內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計說明書第一章 設(shè)計方案的確定蒸發(fā)操作條件的確定主要是指對以下參數(shù)的確定：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。合理選擇蒸發(fā)過程的操作條件，對于 保證產(chǎn)品質(zhì)量以及降低能耗都是極為重要的。1.1 蒸發(fā)操作條件的確定1.1.1 加熱蒸汽壓強的確定原則被蒸發(fā)溶液有一個允許的最高溫度，即保證物料不會被分解或發(fā)生其他反應(yīng)的極 限溫度，這是確定加熱蒸汽壓強的一個重要依據(jù)。 正確的做法是使操作在低于最大溫 度范圍內(nèi)進行，常用方法有加壓蒸發(fā)，常壓蒸發(fā)或真空蒸發(fā)（閃蒸） 。蒸發(fā)過程消耗大量加熱蒸汽同時產(chǎn)生大量二次蒸汽的，因此從節(jié)能的觀點出發(fā)， 應(yīng)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(chǎn)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，故采用較高溫度的飽和蒸汽作為加熱蒸汽對蒸發(fā)操作的 過程來說是有利的，但通常所用飽和蒸汽的溫度不超過180C,因為過高溫會導(dǎo)致過高壓強，反而會增加設(shè)備費和操作費，考慮到經(jīng)濟效益的問題，一般的加熱蒸汽壓強 在500-800 kPa范圍之內(nèi)。本次設(shè)計任務(wù)中，加熱蒸氣設(shè)計壓強為500 kPa。1.1.2 冷凝器操作壓強的確定原則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(chǎn)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(yīng)采用真空操作，此時各效二次蒸汽溫度低， 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(jīng)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(nèi)的水溫和真空裝置的性能。通常冷凝器的最大真空度為80-90kPa。本次設(shè)計中，以大氣壓強為100 kPa,冷凝器設(shè)計壓強為80 kPa。1.2 蒸發(fā)器的類型及其選擇在化工、制藥、食品、生物等生產(chǎn)中，大多數(shù)蒸發(fā)器都是利用飽和水蒸汽作為加熱介質(zhì)，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(guān)鍵在于料液沸騰一側(cè)。為了適應(yīng)各種不同物性物料的蒸發(fā)濃縮， 出現(xiàn)了 各種不同結(jié)構(gòu)形式的蒸發(fā)器，而且隨著生產(chǎn)，技術(shù)的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)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)和單程型(升膜式、降膜式、 升-降膜式、刮板式等)兩大類型。面對種類繁多的蒸發(fā)器，在結(jié)構(gòu)上必須有利于過程的進行，為此在選用時應(yīng)考 慮以下原則：(1)盡量保證較大的傳熱系數(shù)，滿足生產(chǎn)工藝的要求。(2)生產(chǎn)能力大，能完善分離液沫，盡量減慢傳熱面上的垢層的生成。(3)結(jié)構(gòu)簡單，操作維修和清洗方便，造價低，使用壽命長。(4)能適應(yīng)所蒸發(fā)物料的一些工藝特性(如粘性、起泡性、熱敏性、結(jié)垢性、腐蝕 性等)。由于單程型蒸發(fā)器適用于處理熱敏性物料，本次設(shè)計任務(wù)中料液為NaO冰溶液，為非熱敏性物料，綜上各條件考慮，選用中央循環(huán)管式蒸發(fā)器。1.3 多效蒸發(fā)效數(shù)的確定在流程設(shè)計時首先應(yīng)考慮采用單效還是多效蒸發(fā)， 為充分利用熱能，生產(chǎn)中一般 采用多效蒸發(fā)。因多效蒸發(fā)中可以將前一效的二次蒸汽作為后一效的加熱蒸汽， 節(jié)省 生蒸汽耗量。但不是效數(shù)愈多愈好，效數(shù)受經(jīng)濟上和技術(shù)上的因素所限制。首先經(jīng)濟上的限制是指效數(shù)超過一定時經(jīng)濟上不合算。隨效數(shù)的增加，總蒸發(fā)量相同時所需生蒸汽量減少，雖然使操作費用降低，但是隨效數(shù)增加，設(shè)備費成倍增長， 而所節(jié)省的生蒸汽量愈來愈少，所以無限制增加效數(shù)已無實際意義， 最適宜的效數(shù)應(yīng) 使設(shè)備費和操作費二者之和為最?。?其次技術(shù)上的限制是指效數(shù)過多，蒸發(fā)操作難于 進行。一般工業(yè)生產(chǎn)中加熱蒸汽壓強和冷凝器操作壓強都有一定限制，因此在一定操作下，蒸發(fā)器的理論總溫差為一定值。