝的要求。</p><p>　　生產能力大，能完善分離液沫，盡量減慢傳熱面上的垢層的生成。</p><p>　　結構簡單，操作維修和清洗方便，造價低，使用壽命長。</p><p>　

8、　能適應所蒸發(fā)物料的一些工藝特性。。</p><p>　　綜上所述，本次設計中蒸發(fā)器的最優(yōu)形式確定為標準式即中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。</p><p>　　1.4 多效蒸發(fā)效數的確定</p><p>　　在流程設計時首先應考慮采用單效還是多效蒸發(fā)，為充分利用熱能，生產中一般采用多效蒸發(fā)。因在多效蒸發(fā)中，將前一效的二次蒸汽作為后一效的加熱蒸汽，可節(jié)省生蒸汽耗量。但不是效數愈

9、多愈好，效數受經濟上和技術上的因素所限制。</p><p>　　經濟上的限制在于效數超過一定值時經濟上不合算而技術上的限制在于效數過多蒸發(fā)操作將難于進行，因此實際的多效蒸發(fā)過程效數并不多。為了保證傳熱的正常進行，每一效有效溫差不能小于5～7℃。通常對于電解質溶液，如NaOH水溶液，由于其沸點升高較大，采用2～3效，對于非電解質溶液，有機溶液等，其沸點升高較小，可取為4～6效。其真正適宜的效數，需通過最優(yōu)化的方法加

10、以確定。</p><p>　　討論以上條件，通過對比選擇，本設計應采用三效蒸發(fā)。</p><p>　　1.5 多效蒸發(fā)流程的選擇</p><p>　　多效蒸發(fā)的操作流程根據加熱蒸汽與料液的流向不同，可分為并流，逆流，平流及錯流四種。</p><p>　　并流法亦成為順流法，其料液和蒸汽呈并流。因各效間有較大壓差，料液能自動從前效進入后效，可省

11、去輸料泵；前效的溫度高于后效，料液從前效進入后效時呈過熱狀態(tài)，可以產生自蒸發(fā)；結構緊湊，操作簡便，應用廣泛。但由于后效較前效的溫度低，濃度大，因而逐效料液的粘度增加，傳熱系數下降。因而并流法操作只適用于粘度不大的料液蒸發(fā)。</p><p>　　逆流法即料液于蒸汽呈逆流操作。隨著料液濃度的提高，其溫度相應提高，使料液粘度增加較小，各效的傳熱系數相差不大，故可生產較高濃度的濃縮液。因而逆流法操作適用于粘度較大的料液蒸

12、發(fā)，但由于逆流操作需設置效間料液輸送泵，動力消耗較大，操作也較復雜。此外對濃縮液在高溫時易分解的料液，不宜采用此流程。</p><p>　　平流法即各效都加入料液，又都引出濃縮液。此法除可用于有結晶析出的料液外，還可用于同時濃縮兩種以上的不同水溶液。</p><p>　　錯流法亦稱混流法，它是并，逆流的結合。其特點是兼有并，逆流的優(yōu)點而避免其缺點，但操作復雜，控制困難，應用不多。</

13、p><p>　　通過對比討論，本次設計應采用并流為最優(yōu)方式。</p><p>　　1.6 進料狀況的選擇</p><p>　　實際生產中，為便于操作，進料可選取沸點進料。此次設計方案中確定進料方式為沸點進料。</p><p>　　1.7 最終方案的確定</p><p>　　最終的方案為：加熱蒸汽壓強定為500 kPa，冷凝

14、器壓強定為20 kPa，蒸發(fā)器確定為中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，采用三效并流方式，進料方式為沸點進料。設計條件見《內蒙古工業(yè)大學課程設計任務書》。</p><p>　　第二章 多效蒸發(fā)的工藝計算</p><p>　　多效蒸發(fā)工藝計算的依據是物料衡算，熱量衡算以及轉熱速率三個基本方程。在多效蒸發(fā)中，各效的操作壓力依次降低，相應的，各效的加熱蒸汽溫度及溶液的沸點亦依次降低。以下以三效蒸發(fā)為例，采用試差

15、法進行計算。</p><p>　　2.1 各效蒸發(fā)量和完成液組成的估算</p><p><b>　　本設計的條件：</b></p><p>　　設計一個連續(xù)操作的三效并流蒸發(fā)裝置，將溶液濃度為11%的NaOH水溶液濃縮至30%。已知原料液量為42kt/a；，沸點進料。加熱介質采用500 kPa(絕壓)的飽和水蒸氣，冷凝器操作壓力為20 kPa(

16、絕壓)。三效的傳熱系數分別為K1 =1500W/(m2·℃)，K2 =1000W/(m2·℃), K3 =600W/(m2·℃),原料液比熱容為3.7KJ/(Kg·℃),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。假設各效轉熱面積相等，并忽略熱損失。每年按300天計算，每天24小時連續(xù)運行。</p><p><b>　　原料液進料流量：&l

