NaOH蒸发设计.doc

四 川 理 工 学 院

毕 业 设 计 说 明 书

题 目 200kt/a烧碱装置蒸发工段的初步设计（固碱）

四 川 理 工 学 院
毕业设计（论文）任务书

材料与化学工程 系 专业 班

题 目 200kt/a烧碱装置蒸发工段的初步设计（固碱）

一、设计(论文)的要求
1、进行工段工艺流程设计，绘制带主要控制点的工艺流程图；
2、进行工段物料、热量衡算并对结果列表（成图）；
3、确定工段设备（类型、尺寸），绘制主要设备的装配图；
4、编写工段工艺初步设计说明书。
二、设计（论文）的原始数据
三、参考资料及说明：
《化工工艺》、《氯碱工艺学》、《化工原理》
《化工工程手册》（蒸发与结晶）、《化工设计》
《化工计算》等及相关文献资料。

四川理工学院毕业设计
前言

I

目 录
前言 …………………………………………………………………………Ⅰ
第一篇 液碱 …………………………………………………………………1
第一章 总论 …………………………………………………………………1
一、产品 ………………………………………………………………………1
二、生产流程和生产方案的确定 ……………………………………………1
三、生产流程简述 ……………………………………………………………4
第二章 液碱的蒸发 …………………………………………………………5
一、物料衡算 …………………………………………………………………5
二、温差损失计算 ……………………………………………………………11
三、热量衡算 …………………………………………………………………13
四、迭代计算 …………………………………………………………………15
五、 闪蒸效 …………………………………………………………………32
第三章 蒸发器的结构和辅助设备设计 ………………………………………34
一、蒸发器的结构设计 ………………………………………………………34
二、蒸发器接管尺寸的确定 …………………………………………………36
三、蒸发辅助设备 ……………………………………………………………38
四、设备一览表 ………………………………………………………………41

第二篇 固碱 …………………………………………………………………42
第四章 总论 …………………………………………………………………42
一、产品 ………………………………………………………………………42
二、固碱生产概况 ……………………………………………………………43
三、锅式法固碱的生产原理 …………………………………………………43
四、锅式法固碱生产工艺流程叙述 …………………………………………44
第五章 物料衡算 …………………………………………………………45
一、计算依据 …………………………………………………………………45
二、物料衡算 …………………………………………………………………45
第六章 热量衡算 …………………………………………………………48
第七章、设备及配置 ………………………………………………………50
环保与安全 ……………………………………………………………………51
设计评述 ………………………………………………………………………52
参考文献 ………………………………………………………………………53
致谢 ……………………………………………………………………………55
附图
第一章 总论
第一篇 液碱
第一章 总论
一、产品

55

环保与安全
第二章 液碱的蒸发
一、物料计算
1.1计算依据：
（1）产品 200kt/a （折100%NaOH）
（2）年作业时间 7200小时
（3）原料碱：隔膜法电解工序来的碱液
NaOH NaCl H2O及其它 温度
10% 15.5% 74.5% 90℃
（4）三效蒸发器出来的成品碱
NaOH NaCl H2O及其它
44.7% 1% 54.3%
（5）加热蒸汽压力：08MP（绝）
（6）末效二次蒸汽压力：0.0145MP（绝）
（7）产量200kt/a（折100%NaOH） 200×1000×1000/300×24=27778kg/h
（8）由于实际生产过程中，考虑浴度8%，即
Fa=27778×（1+0.08）
=30000 kg/h
（10）1—3效流程示意简图如下

