一、绪论
蒸发是使含有不挥发溶质的溶液沸腾汽化并移出蒸气，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。蒸发有它独特的特点：从传热方面看，原料液和加热蒸气均为相变过程，属于恒温传热；从溶液特点分析，有的溶液有晶体析出、易结垢、易生泡沫、高温下易分解或聚合、粘度高，腐蚀性强；从传热温差上看，因溶液蒸气压降低，沸点增高，故传热温度小于蒸发纯水的温度差；从泡沫夹带情况看 ，二次蒸气夹带泡沫。需用辅助仪器除去；从能源利用上分析，可以对二次蒸气重复利用……这就要求我们从五个方面考虑蒸发器的设计。
降膜式蒸发器在降膜蒸发器中，液体和蒸汽向下并流流动。料液经预热器预热至沸腾温度，经顶部的液体分布装置形成均匀的液膜进入加热管，并在管内部分蒸发。
二次蒸汽与浓缩液在管内并流而下.料液在蒸发器中的停留时间短，能适应热敏性溶液的蒸发.另外，降膜蒸发还适用于高粘度溶液，粘度范围在0.05-0.4Pas。降膜蒸发器极易使管内的泡沫破裂，故亦适用于易发泡物料的蒸发。由于降膜蒸发器是液膜传热，所以其传热系数高于其他形式的蒸发器;此外，降膜蒸发没有液柱静压力，传热温差显著高于其他形式的蒸发器。故可取的良好的传热效果，一次性投入最小，是业主优先选择的蒸发器形式。强制循环蒸发器这种蒸发器利用外加动力（循环泵）将循环管下降的溶液和部分原料液送到加热室。大大加快了循环速度。循环速度的大小可通过调节泵的流量来控制。一般循环速度在2.5m/s以上。当循环液体流过热交换器时被加热，然后在分离器中压力降低时部分蒸发，从而将液体冷却至对应该压力下的沸点温度，特别适用于易结晶物料。自然循环蒸发器在自然循环蒸发器中，料液在加热器中受热蒸发，产生的二次蒸汽经顶部进入分离室，将液体分离后排出。分离出的液体通过循环管流回蒸发器，并在热虹吸的作用下进入加热器受热蒸发。这样就形成了一个闭路循环。加热器和分离器之间的温差愈大，产生的蒸汽气泡愈多。这样可以强化热虹吸的
作用和增加流动速度，从而获得较好的传热效果。自然循环蒸发器不需要循环泵，运行费用较低。
二、设计任务及操作条件
2.1 设计任务
（1）处理能力 7.92?104t/aKNO3水溶液 （2）设备形式 中央循环管式蒸发器
2.2 操作条件
① KNO3水溶液的原料液的质量分数为0.15，完成液质量分数为0.45，原料液温度为80℃，恒压比热容为3.5kJ/(kg·℃)。
②加热蒸汽压力为400kPa(绝压)，冷凝器压力为20kPa(绝压)。 ③
各
效
2蒸发器的
2总传热
2系数为：
K1=2000W/(m·℃),K2=1000W/(m·℃),K3=500W/(m·℃)。
④各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。假设各效传热面积相等，并忽略溶液的浓缩热和蒸发器的热损失，不考虑液柱静压和流动阻力对沸点的影响。 ⑤每年按照300天计，每天24小时连续运行。 ⑥厂址：天津地区
三、设计条件及设计方案说明
本次设计要求采用中央循环管式蒸发器，在工业上被称为标准蒸发器。其特点是结构紧凑、制造方便、操作可靠等。它的加热室由一垂直的加热管束构成，在管束中央有一根直径较大的管子，为中央循环管。
在蒸发操作中，为保证传热的正常进行，根据经验，每一效的温差不能小于5～7。通常，对于沸点升高较大的电解质溶液，应采取2～3效。由于本次设计任
务是处理KNO3溶液。这种溶液是一种沸点升高较大的电解质，故选用三效蒸发器。另外，由于KNO3溶液是一种粘度不大的料液，故多效蒸发流程采用并流操作。
多效蒸发器工艺设计的主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸气的消耗量，各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积等。多效蒸发器的计算一般采用迭代计算法。
四、物性数据及相关计算
4.1 估计各效蒸发量和完成液浓度
年产量：79200吨 ，且每年按照300天计算，每天24小时。 进料流量：
F=79200t/a=79200×1000/(300×24)=11000kg/h 总蒸发量：
x00.15W=F（1-x3）=11000（1-0.45）=7333.33kg/h 因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设 W1:W2:W3=1:1.1:1.2 W=W1+W2+W3=3.3W 7333.33 W1=3.3= 2222.22 kg/h
W2=1.1 W1 = 2444.44 kg/h
W3=1.2W1= 2666.66kg/h
Fx011000?0.15X1=F?W1=11000-2222.22=0.188
Fx011000?0.15X2=
F?W1?W2=11000?2222.22?2444.44=0.261
X3==0.45
4-1） 4-2）
4-3）
（ （
（4.2 估计各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差
设各效间压力降相等，则总压力差为
??400?20?380 kPa ?ΔP?P1?PK (4-4) 各效间的平均压力差为 ΔPi??ΔP?126.67 kPa
3由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即
P1??P1?ΔPi?400?126.67?273.33kPa P2??P1?2?Pi?400?2?126.67?146.66kPa
??PK??20 kPaP3由各效的二次蒸气压力，从手册中可查得相应的二次蒸气的温度和气化潜热列于下表中。
表4.1 二次蒸气的温度和气化潜热 效数
Ⅰ 273.33
Ⅱ 146.66
Ⅲ 20
二次蒸气压力
二次蒸气温度
131.20
111.32
60.1
(即下一效加热蒸汽的温度）
二次蒸气的气化潜热
2177
2229
2355
（即下一效加热蒸汽的气化潜热）
蒸发操作常常在加压或减压下进行，从手册中很难直接查到非常压下的溶液沸点。所以用以下方法估算:
???f??a
(4-5)
—常压下(101.3kPa)由于溶质引起的沸点升高，即溶液的沸点-水的沸点 常压下水的沸点为100℃
表4-1 常压下不同质量分数的KNO沸点如下表
质量分数kg/l 沸点℃ 18.8% 101.5 26.1% 102.3 45% 104.2
经查表400 kPa下饱和蒸汽温度为143.4℃，气化潜热为2138.5
0.0162(131.20?273)2??f??a??1??a?1.82℃
21770.0162(111.32?273)2??2?f??a???a?2.47℃
22290.0162(60.1?273)2???a?3.21℃ ??3?f?a?2355由于不考虑液柱静压和流动阻力对沸点的影响，所以总温差为???7.5℃ 各效料液温度为t1?T1???1?131.20?1.82?133.02℃ t2?T2???2?111.32?2.47?113.79℃ t3?T3???3?60.1?3.21?63.31℃
由手册可查得400KPa的饱和蒸汽的温度为143.4℃、汽化潜热为2138.5kJ/kg,所以
??t?(Ts?Tk')????143.4?60.1?7.5?75.8℃
4.3 加热蒸汽消耗量和各效蒸发水量的初步计算
由于忽略溶液的浓缩热，所以
?Drt?t? Wi??i?ii?(Fcp0?W1cpw?...?Wi?1cpw)i?1i?
ri???ri??Dr??2138.5?D1? ① W1??11?????2177??r1?
KNO3水溶液三效并流加料蒸发装置的设计--化工原理课程设计
