蒸发器设计.docx
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蒸发器设计
蒸发器设计
NaOH水溶液蒸发装置的设计
第一章前言
?
1?
1蒸发及蒸发用途
蒸发是采用加热的方法，使含有不挥发性杂质（如盐类）的溶液沸腾，除去其中被汽化单位部分杂质，使溶液得以浓缩的单元操作过程。
蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性物质的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。
化工生产中蒸发主要用于以下几种目的:
1、获得浓缩的溶液产品;
2、将溶液蒸发增浓后，冷却结晶，用以获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品;
3、脱除杂质，获得纯净的溶剂或半成品，如海水淡化。
进行蒸发操作的设备叫做蒸发器。
蒸发器内要有足够的加热面积，使溶液受热沸腾。
溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动，被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。
蒸发器内备有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，应将其在冷凝器中加以冷凝。
?
1?
2蒸发操作的分类
按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。
按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。
若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸气，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。
多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。
按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。
真空蒸发有许多优点:
（1）、在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积;
（2）、可以利用低压蒸气作为加热剂;
（3）、有利于对热敏性物料的蒸发;
（4）、操作温度低，热损失较小。
?
1?
3蒸发操作的特点
从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸气冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。
但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点:
（1）沸点升高蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较
1
NaOH水溶液蒸发装置的设计
同温度下纯溶剂的蒸气压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，这种现象称为
溶液沸点的升高。
在加热蒸气温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定
小于加热唇溶剂的纯热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。
（2）物料的工艺特性蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能
析出晶体，或易于结垢;有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。
如何根据
物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考
虑的问题。
（3）节约能源蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸气。
如何充分利
用热量，提高加热蒸气的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。
2
NaOH水溶液蒸发装置的设计
第二章蒸发器的设计方案的选择及流程说明?
2?
1蒸发设备的选择
本次设计采用中央循环管式蒸发器:
结构和原理:
其下部的加热室由垂直管束组成，中间由一根直径较大的中央循环管。
当管内液体被加热沸腾时，中央循环管内气液混合物的平均密度较大;而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。
在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，而由加热管上升，做自然循环流动。
溶液的循环流动提高了沸腾表面传热系数，强化了蒸发过程。
优点:
蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠，应用广泛，有"标准蒸发器"之称。
缺点:
由于结构上的限制，其循环速度一般在0.4,0.5m/s以下;蒸发器内溶液浓度始终接近完成液组成，因而溶液的沸点高、有效温度差减小;设备清洗和维修不够方便。
为使溶液有良好的循环，中央循环管的截面积，一般为其余加热管总截面积的40%,100%;加热管的高度一般为1,2m;加热管径多为25,75mm之间。
?
2?
2蒸发效数及加料的选择
本次设计采用三效并流加料蒸发:
虽然随效数的增加，传质推动力?
，温度差损失。
但从经济效益角度考虑，多效蒸发提高了加热蒸汽的利用率，随效的增加，单位蒸汽的消耗量减少，使操作费用降低;另一方面，随效数的增加，虽然（D/W）不断减小，但所节省min
的蒸汽量也越来越少。
对于NaOH溶液来说由8%浓缩到25%，采用三效蒸发总费用最低。
逆流加料法适宜处理粘度随温度、组成比那话较大的溶液，不宜处理热敏性溶液。
并流加料的优点:
1、后效蒸发室的压强比前效低，故溶液再效间输送可利用压强差，不用外泵;
2、后效溶液沸点较前效的低，故前效溶液进入后效时，会因过热而自动蒸发，
可多产生一部分二次蒸汽。
?
2?
