毕业设计义200kta烧碱装置蒸发工段的初步设计.doc

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1、毕 业 设 计 说 明 书题 目 200kt/a烧碱装置蒸发工段的初步设计（固碱）毕业设计（论文）任务书材料与化学工程 系 专业 班题 目 200kt/a烧碱装置蒸发工段的初步设计（固碱）一、设计(论文)的要求 1、进行工段工艺流程设计，绘制带主要控制点的工艺流程图； 2、进行工段物料、热量衡算并对结果列表（成图）； 3、确定工段设备（类型、尺寸），绘制主要设备的装配图； 4、编写工段工艺初步设计说明书。 二、设计（论文）的原始数据 三、参考资料及说明： 化工工艺、氯碱工艺学、化工原理 化工工程手册（蒸发与结晶）、化工设计 化工计算等及相关文献资料。 毕业设计前言I目 录前言 第一篇 液碱 1

2、第一章 总论 1一、产品 1二、生产流程和生产方案的确定 1三、生产流程简述 4第二章 液碱的蒸发 5一、物料衡算 5二、温差损失计算 11三、热量衡算 13四、迭代计算 15五、 闪蒸效 32第三章 蒸发器的结构和辅助设备设计 34一、蒸发器的结构设计 34二、蒸发器接管尺寸的确定 36三、蒸发辅助设备 38四、设备一览表 41第二篇 固碱 42第四章 总论 42一、产品 42二、固碱生产概况 43三、锅式法固碱的生产原理 43四、锅式法固碱生产工艺流程叙述 44第五章 物料衡算 45一、计算依据 45二、物料衡算 45第六章 热量衡算 48第七章、设备及配置 50环保与安全 51设计评述

3、52参考文献 53致谢 55附图第一章 总论第一篇 液碱第一章 总论一、产品55环保与安全第二章 液碱的蒸发一、物料计算1.1计算依据：（1）产品 200kt/a （折100%NaOH）（2）年作业时间 7200小时（3）原料碱：隔膜法电解工序来的碱液 NaOH NaCl H2O及其它 温度10% 15.5% 74.5% 90（4）三效蒸发器出来的成品碱 NaOH NaCl H2O及其它 44.7% 1% 54.3%（5）加热蒸汽压力：08MP（绝）（6）末效二次蒸汽压力：0.0145MP（绝）（7）产量200kt/a（折100%NaOH） 20010001000/30024=27778kg/

4、h（8）由于实际生产过程中，考虑浴度8%，即Fa=27778（1+0.08） =30000 kg/h（10）13效流程示意简图如下W1 H1W2 H2 W3 H3F0Xa0t0 D T HF1Xa1t1F2Xa2t2F3Xa3t3G1 D T G2 D2T2 G3 D3T3 附图2-1-1流程示意简图1.2、总物料衡算1）以30000kg/h100%NaOH为计算基础 在蒸发过程中由于碱液中的杂质比较少可以忽略进行计算，洗水一般为0.5Fa。进入蒸发系统的碱液量： F0=Fa/Xa0=30000/0.1=300000 kg/h 则其中的： NaOH Fa= 3000000.1=30000 kg

5、/h NaCl Fs= 3000000.155=46500 kg/h H2O Fw=300000（1-0.1-0.155）=223500 kg/h2）出蒸发系统的碱液量：F3=Fa/Xa3=30000/0.447=67114.0940 kg/h则其中的： NaOH 67114.09400.447=30000 kg/h NaCl 67114.09400.01=671.1409 kg/h H2O 67114.09400.543=36442.9530 kg/h3）总蒸发水量： W=FXw-Fa/Xa1Xw1+0.5Fa =202057.047kg/g4）总的析盐量为：Gs=F0Xso-Fa/Xa1X

6、s1 =3000000.155-30000/0.4470.01 =45828.8591 kg/h 5）列出物料平衡表如211：6）初步估计各效蒸发水量。三效逆流蒸发水量一般可设1 W1：W2：W3=1：1：1 由于 W1+W2+W3=W 解上述方程组得：W1=W2=W3=67352.3490 kg/h表211 物料平衡表 进 入 蒸 发 系 统出 蒸 发 系 统电解溶液NaOH30000碱液的量NaOH30000NaCl46500NaCl671.1409H2O223500H2O36442.9530洗涤水量15000蒸发水量 202057.0470析盐量 45828.8591合计 315000合