在效數(shù)增加時，由于各效溫差損失之和的增加， 使總有效溫差減小，分配到各效的有效溫差小到無法保證各效發(fā)生正常的沸騰狀態(tài) 時，蒸發(fā)操作將無法進行下去。所以實際的多效蒸發(fā)過程效數(shù)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6-10 Co通常對于NaOhfc解質(zhì)溶液，由于其沸點升高較大，采用 2-3效 即可。本次設(shè)計采用的是三效蒸發(fā)。1.4 多效蒸發(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，平流及錯流四種。并流法（順流法），其料液和蒸汽呈并流。因各效問壓差較大，料液能自動從前 效進入后效，可省去輸料泵；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(chǎn)生自蒸發(fā)；結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡便，應(yīng)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(shù)下降，故只適用于粘度不大的料液蒸發(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， 動力消 耗較大，操作也較復(fù)雜。此外對濃縮液在高溫時易分解的料液，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， 還可用于同時濃縮兩種以上的不同水溶液。錯流法亦稱混流法，它是并，逆流的結(jié)合。其特點是兼有并，逆流的優(yōu)點而避免 其缺點，但操作復(fù)雜，控制困難，應(yīng)用較少。采用多效蒸發(fā)裝置是節(jié)能的途徑之一。此外為了回收系統(tǒng)中的熱量，應(yīng)盡量利用 低溫?zé)嵩?，如蒸汽冷凝液的利用及二次蒸汽的壓縮再利用等，可參考有關(guān)蒸發(fā)專著。 基于上述比較，本設(shè)計采用選擇并流流程。1.5 進料溫度的確定根據(jù)經(jīng)驗和實驗得出沸點進料有利于蒸發(fā)和傳質(zhì)過程的進行，減少蒸發(fā)過程的熱損失，增大蒸發(fā)過程的處理量，因此選擇沸點進料。27第二章 三效并流蒸發(fā)過程的工藝計算多效蒸發(fā)工藝計算依據(jù)物料衡算，熱量衡算以及傳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，與之相應(yīng)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，采用試差法進行計算。計算步驟如下：第一，根據(jù)工藝要求及溶液性質(zhì)確定蒸發(fā)的操作條件，蒸發(fā)的形式，流程和效數(shù)。 第二，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，初步估計各效蒸發(fā)量和各效完成液的濃度。第三，根據(jù)經(jīng)驗假設(shè)蒸汽通過各效壓強降相等，估計各效溶液沸點和有效總溫差。第四，根據(jù)蒸發(fā)器的始衡算，求各效的蒸發(fā)量和傳熱量。第五，根據(jù)轉(zhuǎn)熱速率方程計算各效的轉(zhuǎn)熱面積。本次設(shè)計條件是：設(shè)計一個連續(xù)操作的三效并流蒸發(fā)裝置，NaOH溶液處理量：36.0kt/a ;溶液濃度30% 溫度30C；完成液含NaOHft度30% 每年按8000小時計 算。原料液進料流量：F =36.0 kt/a=4500 kg / h2.1 常用的試差法該法是一種近似計算方法，它是對蒸發(fā)過程進行一些適當(dāng)?shù)暮喕图僭O(shè)，然后 按假設(shè)條件對未知參數(shù)進行估算。若計算的結(jié)果與假設(shè)的條件不符，則對假設(shè)條件進 行調(diào)整并重復(fù)計算，直至兩者基本符合或者相近為止。 具體步驟多種多樣，下面介紹 逐次逼近法（以蒸發(fā)器的傳熱面積相等為原則）的計算步驟。1 .各效蒸發(fā)量和完成液濃度的估算(2-1)蒸發(fā)過程總蒸發(fā)量：w = Fx （1應(yīng)）Xn式中：F原料液進料流量，kg / hW一過程蒸發(fā)量，kg /hXo 進料濃度Xn 完成液濃度XW = F X ( 1- X0-) = 4500 X ( 1 0.1/0.3 ) = 3000 kg/hX3n(2-2)式中Wi第i效蒸發(fā)量W溶液蒸發(fā)總量一n效數(shù)即 Wi = W2= W3 = 6500/3 = 2166.7 kg / h各效完成液濃度:FxXi 二i F 一 W W W(2-3)X1FxoF _W10833.30. 12=0. 1510833.3 - 2166.7X2Fx0F -W -W210833.30. 