第一章蒸發操作條件的確定
蒸發作為化工產品工藝製造過程中的單元操作，有多種不同的裝置，不同的流程和不同的操作方式。蒸發操作條件的確定主要指蒸發器加熱蒸汽的壓強（或溫度），冷凝器的操作壓強（或溫度）的確定，正確選擇蒸發的操作條件，對保證產品質量和降低能耗極為重要。
1.1 加熱蒸汽壓強的確定
通常被蒸汽的溶液有乙個允許的最高溫度，若超過了此物料就會變質，破壞或分解，這是確定加熱蒸汽壓強的乙個依據。應使操作在低於最大溫度範圍內進行，可以採用加壓蒸發，常壓蒸發或真空蒸發。
一些化工廠，常裝設蒸汽機或透平機以驅動發電機發電，因而蒸發用汽應考慮用蒸汽機、透平機的乏汽，直接採用未經做功的鍋爐蒸汽進行減壓蒸發是不經濟的，乏汽壓強一般在200～400 kpa左右。
蒸發是乙個消耗大量加熱蒸汽而又產生大量二次蒸汽的過程。從節能的觀點出發，應充分利用二次蒸汽作為其它加熱用的熱源，即要求蒸發裝置能夠提供溫度較高的二次蒸汽。這樣既可減少鍋爐產生蒸汽的消耗量，又可以減少末效進入冷凝器的二次蒸汽量，提高了蒸汽利用率。
因此，能夠採用較高溫度的飽和蒸汽作為加熱蒸汽的有利的，但通常所用飽和蒸汽的溫度不超過180 ℃,超過時相應的壓強就很高,這樣增加加熱的裝置費和操作費。一般的加熱蒸汽壓強在400～800 kpa範圍之內。此次設計方案中加熱蒸汽壓強定為675 kpa（絕壓）。
1.2 冷凝器操作壓強的確定
若一效採用較高壓強的加熱蒸汽，則末效可採用常壓或加壓蒸汽，此時末效產生的二次蒸汽具有較高的溫度，可以全部利用。而且各效操作溫度高時，溶液粘度低，傳熱好。若一效加熱蒸汽壓強低，末效應採用真空操作。
此時各效二次蒸汽溫度低，進入冷凝器冷凝需消耗大量冷卻水，而且溶液粘度大，傳熱差。但對於那些熱敏性物料的蒸發，為充分利用熱源還是經常採用的。對混合式冷凝器，其最大的真空度取決於冷凝器內的水溫和真空裝置的效能。
通常冷凝器的最大真空度為80～90 kpa。此次設計方案中冷凝器壓強定為20 kpa（絕壓）。
1.3 蒸發器的型別以及選擇
在化工生產中，大多數蒸發器都是利用飽和水蒸汽作為加熱介質，因而蒸發器中熱交換的一方是飽和水蒸汽冷凝，另一方是溶液的沸騰，所以，傳熱的關鍵在於料液沸騰一側。為了適應各種不同物性物料的蒸發濃縮，出現了各種不同結構形式的蒸發器，而且隨著生產，技術的發展，其結構在不斷改進。工業中常用的間壁式傳熱蒸發器，按溶液在蒸發器中的流動特點，可分為迴圈型（**迴圈管式、懸筐式、外加熱式、列文式、強制迴圈式等）和非迴圈型（公升膜式、降膜式、公升-降膜式、刮板式等）兩大型別。
面對種類繁多的蒸發器，在結構上必須有利於過程的進行，為此在選用時應考慮以下原則：
（1） 盡量保證較大的傳熱系數，滿足生產工藝的要求。
（2） 生產能力大，能完善分離液沫，盡量減慢傳熱面上的垢層的生成。
（3） 結構簡單，操作維修和清洗方便，造價低，使用壽命長。
（4） 能適應所蒸發物料的一些工藝特性。。
綜上所述，本次設計中蒸發器的最優形式確定為標準式即**迴圈管式蒸發器。
1.4 多效蒸發效數的確定
在流程設計時首先應考慮採用單效還是多效蒸發，為充分利用熱能，生產中一般採用多效蒸發。因在多效蒸發中，將前一效的二次蒸汽作為後一效的加熱蒸汽，可節省生蒸汽耗量。但不是效數愈多愈好，效數受經濟上和技術上的因素所限制。