7、计 315000 1.3、各效的物料衡算1.3.1第三效的物料衡算 估算其碱液的浓度为：Xa3=Fa/（F0-W3） =30000/（300000-67352.349） =0.1298则可由下列关联式算出NaOH的浓度： 由于其溶液的沸点75 ，则采用1： Xs3=0.2613721-0.6894598Xa3-0.7948191Xa23+2.465996Xa33 则 Xs3=0.1645由于在蒸发过程中NaCl在溶液中始终处于饱和状态，所以析盐量为： Gs3=Fa/Xa0Xs0-Fa/Xa3Xs3 =30000/0.10.155-30000/0.12980.1645 =8244.1860 kg

8、/h核算碱液浓度： XL3=Fa/（F0-W3-Gs3） =30000/（300000-67352.349-8244.186） =0.1337假设相对误差Z=0.001，若XL3-Xa3 /Xa3Z，则重新设Xa3=XL3，代入上式复上述计算，直至误差在允许范围内为止，算得三效的浓度和析盐量。计算结果如表2-1-2表2-1-2 计算数据表Xa30.1290.13370.13500.1353Xs30.16450.16090.15990.1596Gs38244.186010396.789810966.666711111.9734XL30.13370.13500.13530.1354Z0.0360.

9、0090.0020.0007 由于0.00070.001，所以 Xa3=0.1354则 F3=Fa/Xa3=30000/0.1354=221565.7312 kg/h即 Xw3=（Fw0-W3）/F3 =（223500-67352.349） =0.7047 Xs3=1-0.1354-0.7047 =0.1599表2-1-3 第三效物料平衡表 进 入 蒸 发 系 统出 蒸 发 系 统电解溶液NaOH30000碱液的量NaOH30000NaCl35428.3604NaCl46500H2O156137.3708蒸发水量67352.6292H2O223500析盐量11071.6396合计 300000

10、合计 300000其中： NaOH 221565.73120.1354=30000 kg/h NaCl 221565.73120.1599=35428.3604 kg/h H2O 221565.73120.7047=156137.3708 kg/h析盐量为：Gs3=F0Xs0-F3Xs3 =3000000.155-221565.73120.1599 =11071.6369 kg/h第三效的物料平衡如表2-1-31.3.2、第二效进行物料衡算 估算第二效的碱液的浓度为Xa2=Fa/（F3-W2+15000）=30000/（221565.7312-67352.349+15000）=0.1773 则

11、可由下列关联式算出NaOH的浓度： 由于其溶液的沸点75 ，则采用1： Xs2=0.285252-0.8860123Xa2+0.228191Xa22+0.855736Xa23 则 Xs2=0.1401由于在蒸发过程中NaCl在溶液中始终处于饱和状态，所以析盐量为： Gs2=Fa/Xa3Xs3-Fa/Xa2Xs2 =30000/0.13540.1599-30000/0.17730.1401 =11722.7766 kg/h核算碱液浓度： XL2=Fa/（F3-W2-Gs2+W） =30000/（221565.7312-67352.349-8244.186+15000） =0.1905表2-4计算

12、数据表Xa20.17730.19050.19430.19540.1957Xs20.14010.13070.12800.12720.1270Gs211722.776614845.683215665.107715899.189515959.7861XL20.19050.19430.19540.19570.1958Z0.07450.01990.00570.00150.0005假设相对误差Z=0.001，若XL2-Xa2 /Xa2Z，则重新设Xa2=XL2，代入上式重复上述计算，直至误差在允许范围内为止，算得三效的浓度和析盐量。计算结果如下表2-2-4由于0.00050.001 ，则Xa2=0.195

13、8 Xs2=0.127 Gs2=15959.7861 kg/hF2=Fa/Xa2=30000/0.1958=153217.5689 kg/h其中 NaOH 153217.56890.1958=30000 kg/h NaCl 153217.56890.127=19458.6313 kg/h H2O 153217.56890.6772=103758.9377 kg/h则蒸发水量为： W2=Fw3-Fw2+15000 =156137.3708-103758.9377+15000=67378.4331 kg/h对于第二效列物料平衡表 如表2-1-5表2-1-5 第二效物料平衡表 进 入 蒸 发 系 统

