湖南师范大学《化工原理》课程设计说明书设计题目年产量112000吨NaOH水溶液蒸发装置的设计学生姓名周鹏指导老师罗大志学院树达学院学号 200721180135专业班级 07制药工程1班完成时间2009年10月《化工原理》课程设计成绩评定栏评定基元评审要素评审内涵满分指导教师实评分评阅教师实评分设计说明书，40% 格式规范设计说明书是否符合规定的格式要求5 内容完整设计说明书是否包含所有规定的内容5 设计方案方案是否合理及符合选定题目的要求10工艺计算过程工艺计算过程是否正确、完整和规范20设计图纸，40%图纸规范图纸是否符合规范 5 标注清晰标注是否清晰明了 5 与设计吻合图纸是否与设计计算的结果完全一致10 图纸质量设计图纸的整体质量的全面评价20平时成绩，10% 上课出勤上课出勤考核 5 制图出勤制图出勤考核 5答辩成绩，10% 内容表述答辩表述是否清楚 5 回答问题回答问题是否正确 5100综合成绩成绩等级指导教师评阅教师答辩小组负责人(签名) (签名) (签名)年月日年月日年月日说明: 评定成绩分为优秀(90-100)，良好(80-89)，中等(70-79)，及格（60-69）和不及格(<60)目录1前言 (1)2设计任务 (2)2.1设计任务 (2)2.2操作条件 (2)3设计条件及设计方案说明 (3)4物性数据及相关计算 (3)4.1估计各效蒸发量和完成液浓度 (3)4.2估计各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差 (4)4.3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算 (7)4.4蒸发器传热面积的估算 (8)4.5有效温度的再分配 (8)4.6重复上述计算步骤 (9)4.7计算结果列表 (12)5主体设备计算和说明 (12)5.1加热管的选择和管数的初步估计 (13)5.2循环管的选择 (13)5.3加热管的直径以及加热管数目的确定 (13)5.4分离室直径和高度的确定 (15)5.5接管尺寸的确定 (16)6附属设备的选择 (18)6.1气液分离器 (18)6.2蒸汽冷凝器 (18)7三效蒸发器主要结构尺寸和计算结果 (20)8参考文献 (22)9后记及其他 (22)10附录 (23)1 前言蒸发器可广泛用于医药、食品、化工、轻工等行业的水溶液或有机溶媒溶液的蒸发,特别适用于热敏性物料(例如中药生产的水、醇提取液等)。

同时，蒸发操作也可对溶剂进行回收。

蒸发是使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。

蒸发有它独特的特点：从传热方面看，原料液和加热蒸气均为相变过程，属于恒温传热；从溶液特点分析，有的溶液有晶体析出、易结垢、易生泡沫、高温下易分解或聚合、粘度高，腐蚀性强；从传热温差上看，因溶液蒸气压降低，沸点增高，故传热温度小于蒸发纯水的温度差；从泡沫夹带情况看，二次蒸气夹带泡沫。

需用辅助仪器除去；从能源利用上分析，可以对二次蒸气重复利用……这就要求我们从五个方面考虑蒸发器的设计。

随着工业蒸发技术的发展，蒸发器的结果和型式也不断的改进。

目前，蒸发器大概分为两类：一类是循环型，包括中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等；另一类是单程型，包括升膜式、降膜式、升—降膜式等。

这些蒸发器型式的选择，要多个方面综合得出。

现在化工生产实践中，为了节约能源、提高经济效益，很多厂家采用的蒸发设备是多效蒸发。

因为这样可以降低蒸气的消耗量，从而提高蒸发装置的各项热损失。

多效蒸发流程可分为：并流流程、逆流流程、平流流程以及错流流程。

在选择型式时应考虑料液的性质、工程技术要求、公用系统的情况等。

通过上学期学习《化工原理》和本学期学习《化工原理课程设计》，我对蒸发器有了一定的了解和熟悉。

我相信这些基础理论知识能帮助我很好的完成本次课程设计任务。

虽然不可避免地会遇到很多的问题与困难，但是我将在解决问题中收获很多！我一定认真地完成好，让自己可以有更大的提高！2.设计任务2.1设计任务（1）蒸发器处理能力为年产112000吨NaOH水溶液；（2）每年按照300天计，每天24小时；（3）NaOH水溶液的原料浓度为12％，完成液体浓度为30％；（4）蒸发器的设备形式为中央循环式管式蒸发器；（5）厂址选为长沙地区。

