KNO3水溶液三效并流加料蒸发装置的设计--化工原理课程设计.doc

KNO3水溶液三效并流加料蒸发装置的设计

化工原理课程设计B

题目：KNO3水溶液三效并流加料蒸发装置的设计

化工原理课程设计任务
1.设计题目： KNO3水溶液三效并流加料蒸发装置的设计
2.设计任务及操作条件：
（1）处理能力 水溶液
（2）设备形式 中央循环管式蒸发器
（3）操作条件
①水溶液的原料液的质量分数为0.15，完成液质量分数为0.45，原料液温度为80℃，恒压比热容为3.5kJ/(kg·℃)。
②加热蒸汽压力为400kPa(绝压)，冷凝器压力为20kPa(绝压)。
③各效蒸发器的总传热系数为：=2000W/(·℃),=1000W/(·℃),=500W/(·℃)。
④各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。假设各效传热面积相等，并忽略溶液的浓缩热和蒸发器的热损失，不考虑液柱静压和流动阻力对沸点的影响。
⑤每年按照300天计，每天24小时连续运行。
3. 设计内容
⑴设计方案简介，对确定的工艺流程及蒸发器形式进行简要论述。
⑵蒸发器的工艺计算确定蒸发器的传热面积。
⑶蒸发器的主要结构尺寸设计
⑷主要辅助设备选型，包括气液分离器和蒸汽冷凝器等。
⑸绘制水溶液三效并流加料蒸发装置的流程图及蒸发器设备工艺简图
⑹对本设计进行评述。
⑥厂址：天津地区

KNO3水溶液三效并流加料蒸发装置的设计
摘要

蒸发器可广泛用于医药、食品、化工、轻工等行业的水溶液或有机溶媒溶液的蒸发,特别适用于热敏性物料(例如中药生产的水、醇提取液等)。同时，蒸发操作也可对溶剂进行回收。
随着工业蒸发技术的发展，蒸发器的结果和型式也不断的改进。目前，蒸发器大概分为两类：一类是循环型，包括中央循环管式、悬筐式、外热式、列文式及强制循环式等；另一类是单程型，包括升膜式、降膜式、升—降膜式等。这些蒸发器型式的选择，要多个方面综合得出。
现在化工生产实践中，为了节约能源、提高经济效益，很多厂家采用的蒸发设备是多效蒸发。因为这样可以降低蒸气的消耗量，从而提高蒸发装置的各项热损失。多效蒸发流程可分为：并流流程、逆流流程、平流流程以及错流流程。在选择型式时应考虑料液的性质、工程技术要求、公用系统的情况等。

关键词：化工设备；三效蒸发装置 ；溶液;并流

目 录

一 绪论……………………………………………………….....................（1）
二 设计任务………………………………………………….....................（2）
2.1设计任务……………………………………………….....................（2）
2.2操作条件……………………………………………….....................（2）
三 设计条件及设计方案说明……………………………….....................（2）
四 物性数据及相关计算…………………………………….....................（3）
4.1估计各效蒸发量和完成液浓度……………………….....................（3）
4.2估计各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差………….....................（4）
4.3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算……….....................（5）
4.4蒸发器传热面积的估算……………………………….....................（7）
4.5有效温度的再分配…………………………………….....................（7）
4.6重复上述计算步骤…………………………………….....................（8）
4.7计算结果列表………………………………………........................（11）
五 主体设备计算和说明…………………………….......................……..（11）
5.1加热管的选择和管数的初步估计………………….........................（11）
5.2循环管的选择……………………………………….........................（11）
5.3加热管的直径以及加热管数目的确定…………….........................（12）
5.4分离室直径和高度的确定………………………….........................（13）
5.5接管尺寸的确定…………………………………….........................（14）
六 附属设备的选择………………………………………..........................（16）
6.1气液分离器………………………………………….........................（16）
6.2蒸汽冷凝器………………………………………….........................（16）
七 三效蒸发器主要结构尺寸和计算结果……………….........................（18）
7.1蒸发器的主要结构尺寸的确定………………………….................（18）
7.2 气液分离器结构尺寸的确定……………………………................（18）
7.3 蒸汽冷凝器主要结构的确定............................................................（19）
八 设计心得……………………………………………….........................（20）
九 参考文献……………………………………………….........................（20）
十 附录…………………………………………………….........................（21）
附录A：并流加料三效蒸发器的物料衡算和热量衡算示意图…………………………...........................................................................（21）
附录B：并流加料蒸发流程……...........................................................（22）