14、出 蒸 发 系 统电解溶液NaOH30000碱液的量NaOH30000NaCl35428.3604NaCl19458.6313H2O156137.3708H2O103578.9337洗涤水量15000蒸发水量67378.4331析盐量15689.8431合计236565.7312合计236565.73121.3.3、第一效作物料衡算进入蒸发器的物料：其中： NaOH 30000 kg/h NaCl 19458.6313 kg/h H2O 103578.9337 kg/h离开蒸发器的碱液： 其中： NaOH 30000 kg/h NaCl 671.1409 kg/h H2O 36442.953

15、kg/h蒸发水量为： W3=103578.9337-36442.953=67135.9807 kg/h析盐量为：Gs3=19458.6313-671.1409=18787.4904 kg/h第一效的物料平衡如表2-1-6表2-1-6 第一效物料平衡表 进 入 蒸 发 系 统出 蒸 发 系 统电解溶液NaOH30000碱液的量NaOH30000NaCl671.1409NaCl19458.6313H2O36442.9530蒸发水量67135.9807H2O103578.9337析盐量18787.4904合计153037.565合计153037.565二、温差损失计算2.1、估算各效二次蒸汽压力（温

16、度）估算各效二次蒸汽压力、温度；选定加热蒸汽压力P1=0.8MP（绝）和末效压力P3=0.0145MP（绝），各效以等压差进行分配2，即 P=（P1-P3）/3=0.2618MP P1=P1- P=0.8-0.2618=0.5382MP P2=P1- 2P=0.8-20.2618=0.2764MP P3=P1-3P=0.8-30.2618=0.146MP根据化工原理3查得P1=0.5382MP(绝) T1=154.4 r1=2104.8kJ/kgP2=0.2764MP(绝) T2=130.4 r2=2176.3kJ/ kgP3=0.0146MP(绝) T3=52.7 r3=2371.5kJ/k

17、g2.2、溶液中因溶质浓度引起的温度损失常压下溶液的沸点升高为2: 0=2.671111-39.64219X+445.4087X2-448.1834X3二次蒸汽压力下沸点升高的修正系数为2: f=0.0162(T+273)2/R二次蒸汽压力下溶液沸点升高为2: =f0则 1=47.9 2=10.5 3=4.12.3、因溶液液柱静压引起温差损失因溶液液柱静压引起温差损失（ ）：蒸发器操作时，溶液常呈气液混合状态，密度比较小，理论计算结果往往偏高，故根据经验选用： 1 2 31.52.4、各效之间管路助力引起的温差损失由于各效之间管路助力引起的温差损失1：一般每两效之间的损失可取为12.5、各效溶

18、液的沸点各效溶液的沸点1：蒸发器内溶液的沸点等于蒸发室二次蒸汽温度加上沸腾升高值，因此一效： tL=T1+1+1=203.80二效： t2=T2+2+2=142.40三效： t3=T3+3+3=57.50三、热量衡算在蒸发过程中，NaOH溶液浓缩热、盐结晶析出热与盐泥带出热与总的热量消耗相比约为1%左右，所以在计算时这部分热量作为热损失考虑。另外，料液带入热量为： （ Fa/X0）Cp0T0=（FaCp0Cpw/X0Cpw）T03.1、蒸发水量即Fa/X0（kg）料液所含热量相当于FaCp0/X0Cpw（kg）水所含热量，FaCp0/X0Cpw称为料液的当量水量，下面进行热量衡算时以料液当量水

19、量代替料液量，先不记热损失。对于第一效进行热量衡算。进入蒸发器热量：新鲜蒸汽带入热量： D0H0料液带进热量： （FaCp0/X0Cpw-WL2-WL3+W）CpwtL2Cpo、Cpw分别为料液、水的定压比热容，kJ/（kg. ）Cpo、Cpw查化工工艺手册4分别为4.062 kJ/（kg. ）、4.220 kJ/（kg. ）出蒸发器的热量：二次蒸汽带出热量： WL1H1蒸汽冷凝水带出热量： D0CPW T0出料液带出热量： （FaCp0/X0Cpw-WL1-WL2-WL3+W）CpwtL3根据热量平衡，进入蒸发器的等于离开蒸发器的热量，则有：D0H0+（FaCp0/X0Cpw-WL2-WL3