W1 H1‘ W2 H2 W3 H3
Ⅰ
Ⅲ
Ⅱ
F0Xa0t0

D T H
F1Xa1t1 F2Xa2t2 F3Xa3t3

G1 D T G2 D2T2 G3 D3T3
附图2-1-1流程示意简图

1.2、总物料衡算
1）以30000kg/h100%NaOH为计算基础
在蒸发过程中由于碱液中的杂质比较少可以忽略进行计算，洗水一般为0.5Fa。
进入蒸发系统的碱液量：
F0=Fa/Xa0=30000/0.1=300000 kg/h
则其中的： NaOH Fa= 300000×0.1=30000 kg/h
NaCl Fs= 300000×0.155=46500 kg/h
H2O Fw=300000×（1-0.1-0.155）=223500 kg/h
2）出蒸发系统的碱液量：
F3=Fa/Xa3=30000/0.447=67114.0940 kg/h
则其中的： NaOH 67114.0940×0.447=30000 kg/h
NaCl 67114.0940×0.01=671.1409 kg/h
H2O 67114.0940×0.543=36442.9530 kg/h
3）总蒸发水量：
W=FXw-Fa/Xa1×Xw1+0.5Fa
=202057.047kg/g
4）总的析盐量为：
Gs=F0Xso-Fa/Xa1×Xs1
=300000×0.155-30000/0.447×0.01
=45828.8591 kg/h

5）列出物料平衡表如2—1—1：
6）初步估计各效蒸发水量。三效逆流蒸发水量一般可设[1]
W1：W2：W3=1：1：1
由于 W1+W2+W3=W
解上述方程组得：W1=W2=W3=67352.3490 kg/h

表2—1—1 物料平衡表
进 入 蒸 发 系 统

出 蒸 发 系 统
电解
溶液
NaOH
30000
碱液
的量
NaOH
30000
NaCl
46500
NaCl
671.1409
H2O
223500
H2O
36442.9530

洗涤
水量
15000
蒸发
水量
202057.0470
析盐
量
45828.8591
合计
315000
合计
315000

1.3、各效的物料衡算
1.3.1第三效的物料衡算
估算其碱液的浓度为：Xa3=Fa/（F0-W3）
=30000/（300000-67352.349）
=0.1298
则可由下列关联式算出NaOH的浓度：
由于其溶液的沸点〈75 ℃ ，则采用[1]：
Xs3=0.2613721-0.6894598Xa3-0.7948191Xa23+2.465996Xa33
则 Xs3=0.1645
由于在蒸发过程中NaCl在溶液中始终处于饱和状态，所以析盐量为：
Gs3=Fa/Xa0×Xs0-Fa/Xa3Xs3
=30000/0.1×0.155-30000/0.1298×0.1645
=8244.1860 kg/h
核算碱液浓度： XL3=Fa/（F0-W3-Gs3）
=30000/（300000-67352.349-8244.186）
=0.1337
假设相对误差Z=0.001，若︳XL3-Xa3 ︳/Xa3〉Z，则重新设Xa3=XL3，代入上式
复上述计算，直至误差在允许范围内为止，算得三效的浓度和析盐量。
计算结果如表2-1-2
表2-1-2 计算数据表
Xa3
0.129
0.1337
0.1350
0.1353
Xs3
0.1645
0.1609
0.1599
0.1596
Gs3
8244.1860
10396.7898
10966.6667
11111.9734
XL3
0.1337
0.1350
0.1353
0.1354
Z
0.036
0.009
0.002
0.0007

由于0.0007〈0.001，所以 Xa3=0.1354
则 F3=Fa/Xa3=30000/0.1354=221565.7312 kg/h
即 Xw3=（Fw0-W3）/F3
=（223500-67352.349）

