过程设备原理课程设计题目：NaOH水溶液蒸发装置的设计学院：制造科学与工程学院系别: 过程装备与控制工程班级: 过控1102学生姓名：周伟学号： 20116201指导老师：张健平设计时间： 2014/7/4《过程设备原理课程设计》任务书题目：NaOH水溶液蒸发装置的设计一、设计原始数据（1）设计任务：处理量：7.92×104（吨/年）（7.92×104，9.95×104，1.667×105）；料液浓度： 4.7% （4.7％，10.6%）质量%；产品浓度：23.7% （23.7%，30%）质量%；加热蒸汽温度151 （℃）（151，158.1）；末效冷凝器的温度49 （℃）（49，59.6）。
（2）操作条件：加料方式：三效并流加料；原料液温度：第一效沸点温度；各效蒸发器中溶液的平均密度：ρ1=1014kg/m3，ρ2=1060kg/m3，ρ=1239kg/m3；3加热蒸汽压强：500kPa；冷凝器压强：20kPa；各效蒸发器的总传热系数：K1=1500W/（m2•K），K2=1000W/（m2•K），K3=600W/（m2•K）；各效蒸发器中液面的高度：1.5m；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，并忽略热损失。
（3）设备型式：中央循环管式蒸发器。
（4）厂址：四川绵阳。
（5）工作日：每年300天，每天24小时连续运行。
二、基本要求（1）设计方案的简介：对确定的工艺流程及蒸发器型式进行简要论述。
（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）绘制工艺流程图及蒸发器设计条件图。
（5）设计结果汇总。
（6）对设计过程的评述和有关问题的讨论。
（7）编写课程设计说明书。
三、参考资料[1] 中国石化集团上海工程有限公司等. 化工工艺设计手册（第四版上、下册）. 北京: 化学工业出版社, 2009.[2]尾范英郎（日）著. 徐忠权译. 热交换设计手册. 北京: 化学工业出版社, 1981.[3]时钧, 汪家鼎. 化学工程手册. 北京: 化学工业出版社, 1996.[4]卢焕章. 石油化工基础数据手册. 北京: 化学工业出版社, 1982.[5]陈敏恒，丛德兹. 化工原理(上、下册)(第二版). 北京: 化学工业出版社, 2000.[6]大连理工大学化工原理教研室. 化工原理课程设计. 大连: 大连理工大学出版社, 1994.[7]柴诚敬, 刘国维, 李阿娜. 化工原理课程设计. 天津: 天津科学技术出版社, 1995.目录目录II目录1 设计方案简介 (1)1.1 设计方案论证 (1)1.2 蒸发器简介 (1)2 设计任务 (3)2.1 估算各效蒸发量和完成液浓度 (3)2.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差 (3)2.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算 (6)2.4 蒸发器传热面积的估算 (7)2.5 有效温差的再分配 (7)2.6 重复上述计算步骤 (8)2.7 计算结果列表 (11)3 蒸发器的主要结构尺寸的计算 (12)3.1 加热管的选择和管数的初步估算 (12)3.2 循环管的选择 (12)3.3 加热室直径及加热管数目的确定 (12)3.4 分离室直径和高度的确定 (12)3.5 接管尺寸的确定 (13)4 蒸发装置的辅助设备的选用计算 (15)4.1 气液分离器 (15)4.2 蒸汽冷凝器的选型设计 (15)5 评述 (19)5.1 可靠性分析 (19)5.2 个人感想 (19)6 参考文献 (20)第一章绪论1 设计方案简介1.1 设计方案论证多效蒸发的目的是：通过蒸发过程中的二次蒸汽再利用，以节约蒸汽的消耗，从而提高蒸发装置的经济性。
目前根据加热蒸汽和料液流向的不同，多效蒸发的操作流程可以分为平流、逆流、并流和错流等流程。