20、+W）CpwtL2= WL1H1+ D0CPW T0+（FaCp0/X0Cpw-WL1-WL2-WL3+W）CpwtL3则 WL1=D0（H0-CPWT0）/（H-CPWtL1）+（FaCp0/X0Cpw-WL2-WL3+W）Cpw（tL2-tL1）/（H-CPWtL1）令： （H0-CPWT0）/（H1-CPWtL1）= RD/R1 （tL2-tL1）/（H1-CPWtL1）=N1 同理： （H1-CPWT1）/（H2-CPWtL2）= R1/R2（H2-CPWT2）/（H3-CPWtL3）= R2/R3 （tL3-tL2）/（H2-CPWtL2）=N2（tL0-tL3）/（H3-CPWtL

21、3）=N3考虑热损失，溶液浓缩热等都记入热损失中，故取热利用系数为3=0.960.98：取经验值为1= 2=3=0.97一效蒸发水量为： WL1=D RD/R1 +（FaCp0/X0Cpw-WL2-WL3+W）Cpw N1 1同理二、三效蒸发水量为： WL2= WL1R1/R2 +（FaCp0/X0Cpw-WL3+W）Cpw N2 2 WL3= WL2R2/R3 +（FaCp0/X0Cpw）Cpw N3 3由于 RD/R1=2052.7/2104.8=0.9752 R1/R2=2104.8/2176.3=0.9671R2/R3=2176.3/2371.5=0.9177N1 =（142.4-20

22、3.8）/2104.8=-0.02917 N2=（57.5-142.4）/2176.3=-0.039 N3=（90-57.5）/2371.5=-0.0137将其数代入前面的式子得： WL1=0.9752D+（288767.7725-WL2-WL3+15000）Cpw N1 1 WL2= WL1R1/R2 +（FaCp0/X0Cpw-WL3+W）Cpw N2 2 WL3= WL2R2/R3 +（FaCp0/X0Cpw）Cpw N3 3解之上述方程组的： D=124373.4212kg/h WL1=94563.5597kg/h WL2=49889.0334kg/hWL3=60604.4539kg/

23、h3.2、总的有效温差及其在各效的分配 1）总有效温差等于新鲜蒸汽与三效二次蒸汽的温差与总的温差损失之差，即t=T-TK- =170.4-52.7-62.5-4.5-3 =47.72）各效传热量：一效： Q1=D0.R0 =124373.42122052.7=70917033.8W二效： Q2=WL1.R1=94563.55972104.8=55288166.24W三效： Q3=WL2.R2=49889.03342176.3=30159306.5W3）有效在各效中的分配，蒸发器的传热系数取经验数据2： K1=4610W/（m2K） K2=3210W/（m2K） K3=2760W/（m2K）由于

24、 t=Q1/K1A1+Q2/K2A2+Q3/K3A3由于在三效逆流过程中三效的传热面积比其为2：0.38：1：1设A3=A则有A2=A、A1=0.38A则 t=（Q1/0.38K1+Q2/K2+Q3/K3）/A解之得： t1=28.7 t2=11.6 t3=7.44）各效溶液的沸点及各效的二次蒸汽温度1。 效溶液沸点： t1=T0-t1=141.7效二次蒸汽温度： T1=t1-=92.3效溶液沸点： t2=T1-1-t2=79.7效二次蒸汽温度： T2=t2-=67.7效溶液沸点： t3=T2-1-t3=59.4 相应的二次蒸汽压强查化工原理得 PL1=0.7648MPa PL2=0.0282

25、1MPa由于第三效的二次蒸汽的压力知为0.0145MP，温度为53.7误差条件1：PL1-P1 /P1Z1 , PL2-P2 /P2Z1 , WL1-W1 /W1Z2 , WL2-W2 /W2Z2 , WL3-W3 /W3Z1所以进行重新计算.则重新设P1=Pl1, P2=Pl2, W1=Wl1,W2=Wl2, W3=WL3代入前面式开始重复上述计算，直至误差全部在允许范围内为止。四、迭代计算4.1、 第一次迭代计算4.1.1、 物料衡算1）第三效的物料衡算 估算其碱液的浓度为：Xa=Fa/（F0-W3） =30000/（300000-60604.4539） =0.1253则可由下列关联式算出