3三效并流加料蒸发流程
图1所示是由由三个蒸发器组成的三效并流加料的流程示意图。
溶液和蒸汽的流向相同，即都由第一效顺序流至末效,故称为并流加料法。
具体流程如下:
原料液进入第一效蒸发器，水蒸汽通入第一效加热室，蒸发出的二次蒸汽进入第二效的加热室作为加热蒸汽，第二效的二次蒸汽又进入第三小的加热室作为加热蒸汽，第三效（末效）的二次蒸汽则送至冷凝器全部冷凝，
3
NaOH水溶液蒸发装置的设计
浓缩后的溶液由底部排出，一次流过后面各效时即被连续不断的浓缩，完成液由末效底部取出，浓缩完成。
多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在减压下操作，在加压蒸发中，所得到的二次蒸气温度较高，可作为下一效的加热蒸气加以利用，减少水蒸汽的用量。
图1、三效并流加料的流程示意图
4
NaOH水溶液蒸发装置的设计
第三章蒸发器的工艺计算?
3?
1蒸发液浓度及完成液浓度的计算
3）.原料液流量:
F=F/n=5500*10/7200=763.9（Kg/h）（10
0.05,,总蒸发量:
W===597.8（Kg/h）763.9*1,,,0.23,,
（2）.并流加料蒸发中无额外蒸汽引出,可设W:
W:
W=1:
1.1:
1.2123
而W=W+W+W=597.8kg/h123
由以上三式可得:
W=181.2kg/h;1
W=199.3kg/h;2
W=217.4kg/h;3
x=0.066;x==0.110;x=0.25123
?
3?
2各效溶液的沸点和有效总温差的计算设定各效压力，以求各效溶液沸点，按各效等压降原则，
即，?
P=（P-P）/3=（500-20）/3=160KPa;1k
则P=340Kpa;P=180Kpa;P=20Kpa;123
由各效的二次蒸汽压强，从手册中查的相应的二次蒸汽温度和汽化潜热列与下表
中:
效数第一效第二效第三效
34018020二次蒸汽压强Pi（Kpa）
137.7116.660.1二次蒸汽温度Ti（?
）
215522142355二次蒸汽的汽化潜热ri（KJ/Kg）
多效蒸发器中的有效传热总温度差可以用下式计算:
,,,,tTT，，,,1k
公式中:
——有效总温差，为各效有效温度差之和?
t,
——第一效加热蒸汽的温度?
T1
——冷凝器操作压强下二次蒸汽的饱和温度?
Tk
——总的温度差损失，为各效温度差损失之和?
,
//////,,,，,，,,,,,
/,
（1）各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失
5
NaOH水溶液蒸发装置的设计
杜林规则:
某溶液的沸点和相同压强下标准液体（一般为水）的沸点呈线性关系。
对第一效而言:
?
常压下浓度为5%的NaOH溶液的沸点为=101?
.所以?
=1?
.T常A
二次蒸汽为340Kpa下的饱和温度变为T′=137.7?
，r′11
2137.7273，，，′=2155KJ/Kg，?
′=f?
=0.0162*=1.27?
.*11常2155
gL1.014*9.81*1.5av1?
液层平均压力=340+=347.5Kpa。
，PPav1122
/此压力下水的沸点为138.7?
=138.7-137.7=1?
。
1
则第一效中溶液沸点t=137.7+1.27+1+1=141?
1
对第二效而言:
?
常压下浓度为11%NaOH溶液的沸点T=102.5?
B
?
′常=2.5?
P=180Kpa,水的沸点为116.6?
，
2116.6273，，，′r′=2214KJ/Kg，?
′=f?
=0.0162*=2.8?
*2.52常22214
gL1.06*9.81*1.5av2?
液层平均压力=180+=187.8Kpa。
，PPav2222
//此压力下水的沸点为118?
=118-116.6=1.4?
2
则第二效中溶液沸点t=116.6+2.8+1.4+1=121.8?
2
对第三效而言:
?
常压下浓度为25%的NaOH溶液的沸点为Tc=103?
.
所以?
′=3?
.二次蒸汽为20Kpa下的饱和温度变为T′3常3
=60.2?
，r′=2355KJ/Kg，3
260.2273，，，′?
′=f?
=0.0162*=2.3?
.*33常2355
gL1.239*9.81*1.5av3?
液层平均压力=20+=29.1Kpa。
此,，PPav3322
///压力下水的沸点为71.5?
=71.5-60.1=11.4?
。
3
则第三效中溶液沸点t=60.2+2.3+11.4+1=75?
