第一章 设计方案的确定
蒸发设计方案的确定主要指确定蒸发操作条件、蒸发器的类型、蒸发的效数、蒸发的流程、进料温度等，正确设计蒸发方案，对保证产品质量和降低能耗极为重要。
1.1蒸发操作条件的确定
蒸发操作条件的确定主要指蒸发器加热蒸汽压强、冷凝器操作压强的选定。
1.1 .1加热蒸汽压强的确定
通常被蒸汽的溶液有一个允许的最高温度，若超过了此物料就会变质，破坏或分解，这是确定加热蒸汽压强的一个依据。应使操作在低于最大温度范围内进行，可以采用加压蒸发，常压蒸发或真空蒸发。
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。从节能的观点出发，应充分利用二次蒸汽作为其它加热用的热源，即要求蒸发装置能够提供温度较高的二次蒸汽。这样既可减少锅炉产生蒸汽的消耗量，又可以减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量，提高了蒸汽利用率。因此，能够采用较高温度的饱和蒸汽作为加热蒸汽的有利的，但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,这样增加加热的设备费和操作费。一般的加热蒸汽压强在300-800kPa范围之内。此次设计方案中加热蒸汽压强定为500kPa。
1.1.2 冷凝器操作压强的确定
若一效采用较高压强的加热蒸汽，则末效可采用常压或加压蒸汽，此时末效产生的二次蒸汽具有较高的温度，可以全部利用。而且各效操作温度高时，溶液粘度低，传热效果好。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。但对于那些热敏性物料的蒸发，为充分利用热源还是经常采用的。对混合式冷凝器，其最大的真空度取决于冷凝器内的水温和真空装置的性能。通常冷凝器的最大真空度为80-90kPa。此次设计方案中冷凝器操作压强定为20kPa（绝压）。
1.1.3 蒸发器的类型及其选择
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
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器中热交换的一侧是饱和水蒸汽冷凝，另一方是溶液的沸腾，所以传热的关键在于料液沸腾一侧。为了适应各种不同物性物料的蒸发浓缩，出现了各种不同结构形式的蒸发器，而且随着生产，技术的发展，其结构在不断改进。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、外加热式、列文式、强制循环式等）和单程型（升膜式、降膜式、升-降膜式、刮板式等）两大类型。
面对种类繁多的蒸发器，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，尽量减慢传热面上的垢层的生成。 （3） 结构简单，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。。
综上所述，本次设计中蒸发器的最优形式确定为标准式即中央循环管式蒸发器。
1.1.4 多效蒸发效数的确定
在流程设计时首先应考虑采用单效还是多效蒸发，为充分利用热能，生产中一般采用多效蒸发。因在多效蒸发中，将前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽，可节省生蒸汽耗量。表1-1为不同效数蒸发装置的蒸汽消耗量，其中实际蒸汽消耗量包括蒸汽装置的各项热量损失。
理论蒸汽消耗量 效数 蒸发1kg水所需蒸汽量 单效 二效 三效 四效 五效 1 0.5 0.33 0.25 0.2 1kg蒸汽 蒸发水量 1 2 3 4 5 蒸发1kg水所需蒸汽量 1.1 0.57 0.4 0.3 0.27 实际蒸汽消耗量 1kg蒸汽蒸发水量 0.91 1.754 2.5 3.33 3.7 本装置若再增加一效可节约蒸汽% 93 30 25 10 7 由表1-1看出，随效数增多，蒸汽节约越多，但不是效数越多越好，效数受经济上和技术上的因素所限制。
实际的多效蒸发过程效数并不多。为了保证传热的正常进行，各效的有效温
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差不能小于6-10℃。通常对于电解质溶液，如NaOH水溶液，由于其沸点升高较大，采用2-3效；对于非电解质溶液，有机溶液等，其沸点升高较小，可取为4-6效。其真正适宜的效数，需通过最优化的方法加以确定。
讨论以上条件，通过对比选择，本设计应采用三效蒸发。
1.1.5多效蒸发流程的选择
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，平流及错流四种。