26、NaOH的浓度： 由于其溶液的沸点75 ，则采用： Xs3=0.2613721-0.6894598Xa3-0.7948191Xa32+2.465996Xa33 则 Xs=0.1674由于在蒸发过程中NaCl在溶液中始终处于饱和状态，所以析盐量为： Gs=Fa/XaXs-Fa/XaXs =30000/0.10.155-30000/0.12530.1674 =6420.1915kg/h核算碱液浓度： XL=Fa/（F-W-Gs） =30000/（300000-60604.4539-6420.1915） =0.1288假设相对误差Z=0.001，若XL-Xa /XaZ，则重新设Xa=XL，代入上式重

27、复上述计算，直至误差在允许范围内为止。计算结果如表2-4-1表2-4-1 计算数据表Xa30.12530.12880.12970.1300Xs30.16740.16470.16400.1637Gs36420.19158138.19888566.30698723.0770XL30.12880.12970.13000.1301Z0.0280.00690.0020.00077 由于0.000770.001，所以 Xa3=0.1300则 F3=Fa/Xa3=30000/0.13=230769.2308 kg/h即 Xs3=0.1637 Gs3=8723.077 kg/h Xw3=01-0.13-0.1

28、637=0.7063其中： NaOH 230769.23080.1300=30000 kg/h NaCl 230769.23080.1637=37776.9231 kg/h H2O 230769.23080.7063=162992.3077 kg/h析盐量为：Gs3=8723.077 kg/h蒸发水量为： W3=223500-162992.3077=60507.6923 kg/h第三效的物料平衡如表2-4-2表2-4-2 第三效物料平衡表 进 入 蒸 发 系 统出 蒸 发 系 统电解溶液NaOH30000碱液的量NaOH30000NaCl37776.923NaCl46500H2O162992.

29、3077蒸发水量60507.6923H2O223500析盐量8723.077合计315000合计3150002）第二效的物料衡算 估算第二效的碱液的浓度为Xa2=Fa/（F3-W2+15000）=30000/（230769.2308-49889.0334+15000）=0.1532 则可由下列关联式算出NaOH的浓度： 由于其溶液的沸点75 ，则采用： Xs2=0.285252-0.8860123Xa2+0.228191Xa22+0.855736Xa23 则 Xs2=0.1579由于在蒸发过程中NaCl在溶液中始终处于饱和状态，所以析盐量为： Gs2=Fa/Xa3Xs3-Fa/Xa2Xs2 =

30、30000/0.130.1637-30000/0.15320.1579 =6858.5575kg/h核算碱液浓度： XL2=Fa/（F3-W2-Gs2+W） = =0.1587假设相对误差Z=0.001，若XL2-Xa2 /Xa2Z，则重新设Xa2=XL2，代入上式重复上述计算，直至误差在允许范围内为止，算得三效的浓度和析盐量。计算结果如下表一表2-4-3 计算数据数据表Xa0.15320.15870.16030.1607Xs0.15790.15380.15260.1523Gs6858.55758703.19909217.9719345.6024XL0.15870.16030.16070.16

31、08Z0.03590.010.0020.0006 由于0.00060.001 ，则Xa2=0.1607 Xs2=0.1523 Gs2=9345.0624 kg/hF2=Fa/Xa2=30000/0.1958=186683.2607 kg/h其中： NaOH 186683.26070.1607=30000 kg/h NaCl 186683.26070.1523=28431.8606 kg/h H2O 186683.26070.687=128251.4001 kg/h表2-4-4 第二效物料平衡表 进 入 蒸 发 系 统出 蒸 发 系 统电解溶液NaOH30000碱液的量NaOH30000NaCl

32、35428.3604NaCl28431.8606H2O156137.3708H2O128251.4001洗涤水量15000蒸发水量42885.9707析盐量9345.0624合计236565.2308合计245769.2308则蒸发水量为： W2=Fw3-Fw2+15000 =156137.3708-128251.4001+15000=42885.9707 kg/h对于第二效列物料平衡如表2-4-3：3）第一效作物料衡算进入蒸发器的物料：其中： NaOH 30000 kg/h NaCl 28431.8606 kg/h H2O 128251.4001 kg/h离开蒸发器的碱液： 其中： NaOH 30000 kg/h NaCl 671.1409 kg/h H2O