【正文】 大。這樣造成了混合液在管束中向上，在中央循環(huán)管向下的自然循環(huán)流動。蒸發(fā)器的加熱器由垂直管束構成，管束中央有一根直徑較大的管子，稱為中央循環(huán)管，其截面積一般為管束總截面積的 40%～ 100%。有分為自然循環(huán)型和強制循環(huán)型兩類。 （一）循環(huán)型蒸發(fā)器 特點：溶 液在蒸發(fā)器中循環(huán)流動，因而可以提高傳熱效果。加熱室有多種多樣的形式，以適應各種生產(chǎn)工藝的不同要求。此外，壓縮機的投資費用較大，需要維修保養(yǎng)，這些缺點也在一定程度上限制了它的使用。對于沸點升高大的溶液的蒸發(fā)，熱泵蒸發(fā)器的經(jīng)濟程度大為降低。 但是，要達到較好的經(jīng)濟效益，壓縮功的壓縮比不能太大，即二次蒸汽的壓力和溫度需提高的愈多，壓縮比愈大，愈不經(jīng)濟。 （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。使之用過熱產(chǎn)生自蒸發(fā)現(xiàn)象。 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。 （ 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，作為其他設備熱源加以利用（如用來預熱原料液），則對蒸發(fā)裝置來說，能量消耗已降至最低限度，只是將加熱蒸汽轉變?yōu)闇囟容^低的二次蒸汽而已。 （二）加熱蒸汽的經(jīng)濟性 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，或稱為加熱蒸汽的經(jīng)濟性，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)。 （ 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、沸騰狀況、操作條件以及蒸發(fā)器的結構等。提高傳熱溫度差的方法 : 采用真空蒸發(fā)或選用高溫熱源，如高溫導熱油、熔鹽或用電加熱等。 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）。 h) SWU? 若為沸點進料，且不計熱損失，根據(jù) 39。 蒸發(fā)器的生產(chǎn)強度與蒸汽的經(jīng)濟性 （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蒸發(fā)的水分量來表示。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，結果導致多效時的生產(chǎn)能力小于單效。這里， T 和 T′ 分別為加熱蒸汽和冷凝器處二次蒸汽的溫度。因此，多效蒸發(fā)時生蒸汽經(jīng)濟性的提高是以設備費為代價的。但上表也說明，當效數(shù)增加時， W/D 值雖然增加，但并不和效數(shù)成正比。同理，雙效時約為 2，三效時約為 3，等等。 ① 多效蒸發(fā)的經(jīng)濟性 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)濟性 W/D。單效蒸發(fā)中加熱蒸汽在冷凝器中用水冷卻排出。 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，導致總的傳熱系數(shù)下降，同時還要有減壓裝置 。減壓蒸發(fā)冷凝器和蒸發(fā)器溶液側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。 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。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。蒸發(fā)器實質上是一個換熱器， 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。 目錄 ………………………………………………… 1 蒸發(fā)操作的特點…………………………… 1 蒸發(fā)設備及蒸發(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)器主要結構計算……………………… 23 …………………………… 30 Aspen Plus 設計蒸發(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。 ，包括預熱器、汽液分離器及蒸汽冷凝器。 ：確定蒸發(fā)器的傳熱面積。 f． 每年按 330 天計，每天 24 小時連續(xù)運行。 e． 各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出?！?) K3= 750W/(m2 c． 各效傳熱系數(shù)分別為： K1=3000 W/(m2 NaOH 水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設計 設計單位： 設計者： 設計日期： 設計任務書 一、 設計題目 NaOH 水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設計 二、 設計任務及操作條件 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℃，用預熱器加熱至第一效沸點溫度，再送進蒸發(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）。℃ ) K2=1500 W/(m2℃ ) d． 各效蒸發(fā)器中的液面高度： 。假設各效傳熱面積相等，并忽略熱損失。 三、 設計項目 ：對確定的工藝流程及蒸發(fā)器型式進行簡要論述。 。 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。 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)器內進行，后一部分在冷凝器完成。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。 料液在蒸發(fā)器中蒸濃達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。 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)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，當傳熱量一定時，蒸發(fā)器的傳熱面積可以相應地減??； 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地減小。 