【正文】 NaOH 水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì) 單位 ： 設(shè)計(jì)者： 設(shè)計(jì)日期： 設(shè)計(jì) 任務(wù)書 一、 設(shè)計(jì)題目 NaOH 水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì) 二、 設(shè)計(jì)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(diǎn)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(qiáng)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(jì)，每天 24 小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。 三、 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 ：對(duì)確定的工藝流程及蒸發(fā)器型式進(jìn)行簡(jiǎn)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(diǎn)…………………………… 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(jì)算………………………… 11 ……………… 11 …………………………… 13 蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)計(jì)算……………………… 23 …………………………… 30 Aspen Plus 設(shè)計(jì)蒸發(fā)器方法…………… 33 ………………………………………………… 35 1 概述 蒸發(fā) 操作的特點(diǎn) 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(gè)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(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(gè)方面，料液中溶解的空氣和系統(tǒng)減壓操作時(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)： 2 ① 在加熱蒸汽壓強(qiáng)相同的情況下，減壓蒸發(fā)時(shí)溶液的沸點(diǎn)低，傳熱溫差可以增大，當(dāng)傳熱量一定時(shí)，蒸發(fā)器的傳熱面積可以相應(yīng)地減?。? 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(diǎn)，這主要是由于溶液沸點(diǎn)降低，黏度增大，導(dǎo)致總的傳熱系數(shù)下降，同時(shí)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(gè)蒸發(fā)器蒸出的二次 蒸汽用作第二個(gè)蒸發(fā)器的加熱蒸汽，第二個(gè)蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用作第三個(gè)蒸發(fā)器的加熱蒸汽，以此類推，串聯(lián)蒸發(fā)器的個(gè)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(shí)，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(shí)的 W/D 約為 1。同理，雙效時(shí)約為 2，三效時(shí)約為 3，等等?？紤]實(shí)際情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不同效數(shù)時(shí)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(yàn)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(shí)生蒸汽的經(jīng)濟(jì)性較高，所以在蒸發(fā)大量水分時(shí)廣泛采用多效蒸發(fā)。但上表也說明，當(dāng)效數(shù)增加時(shí)， 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(jià) 首先，多效蒸發(fā)時(shí)需要多個(gè)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(shí)，多效蒸發(fā)的設(shè)備費(fèi)近似和效數(shù)成正比。因此，多效蒸發(fā)時(shí)生蒸汽經(jīng)濟(jì)性的提高是以設(shè)備費(fèi)為代價(jià)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(shí)，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(diǎn)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(shí)的有效傳熱溫度差，結(jié)果導(dǎo)致多效時(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)度 蒸發(fā)器的生產(chǎn) 強(qiáng)度 U 簡(jiǎn)稱蒸發(fā)強(qiáng)度，是指單位時(shí)間單位傳熱面積上所蒸發(fā)的水量， kg/(m2 h) SWU? 若為沸點(diǎn)進(jìn)料，且不計(jì)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(qiáng)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?，如高溫?dǎo)熱油、熔鹽或用電加熱等。 提高蒸發(fā)強(qiáng)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(diǎn)等角度考慮，工程上通常采用真空蒸發(fā)或高溫?zé)嵩磥韺?shí)現(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(jì)蒸發(fā)器以實(shí)現(xiàn)良好的溶液循環(huán)流動(dòng)，及時(shí)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(qiáng)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(gè)能耗較大的單元操作，通常把能耗也作為評(píng)價(jià)其優(yōu)劣的另一個(gè)重要評(píng)價(jià)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(duì)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(duì)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(jī)）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