并流法亦成为顺流法，其料液和蒸汽呈并流。因各效间有较大压差，料液能自动从前效进入后效，可省去输料泵；前效的温度高于后效，料液从前效进入后效时呈过热状态，可以产生自蒸发；结构紧凑，操作简便，应用广泛。但由于后效较前效的温度低，浓度大，因而逐效料液的粘度增加，传热系数下降。因而并流法操作只适用于粘度不大的料液蒸发。
逆流法即料液于蒸汽呈逆流操作。随着料液浓度的提高，其温度相应提高，使料液粘度增加较小，各效的传热系数相差不大，故可生产较高浓度的浓缩液。因而逆流法操作适用于粘度较大的料液蒸发，但由于逆流操作需设置效间料液输送泵，动力消耗较大，操作也较复杂。此外对浓缩液在高温时易分解的料液，不宜采用此流程。
平流法即各效都加入料液，又都引出浓缩液。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。
错流法亦称混流法，它是并，逆流的结合。其特点是兼有并，逆流的优点而避免其缺点，但操作复杂，控制困难，应用不多。
通过对比讨论，本次设计应采用并流为最优方式。
1.1.6 进料温度的选择
进蒸发器料液温度的高低直接影响到蒸发器中的传热情况和蒸发器传热面
积的大小，在实际生产中，为了节约蒸汽用量和提高传热效果，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沸点或者达到沸点状态，以实现节能降耗。此次设计方案中确定进料方式为沸点进料。
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1.1.7 最终方案的确定
最终的方案为：加热蒸汽压强定为500kPa，冷凝器压强定为20kPa(绝压)，蒸发器确定为中央循环管式蒸发器，采用三效并流方式，进料方式为沸点进料。
设计条件见《课程设计任务说明书》
第二章 蒸发过程工艺计算
多效蒸发工艺计算的主要项目有：加热蒸汽消耗量，各效水分蒸发量及各效蒸发器的传热面积。多效蒸发工艺计算的依据是物料衡算，热量衡算以及传热速率方程及相平衡方程式。在多效蒸发中，各效的操作压力依次降低，相应的，各效的加热蒸汽温度及溶液的沸点亦依次降低，采用试差法进行计算。
2.1.1本蒸发设计的条件：
设计一个连续操作的三效并流蒸发装置，将溶液浓度为11%的NaOH水溶液浓缩至30%。已知原料液量为44kt/a；，沸点进料。加热介质采用500kPa(绝压)的饱和水蒸气，冷凝器操作压力为20kPa(绝压)。三效的传热系数分别为K1 =1500W/(m2·℃)，K2 =1000W/(m2·℃), K3 =600W/(m2·℃),原料液比热容为3.7KJ/(Kg·℃),各效蒸发器中液面高度为2m。各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。假设各效转热面积相等，并忽略热损失。每年按330天计算，每天24小时连续运行。
2.1.2 各效蒸发量和完成液组成的估算
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44?106?5555.56kg/h 原料液进料流量：F?330?24蒸发过程中总蒸发量：W?F(1?x00.11)?5555.56?(1?)?3518.52kg/h x30.3假设各效蒸发量相等
3518.52则 W1?W2?W3??1172.84kg/h
3初估各效完成液的浓度：
Fx05555.56?11%x1???0.1394
F?W15555.56?1172.84x2?Fx05555.56?11%??0.1904
F?W1?W25555.56?1172.84?1172.84x3?0.3
2.1.2 估算各效二次蒸汽温度Ti
为求各效溶液沸点，需假定各效的操作压强。加热蒸汽压强P1在前面已假定为500kPa（绝压），冷凝器中的操作压强P3以假定为20kPa（绝压）。其它各效二次蒸汽的压强可按各效间蒸汽压强降相等的假定来确定。即各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差相等：
’
?P?P1?P3500?20??160kPa n3
P1'?P1??P?500?160?340kPa同理P?180kPa'2P?20kPa'3由各效的二次蒸汽压强查相应的二次蒸汽的温度和汽化热，见表2-1。
表2-1 二次蒸汽的温度和汽化热 二次蒸汽压强Pi'(kPa) 二次蒸汽温度Ti'（℃） 二次蒸汽的汽化热（kJ/kg）
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第一效 340 137.7 2155.46 第二效 180 116.6 2214.3 第三效 20 60.1 2354.9
12号晚上课程设计-蒸发器
