75ktaNaOH溶液三效蒸发装置设计内蒙古工业大学化工原理课程设计说明书.docx
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75ktaNaOH溶液三效蒸发装置设计内蒙古工业大学化工原理课程设计说明书
第一章设计方案的确定
1.1蒸发操作条件的确定
1.11加热蒸汽压强的确定
因加热是必须考虑加热温度的上限和下线,被蒸发的溶液有一上限值,超过温度上限值,会使得物料变质,导致失去本有的物性,这是一个重要的指指标,也是确定物料加热蒸汽压强的依据,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。
再者从节能观点出发,应充分利用二次蒸汽作为其它加热热源,同时要求蒸发装置能够提供温度较高的二次蒸汽,这样既可以减少锅炉产生蒸汽和蒸汽的消耗量,又可减速少末效进入冷凝器的二次蒸汽量,提高了蒸汽利用率。
因此,我们应该尽可能采用温度较高的蒸汽。
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,这将增加加热的设备费和操作费。
一般的加热蒸汽压强在400~800范围内,本设计加热蒸汽压强选用700。
1.1.2冷凝器压强的确定
如果第一效用较高压强的加热蒸汽,则末效可以采用常压蒸发,此时末效产生的二次蒸汽具有较高的温度,可以全部利用。
因而各效操作温度高时,溶液黏度低,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。
通常冷凝器的最大真空度为80~90。
此次设计冷凝器压强真空度取为85kpa则采用20。
1.2蒸发流程的确定
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。
要适应各种不同物料的蒸发浓缩,出现了各种不同结构型式的蒸发器,而且随着生产,技术的发展,其结构在不断改进和更新。
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,外加热型,列文式,强制循环形等)和单程型(升膜式,降膜式,升-降膜式,刮板式等)两大类型。
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,尽量减慢传热面上垢层的生成;
3.构造简单,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(如粘度,起泡性,热敏性,结垢性,腐蚀性等)。
具体的选择要考虑实际情况而定的,在不同情况下要求不同,因而选择的蒸发方式也不径相同,即要看情况而定。
此次设计采用中央循环管式蒸发器。
中央循环管式蒸发器结构紧凑,制造方便,操作可靠,而却研究充分应用范围广,故在工业上应用广泛,有所谓“标准蒸发器”之称。
但设备的清洗和检修不够方便。
1.3蒸发器效数的确定
为充分利用热能,为提高热能利用效率,生产中一般采用多效蒸发。
因为在多效蒸发中,将前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽加以利用,可节省生成蒸汽的耗量。
但并不是效数越多越好,效数的选择受经济上和技术上的因素限制。
一方面,随着效数的增加,单位蒸汽的消耗量减小,操作费用降低;另一方面,效数越多,设备投资费越大,所以无限制增加效数已无实际意义,最适宜的效数应使设备费和操作费二者之和为最小。
技术上的限制是指效数过多,蒸发操作难于进行。
一般工业秤中加热蒸汽压强和冷凝器操作压强都有一定限制,因此在一定操作条件下,蒸发器的理论总温度差为一定值。
在效数增加时,由于各效温差损失之和的增加,使总有效温差减小,分配到各效的有效温差小到无法保证各效发生正常的沸腾状态时,蒸发操将无法进行下去。
通常,工业多效蒸发操作的效数取决于被蒸发的溶液的性质和温度损失大小等等,每效蒸发器的有效温度差最小为5~7℃。
考虑经济上和技术上的限制综合考虑,本设计蒸发器效数采用3效。
1.4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、平流三种。
并流是工业中最常用的加料模式,溶液与蒸汽的流动方向相同,均由第一效顺序的流至末效。
并流的优点:
(1)溶液从压力和温度较高的蒸发器流向压力和温度较低的蒸发器,料液能自动从前效进入后效,而不需要泵输送;
(2)前效的温度高于后效,料液从前效进入后效时呈过渡热状态,可以产生自蒸发;
(3)操作简便,工艺条件稳定。
缺点:
随着溶液溶液从前一效逐效流向后面各效,其组成增高,其组成增加,而温度反而降低,致使溶液的黏度增加,蒸发器的传热系数下降,因此,对于随组成增加粘度变化很大的料液不宜采用并流。
逆流法溶液溶液的流向与蒸汽的流向相反,即加热蒸汽从第一效加入,料液从最后一效加入。
逆流法的优点是:
随溶液的组成沿着流动方向的增高,其温度也随之升高。
因此因组成增高使黏度增大的影响大致与因温度升高使黏度降低的影响相抵,故各效溶液的黏度较为接近,各效的传热系数也大致相同。
平流法是指原料液平行加入到各效,完成液亦分别各效排除,即各效都加入料液。
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。
本设计蒸发流程采用并流模式。
1.5进料温度的确定
进蒸发器料液温度的高低直接影响蒸发器中的传热情况和蒸发器传热面积的大小,生产上通常为了节约蒸汽用量和提高传热效果以及操作简单,在进蒸发器之前利用可回收的低温热源将料液预热到接近或者达到沸点状态,以实现节能降耗。
因此,本设计采用沸点进料。
第二章三效蒸发工艺设计计算
多效蒸发工艺计算的主要项目有:
加热蒸汽消耗量,各效水分(或溶剂)蒸发量及各效的传热面积。
算的已知参数为:
流液的流量,温度和浓度,最终完成液的浓度,加热蒸汽压强和冷凝器中的压强等。
计算常采用试差法,其计算步骤如下:
(1)根据工艺要求及溶液的性质,确定蒸发的操作条件,蒸发器的形式,流程和效数;
(2)根据生产经验算据,初步估计各效蒸发量和各效完成液的浓度;
(3)根据经验假设蒸汽通过各效的压强降相等,估算各效溶液沸点和有效总温差;
(4)根据蒸发器的焓衡算,求各效的蒸发量和传热量;
(5)根据传热速率方程计算各效的传热面积。
若法语得的各效传热面积不相等则应按下面介绍的方法重新分配有效温度差,重复(3)~(5),直到所求得的各效传热面积最小的和最大的相对误差小于4%为止
2.1各效蒸发量和完成液组成的估算
2.1.1本设计的初步估算
操作条件是:
(1)水溶液处理量75kt/a,原料液的浓度为10%。
完成液浓度为30%;用三效并流蒸发装置,每小时将6250kg浓度为10%的浓缩为30%,原料液温度为第效的沸点。
(2)加热蒸汽压强为700,温度T0=164.7℃汽化潜热=2071.5kJ/kg冷凝器的压强为20
(3)各效蒸发器的总传热系数:
=1800W/(·℃);
=1200W/(·℃);
=800W/(·℃)。
(4)比热容=3.7656=4.187
(5)取L为2.6m
2.1.1.1估算各效蒸发量和完成液浓度
F原料液流量,x0为原料液初始浓度,x3为完成液浓度,W为总蒸发量。
F=75×103×103÷8000=9375
W=F×(1-x0/x3)=9375×(1-0.10/0.30)=6250kg/h
假设各效蒸发量根据经验方法,各效蒸发量之比可假定,
即:
:
=1:
1:
1
W1+W2+W3=W
===6250/3=2083.33kg/h
因而初估各效完成液的浓度为:
xi=Fx0/(F-W1-W2-…-W3)
第效完成液的浓度:
x1=Fx0/(F-W1)=6250×0.10÷(6250-2083.33)=0.1286
第效完成液的浓度:
x2=Fx0/(F-W1-W2)=6250×0.10÷(6250-2083.33-2083.33)=0.1780
第效完成液的浓度:
x3=0.3
2.1.1.2估算各效溶液的沸点和有效总温度差
为求各效溶液沸点,需假定压强。
一般加热蒸汽压强和冷凝器操作压强是已知的,其他各效二次蒸汽的压强可按各效间蒸汽压强降相等的假设来确定,即各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差为:
△P=(P-P/n)/n
△P=(700-20)/3=226.67;
=-=700-226.67=473.33;
==700-2×226.67=246.66;
==700-3×226.67=19.99。
将各效二次蒸汽的压力、附录中查到相应的二次蒸汽的温度和二次蒸汽的汽化潜热列于表2-1中。
表2-1各效二次蒸汽的压力、二次蒸汽的温度和二次蒸汽的汽化潜热
效次
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
二次蒸汽的压力,
473.33
246.66
19.99
二次蒸汽的温度,℃
149.6
126.5
60.1
二次蒸汽汽化潜热kJ/kg
2119.7
2186.7
2853.9
2.2温度差损失
2.2.1因溶液蒸汽压而引起的温度差损失
当x1=12.86%,查出溶液沸点为104.2℃,同理,可以得到其他浓度和T'下沸点温度,如表2-2所示。
表2-2沸点温度
效次
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
NaOH的浓度百分数
12.86%
17.80%
30%
溶液的沸点温度tA/℃
104.2
106.8
117.5
又f=0.0162×(+273)/i
所以f1=0.0162×(149.6+273)/2119.7=1.3647
f2=0.0162×(126.5+273)/2186.7=1.1826
f3=0.0162×(60.1+273)/2853.9=0.629
=-100=104.2-100=4.2℃
=-100=106.8-100=6.8℃
=-100=117.5-100=17.5℃
所以
=f1=1.3647×4.17=5.7℃
=f2=1.1826×6.8=8.1℃
=f3=0.629×17.5=11.0℃
2.2.2由于液体静压强而引起的温度损失
根据各效的浓度查出其溶液的平均密度:
1=1140.333kg/m3;2=1195kg/m3;3=1325.74kg/m3
第一效液体静压强引起的温度差损失:
查出与487.873kPa对应的tpm1为150.7℃。
同理:
第二效;
查出与261.899kPa下对应的tpm2=128.7℃
第三效
查出与36.897kPa下对应的tpm3=72.4℃
2.2.3由于流动阻力而引起的温度损失
取效间及末效与冷凝器间因流动阻力而引起的温度损失去为1℃,故:
℃
各效的温度损失为:
△1=++=5.7+1.2+1=7.9℃
△2=++=8.1+2.2+1=11.3℃
△3=++=11.0+12.3+1=24.3℃
2.2.4溶液的沸点及有效温度差
各效的沸点:
各效的有效温度损失:
℃;
2.2.5用焓衡算求各效蒸发量及第一效加入蒸汽消耗量
因NaOH水溶液有显著的浓缩热效应,故其中的热损失系数的计算为:
根据公式:
则求得:
D1=2369.9798kg/h
各效传热量,所以
2.2.6蒸发器的传热面积
由
m2
m2
m2
相对误差
因此,必须重新分配传热表面积。
2.3重算各效传热面积
2.3.1重新分配各效温度差
先算出等传热表面积S,其中暂时取前面算出的61.3
即m2
重新分配有效温度差,即
2.3.2各效溶液浓度
估算计算中有两套各效蒸发量值,一时初估值,另一是又焓衡算得到的。
由于初估值算出的传热表面积不相同,说明初估值不正确,应重估Wi,此处以焓恒算结果作为
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