第一章蒸发操作条件的确定蒸发作为化工产品工艺制造过程中的单元操作，有多种不同的设备，不同的流程和不同的操作方式。

蒸发操作条件的确定主要指蒸发器加热蒸汽的压强（或温度），冷凝器的操作压强（或温度）的确定，正确选择蒸发的操作条件，对保证产品质量和降低能耗极为重要。

1.1加热蒸汽压强的确定通常被蒸汽的溶液有一个允许的最高温度，若超过了此物料就会变质，破坏或分解，这是确定加热蒸汽压强的一个依据。

应使操作在低于最大温度范围内进行，可以采用加压蒸发，常压蒸发或真空蒸发。

一些化工厂，常装设蒸汽机或透平机以驱动发电机发电，因而蒸发用汽应考虑用蒸汽机、透平机的乏汽，直接采用未经做功的锅炉蒸汽进行减压蒸发是不经济的，乏汽压强一般在200～400 kPa左右。

蒸发是一个消耗大量加热蒸汽而又产生大量二次蒸汽的过程。

从节能的观点出发，应充分利用二次蒸汽作为其它加热用的热源，即要求蒸发装置能够提供温度较高的二次蒸汽。

这样既可减少锅炉产生蒸汽的消耗量，又可以减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量，提高了蒸汽利用率。

因此，能够采用较高温度的饱和蒸汽作为加热蒸汽的有利的，但通常所用饱和蒸汽的温度不超过180 ℃,超过时相应的压强就很高,这样增加加热的设备费和操作费。

一般的加热蒸汽压强在400～800 kPa范围之内。

此次设计方案中加热蒸汽压强定为675 kPa（绝压）。

1.2 冷凝器操作压强的确定若一效采用较高压强的加热蒸汽，则末效可采用常压或加压蒸汽，此时末效产生的二次蒸汽具有较高的温度，可以全部利用。

而且各效操作温度高时，溶液粘度低，传热好。

若一效加热蒸汽压强低，末效应采用真空操作。

此时各效二次蒸汽温度低，进入冷凝器冷凝需消耗大量冷却水，而且溶液粘度大，传热差。

但对于那些热敏性物料的蒸发，为充分利用热源还是经常采用的。

对混合式冷凝器，其最大的真空度取决于冷凝器内的水温和真空装置的性能。

通常冷凝器的最大真空度为80～90 kPa。

此次设计方案中冷凝器压强定为20 kPa（绝压）。

1.3 蒸发器的类型以及选择在化工生产中，大多数蒸发器都是利用饱和水蒸汽作为加热介质，因而蒸发器中热交换的一方是饱和水蒸汽冷凝，另一方是溶液的沸腾，所以，传热的关键在于料液沸腾一侧。

为了适应各种不同物性物料的蒸发浓缩，出现了各种不同结构形式的蒸发器，而且随着生产，技术的发展，其结构在不断改进。

工业中常用的间壁式传热蒸发器，按溶液在蒸发器中的流动特点，可分为循环型（中央循环管式、悬筐式、外加热式、列文式、强制循环式等）和非循环型（升膜式、降膜式、升-降膜式、刮板式等）两大类型。