1210833.3 - 2166.7""2u 0.20X3 = 0.302.2 估算各效二次蒸汽溫度設(shè)各效問的壓強降相等，則各效加熱蒸汽壓強與二次蒸汽壓強之差： /設(shè)加熱烝汽壓強P1=500kpa冷避命操作壓強Pn =20kpa (2-4)(2 5)P = P - P3 = 500 - 20 = 160KPa n3第i效二次烝汽壓強pi = p1 -iAp式中：p各效加熱蒸汽壓強與二次蒸汽壓強之差，kpapi 第i效的操作壓強，p1 = p - p = 500 - 160 = 340 kpa p2 = p1 -2=p = 500 -2 160 = 180 kpa p3 = p1 - 3 p = 500 - 3 160 = 20 kpa查附表得到蒸汽的溫度和汽化熱表2-1二次蒸汽的溫度和汽化熱二次蒸汽壓強Pi(kPa)34018020 、一、 一 二次蒸?溫度Ti (C)137.7116.660.1二次蒸汽的汽化熱(KJ/Kg)2155.462214.32854.92.3 計算各效傳熱溫度差各效溫度差損失：(1)由于溶液蒸汽壓降引起的溫度差損失 校正系數(shù)法：=也。(2-6)式中：“為常壓下由于溶液蒸汽壓強下降引起的溫度損失， 0 = tA - 100 ,某些水溶液在常壓下的沸點tA值可在有關(guān)手冊中查得。f 校正系數(shù)，無因次一般取f =0.0162 (ti +273)(2-7)r上式中：ti操作壓強下水溶液的沸點，即二次蒸汽的飽和溫度，C；r操作壓強下二次蒸汽的潛化熱，kJ / kg。第一效：f 1 = 0. 01625 (137. 7273) = 1.272155.46tA1 = 105 c= 105 100 = 5。a1c1 = 1.27 m 45 = 6.35 C(116.6273)2第二效：f20. 01625( = 1.112214.3t A2 = 107.5 C = 107.5 100 = 7.5 ra2 . _ _ _ _ _& = 1. 11 M 7. 5 = 8.325 C2第三效：f3 = 0. 01625（0一：一3- =0.632854.9t A3 = 117. 5 C = 117. 5100 = 17. 5 ra3 3 = 0. 63 m 17. 5 = 11.025 C（2）由液層靜壓效應(yīng)引起的溫度差損失"某些蒸發(fā)器操作時，蒸發(fā)器內(nèi)部需要維持一定的液位，因而溶液內(nèi)部的壓力大 于液面上方的壓力，致使溶液的實際沸騰溫度較液面高，兩者之差即為因溶液靜壓強引起的溫差損失屋為簡便計算溶液內(nèi)部沸點升高按液面與底部的平均壓強下水的沸點和二次蒸汽 壓強下水的沸點差估算。平均壓強按靜力學(xué)方程式計算：貝 UPm = p+詈（2-8）”=t；m-t；（2-9）式中Pm -液層的平土壓力，kPap 液面處的壓力，即二次蒸汽的壓力，kPa。一 一溶液的平土密度，kg/m3L - /夜層高度，mg -重力加速度，m/s2tpm -對應(yīng)Pm下水的沸點，Ctp-對應(yīng)p下水的沸點，c取液層高度L=2.6m- 1. 148kg / m3：2 = 1. 1925kg / m3：3 = 1.2740kg / m31. 1489. 812. 8,箕. Pmi = 340 = 354.64kPa查附表t pm1 = 139.23 C；= 139.23-137.7=1.53 C一效:=195.21 kPa=36.25 kPa1.19259.812. 6. 1802tpm2 =119.34 C2=119.34-116.6=2.74 C三效:1. 27409. 812. 6Pm3 = 202tpm3=71.6C3=71.6-60.1=1.5 C(3)由管道流動阻力產(chǎn)生的壓強降所引起的溫度差損失在多效蒸發(fā)器中，各效二次蒸汽從上一效的蒸發(fā)室流動到下一效加熱室時，由于管道阻力，其壓力下降，致使蒸汽的飽和溫度相應(yīng)降低，由此引起的溫度差損失即為 二 根據(jù)經(jīng)驗，一般取 N = 1C。1 =&2 =A3 =1C(2-10)(4)各效料液的溫度和有效總溫差 1 = 1十 4 十 A1 = 6.35 + 1.53 + 1 = 8.88 2 =42 + 2 + 2 = 8.325 + 2.74 + 1 = 12.065 c 3 = d + 4 + A = 11.025 + 1.05 + 1 = 13.075 c各效傳熱溫度差計算式："=Ty YT；為前一效二次蒸汽溫度(即第i效加熱蒸汽溫度)，ti為第i效溶液沸點，其計算 式為：ti 3Ti為第i效二次蒸汽溫度，A為第i效溫度差損失所以各效沸點為：第一效：t1 = 137.7 + 8.88 = 146.58 c& 1 = 151.7 - 146. 58 = 5. 12 c第二效：t 2 = 116.6 + 12.065 = 128. 665 cAt 2 = 137.7 - 128.665 = 9.035 c第三效：t3 = 60.1 + 13.075 = 73.175 CAt 3 = 116.6 - 73.175 = 43.425 C2.4計算各效蒸發(fā)量 Wi和傳熱量Qi),Dj +FCpo9wnCpw(tti)|根據(jù)物料衡算和熱量衡算得公式 W = -"二(2-11)ri式中：Di-第i效的加熱蒸汽量，當(dāng)無額外蒸汽抽出時D=W1ri,ri -分別為第i效加熱蒸汽與二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg,且=rCpo-為原料液的比熱，3.7kJ/ (kg C)Cpw-為水的比熱,4.183kJ/ (kgC)ti,t分別為第i效及第i-1效溶液的沸點(2-12)ni-為第i效的熱利用系數(shù)，對于NaO冰溶液蒸發(fā)，則i =0.98 -07 xi式中：、一第i效的熱利用系數(shù)x 溶液濃度差i=0.98-0.7. X1=0.959i=0.98-0.7 ：x2-0.945i=0.98-0.7. ：x3=0.910第一效：沸點進料t0 =ti2113. 