一、绪论

蒸发是使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。蒸发有它独特的特点：从传热方面看，原料液和加热蒸气均为相变过程，属于恒温传热；从溶液特点分析，有的溶液有晶体析出、易结垢、易生泡沫、高温下易分解或聚合、粘度高，腐蚀性强；从传热温差上看，因溶液蒸气压降低，沸点增高，故传热温度小于蒸发纯水的温度差；从泡沫夹带情况看 ，二次蒸气夹带泡沫。需用辅助仪器除去；从能源利用上分析，可以对二次蒸气重复利用……这就要求我们从五个方面考虑蒸发器的设计。

降膜式蒸发器在降膜蒸发器中，液体和蒸汽向下并流流动。料液经预热器预热至沸腾温度，经顶部的液体分布装置形成均匀的液膜进入加热管，并在管内部分蒸发。 
二次蒸汽与浓缩液在管内并流而下.料液在蒸发器中的停留时间短，能适应热敏性溶液的蒸发.另外，降膜蒸发还适用于高粘度溶液，粘度范围在0.05-0.4Pas。降膜蒸发器极易使管内的泡沫破裂，故亦适用于易发泡物料的蒸发。由于降膜蒸发器是液膜传热，所以其传热系数高于其他形式的蒸发器;此外，降膜蒸发没有液柱静压力，传热温差显著高于其他形式的蒸发器。故可取的良好的传热效果，一次性投入最小，是业主优先选择的蒸发器形式。强制循环蒸发器这种蒸发器利用外加动力（循环泵）将循环管下降的溶液和部分原料液送到加热室。大大加快了循环速度。循环速度的大小可通过调节泵的流量来控制。一般循环速度在2.5m/s以上。当循环液体流过热交换器时被加热，然后在分离器中压力降低时部分蒸发，从而将液体冷却至对应该压力下的沸点温度，特别适用于易结晶物料。自然循环蒸发器在自然循环蒸发器中，料液在加热器中受热蒸发，产生的二次蒸汽经顶部进入分离室，将液体分离后排出。分离出的液体通过循环管流回蒸发器，并在热虹吸的作用下进入加热器受热蒸发。这样就形成了一个闭路循环。加热器和分离器之间的温差愈大，产生的蒸汽气泡愈多。这样可以强化热虹吸的
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作用和增加流动速度，从而获得较好的传热效果。自然循环蒸发器不需要循环泵，运行费用较低。

二、设计任务及操作条件

2.1 设计任务
（1）处理能力 水溶液
（2）设备形式 中央循环管式蒸发器
2.2 操作条件
① 水溶液的原料液的质量分数为0.15，完成液质量分数为0.45，原料液温度为80℃，恒压比热容为3.5kJ/(kg·℃)。
②加热蒸汽压力为400kPa(绝压)，冷凝器压力为20kPa(绝压)。
③各效蒸发器的总传热系数为：=2000W/(·℃),=1000W/(·℃),=500W/(·℃)。
④各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。假设各效传热面积相等，并忽略溶液的浓缩热和蒸发器的热损失，不考虑液柱静压和流动阻力对沸点的影响。
⑤每年按照300天计，每天24小时连续运行。
⑥厂址：天津地区

三、设计条件及设计方案说明

本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，在工业上被称为标准蒸发器。其特点是结构紧凑、制造方便、操作可靠等。它的加热室由一垂直的加热管束构成，在管束中央有一根直径较大的管子，为中央循环管。
在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，每一效的温差不能小于5～7。通常，对于沸点升高较大的电解质溶液，应采取2～3效。由于本次设计任务是处理KNO3溶液。这种溶液是一种沸点升高较大的电解质，故选用三效蒸发器。另外，由于KNO3溶液是一种粘度不大的料液，故多效蒸发流程采用并流操作。
多效蒸发器工艺设计的主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸气的消耗量，各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积等。多效蒸发器的计算一般采用迭代计算法。