2.2操作条件（1）加热汽压力为500 kPa（绝热），冷凝器的绝压为20 kPa（绝热）；（2）各效蒸发器的总传热系数分别为K1=1800 W/（m2·℃）、K2=1200 W/（m2·℃）、K3=600 W/（m2·℃）；（3）三效蒸发器中各效平均密度依次为1120 kg/m3 、1290 kg/m3 、1460 kg/m3；（4）原料液的比热容为3.77 KJ /（Kg/0C），原料液温度为第一效沸点温度；（5）蒸发器中溶液的液面高度为1.2 m；（6）各效加热蒸发汽的冷凝液在饱和温度下排出，忽略热损失。

3设计条件及设计方案说明本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，在工业上被称为标准蒸发器。

其特点是结构紧凑、制造方便、操作可靠等。

它的加热室由一垂直的加热管束构成，在管束中央有一根直径较大的管子，为中央循环管。

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5～7。

通常，对于沸点升高较大的电解质溶液，应采取2～3效。

由于本次设计任务是处理NaOH 溶液。

这种溶液是一种沸点升高较大的电解质，故选用三效蒸发器。

另外，由于NaOH 溶液是一种粘度不大的料液，故多效蒸发流程采用并流操作。

多效蒸发器工艺设计的主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。

计算的主要项目有：加热蒸气的消耗量，各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积等。

多效蒸发器的计算一般采用迭代计算法。

4 物性数据及相关计算4.1估计各效蒸发量和完成液浓度年产量：112000吨 ，且每年按照300天计算，每天24小时。

h /15555.6kg 24300101.12F 8=⨯⨯=总蒸发量：9333.4kg/h 0.30.12115555.6x x 1F W 30=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= 因并流加料，蒸发中无额外蒸气引出，可设0.30x 0.19413111.12828.316666.70.1215555.6W W F Fx x 0.14672828.315555.60.1215555.6W F Fx x 3394.0kg/h2828.31.2W kg/h 3111.12828.31.1W kg/h 2828.33.39333.4W W 3.3W W W W 1.2:1.1:1W :W :W 321021013211321321==--⨯=--==-⨯=-==⨯==⨯====++==4.2 估计各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差 设各效间压力降相等，则总压力差为∑=-='-=kPa 48020500P P ΔP K 1各效间的平均压力差为kPa 1603ΔPΔP i ==∑由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即kPa 20P P kPa 180********ΔΔP P kPa340160500ΔP P P K 3i 12i 11='='=⨯-=-='=-=-='由各效的二次蒸气压力，从手册中可查得相应的二次蒸气的温度和气化潜热列于下表中。