2Di2128.98_ r 1W = 1D1=0.959J= 0. 95D1第二效:i 1皿D2r2 (FCp0 -、WCpw)(t 1 -t2)W 二口20.940 0.95D12128.98 ( 108333 3.7 一 0.95Q 4183)( 146.58 - 128.605)二21854=0.866D1318.74第三效 ：33r3(FCp。-、WCpw)(t2 -t3)W3 二n330.91 2181.33W2 (10833.33.7 - 4. 183W/ - 4. 18冽)(128.665 - 73.175)二2323.83=0.61D11184.46由于 W = W1 + W2 + W3解得：D1 =2。59.7 kg/hW = 1956.7 kg/hW = 2102.4 kg/hW = 2440.9 kg / h各效傳熱量的計算：Qi - Di riQ=4.3526106kJ/hQ=4.1658106kJ/hQ=4.5860106kJ/h2.5核算過程因各效之間相對誤差較大，應(yīng)做出調(diào)整重新核算。各效蒸發(fā)量取上次計算值：W = 1956.7 kg/h W = 2102.4 kg/h W = 2440.9 kg/h 由各效蒸汽量求各效溶液濃度：X1X2=0. 147FX0_ 10833.3 0.12F - W - 10833.3 - 1956.7=0. 192Fx0_10833.3 0.12F -W -W - 10833.3 - 1956.7 - 2102.4X3Fxo10822.30. 12F _W - W -W 10833.3 - 1956.7 - 2102.4 2440.9效數(shù)生蒸汽123F加熱蒸汽溫度Ti ()151.7137.7116.660.1F汽化潛熱ri (kJ /kg)2113.22155.462214.42854.9壓強(kPa)50034018020表2-1各效加熱蒸汽及汽化熱第一效：溶液沸點工=137.7 C3 = 1.27= 5.0 ra1c=1.27 m 5.0 = 6.35 Cp m1DgL=p354.62 kPa2t pnn=139.2 C=139.2 -137.7 = 1.5 C=T1 十 3 十 A1 十1 = 137.7 十 6.35 + 1.5 + 1 = 146.55 CTi = To = 151.7 C第二效溶液沸點:T2 = 116.6 Cf2 : 1.11=1. 11 父 7. 8 = 8.658 Cp m2：gL_ _=p= 195.13 kPa2t pm2=118.3 C& = 118.3 116.6 =1.7 C " ,一一 , _ , 12 = T2 + 與 + A2 + 42 = 116.6 + 8.658 + 1.7 + 1 = 127.958 CT2 = T1 = 137.7 C第三效溶液沸點：T3 = 60.1 Cf3 =0.63 =16。 a3) .& = 0.63 m 16 = 10.08 CDgLpm3 = p = 36.19 kPatpm3 =70.8C 3 = 70.8 - 60. 1 = 10. 7 C13 = T3 十 A3 十十； = 60. 1 + 10. 08 十 10. 7 + 1 = 21. 78 C 33333對以上結(jié)果總結(jié)：見表2-2表2-2數(shù)據(jù)及計算結(jié)果第一效第二效第三效傳熱溫度差，t:(C)5.228.7934.9溶液的沸點 ti (C)146.48128.9181.71加熱蒸汽溫度與汽化潛熱見表2-3表2-3各效加熱蒸汽及汽化熱效數(shù)生蒸汽123加熱蒸汽溫度 Ti(C)151.7146.48128.9181.71汽化潛熱 ri (kJ/kg)2113.2213021702299效率：4=0.98 - 0.7 (Xi -Xi i). n1 = 0.9610 , % = 0.9455 , n3 = 0. 9076第一效：沸點進料t0 =tir,21132W = 1n 1 = 0.9610 D1r121300 0. 953D1第二效： i 1 102(FCp0 - WCpw)(t1 /2)W 二n2_ 0.9455 2130W/ (10833.33. 70 - 4. 183W)( 146.48 - 128.91)2170=0.845 D + 306.86第三效 ： 3 J 3卬3 (F$ - WpJ(t2 -t3)vy 二M3_ 0.9076 2170/y (10833.3 3. 70 - 4. 183W/ - 4. 183A2)( 18.91 - 81.71)2299=0.591口 755.69由于 W = W1 + W2 + W3解得：D = 2271.28 kg/hW = 2164.5 kg/hW = 2246.5 kg / hW = 2098 kg/h因相對誤差小于4%所以進行下一步計算Qi =Dji二，Q=口1=4.7997m106kJ / hQ=D22=4.61 041 06kJ / hQ=D33=4.87 491 06kJ / h2.6 各效傳熱面積的計算Si =QiKJ%(2-13)式中:Si各效傳熱面積，m2Qi各效傳熱量，kJKi各效傳熱系數(shù)ti一各效的有效溫度差，CSi_94. 