本设计根据任务和操作条件的实际需要，采用了并流式的工艺流程。
下面就此流程作一简要介绍。
并流流程也称顺流加料流程（如图1），料液与蒸汽在效间同向流动。
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呈过热状态，过料时有闪蒸出现。
此流程有下面几点优点：①各效间压力差大，可省去输料泵；②有自蒸发产生，在各效间不必设预热管；③由于辅助设备少，装置紧凑，管路短，因而温度损失小；④装置操作简便，工艺条件稳定，设备维修工作减少。
同样也存在着缺点：由于后效温度低、浓度大，因而料液的黏度增加很大，降低了传热系数。
因此，本流程只适应于黏度不大的料液。
1.2 蒸发器简介随着工业蒸发技术的发展，蒸发设备的结构与型式亦不断改进与创新，其种类繁多，结构各异。
根据溶液在蒸发中流动情况大致可分为循环型和单程型两类。
循环型蒸发器可分为循环式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等；单程蒸发器包括升膜式、降膜式、升－降膜式及刮板式等。
还可以按膜式和非膜式给蒸发器分类。
工业上使用的蒸发设备约六十余种，其中最主要的型式仅十余种。
本设计采用了中央循环管式蒸发器，下面就其结构及特点作简要介绍。
中央循环管式蒸发器（如图2）又称标准蒸发器。
其加热室由一垂直的加热管束（沸腾管束）构成，管束中央有一根直径较大的管子叫做中央循环管，其截面积一般为加热管束截面积的40%~100%。
加热管长一般为1~2m，直径25~75mm，长径比为20~40。
其结构紧凑、制造方便、操作可靠，是大型工业生产中使用广泛且历史长久的一种蒸发器。
至今在化工、轻工等行业中广泛被采用。
但由于结构上的限制，其循环速度较低（一般在0.5m/s以下）；管内溶液组成始终接近完成液的组成，因而溶液的沸点高、有效温差小；设备的清洗和检修不够方便。
其适用于结垢不严重、有少量结晶析出和腐蚀性较小的溶液。
并流加料三效蒸发的物料衡算和热量衡算的示意图如图所示：第二章设计任务2.1 估算各效蒸发量和完成液浓度总蒸发量：W=11000*（1-0.047/0.237）=8819设三效蒸发：W1:W2:W3=1:1.1:1.2W=W1+W2+W3=3.3WW1=8819/3.3=2672.4 kg/hW2=1.1*2672.4=2039.7 kg/hW3=1.2*2672.4=3206.9kg/h得到各效料液浓度：X1=FX0/(F-W1)=11000*0.047/(11000-2672.4)=0.0621X2=FX0/(F-W1-W2)=11000*0.047/(11000-2672.4-2939.7)=0.0960X3=0.2372.2估算各效溶液的沸点和有效总温度差P1=500 KPa P k=20KPa各效之间的平均压差：∑△P=P1-P k=500-20=480 KPaΔP i=ΣΔP/3=160 KPa故P1=500-ΔP I=500-160=340 KPaP2=P1-ΔP i=340-160=180 KPaP3=20 KPa对第一效：查的常压下浓度为6.21%的NaOH沸点为101.6℃Δ＇=101.6-100=1.6℃查的二次蒸汽为640 KPa时的饱和温度为T1＇=137.7℃r＇=2155.2 KJ/Kg Δ＇=0.0162*（137.7+273）2 /2155.2*1.6=2.0℃液层的平均压力P avi=340+1014*9.81*1.5/（2*103）=347.5 KPa此压力下的水的沸点138.5℃Δ＇＇=138.5-137.7=0.8℃取Δ＇＇＇=1℃则第一效溶液的温度t1=T1＇+Δ＇+Δ＇＇+Δ＇＇＇=137.7+1.6+0.8+1=141.1℃对第二效：查的9.6%的NaOH溶液沸点为102.8℃Δ＇常=102.8-100=2.8℃二次蒸汽在180KPa时饱和温度为T2＇=116.6℃r2＇=2214 KJ/KgΔ＇=0.0162*（116.6+273）2 /2114*2.8=3.1℃液层的平均压力P av2=180+1060*9.81*1.5/（2*103）=187.7 KPa此时水的沸点为118℃Δ＇＇=118-116.6=1.4℃取Δ＇＇＇=1℃第二效溶液温度t2= T2＇+Δ＇+Δ＇＇+Δ＇＇＇=116.6+3.1+1.4+1=122.1℃对第三效：查的23.7%的NaOH溶液沸点为110℃Δ＇常=110-100=10℃二次蒸汽在20KPa时饱和温度为T3＇=60.1℃r2＇=2355 KJ/KgΔ＇=0.0162*（60.1+273）2 /2355*2.8=7.6℃液层的平均压力P av3=20+1239*9.81*1.5/（2*103）=29.1 KPa此时水的沸点为68.2℃Δ＇＇=68.2-60.1=8.1℃取Δ＇＇＇=1℃第二效溶液温度t3= T3＇+Δ＇+Δ＇＇+Δ＇＇＇=60.1+7.6+8.1+1=76.8℃查的500KPa下饱和蒸汽温度为151.7℃汽化潜热为3113 KJ/Kg有效温度差∑Δt=（Ts-t k＇）-∑Δ∑Δt=151.7-60.1-26=65.6℃2.3求加热蒸汽量及各效蒸发量第一效为沸点加料有：T0=t1=141.1℃热利用系数η=0.98-0.7*（0.0621-0.0477）=0.978则W1=η1D1r1/r＇1=0.978*2113/2155.2*D1=0.959D1对第二效：η2=0.98-0.7*（0.096-0.0621）=0.956W2=η2[W1r2/r＇2+（FC po-W1C po）（t1-t2）/r＇2]=0.896W1+340.2对第三效：η3=0.98-0.7*（0.237-0.096）=0.881W3=η2[W1r2/r＇2+（FCpo-W1Cpo-W2Cpo）（t2-t3）/r＇3]=0.694W1+677.5W1+W2+W3=8819KJ/Kg解得：W1=3012 KJ/KgW2=3039 KJ/KgW3=2767.8 KJ/KgD1=3140.8 KJ/Kg2.4蒸发传热面积估算S i=Q i/K iΔt iQ1=D1*r1=3140.8*2113*103/3600=1.843*106 wΔt1=T1-t1=151.7-141.1=10.6℃S1=1.843*106/（1500*10.6）=151.9m2Q2=W1r2＇=3012*2214*1000/3600=1.852*106Δt2=T2-t2=137.7-122.1=15.6℃S2=1.852*106/（1000*15.6）=118.7m2Q3=W2r3＇=3039*2355*1000/3600=1.988*106Δt3=T3-t3=116.6-76.8=15.6℃S3=1.988*106/（600*39.8）=83.2m2误差：1-Smin/Smax=1-83.2/151.9=0.45 误差过大2.5 有效温差的再分配S=（S1Δt1+S2Δt2+S3Δt3）/∑Δt=（151.9*10.6+118.7*15.6+83.2*39.6）/65.6=103.3m2 重新分配有效温差Δt1＇=S1/S *Δt1=151.9/103.3*10.6=15.6℃Δt2＇=S2/S *Δt2=118.7/103.3*15.6=17.9℃Δt3＇=S3/S *Δt3=83.2/103.3*39.8=32.1℃2.6重复上述计算计算个料液浓度，由所求的的各效蒸发量可得各效料液浓度：X1=FX0/(F-W1)=11000*0.047/(11000-3012)=0.065X2=FX0/(F-W1-W2)=11000*0.047/(11000-3012-3039)=0.104X3=0.237计算各料液的温度，因末效完成液浓度和二次蒸汽压力均不变，个温度损失视为恒定值，故末效温度任为76.8℃t3=76.8℃T3=T2＇=t3+Δt3＇=76.8+7.6+8.1+1=93.5℃由第二效蒸汽温度T2＇以及第二效料液浓度X2查杜林线图得到第二效料液沸点为102.1℃。