【正文】 NaOH 水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計 設(shè)計 單位 ： 設(shè)計者： 設(shè)計日期： 設(shè)計 任務(wù)書 一、 設(shè)計題目 NaOH 水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計 二、 設(shè)計任務(wù)及操作條件 104噸 /年 NaOH 水溶液 蒸發(fā)器 a． NaOH 水溶液的原料液濃度為 10%(wt) ，溫度為 35℃，用預(yù)熱器加熱至第一效沸點溫度，再送進(jìn)蒸發(fā)器；完成液濃度為 40%(wt)。 b． 加熱蒸汽壓強為 500kPa（絕壓），末效為真空，壓力為 （絕壓）。 c． 各效傳熱系數(shù)分別為： K1=3000 W/(m2℃ ) K2=1500 W/(m2℃ ) K3= 750W/(m2℃ ) d． 各效蒸發(fā)器中的液面高度： 。 e． 各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出。假設(shè)各效傳熱面積相等，并忽略熱損失。 f． 每年按 330 天計，每天 24 小時連續(xù)運行。 三、 設(shè)計項目 ：對確定的工藝流程及蒸發(fā)器型式進(jìn)行簡要論述。 ：確定蒸發(fā)器的傳熱面積。 。 ，包括預(yù)熱器、汽液分離器及蒸汽冷凝器。 NaOH 水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的流程圖及蒸發(fā)器總裝配圖。 目錄 ………………………………………………… 1 蒸發(fā)操作的特點…………………………… 1 蒸發(fā)設(shè)備及蒸發(fā)器………………………… 5 三效蒸發(fā)工藝流程………………………… 10 ………………………… 11 三效蒸發(fā)工藝計算………………………… 11 ……………… 11 …………………………… 13 蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)計算……………………… 23 …………………………… 30 Aspen Plus 設(shè)計蒸發(fā)器方法…………… 33 ………………………………………………… 35 1 概述 蒸發(fā) 操作的特點 蒸發(fā)是將非揮發(fā)性物質(zhì)的稀溶液加熱沸騰，使溶劑氣話，溶液濃縮得到濃溶液的過程。 蒸發(fā)的基本流程 蒸發(fā)過程的兩個必要組成部分是加熱溶劑使水蒸氣汽化和不斷除去汽化的水蒸氣，前一部分在蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行，后一部分在冷凝器完成。蒸發(fā)器實質(zhì)上是一個換熱器， 由加熱室和分離室兩部分組成，加熱室通常用飽和水蒸氣加熱，從溶液中蒸發(fā)出來的水蒸氣在分離室分離后從蒸發(fā)器引出，為了防止液滴隨蒸汽帶出，一般在蒸發(fā)器頂部設(shè)有氣液分離用的除沫裝置從蒸發(fā)器蒸出的蒸汽稱為二次蒸汽，在多效蒸發(fā)中，二次蒸汽用于下一效的物料加熱。冷卻水從冷凝器頂加入，與上升的蒸汽接觸，將它冷凝成水從下部排出，不凝氣體從頂部排出。通常不凝氣體來源有兩個方面，料液中溶解的空氣和系統(tǒng)減壓操作時從周圍環(huán)境中漏入的空氣。 料液在蒸發(fā)器中蒸濃達(dá)到要求后稱為完成液，從蒸發(fā)器底部放出，是蒸發(fā)操作的產(chǎn)品。 蒸發(fā)的 操作方法 根據(jù)各種物料的特性和工藝要求，蒸發(fā)過程可以采用不同的操作條件和方法。 常壓蒸發(fā)和減壓蒸發(fā) 根據(jù)操作壓力不同，蒸發(fā)過程可以分為常壓蒸發(fā)和減壓蒸發(fā)，常壓蒸發(fā)是指冷凝器和蒸發(fā)器溶液側(cè)的操作壓力為大氣壓或略高于大氣壓，此時系統(tǒng)中的不凝氣依靠本身的壓力從冷凝器排出。減壓蒸發(fā)冷凝器和蒸發(fā)器溶液側(cè)的操作壓力低于大氣壓，此時系統(tǒng)中的不凝氣需用真空泵抽出。 