7997 1093600 1000 5. 222=255. 4 m2S2一94. 6104 109S3K2寸23600 800 8. 7994.8749109K3 t33600 500 34.92=182. 1m22=77. 6日各效傳熱面積相差較大，故應(yīng)調(diào)整各效的有效溫度差，重復(fù)上述步驟2.7 溫差的重新分配與試差計算(1)重新分配各效的有效溫度差& 工S2 Y2S3.4 3t1 :t2 ；t3(2-14)(2-15)225.4 5. 22182. 18.7977.6 34.95. 228. 7934. 9115. 4m = 0.944重新分配的有效式中：&重新分配的有效溫度差S 一重新分配的有效傳熟面S平均傳熱面積此一第i效的有效溫度差2254工 5.22 = 11. 55 C115.4S2t 2 = S t 2182.1 x 8.79 = 13. 87 C115.4Sc77.6t3 =-及3 = m 34. 9 = 23.47 C3 S = 0.959 2 = 0.9114重復(fù)計算 W得：D = 2259.76 kg/hW = 2130.95 kg/hW2 = 2175.49 kg/hW3 = 2193.55 kg/h重復(fù)計算Q得：Q=Dh=4.7753x106kJ/ hQ=D2r2=4.5815106kJ/ h Q=R%=4.8057106kJ/ h重復(fù)計算得： = 76.56 m2 = 91.76 m2115.4(2)重新求沸點t 1=T0 At；=151.7-11.55=140. 15 Ct 2=T12=137. 7- 13.87=123. 83 ct 3=T2 &3=116.6- 23.47=93.13 C表2-4各效加熱蒸汽及汽化熱效數(shù)生蒸汽123ri (kJ / kg)2113.2215022092279加熱蒸汽溫度 t J (C)151.7140.15123.8393.136 二 94.80 m2誤差為 1 Smn =1 _766_ = 14.7% 4%(2-16)Smax94.80計算結(jié)果不合理，重復(fù)章節(jié)2.7的過程，得：D = 2154.29 kg/hw = 2040.1 kg/hW2 = 2145.28 kg/hW3 = 2314.6 kg/h重復(fù)計算 Q得：Q =51 = 4.5524 x 106kJ / hQ=D22 =4.3719106kJ/hQ=R% =4.6985106kJ/h重復(fù)計算 S 得：S=86.55m2 S2= 85.52m2S3 = 87.64 m2S_S12t S2M2 S3M3 3寸2 ,.4386.555. 2285.528. 7987.6434. 95.228. 7934. 92=86.80 m2誤差為 1 Smn = 1 86竺_ = 0.96 %4%Smax87.64留10%的傳熱余量，則傳熱面積S有S = S平(1 十 5%)= 91.14nf(2-17)第三章蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)工藝尺寸的設(shè)計以中央循環(huán)管式蒸發(fā)器為例說明蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算方法。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)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(jié) 果，主要是傳熱面積。3.1 加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計3.1.1 加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計蒸發(fā)器的加熱管通常選用38x 2.5mm的無縫鋼管。加熱管的長度 L=3m由以下初步估計所需的管子數(shù)nn = (3-1)二do L -0.1式中：S為蒸發(fā)器的傳熱面積，m2,由前面的工藝計算決定。do為加熱管的外徑，m , L為加熱管的長度，m。S二do L - 0.191.143.14 0. 0383 - 0. 1=264 （根）理論管數(shù)目：264根實際畫圖：270根3.1.2 循環(huán)管的直徑選擇循環(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%加熱管的總截面積可按n計算，循環(huán)管內(nèi)徑Di表示，則：D1=.(0.41) n d1(3-2)式中：D1一循環(huán)管內(nèi)徑n一初估的所需管數(shù)di加熱管內(nèi)徑D1 = J0.6 n d1 = . 0.6264 0.0 38 = 0.478 m查附表：取帕00 X 10mm管長3m3.1.3 加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定加熱室的內(nèi)徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)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1.251.5倍。