=0.7047
Xs3=1-0.1354-0.7047
=0.1599
表2-1-3 第三效物料平衡表
进 入 蒸 发 系 统

出 蒸 发 系 统
电解
溶液
NaOH
30000

碱液
的量
NaOH
30000
NaCl
35428.3604
NaCl

46500

H2O
156137.3708
蒸发
水量
67352.6292
H2O
223500
析盐
量
11071.6396
合计
300000
合计
300000

其中： NaOH 221565.7312×0.1354=30000 kg/h
NaCl 221565.7312×0.1599=35428.3604 kg/h
H2O 221565.7312×0.7047=156137.3708 kg/h
析盐量为：Gs3=F0Xs0-F3Xs3
=300000×0.155-221565.7312×0.1599
=11071.6369 kg/h
第三效的物料平衡如表2-1-3
1.3.2、第二效进行物料衡算
估算第二效的碱液的浓度为
Xa2=Fa/（F3-W2+15000）
=30000/（221565.7312-67352.349+15000）
=0.1773
则可由下列关联式算出NaOH的浓度：
由于其溶液的沸点〉75 ℃ ，则采用[1]：
Xs2=0.285252-0.8860123Xa2+0.228191Xa22+0.855736Xa23
则 Xs2=0.1401
由于在蒸发过程中NaCl在溶液中始终处于饱和状态，所以析盐量为：
Gs2=Fa/Xa3×Xs3-Fa/Xa2Xs2
=30000/0.1354×0.1599-30000/0.1773×0.1401
=11722.7766 kg/h
核算碱液浓度： XL2=Fa/（F3-W2-Gs2+W＇）
=30000/（221565.7312-67352.349-8244.186+15000）
=0.1905
表2--4计算数据表
Xa2
0.1773
0.1905
01943
0.1954
0.1957
Xs2
0.1401
0.1307
0.1280
0.1272
0.1270
Gs2
11722.7766
14845.6832
15665.1077
15899.1895
15959.7861
XL2
0.1905
0.1943
0.1954
0.1957
0.1958
Z
0.0745
0.0199
0.0057
0.0015
0.0005

假设相对误差Z=0.001，若︳XL2-Xa2 ︳/Xa2〉Z，则重新设Xa2=XL2，代入上式重复上述计算，直至误差在允许范围内为止算得三效的浓度和析盐量。计算结果如下表2-2-4
由于0.0005〈0.001 ，则Xa2=0.1958 Xs2=0.127
Gs2=15959.7861 kg/h
F2=Fa/Xa2=30000/0.1958=153217.5689 kg/h
其中 NaOH 153217.5689×0.1958=30000 kg/h
NaCl 153217.5689×0.127=19458.6313 kg/h
H2O 153217.5689×0.6772=103758.9377 kg/h
则蒸发水量为：
W2=Fw3-Fw2+15000
=156137.3708-103758.9377+15000
=67378.4331 kg/h
对于第二效列物料平衡表 如表2-1-5
表2-1-5 第二效物料平衡表
进 入 蒸 发 系 统

出 蒸 发 系 统
电解
溶液
NaOH
30000
碱液
的量
NaOH
30000
NaCl
35428.3604
NaCl
19458.6313
H2O
156137.3708
H2O
103578.9337

洗涤
水量
15000
蒸发

水量
67378.4331
析盐
量
15689.8431
合计
236565.7312
合计
236565.7312

1.3.3、第一效作物料衡算
进入蒸发器的物料：
其中： NaOH 30000 kg/h
NaCl 19458.6313 kg/h
H2O 103578.9337 kg/h
离开蒸发器的碱液：
其中： NaOH 30000 kg/h
NaCl 671.1409 kg/h
H2O 36442.953 kg/h
蒸发水量为：
W3=103578.9337-36442.953=67135.9807 kg/h
析盐量为：
Gs3=19458.6313-671.1409=18787.4904 kg/h
第一效的物料平衡如表2-1-6
表2-1-6 第一效物料平衡表
进 入 蒸 发 系 统

出 蒸 发 系 统

电解
溶液

NaOH
30000
碱液
的量
NaOH

30000
NaCl
671.1409
NaCl
19458.6313
H2O
36442.9530
蒸发
水量
67135.9807
H2O
103578.9337
析盐
量
18787.4904
合计
153037.565
合计
153037.565

二、温差损失计算

2.1、估算各效二次蒸汽压力（温度）
估算各效二次蒸汽压力、温度；选定加热蒸汽压力P1=0.8MP（绝）和末效压力P3=0.0145MP（绝），各效以等压差进行分配[2]，即
△P=（P1-P3）/3=0.2618MP
P1＇=P1- △P=0.8-0.2618=0.5382MP
P2＇=P1- 2△P=0.8-2×0.2618=0.2764MP
P3＇=P1-3×△P=0.8-3×0.2618=0.146MP
根据《化工原理》[3]查得
P1＇=0.5382MP(绝) T1＇=154.4℃ 　　r1＇=2104.8kJ/kg
P2＇=0.2764MP(绝) T2＇=130.4℃ r2＇=2176.3kJ/ kg
P3＇=0.0146MP(绝) T3＇=52.7℃ r3＇=2371.5kJ/kg