面对种类繁多的蒸发器，在结构上必须有利于过程的进行，为此在选用时应考虑以下原则：（1）尽量保证较大的传热系数，满足生产工艺的要求。

（2）生产能力大，能完善分离液沫，尽量减慢传热面上的垢层的生成。

（3）结构简单，操作维修和清洗方便，造价低，使用寿命长。

（4）能适应所蒸发物料的一些工艺特性。

综上所述，本次设计中蒸发器的最优形式确定为标准式即中央循环管式蒸发器。

1.4 多效蒸发效数的确定在流程设计时首先应考虑采用单效还是多效蒸发，为充分利用热能，生产中一般采用多效蒸发。

因在多效蒸发中，将前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，可节省生蒸汽耗量。

但不是效数愈多愈好，效数受经济上和技术上的因素所限制。

经济上的限制在于效数超过一定值时经济上不合算而技术上的限制在于效数过多蒸发操作将难于进行，因此实际的多效蒸发过程效数并不多。

为了保证传热的正常进行，每一效有效温差不能小于5～7℃。

通常对于电解质溶液，如NaOH 水溶液，由于其沸点升高较大，采用2～3效，对于非电解质溶液，有机溶液等，其沸点升高较小，可取为4～6效。

其真正适宜的效数，需通过最优化的方法加以确定。

讨论以上条件，通过对比选择，本设计应采用三效蒸发。

1.5 多效蒸发流程的选择多效蒸发的操作流程根据加热蒸汽与料液的流向不同，可分为并流，逆流，平流及错流四种。

并流法亦成为顺流法，其料液和蒸汽呈并流。

因各效间有较大压差，料液能自动从前效进入后效，可省去输料泵；前效的温度高于后效，料液从前效进入后效时呈过热状态，可以产生自蒸发；结构紧凑，操作简便，应用广泛。

但由于后效较前效的温度低，浓度大，因而逐效料液的粘度增加，传热系数下降。

因而并流法操作只适用于粘度不大的料液蒸发。

逆流法即料液于蒸汽呈逆流操作。

随着料液浓度的提高，其温度相应提高，使料液粘度增加较小，各效的传热系数相差不大，故可生产较高浓度的浓缩液。

因而逆流法操作适用于粘度较大的料液蒸发，但由于逆流操作需设置效间料液输送泵，动力消耗较大，操作也较复杂。

此外对浓缩液在高温时易分解的料液，不宜采用此流程。

平流法即各效都加入料液，又都引出浓缩液。

此法除可用于有结晶析出的料液外，还可用于同时浓缩两种以上的不同水溶液。

错流法亦称混流法，它是并，逆流的结合。

其特点是兼有并，逆流的优点而避免其缺点，但操作复杂，控制困难，应用不多。

通过对比讨论，本次设计应采用并流为最优方式。

1.6 进料状况的选择实际生产中，为便于操作，进料可选取沸点进料。

此次设计方案中确定进料方式为沸点进料。

1.7 最终方案的确定最终的方案为：加热蒸汽压强定为500 kPa，冷凝器压强定为20 kPa，蒸发器确定为中央循环管式蒸发器，采用三效并流方式，进料方式为沸点进料。

设计条件见《内蒙古工业大学课程设计任务书》。

第二章 多效蒸发的工艺计算多效蒸发工艺计算的依据是物料衡算，热量衡算以及转热速率三个基本方程。

在多效蒸发中，各效的操作压力依次降低，相应的，各效的加热蒸汽温度及溶液的沸点亦依次降低。

以下以三效蒸发为例，采用试差法进行计算。

2.1 各效蒸发量和完成液组成的估算本设计的条件：设计一个连续操作的三效并流蒸发装置，将溶液浓度为11%的NaOH 水溶液浓缩至30%。

已知原料液量为42kt/a ；，沸点进料。

加热介质采用500 kPa(绝压)的饱和水蒸气，冷凝器操作压力为20 kPa(绝压)。

三效的传热系数分别为K1 =1500W/(m2·℃)，K2 =1000W/(m2·℃), K3 =600W/(m2·℃),原料液比热容为3.7KJ/(Kg ·℃),各效蒸发器中液面高度为2m 错误！未指定书签。

各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。

假设各效转热面积相等，并忽略热损失。

每年按300天计算，每天24小时连续运行。

原料液进料流量：420000005834/30024F kg h ==⨯总蒸发量：0311(1)5384(1)3696/30X W F kg h X =-=⨯-= 并流加料蒸发 1:1:1::321=W W W123369612323W W W ==== /kg h初估各校完成液的浓度：1538411%0.13945384113201FX X F W ⨯===--221538411%0.19045384123212320FX X F W W ⨯===----30.30X =2.2 二次蒸汽的温度、溶液沸点和各效传热温度差的确定错误！未指定书签。

设各效间的压强降相等：13500201603P P P kPa n --∆=== '''112350016034018020P P P kPaP kPaP kPa =-∆=-===同理由各效的二次蒸汽压强查相应的二次蒸汽的温度和汽化热，见表2-1。

表2-1 二次蒸汽的温度和汽化热第一效 第二效 第三效 二次蒸汽压强'i P (kPa) 340 180 20 二次蒸汽温度'i T （℃） 137.7 116.6 60.1 二次蒸汽的汽化热（KJ/Kg ）2113.22155.52354.9其中二次蒸汽温度即为下一效加热蒸汽温度，二次蒸汽汽化热即为下一效加热蒸汽的汽化热。

2.2.1由于溶液蒸汽压下降引起的温度差损失多效蒸发中各效温度差损失的计算可用：''''''∆+∆+∆=∆'∆为溶液沸点升高引起的温度差损失。

''∆为液层静压效应引起的温度差损失。

'''∆为蒸汽流动中的阻力和热损失而引起的温度差损失。

对于NaOH 水溶液采用杜林经验式计算''''''o 'o 2k m k=x m=x x x a w a w a w t kt m t t t C t C =+∆=-------一定压强下水溶液的沸点， ；对应压强下水的沸点， ；和常数，其值为： 1+0.142 150.75+2.71--溶液浓度，质量分率。

对于第一效溶液沸点升高引起的温差'∆为：22''o '''o 1k=x=1+0.1420.1394=1.02m=x x=150.750.1394 2.710.1394 2.55143143137.7 5.3a w a w t kt m Ct t C⨯⨯-⨯==+=∆=-=-=1+0.142150.75+2.71其他数据及计算结果见表2-2。

表2-2 数据及计算结果'i p （kpa ） 340 180 20 i X0.1394 0.1904 0.3'ai t (℃) 143 124.7 75.4 'i ∆(℃)5.38.115.32.2.2由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失由于液层内部的压力大于液面上的压力，使相应的溶液内部的沸点高于液面上的沸点，二者之差即为液注静压头引起的沸点升高。

根据流体静力学方程，液层的平均压力为：'2ai m gLp p =+ρ '''m p p t t ∆=-式中mi p Pa --液层的平均压力，；'32a g /2m 9.81m /ai p P k m L g s ρ--------液面处的压力，即二次蒸汽的压力，k ；溶液的平均密度，；液层高度，；重力加速度，。

m p m t --对应p 下的沸点，℃ 'p p --t 对应下水的沸点，℃ 各浓度下溶液密度见下表2-2-1表2-2-1 NaOH 各浓度对应密度表 浓 度% 13.94 19.04 30 密 度3/m kg 11501211133013233311509.812340351.621012119.812180191.921013309.8122033210m m m p kPap kPa p kPa ⨯⨯=+=⨯⨯⨯=+=⨯⨯⨯=+=⨯ mi p 对应的水的温度及'p 对应的水的沸点见表2-3。