17、t;/b></p><p><b>　　總蒸發(fā)量：</b></p><p>　　并流加料蒸發(fā) </p><p>　　初估各校完成液的濃度：</p><p>　　2.2 二次蒸汽的溫度、溶液沸點和各效傳熱溫度差的確定</p><p>　　設各效間的壓強降相等： </p>&

18、lt;p>　　由各效的二次蒸汽壓強查相應的二次蒸汽的溫度和汽化熱，見表2-1。</p><p>　　表2-1 二次蒸汽的溫度和汽化熱</p><p>　　其中二次蒸汽溫度即為下一效加熱蒸汽溫度，二次蒸汽汽化熱即為下一效加熱蒸汽的汽化熱。</p><p>　　2.2.1由于溶液蒸汽壓下降引起的溫度差損失</p><p>　　多效蒸發(fā)中各

19、效溫度差損失的計算可用：</p><p>　　為溶液沸點升高引起的溫度差損失。</p><p>　　為液層靜壓效應引起的溫度差損失。</p><p>　　為蒸汽流動中的阻力和熱損失而引起的溫度差損失。</p><p>　　對于NaOH水溶液采用杜林經驗式計算</p><p>　　對于第一效溶液沸點升高引起的溫差為：&l

20、t;/p><p>　　其他數據及計算結果見表2-2。</p><p>　　表2-2 數據及計算結果</p><p>　　2.2.2由于蒸發(fā)器中溶液靜壓強引起的溫度差損失</p><p>　　由于液層內部的壓力大于液面上的壓力，使相應的溶液內部的沸點高于液面上的沸點，二者之差即為液注靜壓頭引起的沸點升高。</p><p>

21、　　根據流體靜力學方程，液層的平均壓力為： </p><p><b>　　式中；</b></p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　℃</b></p><p>　　各濃度下溶液密度見下表2-2-1 </p><p>　

22、　表2-2-1 NaOH各濃度對應密度表</p><p>　　對應的水的溫度及對應的水的沸點見表2-3。</p><p>　　表2-3 對應的水的溫度及對應的水的沸點</p><p>　　2.2.3由管道流動阻力產生的壓強降所引起的溫度差損失</p><p>　　二次蒸汽從蒸發(fā)室流入冷凝器的過程中，由于管道阻力，其壓力下降，故蒸發(fā)器內的

23、壓力高度高于冷凝器內的壓力，由此造成的沸點升高約為1-1.5 ℃。</p><p><b>　　通常取 ℃</b></p><p>　　2.2.4各效料液的溫度和各效總溫度差</p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　℃</b></p>

24、<p><b>　　℃</b></p><p>　　所以各效沸點為 ℃ ℃</p><p><b>　　℃ ℃</b></p><p>　　℃ ℃</p><p>　　2.3 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的計算</p><p>

25、　　根據物料衡算和熱量衡算得公式</p><p>　　式中：——第i效的加熱蒸汽量，kg/h；</p><p>　　——分別是第i效加熱蒸汽，二次蒸汽的汽化熱，kJ/kg且；</p><p>　　——為原料液的比熱，kJ/（kg ℃）；</p><p>　　——為水的比熱，kJ/（kg ℃）；</p><p>　　——

26、分別為第i效及第i-1效溶液的沸點，℃；</p><p>　　——為第i效的熱利用系數。</p><p><b>　　各效的熱利用系數：</b></p><p>　　根據水蒸汽表，查各壓強下的汽化熱見表2-4。</p><p>　　表2-4各效溶液沸點及其對應汽化熱</p><p>　　其中，初始

27、壓力480 kPa時水蒸氣汽化熱為2119.3 kJ/kg。</p><p>　　第一效： ……（1）</p><p>　　第二效： (kJ/kg)</p><p><b>　　……（2）</b></p><p>　　第三效： (kJ/kg)</p><p><

28、;b>　　……（3）</b></p><p><b>　　……（4）</b></p><p>　　聯(lián)立式（1）（2）（3）（4）</p><p>　　解，得： </p><p>　　2.4各效蒸發(fā)器傳熱面積的計算</p><p><b>　　誤差為&l

29、t;/b></p><p>　　誤差較大，故因調整各效的有效溫度差，重復上述步驟。</p><p>　　2.5溫差的重新分配與試差計算</p><p>　　2.5.1重新分配各效的有效溫度差</p><p>　　平均傳熱面積： </p><p>　　重新分配的有效溫度差為： ℃</p>

30、;<p><b>　　℃</b></p><p><b>　　℃</b></p><p><b>　　2.5.2試差運算</b></p><p><b>　　計算各效溶液的沸點</b></p><p>　　因冷凝器壓力和完成液組成未變，故第三