四、物性数据及相关计算

4.1 估计各效蒸发量和完成液浓度
年产量：79200吨 ，且每年按照300天计算，每天24小时。
进料流量：
F=79200t/a=79200×1000/(300×24)=11000kg/h （4-1）
总蒸发量：
W=F（1-）=11000（1-）=7333.33kg/h （4-2）
因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设 W1:W2:W3=1:1.1:1.2
W=W1+W2+W3=3.3W （4-3）
W1== 2222.22 kg/h
W2=1.1 W1 = 2444.44 kg/h
W3=1.2W1= 2666.66kg/h
X1===0.188
X2===0.261
X3==0.45

4.2 估计各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差
设各效间压力降相等，则总压力差为
(4-4)
各效间的平均压力差为
由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即

由各效的二次蒸气压力，从手册中可查得相应的二次蒸气的温度和气化潜热列于下表中。
表4.1 二次蒸气的温度和气化潜热
效数
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
二次蒸气压力
273.33
146.66
20
二次蒸气温度

(即下一效加热蒸汽的温度）
131.20
111.32
60.1
二次蒸气的气化潜热

（即下一效加热蒸汽的气化潜热）
2177
2229
2355

蒸发操作常常在加压或减压下进行，从手册中很难直接查到非常压下的溶液沸点。所以用以下方法估算:
(4-5)
—常压下(101.3kPa)由于溶质引起的沸点升高，即溶液的沸点-水的沸点 常压下水的沸点为100℃
表4-1 常压下不同质量分数的KNO沸点如下表
质量分数kg/l
18.8%
26.1%
45%
沸点℃
101.5
102.3
104.2

经查表400 kPa下饱和蒸汽温度为143.4℃，气化潜热为2138.5
℃
℃
℃
由于不考虑液柱静压和流动阻力对沸点的影响，所以总温差为℃
各效料液温度为℃
℃
℃
由手册可查得400KPa的饱和蒸汽的温度为143.4℃、汽化潜热为2138.5kJ/kg,所以
℃
4.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算
由于忽略溶液的浓缩热，所以

①
②

③
又W1+W2+W3=7333.33 ④
联立 ①②③④ 计算得W1=2217.7kg/h
W2=2460.1kg/h
W3=2733.7kg/h
D1=2263kg/h
与第一次计算结果比较，其相对误差为

计算相对误差均在0.05以下，故各效蒸发量的计算结果合理。
4.4 蒸发器传热面积的估算

误差为，误差较大，应调整各效的有效温度差，重复上述计算过程。
4.5 有效温度的再分配

重新分配有效温度差，可得

4.6 重复上述计算步骤
4.6.1 计算各效料液
由所求得的各效蒸发量，可求各效料液的浓度，即

4.6.2 计算各效料液的温度
因末效完成液浓度和二次蒸气压力均不变，各种温度差损失可视为恒定，故末效溶液的温度仍为63.31℃, 即
℃
则第Ⅲ效加热蒸汽的温度（也即第Ⅱ效料液二次蒸气温度)为

表4-2 常压下不同质量分数的KNO沸点
质量分数kg/l
18.8%
25.9%
45%
沸点℃
101.5
102.2
104.2

相关查表参数

则

℃
℃
各效料液温度为

温度差重新分配后各效温度情况列于下表：
表4.2 三效蒸发器各效的温度
效次
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
加热蒸汽温度，0C
T1=143.4
T'1=133.88
T'2=108.95
有效温度差，0C

料液温度（沸点），0C
t1=135.74
t2=111.27
t3=63.31

4.6.3 各效的热量衡算
由于忽略溶液的浓缩热，所以

① =0.9221W1+419.65 ②

=0.8646W2-0.0853W1+784.06 ③
又W1+W2+W3=7411.5 ④
联立 ①②③④ 计算得 W1=2235.3 kg/h
W2=2480.82kg/h
W3=2739.05 kg/h
D1=2263 kg/h
与第一次计算结果比较，其相对误差为

