NaOH水溶液三效并流加料蒸发装置的设计方案

(一)设计题目

NaOH 水溶液三效并流加料蒸发装置的设计。

(二)设计任务

(1) 处理能力:9．504 ×104t/a NaOH 水溶液。

(2) 设备形式:中央循环管式蒸发器。

(三)操作条件

(1) NaOH 水溶液的原料液浓度为10%，完成液浓度为30%;原料液温度为第一效沸点温度;原料液比热容为3． 77kJ/( kg·℃) ; 各效蒸发器中溶液平均密度: ρ1 =1120kg/m3，ρ2 =1290kg/m3，ρ3 =1330kg/m3。

(2) 加热蒸汽压强为500kPa( 绝压) ，冷凝器压强为20kPa( 绝压) 。

(3) 各效蒸发器的总传热系数:K1 =1800W/( m2·℃) ，K2 =1200W/( m2·℃) ，K3 =600W/( m2·℃) 。

(4) 各效蒸发器中液面高度:2m。

(5) 各效蒸发器中冷凝液均在饱和温度下排出。假设各效传热面积相等，并忽略热损失。

(6) 每年按330 天计，每天24h 连续运行。

(四)设计内容

(1) 设计方案简介:对确定的工艺流程及蒸发器型式进行简单的论述。

(2) 蒸发器的工艺计算:确定蒸发器的传热面积。

(3) 蒸发器的主要结构尺寸设计。

(4) 主要辅助设备选型，包括气液分离器及蒸汽冷凝器。

(5) 绘制NaOH 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。

(6) 对本设计的评述。

(五)设计计算

三效并流蒸发操作设计计算中的符号规定如下:

1．估算各效蒸发量和各效完成液浓度

总蒸发量计算公式如下:

因并流加料，且无额外蒸汽引出，故可设:

2．估算各效溶液的沸点和有效总温度差

设各效间压力降相等，则总压差为:

各效间的平均压差为:

各效蒸发室的压力:

由各效的二次蒸汽压力，从手册中可查得相应二次蒸汽的温度和汽化潜热，并列于表3－1。

表3-1　各效的二次蒸汽压力

(1) 各效由于溶液沸点升高而引起的温度差损失Δ'。根据各效二次蒸汽温度( 亦即相同压力下纯水的沸点) 和各效完成液的浓度，由NaOH 水溶液的杜林线图查得各效溶液的沸点分别为:

则各效由于溶液蒸汽压下降所引起的温度差损失为:

(2) 由于液柱静压力而引起的温度差损失为:

由平均压力可查得对应水的饱和温度:

由于液柱静压力而引起的温度差损失为:

(3) 由于不计流动阻力产生的压降所引起的温度差损失，故∑Δ‴=0。

蒸发装置的总温度差损失为:

(4) 各效溶液的沸点和有效总温度差。

溶液的沸点为:

式中:151．7℃为500kPa 时蒸汽的饱和温度，其对应的汽化潜热为2113kJ/kg。

3．加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算

第i 效的焓衡算式为:

第i 效的水分蒸发量为:

第一效的水分蒸发量为:

因为沸点进料，故t0 = t1 。考虑到NaOH 水溶液浓缩热的影响，热利用系数取:

第二效的水分蒸发量为:

联立上述四式求解得:

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4．估算蒸发器的传热面积

5．重新分配各效的有效温度差

重新分配有效温度差，得:

6．重复上述计算步骤

(1) 由所求得的各效蒸发量，求各效溶液的浓度:

(2) 计算各效溶液的沸点。因末效完成液浓度和二次蒸汽压强不变，各效温度差损失可视为不变，故末效溶液的沸点仍为86．8℃，而Δt'3 =27℃，则第三效加热蒸汽的温度( 即第二效二次蒸汽的温度) 为:

由第二效的二次蒸汽温度T'2 =113． 8℃，x2 =0． 181 查杜林线图得第二效溶液的tA2 =121℃。且由于静压强引起的温度差损失可视为不变，故第二效溶液的沸点为:

同理，t2 =123．5℃，而Δt'2 =12．9℃，则:

由T'1 =136．4℃，x1 =0．129 查杜林线图得第一效溶液的tA1 =141℃

则t1 =141 +1．8 =142．8( ℃) ，或t1 =T1-Δt'1 =151．7-9 =142．7℃

说明溶液的各种温差损失变化不大，不必重新计算，故有效总温差仍为:

温差重新分配后各效温度情况如表3-2 所示。

表3-2　温差重新分配后各效温度情况

(3) 各效的焓衡算与各效的蒸发量:

联立上述四式求解得:

与第一次所得结果比较，其相对误差为:

相对误差均小于0．05，故计算的各效蒸发量结果合理，其各效溶液的浓度无明显变化，不必再算。

(4) 计算蒸发器的传热面积。

7．蒸发器的主要结构尺寸

(1) 加热管的选择及加热管管数的初步估算。蒸发器的加热管通常选用φ25 ×2．5mm、φ38 ×2．5mm、φ57 ×3．5mm 等几种规格的无缝钢管。本设计选用φ38 ×2．5mm 的不锈无缝钢管，考虑到NaOH 溶液浓缩时有NaCl 结晶引起结垢，管长不能太长，取2m。加热管的管数由下式计算:

(2) 中央循环管的选择。一般情况下，中央循环管取加热管总截面积的40% ～100%。本设计取中央循环管取加热管总截面积的80%，于是，循环管的内径由下式计算:

(3) 加热室直径及加热管数目的确定。加热管以正三角形排列居多，本设计按正三角形排列，取管心距t=48mm( 管心距的数值目前已标准化) 。加热室直径及加热管数目一般由作图给出，具体的做法是:以Di =t( nc-1) +2b'作为加热室的内径，并以该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，所画得的管数n 必须大于初估值n'，若不满足，应另选一设备内径重新作图，直至合适。

通过作图得，在同心圆的环隙中所排列的管数约为485 根，故所选内径满足设计要求，作图过程略。

(4) 分离室( 蒸发室) 直径与高度的确定。

式中:W——各效二次蒸汽量，kg/h;

ρ——二次蒸汽的密度，kg/m;

U——蒸发体积强度，m3/( m3·s) 。

通常末效体积最大，为保持各效蒸发室的尺寸一致，以末效计算:

取H=2．5m，高径比H/D=2．5/1．4 =1．8，在1 ～2 的范围之内，可以接受。

(5) 接管尺寸。被浓缩液的进出口接管内径: 因第一效溶液流量最大，为使各效设备保持一致，以第一效溶液流量计算，并取进出口接管直径相同。

加热蒸汽进口接管内径:生蒸汽及各效二次蒸汽体积流量如下:

因此加热蒸汽进口接管内径可按V2 =3278m3/h 计算，并且各效取相同接管直径，即:

取DN =200mm。

二次蒸汽出口接管内径:

取DN =500mm。

冷凝水出口接管:各效流量相近，取相同直径的接管:

取DN =50mm 即可。

8．蒸发装置的辅助设备选型结果( 略)

9．计算结果列表

计算结果见表3-3。

表3-3　计算结果

表中压强p'i 由Ti+1 = T'i 查得。