目前在換 熱器設(shè)計中，管心距的數(shù)值已經(jīng)標準化，只要管子規(guī)格確定，相應(yīng)的管心距也確定。加熱室內(nèi)徑和加熱管數(shù)采用做圖法來確定，具體做法是：先計算管束中心線上管束 , c管子按正三角形排列時：nc =1.1、目;管子按正方形排列時：nc =1.9Jn ,式中：n一總加 cc熱管數(shù).初估加熱管內(nèi)徑用Di =t(nc -1)+2b式中b=(1-1.5d0。然后用容器公稱直 徑，試選一內(nèi)徑作為加熱室內(nèi)徑，并以此內(nèi)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(shù)n必須大于初估值，如不滿 足，應(yīng)另選一設(shè)備內(nèi)徑，重新作圖，直至適合為止。殼體內(nèi)徑的標準尺寸列于表3中，以供參考。表3-2殼體內(nèi)徑的標準尺寸殼體內(nèi)徑，mm 400-700800-10001100-15001600-2000最小壁厚，mm8101214經(jīng)過作圖，實際管數(shù)大于初估值，符合要求。正三角形排列初步估算加熱室內(nèi)徑，取 d0 =38mm t=48mm b=1.2donc = 1.1 而=1. 1<264 = 18(33)D = 48 M (18 - 1 )+ 2 X 45.6 = 907. 2mm(34)壁厚選用10mm加熱時內(nèi)徑為1200mm，通過作圖法確定加熱管數(shù)n為264根。3.1.4 分離室直徑與高度的確定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(guān)。分離室體積的計算：W2V= 3600 PLim2(35)式中：W -為某效蒸發(fā)的二次蒸汽 量，kg /hP-某效蒸發(fā)的二次蒸汽密 度，kg/m3U 取 2m3 /(m 3 s )查附表表3-3各效加熱蒸汽及汽化熱效數(shù)123137.7116.660.1密度Kg / m31.8000.9700.135則：V八3WI3/3 = 2.38 m/s3600 ：(36)所以，V取值2.38m3/s取最大分離室體積計算分離室高度與直徑，取H=1.5D2V= MD2H(37)4一，二 一 3 一一貝(J - 2D3 =2.0234D = 1.26mH = 1.86 m對中央循環(huán)管，其分離室高度不小于1.8m,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(dǎo)致霧沫夾帶現(xiàn)象嚴重。所以取H = 1.86 m,分離室直徑D = 1.26 m均屬合理。3.2接管尺寸的確定3.2.1 溶液的進出口管對并流三效蒸發(fā)，第一效溶液流量最大，若各效設(shè)備尺寸一致的話，根據(jù)第一效 溶液流量確定接管。溶液的適宜流速按強制流動（u=1-3m/s）考慮，設(shè)計上進出口直 徑可取為一致。根據(jù)濃度X=0.12查表得對應(yīng)密度為1131 kg/m3,適宜流速選u=2 m/s.溶液進出口管：d = J400? = 0.042m（38）所以選用 眄0父4mm規(guī)格不銹鋼無縫鋼管核算：u= 24F=1.97 m/s,所以選用合適。:二d36003.2.2 加熱蒸汽與二次蒸汽接管二次蒸汽體積流量取各效平均值，取 u=40m/s故d = 4 4 x 1.9= 0. 2293m = 264mm.二u, 3. 14 40所以，選用273 13mmfi格不銹鋼無縫鋼管.4V一 一 一.一核算：u= 2 = 39. 67m/s,所以選用合適。二 d3.2.3 冷凝水出口管4V：二u 3600W為各效加熱蒸汽流量，u可取0.81.8m/ s,這里取u = 1.4m/ s。Dmax = D3 = 2145. 28Kg/ hVs =旦/3600 = 2145.28 /3600 = 5.9710-4康998.2,4 VSd1 =23.31mm,二 u綜上計算：選用選用 2 2mmm格管冷凝水出口管。核算：u= u =絲 =1.3m/s,所以選用合適。 rd第四章 蒸發(fā)器裝置的輔助設(shè)備的設(shè)計蒸發(fā)裝置的設(shè)備主要包括汽液分離器和蒸汽冷凝設(shè)備，還需要真空泵，疏水器等輔助設(shè)備。4.1 氣液分離器蒸發(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(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。具類型較多，在分離室頂部設(shè)置的有 簡易式，慣性式及網(wǎng)式除沫器等，在蒸發(fā)器外部設(shè)置的有折流式，旋流式及離心式除 沫器等。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(jié)構(gòu)簡單。因此，本次試驗采用慣性式除沫器。