31、效溶液沸點和二次蒸汽壓保持不變，各種溫度差損失為定值，即℃ 而℃，由于根據℃，則KJ/Kg </p><p>　　第二效 ： ℃ </p><p>　　沸點： ℃</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　第一效： ℃</p>

32、<p>　　沸點： ℃</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　二次蒸汽的汽化熱和二次蒸汽的溫度----即下一效加熱蒸汽的溫度見表2-5。</p><p>　　表2-5二次蒸汽溫度及其汽化熱</p><p>　　各效蒸發(fā)量取上次計算值：</p><

33、p><b>　　各效的傳熱面積：</b></p><p><b>　　誤差為</b></p><p>　　計算結果合理，取平均傳熱面積 取</p><p>　　計算結果見表2-6。</p><p>　　表2-6各效操作壓力、完成液濃度、蒸汽流量數值</p><p>

34、;　　第三章 蒸發(fā)器的主要結構工藝尺寸的設計</p><p>　　下面以中央循環(huán)管式蒸發(fā)器為例說明著呢高發(fā)期主要節(jié)后尺寸的設計計算方法。</p><p>　　中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的主要結構尺寸包括：加熱室和分離室的直徑和高度；加熱管與中央循環(huán)管的規(guī)格、長度及在管板上的排列方式。這些尺寸的確定取決于工藝計算結果，主要是傳熱面積。</p><p>　　3.1加熱管的選擇和

35、管數的初步估計</p><p>　　3.1.1加熱管的選擇和管數的初步估計</p><p>　　蒸發(fā)器的加熱管通常選用Φ25×2.5 mm、Φ38×2.5 mm、Φ57×3.5 mm等幾種規(guī)格的無縫鋼管。一般為加熱管的長度為2-6 m。由于對工廠等綜合因素的考慮，本設計選用管長為L=3 m， Φ38×2.5 mm 的無縫鋼管。</p>

36、<p>　　初步估計所需的管子數</p><p>　　式中：為蒸發(fā)器的傳熱面積，；</p><p><b>　　為加熱管的外徑，；</b></p><p><b>　　為加熱管的長度，。</b></p><p>　　因加熱管固定在管板上，考慮管板厚度所占的傳熱面積，則計算管子數 時的管長應

37、取.</p><p>　　3.1.2循環(huán)管直徑的選擇</p><p>　　循環(huán)管的截面積是根據使循環(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%。加熱管的總截面積可按計算，循環(huán)管內徑表示，則</p><p>　　對加熱面積較小的蒸發(fā)器，應取較大的百分數。本設計選取循環(huán)管，管長與加熱管管長相同為2.</p>

38、;<p>　　3.1.3加熱室直徑及加熱管數目的確定</p><p>　　加熱室的內徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數目及在管板上的排列方式。加熱管在管板上的排列方式又三角形、正方形、同心圓等，目前以三角形排列居多。管心距t為相鄰兩管中心線之間的距離，t一般為加熱管外徑的1.25～1.5倍。目前在換熱器設計中，管心距的數值已經標準化，制藥管子規(guī)格確定，相應的管心距則為確定值見表3-1。</p&g

39、t;<p><b>　　表3-1 管心距</b></p><p>　　加熱室內徑和加熱管數采用做圖法來確定，具體做法是：先計算管束中心線上管束，管子按正三角形排列時：;管子按正方形排列時：,式中：n—總加熱管數. 初估加熱管內徑用。然后用容器公稱直徑，試選一內徑作為加熱室內徑，并以此內徑和循環(huán)管外徑作同心圓，在同心圓的環(huán)隙中，按加熱管的排列方式和管心距作圖。作圖所得管數n必須

40、大于初估值，如不滿足，應另選一設備內徑，重新作圖，直至適合為止。殼體內徑的標準尺寸列于表3-2中，以供參考。</p><p>　　表3-2 殼體標準</p><p>　　正方形形排列初步估算加熱室內徑，即n取180</p><p><b>　　取 </b></p><p>　　本設計選取殼體內徑。</p>

41、<p>　　3.1.4分離室直徑與高度的確定</p><p>　　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)體積的強度有關。</p><p><b>　　分離室體積的計算：</b></p><p><b>　　式中：；</b></p><p><b

42、>　??；</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　表3-3二次蒸汽溫度以及密度值</p><p><b>　　則：</b></p><p><b>　　所以，。</b></p><p>　　取最大分離室體積計

43、算分離室高度與直徑，取H=2D</p><p>　　則 </p><p>　　對中央循環(huán)管，其分離室高度不小于,以保證足夠的霧沫分離高度。分離室直徑也不能太小，否則二次蒸汽流速過大將導致霧沫夾帶現(xiàn)象嚴重。所以取，分離室直徑</p><p>　　3.2接管尺寸的確定</p><p>　　3.2