与第一次计算结果比较，其计算相对误差均在0.05以下，故各效蒸发量的计算结果合理。其各效溶液无明显变化，不需要重新计算。
4.6.4 蒸发器传热面积的计算

误差为，迭代计算结果合理。
平均传热面积为

4.7 计算结果列表
表4.3 物料计算的结果
效次
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
冷凝器
加热蒸汽温度，0C
143.4
133.88
108.95
60.1
操作压力P'i,kPa
311
137
20
20
溶液温度（沸点）ti,0C
135.74
111.27
63.31

完成液浓度xi,%
20
28
45

蒸发量Wi，kg/h
2235.3
2480.82
2739.05

蒸气消耗量D，kg/h
2263

传热面积Si,m2
66.89
66.89
66.89

五、主体设备计算和说明

5.1 加热管的选择和管数的初步估计
根据加热管的型号选用：φ25×2.5mm
根据实际情况选择加热管长度选用：2m
初步估算所需管子数为n
n=
5.2 循环管的选择
循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减小的原则来考虑的。中央循环管式蒸发器的循环管截面积可取加热管总截面积的40%～100%。本次计算取90% 。
则循环管的总截面积为

根据上式结果，选取管径相近的标准管型号为φ426×12 mm
循环管的管长与加热管相等，为2 m。
5.3 加热管的直径以及加热管数目的确定
加热管的内径取决于加热管和循环管的规格、数目及在管板上的排列方式。
节热管在管板上的排列方式为正三角形
不同加热管尺寸的管心距查表得
表5.1 不同加热管尺寸的管心距
加热管外径
19
25
38
57
管心距
25
32
48
70

由上表查得型号为φ25×2.5mm的管心距为
t=32mm

估计加热管的内径

其中，
取
所以
表5.2 壳体的尺寸标准
壳体内径，
400～700
800～1000
1100～1500
1600～200
最小壁厚，
8
10
12
14
根据估算，及容器的公称直径表，试选用作为加热管的内径，并以此内径和循环管外径作同心圆，在同心圆的环隙中，按加热管的排列方式和管心距作图。有图可得，当内径为1000mm是，获得管数为918根，大于估算的管数，满足要求。所以加热管的直径为,总加热管数n=918。
5.4 分离室直径和高度的确定
5.4.1 分离室体积的计算式为

其中，U为蒸发体积强度，一般允许值为，在此取。
将工艺计算中二次蒸气的温度和流量以及根据温度所查得的二次蒸气的密度列于下
表5.3 二次蒸气相应密度
效次
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
二次蒸气温度
131.20
113.32
60.1
二次蒸汽流量Wi，kg/h
2235.3
2480.82
2739.05
二次蒸气密度
1.5038
0.82981
0.1307

依据上表数据，分别算出各效分离室数据

为方便起见，各效分离室的尺寸均取一致，所以体积V取最大值。
5.4.2 分离室的高度和直径的确定
确定需考虑的原则：
①　 分离式的高度与直径之比H/D=1~2。对于中央循环管式蒸发器，其分离室的高度一般不能小于1.8m，以保证足够的雾沫分离高度。分离室的直径也不能太小，否则二次蒸汽流速过大，将导致严重雾沫夹带。
②　 在允许条件下，分离室直径应尽量与加热室相同，这样可使结构简单，加工制造方便。
③　 高度与直径均匀应满足施工现场的安装要求。
则 H=2.41m
D=1.60m
5.5接管尺寸的确定
流体进出口计算

5.5.1 溶液的进出口
为统一管径，按第Ⅰ效的流量计算，溶液的适宜流速按强制流动算，即则

依据无缝钢管的常用规格选为φ25×2.5mm的标准管。
5.5.2 加热管蒸汽进出口与二次蒸气出口的确定
表5.4 流体的适宜流速
强制流体的液体，m/s
自然流体的液体，m/s
饱和蒸汽，m/s
空气及其他气体，m/s
0.8～15
0.08～0.15
20～30
15～20
饱和蒸汽适宜的流速
为统一管径，取体积流量最大的末效流量为计算管径的体积流量，则