3
6
NaOH水溶液蒸发装置的设计
///////所以1+1.4+11.3=13.7?
,,，,，,,,123
根据各效溶液平均压强查的对应的饱和溶液温度为:
=138.4?
Tpav1
=118?
Tpav2
=65.9?
Tpav3
/=138.4-137.7=0.7?
,,TT111pav
//=118-116.6=1.4?
,,TT222pav
///=65.9-60.1=5.8?
,,TT333pav
////////=0.7+1.4+5.8=7.9?
,,，,，,,123
///
（2）流体阻力产生的压降引起的温度差损失,
/////////取经验值1?
，即1?
,,,,,123
///=3?
,
故蒸发装置总的温度差损失为:
//////=13.7+7.9+3=24.6,,,，,，,,,,,
?
3?
3加热量、各效蒸发量及蒸发器传热面积的计算
第一效:
沸点加料:
t=t=141?
01
热利用系数:
=0.94-0.7（0.066-0.05）=0.929,1
P=500KPa下，加热蒸汽的汽化热r=2113KJ/Kg，1
/=2155KJ/Kgr1
2113W=ηD0.929D=0.911D111112155
=0.94-0.7（0.11-0.066）=0.910第二效:
2
r=r′=2155KJ/Kg，21
沸点:
t=121.8?
，
对应二次蒸汽汽化热r′=2214KJ/Kg，2
7
NaOH水溶液蒸发装置的设计
W=η22
2155141121.8,，，=0.910WW，,763.9*3.852*4.187，，11,,22142214，，
=0.910（0.973w+25.52-0.036w）11
=0.853w+23.221
第三效:
=0.94-0.7（0.25-0.11）=0.842,3
r=r′=2214KJ/Kg，32
沸点:
t=75?
，
对应二次蒸汽汽化热r′=2355KJ/Kg，3
W=η33
2214121.875,，，=0.842WWW，,，763.9*3.852*4.187，，，，2121,,23552355，，
=0.842[0.940w+58.48-0.083（w+w）]212
=0.721w-0.070w+49.2521因为W=W+W+W=597.8kg/h123
由以上三式可得:
W=212.2kg/h;1
W=204.2kg/h;2
W=181.5kg/h;3
D=232.9kg/h;1
?
各效传热面积
232.9*2113*1000A===8.52?
11500*3600151.7141,，，
Wr212.2*2155*100012A===7.99?
2,tK1000*3600137.7121.8,，，22
Wr204.2*2214*100023A===5.03?
2,tK600*3600116.675,，，33
误差为:
S5.03min0.41误差较大，应调整各效的有效温度，重复上述计算过程1,,,,1S8.52max
8
NaOH水溶液蒸发装置的设计
?
3?
4核算并重新计算
核算第一次计算结果，由于AAA需重新分配各效温度，再次设定蒸发123，量，重新计算。
?
重新分配各效温度差，使AAA=A123
则t′=;t′=;t′=123
8.52*10.77.99*15.95.03*41.6，，A===6.27?
68.2
8.52*10.7t′===1.337?
168.2
7.99*15.9t′===1.863?
268.2
5.03*41.6t′===3.068?
368.2
?
重复上述步骤计算
?
由所求各效蒸汽量求各效溶液浓度
763.9*0.05Fx=（F-w）xx===0.0690111763.9212.2,
Fx=（F-w-w）xx===0.1101222
0.23x,3
?
计算各效沸点
末效溶液沸点不变，即t=75?
3
由于t′=3.068?
，3
则第三效加热蒸汽温度T=T′=75+3.068=78.068?
32
第二效T′=78.068?
，x=0.11，查杜林曲线得，t=78.375?
22A2
所以t=78.375+1.4+1=80.77?
2
同理，由t=80.77?
t′=1.863?
，则T=T′=80.77+1.863=82.63?
，2221
由T′=82.63?
，x=0.06911
查杜林曲线得，t=82.33?
所以t=82.33+1+1=84.33?
A11
9
NaOH水溶液蒸发装置的设计
整理以上数据可得如下:
123效数
84.3380.7775溶液沸点t（?