44、.1溶液的進出口管、二次蒸汽管以及冷凝水管</p><p>　　對并流三效蒸發(fā)，第一效溶液流量最大，若各效設備尺寸一致的話，根據第一效溶液流量確定接管。溶液的適宜流速按強制流動（u=1-3 m/s）考慮，設計上進出口直徑可取為一致。</p><p>　　根據進料液的濃度X=0.11查表得對應密度為1120 kg/,</p><p>　　適宜流速選u=2 m/s.&l

45、t;/p><p>　　(1)溶液進出口管：</p><p><b>　　所以選用規(guī)格管</b></p><p>　　(2)加熱蒸汽接管：取u=40m/s,加熱蒸汽密度為2.6673 kg/ </p><p><b>　　所以，選用規(guī)格管</b></p><p><b>

46、　　二次蒸汽接管：</b></p><p><b>　　所以，選用規(guī)格管</b></p><p>　　冷凝水出口管：取u=0.1 m/s，水的密度為992 kg/ </p><p>　　所以，選用 mm規(guī)格管</p><p>　　第四章 蒸發(fā)器裝置的輔助設備的設計</p><p>　　

47、蒸發(fā)裝置的設備主要包括汽液分離器和蒸汽冷凝設備，還需要真空泵，疏水器等輔助設備。</p><p><b>　　4.1氣液分離器</b></p><p>　　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品損失或污染冷凝液體，還需設置器液分離設備，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，在分離室頂部設置

48、的有簡易式，慣性式及網式除沫器等，在蒸發(fā)器外部設置的有折流式，旋流式及離心式除沫器等。</p><p>　　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。它的結構簡單。因此，本次試驗采用慣性式除沫器。</p><p>　　慣性式除沫器主要尺寸的計算：</p><p><b>　　式中：</b></p&g

49、t;<p>　　所以，以上除沫器內管選用,除沫器外罩管直徑選用的管。</p><p><b>　　4.2 蒸汽冷凝器</b></p><p>　　4.1.1冷凝器主要類型</p><p>　　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；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

50、等。</p><p>　　各種型式蒸汽冷凝器的性能比較如下表：</p><p>　　表4-1 各種型式蒸汽冷凝器的性能比較</p><p>　　綜合考慮各種設備的性能，本設計選用水噴射式冷凝器。</p><p>　　4.2.2設計與選用</p><p>　　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

51、于被冷凝蒸汽的熱焓，冷卻水的進出口溫度，可按下式計算：</p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　其中： ℃ ℃</p><p><b>　　℃</b></p><p>　　噴射器結構尺

52、寸計算：</p><p><b>　　噴嘴數及噴嘴直徑：</b></p><p>　　通過一個噴嘴的水流速度為： </p><p>　　噴嘴直徑，在水質清潔時可取后，</p><p>　　噴嘴個數的確定為： </p><p><b>　　文氏管喉部直徑：<

53、/b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　水噴射器其它各部尺寸為：</p><p>　　文氏管喉部長度 </p><p>　　文氏管收縮口直徑 </p><p>　　文氏管收縮段長度 </p><p>　

54、　文氏管收縮角度 </p><p>　　文氏管擴散段直徑 </p><p>　　文氏管擴散段長度 </p><p>　　文氏管擴散段角度 </p><p>　　進水管直徑與進蒸汽管直徑可按一般原則計算，但管內水流速不宜太高，否則電</p><p>　　耗增大，取較好；蒸汽流速

55、隨真空度不同而變化，當真空度在73-95時，其最大流速為不等。</p><p>　　第五章 設計結果匯總</p><p><b>　　5.1操作條件設計</b></p><p>　　本設計選用480 kPa的加熱蒸汽，冷凝器絕壓選用20 kPa.因考慮蒸發(fā)料液的粘度、設備的操作費和處理量等主要因素，本設計選用中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。因氫氧化鈉水溶液

56、隨蒸發(fā)的進行沸點升高較大，影響傳熱，經綜合考慮，本設計選三效蒸發(fā)?？紤]氫氧化鈉物性及操作條件，本設計選并流操作。</p><p>　　5.2工藝計算結果匯總表</p><p>　　表5-1 工藝計算結果匯總</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 鐘理，伍欽，馬四朋.化工原理.北京:

57、化學工業(yè)出版社. 2008</p><p>　　[2] 時鈞等. 化學工程手冊. 第二版. 北京: 化學工業(yè)出版社. 1996.</p><p>　　[3] 高俊，高智等.化工原理課程設計指導書. 內蒙古大學出版社.2010.12</p><p>　　[4] 柴誠敬，張國亮.化工流體流動與傳熱.北京：化學工業(yè)出版社. 2007</p><p