減壓蒸發(fā)較常壓蒸發(fā) 具有如下優(yōu)點： 2 ① 在加熱蒸汽壓強相同的情況下，減壓蒸發(fā)時溶液的沸點低，傳熱溫差可以增大，當(dāng)傳熱量一定時，蒸發(fā)器的傳熱面積可以相應(yīng)地減小； ② 可以蒸發(fā)不耐高溫的溶液； ③ 可以利用低壓蒸汽或廢氣作為加熱劑； ④ 操作溫度低，損失于外界的熱量也相應(yīng)地減小。 但是， 減壓 蒸發(fā)也有一定的缺點，這主要是由于溶液沸點降低，黏度增大，導(dǎo)致總的傳熱系數(shù)下降，同時還要有減壓裝置 。 單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā) 根據(jù)二次蒸汽是否用來作為另一蒸發(fā)器的加熱蒸汽，蒸發(fā)過程分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。單效蒸發(fā)中加熱蒸汽在冷凝器中用水冷卻排出。多效蒸發(fā)中，第一個蒸發(fā)器蒸出的二次 蒸汽用作第二個蒸發(fā)器的加熱蒸汽，第二個蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用作第三個蒸發(fā)器的加熱蒸汽，以此類推，串聯(lián)蒸發(fā)器的個數(shù)稱為效數(shù)。 ① 多效蒸發(fā)的經(jīng)濟(jì)性 多效蒸發(fā)時，除末效外，各效的二次蒸汽都作為下一效蒸發(fā)器的加熱蒸汽加以利用，因而和單效相比，相同的生蒸汽量 D可蒸發(fā)更多的水量 W，亦即提高了生蒸汽的經(jīng)濟(jì)性 W/D。如前所述，在若干假定條件下，單效時的 W/D 約為 1。同理，雙效時約為 2，三效時約為 3，等等?？紤]實際情況，根據(jù)經(jīng)驗，不同效數(shù)時生蒸汽的經(jīng)濟(jì)性大致如下表： 表 11 生蒸汽經(jīng)濟(jì)性 W/D的經(jīng)驗值 效數(shù) 單效 雙效 三效 四效 五效 W/D 正由于多效蒸發(fā)時生蒸汽的經(jīng)濟(jì)性較高，所以在蒸發(fā)大量水分時廣泛采用多效蒸發(fā)。但上表也說明，當(dāng)效數(shù)增加時， W/D 值雖然增加，但并不和效數(shù)成正比。 ② 多效蒸發(fā)的代價 首先，多效蒸發(fā)時需要多個蒸發(fā)器，為便于制造和維修，各蒸發(fā)器的傳熱面積常相同，此時，多效蒸發(fā)的設(shè)備費近似和效數(shù)成正比。因此，多效蒸發(fā)時生蒸汽經(jīng)濟(jì)性的提高是以設(shè)備費為代價的。 其次，當(dāng)生蒸汽的壓力（溫度）和冷凝器的壓力（溫度）給定時，不論單效 3 或多效蒸發(fā)，其理論傳熱溫度 差均為 Δtr=T T′ 。這里， T 和 T′ 分別為加熱蒸汽和冷凝器處二次蒸汽的溫度。換句話說，理論傳熱溫差與效數(shù)無關(guān)，多效蒸發(fā)只是將上述傳熱溫度差按某種規(guī)律分配至各效。而且，多效蒸發(fā)的每一效都存在沸點上升或傳熱溫度差損失，因而各效有效傳熱溫度差之和 —— 總有效傳熱溫度差必然小于單效時的有效傳熱溫度差，結(jié)果導(dǎo)致多效時的生產(chǎn)能力小于單效。 間歇蒸發(fā)和連續(xù)蒸發(fā) 間歇蒸發(fā)有兩種操作方法： ① 一次進(jìn)料，一次出料 ② 連續(xù)進(jìn)料，一次出料 工業(yè)上大規(guī)模的生產(chǎn)過程通常采用的是連續(xù)蒸發(fā)。 蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度與蒸汽的經(jīng)濟(jì)性 （一）蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力與生產(chǎn)強度 蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力 蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力可用單位時間內(nèi)蒸發(fā)的水分量來表示。