慣性式除沫器主要尺寸的計算：D0 D1D1 :D2 : D3 =1:1.5:2H = D3h = 0.45 D1 Do = d2 = 246mm式中：Do -為二次蒸汽的管徑，m；Di -為除沫器內(nèi)管的直徑，m;D2 -除沫器外罩管的直徑，m；D3 -除沫器外殼直徑，m;H - -除沫器的總高度，m;h -禰沫器內(nèi)管頂部與器頂 的距離，m.所以，以上除沫器內(nèi)管選用 4273 x 13mmi除沫器外罩管直徑選用4402父12mm,除沫器外罩管選用 520 19mms4.2 蒸汽冷凝器4.2.1 冷凝器主要類型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等。各種型式蒸汽冷凝器的性能各有優(yōu)劣，綜合考慮各種設(shè)備的性能，本設(shè)計選用水噴射4.2.2 設(shè)計與選用工作水量的計算：對以冷凝為主的水噴射式冷凝器，其冷卻水用量決定于被冷凝 蒸汽的熱燃，冷卻水的進出口溫度，可按下式計算：(4-1)D(I -Cpt2)CP t2 -t1式中：W-冷卻水用量，Kg/h;D-冷凝蒸7量，Kg/h;I -上汽的始，KJ/Kg;tl,t2 -冷卻水進出口溫度， (冷卻水可循環(huán)使用)Cp -冷卻水平土比熱，KJ /(Kg )。其中：ti=20CCp = 4. 178kJ /( kg C)I = 2607kJ / kgDJ -CPt 2)CPt2 寸W = -P1 6 67584.33 kg / h噴射器結(jié)構(gòu)尺寸計算：噴嘴數(shù)n及噴嘴直徑d0：通過一個噴嘴的水流速度為:0 95 2 x(340 - 20) x 103二.998. 2-23.8 m/ s(42)p 工作水通過噴嘴的壓強 降,340 - 20 = 320KP&即工作水進口壓強與 混合室 壓強之差；P 水的密度，此時為20c下密度998.2Kg/m3;中抽量系數(shù)，可取0.93-0.96。這里取0.94噴嘴直徑do,在水質(zhì)清潔時可取5-8mm, 一般為12-22mm即可。選定d0后,噴嘴個數(shù)n的確定為：W=3600n 土d2u1：4 0 1(43)d0 = 16mm4WT 723600：d0u14 乂 67584.33_ = 3.9998. 2 父 3600 父 3. 14 父(0.016 2 * 23.8取n=4文氏管喉部直徑:d3=d 0 0 Pc_ 32000016.:81325=32mm(44)式中：Ape - -#出壓強與吸入壓強之 差,101.325 - 20 = 81.325KPa = 81325Pa水噴射器其它各部尺寸為:文氏管喉部長度L2 =孫=96mm文氏管收縮口直徑d2 = 1. 68d3 = 54mm文氏管收縮段長度L1 = 3. 5d2 - d3 = 77mm文氏管擴散段直徑文氏管擴散段長度文氏管收縮角度U =1106d4 = 1. 78d3 = 57mmL3 = 10d4 - d3 = 250mm文氏管擴散段角度 %=3054進水管直徑與進蒸汽管直徑可按一般原則計算， 但管內(nèi)水流速不宜太高，否則電 耗增大，取1-2m/s較好；蒸汽流速隨真空度不同而變化，當(dāng)真空度在73-95 KPa時, 其最大流速為70120m/s不等。設(shè)計結(jié)果匯總1操作條件設(shè)計本設(shè)計選用500kPa的加熱蒸汽，冷凝器絕壓選 20kPa.2蒸發(fā)器類型因考慮蒸發(fā)料液的粘度、設(shè)備的操作費和處理量等主要因素，本設(shè)計選用中央循 環(huán)管式蒸發(fā)器。3效數(shù)的選取因氫氧化鈉水溶液隨蒸發(fā)的進行沸點升高較大，影響傳熱，經(jīng)綜合考慮，本設(shè)計選三效蒸發(fā)。4流程的選擇考慮氫氧化鈉物性及操作條件，本設(shè)計選并流操作。5工藝計算結(jié)果匯總表5-1熱量核算結(jié)果效次123冷凝器加熱蒸汽溫度Ti, C137.7116.660.140操作壓力pi , kPa3401802081溶液溫度ti , C140.15123.8393.13一完成液濃度xi0.1490.1990.300一烝發(fā)里Wi , kg/h2040.12145.282314.6一蒸汽消耗量D , kg/h2154.29一一一傳熱面積Si, m286.5585.5287.64一表5-2主要設(shè)備選擇加熱管長度3000mm循環(huán)管內(nèi)徑500 M0加熱管管徑 38X2.5蒸發(fā)器尺寸加熱管數(shù)目264根加熱室內(nèi)徑910mm分離室內(nèi)徑1260mm分離室局度1860mm溶液進出口管 50><4mm接管尺寸加熱蒸汽與二次蒸汽接管273 M3冷凝水出口管 32X25-4項目尺寸245X6.5 mm除沫器內(nèi)管的直徑245X7.5 mm除沫器的外罩管直徑377X15 mm除漆器外殼直徑480 X10mm除沫器總高度465mm除沫器內(nèi)管頂部與器頂?shù)木嚯x121mm表5-4蒸汽冷凝器尺寸噴嘴個數(shù)6噴嘴直徑29.39mm文氏管喉管長度88.18mm文氏管收縮口直徑49.38mm文氏管收縮段長度59.97mm文氏管收縮角度11 6文氏管擴散段直徑52.31mm文氏管擴散段長度183.39mm文氏管擴散段角度3 54對本設(shè)計評述對于化工原理課程設(shè)計這個課程，我起初并不是十分了解，只是掌握了簡單的化 工原理理論知識，即使通過老師的講解，我也是一只半解，然而當(dāng)我自己親自動手完 成這份設(shè)計書時候，我才深入的了解了什么是化工原理課程設(shè)計。 