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中南民族大学
化工专业课程设计
学院： 化学与材料科学学院 专业：化学工程与工艺 年级：2011级 题目:KNO3水溶液三效蒸发工艺设计 学生姓名：888 学号：888888 指导教师姓名：888 职称: 教授
2014年 12 月 29 日
化工专业课程设计任务书
设计题目：KNO3水溶液三效蒸发工艺设计 设计条件：
1.年处理能力为 7.92×10 t/a KNO3水溶液； 2. 设备型式 中央循环管式蒸发器；
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3. KNO3水溶液的原料液浓度为8%，完成液浓度为48%，原料液温度为20℃，比热容为3.5kJ/(kg. ℃)；
4. 加热蒸汽压力为400kPa（绝压），冷凝器压力为20kPa(绝压)；
5. 各效加热蒸汽的总传热系数：K1=2000W/（m2?℃）；K2=1000W/（m2?℃）；K3=500W/（m2?℃）； 6. 各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。各效传热面积相等，并忽略浓缩热和热损失，不计静压效应和流体阻力对沸点的影响；
7. 每年按300天计，每天24小时运行； 设计任务：
1. 设计方案简介：对确定的工艺流程进行简要论述。
2. 蒸发器和换热器的工艺计算：确定蒸发器、换热器的传热面积。 3. 蒸发器的主要结构尺寸设计。
4. 主要辅助设备选型，包括气液分离器及换热器等。
5. 绘制KNO3水溶液三效蒸发装置的流程图及蒸发器设备工艺简图、。 姓名：
班级：化学工程与工艺专业 学号：
指导教师签字：
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目录
1 概述.............................................................. 1 1.1 蒸发简介........................................................ 1 1.2 蒸发操作的分类.................................................. 1 1.3 蒸发操作的特点.................................................. 4 1.4蒸发设备 ........................................................ 4 2设计条件及设计方案说明 ............................................ 5 2.1设计方案的确定以及蒸发器选型 .................................... 5 2.2工艺流程简介 .................................................... 6 3. 物性数据及相关计算............................................... 7 3.1蒸发器设计计算 .................................................. 7
3.1.1估计各效蒸发量和完成液浓度................................. 8 3.1.2 估计各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差 ...................... 8 3.1.3加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算.................... 10 3.1.4蒸发器传热面积的估算...................................... 12 3.1.5有效温度的再分配.......................................... 12 3.1.6重复上述计算步骤.......................................... 13 3.1.7计算结果.................................................. 16 3.1.8蒸发器设备计算和说明...................................... 17 3.1.9 辅助设备的选择 ........................................... 19 3.2换热器设计计算 ................................................. 23 3.3管道管径的计算 ................................................. 24 4对本设计的自我评述 ............................................... 24
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1 概述
1.1 蒸发简介
在化工、轻工、医药、食品等工业中，常常需要将溶有固体溶质的稀溶液加以浓缩，以便得到浓溶液（固体产品）或制取溶剂，例如硝酸铵、烧碱、抗生素、食糖等生产以及海水淡化等。工业上常用的浓缩方法是蒸发，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。
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。蒸发器内部有足够的分离空间，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，排出的蒸汽可回收热量加以利用，或经过冷凝器冷凝
蒸发过程中经常采用饱和蒸汽间壁加热的方法，通常把作热源用的蒸汽称做一次蒸汽，从溶液蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。
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。
按操作压力，蒸发可以分为常压蒸发、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。
按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，倘若将加热蒸汽通入一蒸发器，则液体受热而沸腾，所产生的二次蒸汽，其压力与温度比较原加热蒸汽（生蒸汽）为低。但此二次蒸汽仍可设法加以利用。最普遍的利用方法是将其当作加热蒸汽，引入另一个蒸发器，只要后者的蒸发室压力和溶液沸点均较原来蒸发器中为低，则引入的二次蒸汽仍能起到加热作用。此时第二个蒸发器的加热室便是第一个蒸发器的冷凝器，这就是多效蒸发的原理。将
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多个蒸发器这样连接起来一同操作，即组成一个多效蒸发器。每一蒸发器称为一效，通入生蒸汽的，称为第一效，利用第一效的二次蒸汽为加热蒸汽的称为第二效，以此类推。由于各效（最后一效除外）的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，提高了生蒸汽的利用率，节省了生蒸汽用量，所以，在蒸发大量水分时，广泛采用多效蒸发，常用的多效蒸发有双效、三效或四效，有的多达六效。
多效蒸发按加料方式又可分为以下四种： ① 溶液与蒸汽成并流的方法，简称并流法； ② 溶液与蒸汽成逆流的方法，简称为逆流法；
③ 溶液与蒸汽在有些效间成并流而在有些效间则成逆流，简称错流法； ④ 每一效都加入原料液的方法，简称平流法。 以三效为例加以说明，当效数有所增减时，其原则不变。 （1） 并流法
图1 三效蒸发并流加料流程
并流法是工业中最常用的为并流加料法，如图1所示，溶液流向与蒸汽相同，即第一效顺序流至末效。因为后一效蒸发室的压力较前一效为低，故各效之间可无须用泵输送溶液，此为并流法的优点之一。其另一优点为前一效的溶液沸点较后一效的为高，因此当溶液自前一效至后一效内，即成过热状态而立即自行蒸发（常称为自蒸发或闪蒸），可以发生更多的二次蒸汽，使能在次一效蒸发更多的溶液。其缺点则为最后一效的溶液的浓度较前一效的大，而温度又较低，粘度增加显著，因而传热系数就小很多。这种情况在最末一、二效尤为严重，使整个蒸发系统的生产能力降低。因此，如果遇到溶液的粘度随浓度的增大而很快增加的情况，不宜采用并流法。
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