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)。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)。如前所述，在若干假定條件下，單效時的 W/D 約為 1?？紤]實際情況，根據(jù)經(jīng)驗，不同效數(shù)時生蒸汽的經(jīng)濟性大致如下表： 表 11 生蒸汽經(jīng)濟性 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)濟性較高，所以在蒸發(fā)大量水分時廣泛采用多效蒸發(fā)。 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)的設備費近似和效數(shù)成正比。 其次，當生蒸汽的壓力（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′ 。換句話說，理論傳熱溫差與效數(shù)無關，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。 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 一次進料，一次出料 ② 連續(xù)進料，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)。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/(m2m WrDrtKAQ ???? ， 4 則 39。前者，上面已述。 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)或高溫熱源來實現(xiàn)。這些已在前面論述，因此，合理設計蒸發(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（加熱室內管），均是提高和保持蒸發(fā)器在高強度下操作的重要措施。 （三）提高加熱蒸汽經(jīng)濟程度的其他措施 多效蒸發(fā)可以提高加熱蒸汽的經(jīng)濟程度，除此之外，還可以采用以下措施來提高生蒸汽的經(jīng)濟程度。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。此冷凝液排出加熱室外可用以預熱料液，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。汽化的蒸汽可與二次蒸汽一并進出入后一效的加 熱室，于是，冷凝水的顯熱得以部分地回收利用?？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，則其潛熱可得到反復利用。這樣，二次蒸汽的溫升不可能高，傳熱推 動力不可能大，而所需的傳熱面積則必然較大。由此可知，熱泵蒸發(fā)量不適用沸點上升比較大的情況。 蒸發(fā)設備 蒸發(fā)設備中包括蒸發(fā)器和輔助設備 1.. 蒸發(fā)器的型式與結構 蒸發(fā)器主要由加熱室和分離室組成。按照溶液在加熱室中的運動的情況，可將蒸發(fā)器分為循環(huán)型和單程型（不循環(huán)）兩類。由于引起循環(huán)運動的原因不同。 自然循環(huán)：由于溶液受熱程度不同產(chǎn)生密度差引起強制循環(huán)：用泵迫使溶 6 液沿一定方向流動 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器為最常見的蒸發(fā)器，其結構如圖 52所示，它主要由加熱室、蒸發(fā)室、中央循環(huán)管和除沫器組成。當加熱蒸汽（介質）在管間冷凝放熱時，由于加熱管束內單位體積溶液的受熱面積遠大于中央循環(huán)管內溶液的受熱面積，因此，管束中溶液的相對汽化率就大于中央循環(huán)管的汽化率，所以管束中的氣液混合物的密度遠小于中央循環(huán)管內氣液混合物的密度?；旌弦旱难h(huán)速度與密度差和管長有關。但這類蒸發(fā)器受總高限制，通常加熱管為 1～ 2m，直徑為 25～ 75mm，長徑比為 20～ 40。 缺點：循環(huán)速度低；溶液粘度大、沸點高；不易清洗。 懸筐式蒸發(fā)器是中央循環(huán)管蒸發(fā)器的改進。加熱介質由中央蒸汽管進入加熱室，而在加熱室外壁與蒸發(fā)器殼體的內壁之間有環(huán)隙通道，其作用類似于中央循環(huán)管。一般環(huán)隙截面積約為加熱管總面積的 100～ 150%，因而溶液循環(huán)速度較高 (約為 1～ )。 如圖 54 為常用的外熱式蒸 發(fā)器，其主要特點是采用了長加熱管（管長與直徑之比 100~50?Dl ），且液體下降管（又稱循環(huán)管），不再受熱。 優(yōu)點：降低了整個蒸發(fā)器的高度，便于清洗和更換；循環(huán)速度較高，圖 52 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器 53 懸筐式蒸發(fā)器 圖 54 外熱式蒸發(fā)器 7 使得對流傳熱系數(shù)提高；結垢程度小。 結構特點：在 特點是在加熱室上部設置沸騰室，加熱室中的溶液因受到附加液柱的作用，必須上升到沸騰室才開始沸騰，這樣避免了溶液在加熱管中結垢或析出晶體。 缺點：設備費高；廠房高，耗用金屬多。 上述幾種蒸發(fā)器均為自然循環(huán)型蒸發(fā)器，即靠加熱管與循環(huán)管內溶液的密度差作為推動力，導致溶液的循環(huán)流動，因此循環(huán)速度一般較低，尤其在蒸發(fā)粘稠溶液（易結垢及有大量結晶析出）時就更低。這種蒸發(fā)器的循環(huán)速度可達 ～ 5m/s。但該蒸發(fā)器的動力消耗較 大，每平方米傳熱面積消耗的功率約為 ～ 。在單程型蒸發(fā)器中，物料一次通過加熱面即可完成濃縮要求；離開加熱管的溶液及時加以冷卻，受熱時間大為縮短，因此對熱敏性物料特別適宜。溶液由加熱管底部進入，經(jīng)一段距離的加熱，汽化后，管內氣泡逐漸增多，最終液體被上升的蒸汽拉成環(huán)狀薄膜，沿管壁運動，汽液混合 物由管口高速沖出。此種蒸發(fā)器需要妥善地設計和操作，使加熱管內上升的二次蒸汽具有較高的速度，從而獲得較高傳熱系數(shù)，使溶圖 57 升膜式蒸發(fā)器 8 液一次通過加熱即達預定的濃縮要求。 適用于：蒸發(fā)量大（較稀的溶液），熱敏性及易起泡的溶液。 如圖 76 所示降膜式蒸發(fā)器。汽液混合物由加熱管下端引出，經(jīng)汽液分離即得完成液。 適用于：粘度大的物料 不適用于：易結晶的物料，固形成均勻的液膜較難， K 不高。溶液由升膜管束底部進入，流向頂部，然后從降膜管束流下，進入分離室，得到完成液。 （ 4）刮板薄膜式蒸發(fā)器 如圖 511