2.2、溶液中因溶质浓度引起的温度损失
常压下溶液的沸点升高为[2]:
△0＇=2.671111-39.64219X+445.4087X2-448.1834X3
二次蒸汽压力下沸点升高的修正系数为[2]:
f=0.0162(T＇+273)2/R
二次蒸汽压力下溶液沸点升高为[2]:
△＇=f△0＇
则 △1＇=47.9℃
　 △2＇=10.5℃
△3＇=4.1℃
2.3、因溶液液柱静压引起温差损失
因溶液液柱静压引起温差损失（ △＇＇）：蒸发器操作时，溶液常呈气液混合状态，密度比较小，理论计算结果往往偏高，故根据经验选用：
△1＇＇＝ △2＇＇＝ △3＇＇＝1.5℃
2.4、各效之间管路助力引起的温差损失
由于各效之间管路助力引起的温差损失[1]：一般每两效之间的损失可取为1℃
2.5、各效溶液的沸点
各效溶液的沸点[1]：蒸发器内溶液的沸点等于蒸发室二次蒸汽温度加上沸腾升高值，因此
一效： tL=T1+△1＇+△1＇＇=203.80℃
二效： t2=T2+△2＇+△2＇＇=142.40℃
三效： t3=T3+△3＇+△3＇＇=57.50℃

三、热量衡算
在蒸发过程中，NaOH溶液浓缩热、盐结晶析出热与盐泥带出热与总的热量消耗相比约为1%左右，所以在计算时这部分热量作为热损失考虑。另外，料液带入热量为：
（ Fa/X0）Cp0T0=（FaCp0Cpw/X0Cpw）T0
3.1、蒸发水量
即Fa/X0（kg）料液所含热量相当于FaCp0/X0Cpw（kg）水所含热量，FaCp0/X0Cpw称为料液的当量水量，下面进行热量衡算时以料液当量水量代替料液量，先不记热损失。
对于第一效进行热量衡算。进入蒸发器热量：
新鲜蒸汽带入热量： D0H0
料液带进热量： （FaCp0/X0Cpw-WL2-WL3+Wˊ）CpwtL2
Cpo、Cpw分别为料液、水的定压比热容，kJ/（kg. ℃）
Cpo、Cpw查《化工工艺手册》[4]分别为4.062 kJ/（kg. ℃）、4.220 kJ/（kg. ℃）
出蒸发器的热量：
二次蒸汽带出热量： WL1H1
蒸汽冷凝水带出热量： D0CPW T0
出料液带出热量： （FaCp0/X0Cpw-WL1-WL2-WL3+Wˊ）CpwtL3
根据热量平衡，进入蒸发器的等于离开蒸发器的热量，则有：
D0H0+（FaCp0/X0Cpw-WL2-WL3+Wˊ）CpwtL2= WL1H1+ D0CPW T0+（FaCp0/X0Cpw-WL1-WL2-WL3+Wˊ）CpwtL3
则 WL1=D0（H0-CPWT0）/（H-CPWtL1）+（FaCp0/X0Cpw-WL2-WL3+Wˊ）Cpw（tL2-tL1）/（H-CPWtL1）
令： （H0-CPWT0）/（H1-CPWtL1）= RD/R1
（tL2-tL1）/（H1-CPWtL1）=N1
同理： （H1-CPWT1）/（H2-CPWtL2）= R1/R2
（H2-CPWT2）/（H3-CPWtL3）= R2/R3
（tL3-tL2）/（H2-CPWtL2）=N2
（tL0-tL3）/（H3-CPWtL3）=N3
考虑热损失，溶液浓缩热等都记入热损失中，故取热利用系数为[3]η=0.96～0.98：取经验值为η1= η2=η3=η=0.97
一效蒸发水量为：
WL1=[D RD/R1 +（FaCp0/X0Cpw-WL2-WL3+Wˊ）Cpw N1] η1
同理二、三效蒸发水量为：
WL2=[ WL1R1/R2 +（FaCp0/X0Cpw-WL3+Wˊ）Cpw N2] η2
WL3=[ WL2R2/R3 +（FaCp0/X0Cpw）Cpw N3] η3
由于 RD/R1=2052.7/2104.8=0.9752
R1/R2=2104.8/2176.3=0.9671
R2/R3=2176.3/2371.5=0.9177
N1 =（142.4-203.8）/2104.8=-0.02917
N2=（57.5-142.4）/2176.3=-0.039
N3=（90-57.5）/2371.5=-0.0137
将其数代入前面的式子得：
WL1=[0.9752D+（288767.7725-WL2-WL3+15000）Cpw N1] η1
WL2=[ WL1R1/R2 +（FaCp0/X0Cpw-WL3+Wˊ）Cpw N2] η2
WL3=[ WL2R2/R3 +（FaCp0/X0Cpw）Cpw N3] η3
解之上述方程组的： D=124373.4212kg/h
WL1=94563.5597kg/h
WL2=49889.0334kg/h
WL3=60604.4539kg/h