）i
151.782.6378.07加热蒸汽温度T（?
）i
1.3371.8633.068有效温度差（?
）
表1?
各效焓的衡算
123效数
82.6378.0760.1二次蒸汽的温度T（?
）i
2271.32277.42355二次蒸汽的汽化潜热r（KJ/Kg）i
表2
?
各效蒸发量计算
第一效:
热利用系数:
η=0.94-0.7（0.069-0.05）=0.9271
P=500KPa下，加热蒸汽的汽化热r=2113KJ/Kg，1
2113W=ηD0.927D=0.862D111112271.3第二效:
η=0.94-0.7（0.11-0.069）=0.9112
r=r′=2271.3KJ/Kg，21
对应二次蒸汽汽化热r′=2277.4KJ/Kg，2
W=η22
2271.384.3380.77,，，=0.911WW，,763.9*3.852*4.187，，11,,2277.42277.4，，
=0.911（0.990w+4.6）1
=0.901w+4.191
第三效:
η=0.94-0.7（0.23-0.11）=0.8563
r=r′=2277.4KJ/Kg，32
沸点:
t=75?
，
对应二次蒸汽汽化热r′=2355KJ/Kg，3
10
NaOH水溶液蒸发装置的设计
W=η33
2277.480.7775,，，=0.856WWW，,，763.9*3.852*4.187，，，，212,,23552355，，
=0.856[0.967w+7.21-0.01（w+w）]212
=0.827w-0.00856w+6.1721
因为w+w+w=597.8123
联立解得:
w=221.3kg/h;1
w=203.6kg/h;2
w=172.8kg/h;3
D=256.7kg/h;1
?
各效传热面积
256.7*2113*1000A===7.51?
11.337*1500*3600
Wr221.3*2271.3*100012A===7.49?
2,tK1.863*1000*360022
Wr203.6*2277.4*100023A===7.19?
2,tK3.068*600*360033
7.191-=1-=0.0420.05，所以符合要求7.51
7.517.497.19，，A===7.4?
3
计算结果
123效数冷凝器
151.782.6378.0760.1加热蒸汽温度?
347.5187.829.120操作压强P（Kpa）i
84.3380.7775溶液沸点t（?
）i
0.0690.1123完成液浓度%
221.3203.6172.8蒸发水量WKg/hi
256.7生成蒸汽量DKg/hi
27.407.407.40传热面积A（m）i
11
NaOH水溶液蒸发装置的设计
第四章蒸发器的设备尺寸设计
?
4?
1加热管的选择和管数的初步估计
由蒸发器的加热管通常选用38*2.5mm无缝钢管。
加热管的长度一般为0.6—2m，但也有选用2m以上的管子。
管子长度的选择
应根据溶液结垢后的难以程度、溶液的起泡性和厂房的高度等因素来考虑，
易结垢和易起泡沫溶液的蒸发易选用短管。
根据我们的设计任务和溶液性
质，我们选用以下的管子。
可根据经验我们选取:
L=2m，38*2.5mm
可以根据加热管的规格与长度初步估计所需的管子数n’，
A7.40'=33（根）,,n,3,,,,**（0.1）*38*10*（2.00.1）dL0
2式中S----蒸发器的传热面积，m，由前面的工艺计算决定（优化后的面积）;
d----加热管外径，m;0
L---加热管长度，m;
因加热管固定在管板上，考虑管板厚度所占据的传热面积，则计算n’时的管长应用（L—0.1）m.
?
4?
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考虑的。
我们选用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%。
加热管的总截面积可按n’计算。
循环管内径以D1表示，则
2,,2'Dn,，，，（40%~100%）di144
'所以mmDnd,，，,，，,（0.4~1）0.83338195.2i1
对于加热面积较小的蒸发器，应去较大的百分数。
选取管子的直径为:
37710，mm循环管管长与加热管管长相同为2m。
按上式计算出的D1后应从管规格表中选取的管径相近的标准管，只要n和n’相差不大。
循环管的规格一次确定。
循环管的管长与加热管相等，循环管的表面积不计入传热面积中。
?