這次我做的是三效 并流蒸發(fā)裝置的設(shè)計，所謂蒸發(fā)就是利用加熱的方法，將含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液加 熱至沸騰狀況，使部分溶劑汽化并被移除，從而提高溶劑中溶質(zhì)濃度的單元操作。 工 業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用蒸發(fā)操作主要有以下場合：1、為了獲得純凈的溶劑，例如海水淡化等。 2、同時濃縮溶液和回收溶劑，例如中藥生產(chǎn)中酒精浸出液的蒸發(fā)，苯溶液的濃縮脫 苯等。3、濃縮稀溶液直接制取產(chǎn)品或?qū)馊芤涸偬幚恚ㄈ缋鋮s結(jié)晶）制取固體產(chǎn)品， 例如電解燒堿液的濃縮，食糖水溶液的濃縮及各種果汁的濃縮等。 總之，在化學(xué)工業(yè)、 食品工業(yè)、制藥等工業(yè)中，蒸發(fā)操作被廣泛應(yīng)用。通過本次課程設(shè)計讓我們對蒸發(fā)有了更深的了解，對蒸發(fā)生產(chǎn)工藝有所了解。在這個設(shè)計過程中，我遇到了許多以前沒有掌握扎實的知識， 比如說溫度差的計算、熱 量衡算式的公式及怎樣根據(jù)自己所算出的數(shù)字找相應(yīng)合適的加熱管數(shù)目和尺寸、加熱室直徑等等。通過這次設(shè)計讓我鞏固了許多的知識， 同時讓我獲得了許多難于培養(yǎng)的 品行。通過做計算，使我做事更加細心認真了；通過畫圖，使我做事更加耐心刻苦； 通過查閱各種不同的文獻，使我更加的認識到原來知識是無窮無盡的。當(dāng)然，本次設(shè)計仍然有許多的不足，比如設(shè)備的管徑與壁厚會選取不得當(dāng)，繪制 圖的時候方法不得當(dāng)以及其他錯誤。不僅如此，在我完成這份設(shè)計書的時候，內(nèi)心充滿了感謝。感謝解老師耐心的教 導(dǎo)以及指導(dǎo)，讓我們有了理論知識基礎(chǔ)，感謝同學(xué)們的幫助，讓我們彼此的課程設(shè)計 更加完善。我會繼續(xù)努力，將以后的課程設(shè)計做得更加認真與細致，更加完整。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計說明書參考文獻1 柴誠敬，張國亮.化工流體流動與傳熱.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2007:298-3672 賈紹義，柴誠敬.化工原理課程設(shè)計.天津：天津大學(xué)出版社.2002: 731003 高俊.化工原理課程設(shè)計.呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)印刷廠.2011: 3194李功樣，陳蘭英，余林.化工單元操作過程與設(shè)備M華南理工大學(xué)出版2010: P 249-2805姚玉英，黃鳳廉，陳常貴等.化工原理M（上冊）天津：科學(xué)技術(shù)出版社出版2009: P 30932629內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計說明書目 錄第一章設(shè)計方案的確定11.1 蒸發(fā)操作條件的確定 11.1.1 加熱蒸汽壓強的確定原則 11.1.2 冷凝器操作壓強的確定原則 11.2 蒸發(fā)器的類型及其選擇 11.3 多效蒸發(fā)效數(shù)的確定 21.4 多效蒸發(fā)流程的選擇31.5 進料溫度的確定3第二章三效并流蒸發(fā)過程的工藝計算 42.1 常用的試差法42.2 估算各效二次蒸汽溫度 52.3 計算各效傳熱溫度差62.4 計算各效蒸發(fā)量 Wi和傳熱量Qi 92.5 核算過程102.6 各效傳熱面積的計算 132.7 溫差的重新分配與試差計算 14第三章蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)工藝尺寸的設(shè)計 173.1 加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計 173.1.1 加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計 173.1.2 循環(huán)管的直徑選擇 183.1.3 加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定 183.1.4 分離室直徑與高度的確定 193.2 接管尺寸的確定203.2.1 溶液的進出口管203.2.2 加熱蒸汽與二次蒸汽接管 203.2.3 冷凝水出口管20第四章蒸發(fā)器裝置的輔助設(shè)備的設(shè)計 224.1 氣液分離器224.1.1 冷凝器主要類型 234.1.2 設(shè)計與選用23設(shè)計結(jié)果匯總261操作條件設(shè)計262蒸發(fā)器類型263效數(shù)的選取264流程的選擇265工藝計算結(jié)果匯總26對本設(shè)計評述28參考文獻29