3.2、总的有效温差及其在各效的分配
1）总有效温差等于新鲜蒸汽与三效二次蒸汽的温差与总的温差损失之差，即
∑△t=T-TK-∑△＇-∑△＇＇-∑△＇＇＇
=170.4-52.7-62.5-4.5-3
=47.7℃
2）各效传热量：
一效： Q1=D0.R0 =124373.4212×2052.7=70917033.8W
二效： Q2=WL1.R1=94563.5597×2104.8=55288166.24W
三效： Q3=WL2.R2=49889.0334×2176.3=30159306.5W
3）有效在各效中的分配，蒸发器的传热系数取经验数据[2]：
K1=4610W/（m2K） K2=3210W/（m2K） K3=2760W/（m2K）
由于 ∑△t=Q1/K1A1+Q2/K2A2+Q3/K3A3
由于在三效逆流过程中三效的传热面积比其为[2]：0.38：1：1
设A3=A则有A2=A、A1=0.38A
则 ∑△t=（Q1/0.38K1+Q2/K2+Q3/K3）/A
解之得： △t1=28.7℃ △t2=11.6℃ △t3=7.4℃
4）各效溶液的沸点及各效的二次蒸汽温度[1]。
Ⅰ效溶液沸点： t1=T0-△t1=141.7℃
Ⅰ效二次蒸汽温度： T1＇=t1-△＇-△＇＇=92.3℃
Ⅱ效溶液沸点： t2=T＇1-1-△t2=79.7℃
Ⅱ效二次蒸汽温度： T2＇=t2-△＇-△＇＇=67.7℃
Ⅲ效溶液沸点： t3=T2＇-1-△t3=59.4℃
相应的二次蒸汽压强查《化工原理》得
PL1＇=0.7648MPa PL2＇=0.02821MPa
由于第三效的二次蒸汽的压力知为0.0145MP，温度为53.7℃
误差条件[1]：︳PL1＇-P1＇ ︳/P1＇P1＇>Z1所以进行重新计算.则重新设P1＇=Pl1＇, P2＇=Pl2＇, W1=Wl1,W2=Wl2, W3=WL3代入前面式开始重复上述计算，直至误差全部在允许范围内为止。

四、迭代计算
4.1、 第一次迭代计算
4.1.1、 物料衡算
1）第三效的物料衡算
估算其碱液的浓度为：Xa３=Fa/（F0-W3）
=30000/（300000-60604.4539）
=0.1253
则可由下列关联式算出NaOH的浓度：
由于其溶液的沸点〈75 ℃ ，则采用：
Xs3=0.2613721-0.6894598Xa3-0.7948191Xa32+2.465996Xa33
则 Xs３=0.1674
由于在蒸发过程中NaCl在溶液中始终处于饱和状态，所以析盐量为：
Gs０=Fa/Xa０×Xs０-Fa/Xa３Xs３
=30000/0.1×0.155-30000/0.1253×0.1674
=6420.1915kg/h
核算碱液浓度： XL３=Fa/（F０-W３-Gs３）
=30000/（300000-60604.4539-6420.1915）
=0.1288
假设相对误差Z=0.001，若︳XL３-Xa３ ︳/Xa３〉Z，则重新设Xa３=XL３，代入上式重复上述计算，直至误差在允许范围内为止。
计算结果如表2-4-1
表2-4-1 计算数据表
Xa3
0.1253
0.1288
0.1297
0.1300
Xs3
0.1674
0.1647
0.1640
0.1637
Gs3
6420.1915
8138.1988
8566.3069
8723.0770
XL3
0.1288
0.1297
0.1300
0.1301
Z
0.028
0.0069
0.002
0.00077