依据无缝钢管的常用规格选用为φ530×12mm的标准管。
5.5.3 冷凝水进出口的确定
冷凝水的排出属于自然流动，

对于各效冷凝水密度可查的表
表5.5 各效冷凝水密度
效次
温度
冷凝水的密度
第Ⅰ效
135.96
930.1
第Ⅱ效
110.97
951.0
第Ⅲ效
63.31
986.0
分别计算各效冷凝水的管径：

为统一管径，取计算得到各效最大的管径为设计的管径，则

依据无缝钢管的常用规格选用直径为φ114×6mm的标准管。

六、附属设备的选择

6.1 气液分离器
根据蒸气流速和各气液体分离器的性能，选择惯性式除沫器作为气液分离器。
其主要尺寸确定为
除沫器内管的直径

且
除沫器外罩管的直径

除沫器外壳的直径

除沫器的总高度

除沫器内管顶部与器顶的距离

为设计方便取
6.2蒸汽冷凝器
选用多层多孔式冷凝器
尺寸确定
6.2.1冷却水量
冷却水进出口压力为20 kPa
取冷却水进出口温度为
由板式蒸汽冷凝器的性能曲线可查得1冷却水可冷却的蒸汽量为46.5kg

6.2.2冷凝器的直径
根据二次蒸气的体积流量以及二次蒸气的压强，由冷凝器内径与蒸气流量的关系图可查得D=450mm
6.2.3淋水板的设计
淋水板数：
D=450mm,取n=4
淋水板间距：
由公式L0 = D + （0.15～0.3）m
L
根据
则L

而，则淋水板间距符合条件
弓形淋水板的宽度：
B=0.9D=
B=0.5D+0.05=275mm
淋水板堰高：
D = 450mm；h=40mm
淋水板孔径：
冷却水循环使用，d取8 mm
淋水板孔数：

孔数应取整数，故为558根
考虑到长期操作时易造成孔的堵塞，最上层板的实际淋水孔数应加大10%~15%，为614~642根,其中各板孔数应加大5%，为586根。淋水孔采用正三角形排列。

七、 三效蒸发器主要结构尺寸和计算结果

7.1 蒸发器的主要结构尺寸的确定
表7-1 蒸发器的主要结构尺寸
加热管主要结构
设计尺寸
加热管（无缝钢管）管径规格
φ25×2.5 mm
加热管（无缝钢管）长度
2 m
加热管（无缝钢管)管数
918
循环管规格
Φ426×12 mm
加热室内径
1000 mm
分离室直径
1600mm
分离室高度
2400mm
溶液进出口管径
φ25×2.5 mm
7.2 气液分离器结构尺寸的确定
表7-2 气液分离器结构尺寸
气压分离器主要结构
设计尺寸
除沫器内管的直径
426 mm
除沫器外罩管的直径
639 mm

续表7-2
气压分离器主要结构
设计尺寸
除沫器外壳的直径
852 mm
除沫器内管顶部与器顶的距离
200 mm
7.3 蒸汽冷凝器主要结构的确定
表7-3 蒸汽冷凝器主要结构
蒸气冷凝器主要结构
设计尺寸
蒸汽冷凝器类型
多层多孔式冷凝器
冷却水量
71.85 m3/h
冷凝器的直径
450mm
淋水板数
4
淋水板间距L1
0.75m
淋水板间距L2
0.45 m
淋水板间距L3
0.27 m
淋水板间距L4
0.162m
弓形淋水板的宽度
275mm
淋水板堰高
40 mm
淋水板孔径
8 mm
淋水板孔数
558