表4.1 二次蒸气的温度和气化潜热效数Ⅰ Ⅱ Ⅲ 二次蒸气压力，kPa P i '34018020二次蒸气温度C ,T 0i ' (即下一效加热蒸汽的温度） 137.7 116.6 60.1二次蒸气的气化潜热kJ/kg ,r i '（即下一效加热蒸汽的气化潜热）2155 2214 2355(1)各效由于溶液沸点而引起的温度差损失∆' 根据各效二次蒸气温度(也即相同压力下水的沸点)和各效完成液的浓度i x ，由NaOH 水溶液的点杜林线图可查得各效溶液的沸点Ai t 分别为C78t C 125t C143t A3A2A1︒=︒=︒=则各效由于溶液蒸气压下降所引起的温度差损失为C 17.960.178T t ΔC 8.4116.6125T t ΔC 5.3137.7143T t Δ3A32A21A1︒=-='-'='︒=-='-'='︒=-='-'='所以 C 31.617.98.45.3Δ︒=++='∑(2)由于液柱静压力而引起的沸点升高(温度差损失）为简便计算，以液层中部点处的压力和沸点代表整个液层的平均压力和平均温度，则根据流体静力学方程，液层的平均压力为 2gL ρP P av av +'= 所以kPa28.621.29.811.460202gL ρP P kPa 187.62 1.29.811.2901802gL ρP P kPa 346.62 1.29.811.1203402gL ρP P av33av3av22av2av11av1=⨯⨯+=+'==⨯⨯+=+'==⨯⨯+=+'=由平均压力可查得对应的饱和温度为C67.9T C 118.1T C138.5T av3av2P av1P P ︒='︒='︒='所以∑︒=++=''︒=-='-'=''︒=-='-'=''︒=-='-'=''C10.17.81.50.8ΔC 7.860.167.9T T ΔC 1.5116.6118.1T T ΔC 0.8137.7138.5T T Δ3P 32P 21P 1av3av2av1（3）由流动阻力而引起的温度差损失Δ'''取经验值C 1︒,即C 1ΔΔΔ321︒='''='''=''',则∑︒='''C 3Δ 故蒸发装置的总温度差损失为 ∑︒=++='C44.7310.131.6Δ （4）各效料液的温度和有效总温差由各效二次蒸气P i ＇及温度差损失i Δ'，即可由下式估算各效料液的温度i t ，C86.826.760.1ΔT t C127.510.9116.6ΔT t C 144.87.1137.7ΔT t 各效料液的温度为C 26.717.817.9ΔΔΔΔC10.911.58.4ΔΔΔΔC7.110.85.3ΔΔΔΔΔT t 333222111333322221111ii i ︒=+=+'=︒=+=+'=︒=+=+'=︒=++='''+''+'=︒=++='''+''+'=︒=++='''+''+'=+'=有效总温度差()∑∑-'-=ΔT T Δt KS 由手册可查得500kPa 饱和蒸汽的温度为C 151.7︒、气化潜热为2113kJ/kg，所以 ()∑∑︒=--=-'-=C 46.944.760.1151.7ΔT T Δt K S4.3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算 第Ⅰ效的热量衡算式为⎪⎪⎭⎫⎝⎛'-+'=110p011111r t t Fc r r D ηW对于沸点进料,10t t =，考虑到NaOH 溶液浓缩热的影响，热利用系数计算式为()0.96130.12-0.14670.7-0.98η1=⨯=所以 11111110.9426D D 215521130.9613r r D ηW =⨯='= 第Ⅱ效的热量衡算式为()()()()111221pw 1p0221222221pw 1p0221220.8906W 433.922145127144.84.187W 3.7715555.6W 221421550.9468r t t c W Fc r r W ηW 0.94680.14670.19410.70.98ηr t t c W Fc r r W ηW +=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⨯+⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡'--+'==-⨯-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡'--+'=.对于第Ⅲ效，同理可得()()()1212332pw 2pw 1p03323330.6836W 1259.2235586.8127.54.187W 4.187W 3.7715555.6W 235522140.9059r t t c W c W Fc r r W ηW 0.90590.1941-0.300.70.98η+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡---⨯+⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡'---+'==⨯-= 又因为 4.3393W W W 321=++联解上面各式，可得kg/h3148.7D kg/h 3288.1W kg/h 3077.2W kg/h 2968.0W 1321====4.4蒸发器传热面积的估算263333333622326222222261122611111116111ii ii m 105.829.2600101.892Δt K Q S C 29.886.8116.6t T Δt W101.8923600100022143077.2r W Q m 145.210.21200101.777Δt K Q S C10.2127.5137.7t T Δt W101.7773600100021532968r W Q m 148.86.91800101.8481Δt K Q S C 6.9144.8151.7t T Δt W101.84813600100021133148.7r D Q Δt K Q S =⨯⨯==︒=-=-=⨯=⨯⨯='==⨯⨯==︒=-=-=⨯=⨯⨯='==⨯⨯==︒=-=-=⨯=⨯⨯===误差为0.289148.8105.81S S1max min =-=-，误差较大，应调整各效的有效温度差，重复上述计算过程。