由于0.00077〈0.001，所以 Xa3=0.1300
则 F3=Fa/Xa3=30000/0.13=230769.2308 kg/h
即 Xs3=0.1637
Gs3=8723.077 kg/h
Xw3=01-0.13-0.1637=0.7063
其中： NaOH 230769.2308×0.1300=30000 kg/h
NaCl 230769.2308×0.1637=37776.9231 kg/h
H2O 230769.2308×0.7063=162992.3077 kg/h
析盐量为：Gs3=8723.077 kg/h
蒸发水量为： W3=223500-162992.3077=60507.6923 kg/h
第三效的物料平衡如表2-4-2

表2-4-2 第三效物料平衡表
进 入 蒸 发 系 统

出 蒸 发 系 统

电解
溶液

NaOH
30000
碱液
的量
NaOH
30000
NaCl
37776.923
NaCl
46500
H2O
162992.3077
蒸发
水量
60507.6923
H2O
223500
析盐
量
8723.077
合计
315000
合计
315000

2）第二效的物料衡算
估算第二效的碱液的浓度为
Xa2=Fa/（F3-W2+15000）
=30000/（230769.2308-49889.0334+15000）
=0.1532
则可由下列关联式算出NaOH的浓度：
由于其溶液的沸点〉75 ℃ ，则采用：
Xs2=0.285252-0.8860123Xa2+0.228191Xa22+0.855736Xa23
则 Xs2=0.1579
由于在蒸发过程中NaCl在溶液中始终处于饱和状态，所以析盐量为：
Gs2=Fa/Xa3×Xs3-Fa/Xa2Xs2
=30000/0.13×0.1637-30000/0.1532×0.1579
=6858.5575kg/h
核算碱液浓度： XL2=Fa/（F3-W2-Gs2+W＇）
=
=0.1587
假设相对误差Z=0.001，若︳XL2-Xa2 ︳/Xa2〉Z，则重新设Xa2=XL2，代入上式重复上述计算，直至误差在允许范围内为止，算得三效的浓度和析盐量。计算结果如下表一
表2-4-3 计算数据数据表
Xa
0.1532
0.1587
0.1603
0.1607
Xs
0.1579
0.1538
0.1526
0.1523
Gs
6858.5575
8703.1990
9217.971
9345.6024
XL
0.1587
0.1603
0.1607
0.1608
Z
0.0359
0.01
0.002
0.0006

由于0.0006〈0.001 ，则Xa2=0.1607 Xs2=0.1523
Gs2=9345.0624 kg/h
F2=Fa/Xa2=30000/0.1958=186683.2607 kg/h
其中： NaOH 186683.2607×0.1607=30000 kg/h
NaCl 186683.2607×0.1523=28431.8606 kg/h
H2O 186683.2607×0.687=128251.4001 kg/h
表2-4-4 第二效物料平衡表
进 入 蒸 发 系 统

出 蒸 发 系 统
电解
溶液
NaOH
30000
碱液
的量
NaOH
30000
NaCl
35428.3604
NaCl
28431.8606
H2O
156137.3708
H2O
128251.4001
洗涤
水量
15000
蒸发
水量
42885.9707
析盐
量
9345.0624
合计
236565.2308
合计
245769.2308

则蒸发水量为：
W2=Fw3-Fw2+15000
=156137.3708-128251.4001+15000
=42885.9707 kg/h
对于第二效列物料平衡如表2-4-3：
3）第一效作物料衡算
进入蒸发器的物料：
其中： NaOH 30000 kg/h
NaCl 28431.8606 kg/h
H2O 128251.4001 kg/h
离开蒸发器的碱液：
其中： NaOH 30000 kg/h
NaCl 671