由于蒸發(fā)水分量取決于傳熱量的大小，因此其生產(chǎn)能力也可表示為 r tKSrQW m????? W — 蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力， kg/h； Q — 蒸發(fā)器的傳熱速率， kJ/h； r? — 操作壓力下二次蒸汽的汽化潛熱， kJ/kg； 蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度 蒸發(fā)器的生產(chǎn) 強度 U 簡稱蒸發(fā)強度，是指單位時間單位傳熱面積上所蒸發(fā)的水量， kg/(m2 h) SWU? 若為沸點進(jìn)料，且不計熱損失，根據(jù) 39。m WrDrtKAQ ???? ， 4 則 39。 mrtKSWU ??? 由上式可知，若蒸發(fā)操作的壓力一定，則二次蒸氣的汽化熱 r‘也可視為常數(shù)，因此，欲提高蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度，主要途徑是提高總 傳熱系數(shù) K 和傳熱溫度差Δ tm（ T－ t1）。前者，上面已述。提高傳熱溫度差的方法 : 采用真空蒸發(fā)或選用高溫?zé)嵩矗绺邷貙?dǎo)熱油、熔鹽或用電加熱等。 提高蒸發(fā)強度的途徑 （ 1） 提高傳熱溫度差 mt? 提高傳熱溫度差可提高熱源的溫度或降低溶液的沸點等角度考慮，工程上通常采用真空蒸發(fā)或高溫?zé)嵩磥韺崿F(xiàn)。 （ 2）提高總傳熱系數(shù) 蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)主要取決于溶液的性質(zhì)、沸騰狀況、操作條件以及蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)等。這些已在前面論述，因此，合理設(shè)計蒸發(fā)器以實現(xiàn)良好的溶液循環(huán)流動，及時排除加 熱室中不凝性氣體，定期清洗蒸發(fā)器（加熱室內(nèi)管），均是提高和保持蒸發(fā)器在高強度下操作的重要措施。 （二）加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性 蒸發(fā)過程是一個能耗較大的單元操作，通常把能耗也作為評價其優(yōu)劣的另一個重要評價指標(biāo)，或稱為加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)性，它的定義為 1kg 蒸汽可蒸發(fā)的水分量，即： rrWDe ??? 提高加熱蒸汽的蒸汽性通?？梢赃x擇多效蒸發(fā)。 （三）提高加熱蒸汽經(jīng)濟(jì)程度的其他措施 多效蒸發(fā)可以提高加熱蒸汽的經(jīng)濟(jì)程度，除此之外，還可以采用以下措施來提高生蒸汽的經(jīng)濟(jì)程度。 （ 額外蒸汽的引出） 在單效蒸發(fā)中，若能將二次蒸汽引出一部分，作為其他設(shè)備熱源加以利用（如用來預(yù)熱原料液），則對蒸發(fā)裝置來說，能量消耗已降至最低限度，只是將加熱蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟容^低的二次蒸汽而已。同理，對多效蒸發(fā)，如果將末效蒸發(fā)器的二次蒸汽有效的利用，也可大大提高加熱蒸汽的利用率。 5 蒸發(fā)裝置消耗大量蒸汽必隨之產(chǎn)生數(shù)量可觀的冷凝水。此冷凝液排出加熱室外可用以預(yù)熱料液，也可像圖 719 所示將冷凝水減壓，減壓至下一效加熱室的壓力。使之用過熱產(chǎn)生自蒸發(fā)現(xiàn)象。汽化的蒸汽可與二次蒸汽一并進(jìn)出入后一效的加 熱室，于是，冷凝水的顯熱得以部分地回收利用。 （熱泵蒸發(fā)） 在單效蒸發(fā)中，二次蒸汽在冷凝器中冷凝除去，蒸汽的潛熱即完全除去，很不經(jīng)濟(jì)?？紤]此二次蒸汽通過熱泵（即壓縮機）絕熱壓縮，使其 p ↑， T ↑，然后再送回原來的蒸發(fā)器中作為加熱蒸汽，則其潛熱可得