八、设计心得

一个星期的课程设计就这样告一段落。在这一个星期内，我经过自己的努力和奋斗终于完成了蒸发装置的设计。话说回来这真的是不容易啊。想一想设计中遇到的困难，到现在还是难以忘记。我开始这个设计是在快要放暑假的最后一周。由于要放假了自己的情绪高涨，总是这么想：“早点设计完，早点收工。”在设计途中我们遇到了很多问题。但是黄天不负有心人。在通过自己问老师，积极与同学与学长交流，积极查资料这些原本以为是很困难的问题已经不是问题了。
在整个的设计过程中，我深刻的认识到查资料在整个课程设计中的重要性。通过这个设计我不但掌握了许多查资料的技巧而且了解了许多的物性知识。本设计需要大量的计算。我们必须以严谨的态度去对待这个设计，因为设计中的每一步计算要是出错的话必须返工。所以我们要严谨。不严谨的话将造成许多不必要的麻烦。记忆犹新的是计算各效的流量时。由于一个潜热数据的读错让我整整纠结了一天。这足以看出严谨的态度在设计中的重要性。在说一下画图吧，那天晚上我画图直到3点多才睡觉，累的要死。但是看这自己完成的图纸心里就会有莫名的高兴和突如其来的成就感。这也印证了那句歌词“阳光总在风雨后，请相信有彩虹”。总之，这次课程设计是历经千辛啊，就是在这千辛中使我的能力有了全方位的提高，这些提高对于我今后的学习、工作都有极大的帮助。“宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来”。

九、参考文献

[1] 夏清 陈常贵主编 [M].化工原理. 修改版 天津:天津大学出版社，2005.
[2] 柴诚敬 刘国维 李阿娜主编 [M].化工原理课程设计. 天津:天津科学技术出版社，1994.
[3] 魏崇光 郑晓梅主编 [M].化工工程制图. 北京:化工工业出版社，1994.
[4] 刘光启 马连湘 刘杰主编[M].化学化工物性数据手册. 北京:化工工业出版社，2002.
[5] 《化学工程手册》编辑委员会编[M].化学工程手册.第九篇-蒸发及结晶. 北京:化工工业出版社，1985.
[6] 张玉秀主编[M].化工仪表及自动化. 北京: 化学工业出版社.1986.
[7] 唐克中 朱同钧主编[M].画法几何及工程制图. 北京:高等教育出版社.2009.

附录A：并流加料三效蒸发器的物料衡算和热量衡算示意
T3

T3
F x0, t0
X1, t1
D1 T1
W1 ,T`1
W2 ,T`2
W3,T`3
X2, t2
X3, t3
W1
W2
T2
T2
T1
P`3
P`2
P`1

附录B：并流加料蒸发流程

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符号说明

α——对流传热系数，W/(㎡.℃)
——温度差损失，℃
——误差，
——阻力系数，
——导热系数，W/(㎡.℃)
——粘度，Pa.s
ρ——密度，kg/
——加和，
——系数，
希腊字母
c——比热容，kJ/(kg.h）
d——管径，m
D——直径，m
D——加热蒸汽消耗量，kg/h
F——进料量，kg/h
f——校正系数，
g——重力加速度，9.81
h——高度，m
下标：
1,2,3——效数的序号
0——进料的
i——内侧
m——平均
o——外侧
H——高度,m
K——总传热系数，℃)
L——加热管长度,m
L——淋水板间距，m
n——效数，第n效
P——压强，Pa
Q——传热速率，W
r——汽化潜热,kJ/kg
S——传热面积，㎡
R——热阻，㎡.℃/W
t——管心距，m
T——蒸汽温度，℃
u——流速，m/s
V——体积流量，
W——蒸发量，kg/h
W——质量流量，kg/h

致谢

首先，我要感谢在百忙之中抽出时间来给我们指导的老师，他就像指南针一样指引这我们，没有他，我们是不可能完成这次设计任务的；我还要感谢那些帮助过我的同学，学长，学姐，因为有他们我才能克服一个又一个在课程设计中出现的困难和疑惑，因为和他们的讨论我才能顺利的完成我的设计。老师，学姐，学长，那些帮助过我的同学，在这里我想说的是“谢谢你们！”请接受我真诚的谢意！