4?
3加热室直径及加热管数目的确定
加热室的内径取决于加热管和循环管的规格、数目及在管板撒谎能够的排列方式。
加热管在管板上的排列方式有三角形排列、正方形排列、同心圆排列。
根据我们的数据表加以比较我们选用三角形排列式。
管心距t为相邻两管中心线之间的距离，t一般为加热管外径的1.25—1.5倍，
12
NaOH水溶液蒸发装置的设计
目前在换热器设计中，管心距的数据已经标准化，只要确定管子规格，相应的管心距则是定值。
我们选用的设计管心距是:
确定加热室内径和加热管数的具体做
n法是:
先计算管束中心线上管数nc，管子安正三角形排列时，nc=1.1*;其中n为总加热管数。
初步估计加热室Di=t（nc-1）+2b’,式中b’=（1—1.5）d.然0后由容器公称直径系列，试选一个内径作为加热室内径并以该内径和循环管外景作同心圆，在同心圆的环隙中，按加热管的排列方式和管心距作图。
所画的管数n必须大于初值n’，若不满足，应另选一设备内径，重新作图，直至合适。
由于加热管的外径为38mm，可取管心距为48mm;以三角形排列计算
，b’=（1—1.5）d=1.5*d，nn,,,1.11.1336.300c
Di=t（nc-1）+2b’=48*（13-1）+2*38*1.5=690mm，选取加热室壳体内径为800mm壁厚为12mm;
?
4?
4分离室直径与高度的确定
分离室的直径与高度取决于分离室的体积，而分离室的体积又与二次蒸汽的体积流量及蒸发体积强度有关。
WV计算式为:
分离室体积V的3600,U，，
3式中V-----分离室的体积，m;
W-----某效蒸发器的二次蒸汽量，kg/h;
3，-----某效蒸发器二次蒸汽量，Kg/m,
33U-----蒸发体积强度，m/（m*s）;
即每立方米分离室体积每秒产生的二次蒸汽量。
一般用允许值为U=1.1~1.533m/（m*s）
根据由蒸发器工艺计算中得到的各效二次蒸汽量，再从蒸发体积强度U的数值范围内选取一个值，即可由上式算出分离室的体积。
一般说来，各效的二次蒸汽量不相同，其密度也不相同，按上式计算得到的分离室体积也不会相同，通常末效体积最大。
为方便起见，各效分离室的尺寸可取一致。
分离室体积宜取其中较大者。
确定了分离室的体积，其高度与直径符合
2VDH关系，确定高度与直径应考虑一下原则:
，，4
（1）分离室的高度与直径之比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少，否则二次蒸汽流速过大，导致雾沫夹带现象严重。
（2）在条件允许的情况下，分离室的直径尽量与加热室相同，这样可使结构简单制造方便。
33（3）高度和直径都适于施工现场的安放。
现取分离室中U=1.2m/（m*s）;
W8172.33m。
H=1.2m，，D=0.6m,,,V3050.,3600**3600*0.131*1.2U3
?
4?
5接管尺寸的确定
13
NaOH水溶液蒸发装置的设计
4VSd,,U流体进出口的内径按下式计算
3Vs式中-----流体的体积流量m/s;
U--------流体的适宜流速m/s，
估算出内径后，应从管规格表格中选用相近的标准管。
5?
1溶液进出口?
4?
于并流加料的三效蒸发，第一效溶液流量最大，若各效设备尺寸一致
的话，根据第一效溶液流量确定接管。
取流体的流速为0.8m/s;
4V4763.9/3600，S0.058md,,,,U1.014*3.14*0.8
所以取ф60X3.5mm规格管。
?
4?
5?
2加热蒸气进口与二次蒸汽出口
各效结构尺寸一致二次蒸汽体积流量应取各效中较大者。
4V4203.6/3600，S0.141dm,,,,U0.289*3.14*0.8
所以取ф146X4.5mm规格管。
5?
3冷凝水出口?
4?
冷凝水的排出一般属于液体自然流动，接管直
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