經濟上的限制在於效數超過一定值時經濟上不合算而技術上的限制在於效數過多蒸發操作將難於進行，因此實際的多效蒸發過程效數並不多。為了保證傳熱的正常進行，每一效有效溫差不能小於5～7℃。通常對於電解質溶液，如naoh水溶液，由於其沸點公升高較大，採用2～3效，對於非電解質溶液，有機溶液等，其沸點公升高較小，可取為4～6效。
其真正適宜的效數，需通過最優化的方法加以確定。
討論以上條件，通過對比選擇，本設計應採用三效蒸發。
1.5 多效蒸發流程的選擇
多效蒸發的操作流程根據加熱蒸汽與料液的流向不同，可分為並流，逆流，平流及錯流四種。
並流法亦成為順流法，其料液和蒸汽呈並流。因各效間有較大壓差，料液能自動從前效進入後效，可省去輸料幫浦；前效的溫度高於後效，料液從前效進入後效時呈過熱狀態，可以產生自蒸發；結構緊湊，操作簡便，應用廣泛。但由於後效較前效的溫度低，濃度大，因而逐效料液的粘度增加，傳熱系數下降。
因而並流法操作只適用於粘度不大的料液蒸發。
逆流法即料液於蒸汽呈逆流操作。隨著料液濃度的提高，其溫度相應提高，使料液粘度增加較小，各效的傳熱系數相差不大，故可生產較高濃度的濃縮液。因而逆流法操作適用於粘度較大的料液蒸發，但由於逆流操作需設定效間料液輸送幫浦，動力消耗較大，操作也較複雜。
此外對濃縮液在高溫時易分解的料液，不宜採用此流程。
平流法即各效都加入料液，又都引出濃縮液。此法除可用於有結晶析出的料液外，還可用於同時濃縮兩種以上的不同水溶液。
錯流法亦稱混流法，它是並，逆流的結合。其特點是兼有並，逆流的優點而避免其缺點，但操作複雜，控制困難，應用不多。
通過對比討論，本次設計應採用並流為最優方式。
1.6 進料狀況的選擇
實際生產中，為便於操作，進料可選取沸點進料。此次設計方案中確定進料方式為沸點進料。
1.7 最終方案的確定
最終的方案為：加熱蒸汽壓強定為500 kpa，冷凝器壓強定為20 kpa，蒸發器確定為**迴圈管式蒸發器，採用三效並流方式，進料方式為沸點進料。設計條件見《內蒙古工業大學課程設計任務書》。
第二章多效蒸發的工藝計算
多效蒸發工藝計算的依據是物料衡算，熱量衡算以及轉熱速率三個基本方程。在多效蒸發中，各效的操作壓力依次降低，相應的，各效的加熱蒸汽溫度及溶液的沸點亦依次降低。以下以三效蒸發為例，採用試差法進行計算。
2.1 各效蒸發量和完成液組成的估算
本設計的條件：
設計乙個連續操作的三效並流蒸發裝置，將溶液濃度為11%的naoh水溶液濃縮至30%。已知原料液量為42kt/a；，沸點進料。加熱介質採用500 kpa(絕壓)的飽和水蒸氣，冷凝器操作壓力為20 kpa(絕壓)。
三效的傳熱系數分別為k1 =1500w/(m2·℃)，k2 =1000w/(m2·℃), k3 =600w/(m2·℃),原料液比熱容為3.7kj/(kg·℃),各效蒸發器中液面高度為2m。各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出。
假設各效轉熱面積相等，並忽略熱損失。每年按300天計算，每天24小時連續執行。
原料液進料流量：
總蒸發量：
並流加料蒸發
初估各校完成液的濃度：
2.2 二次蒸汽的溫度、溶液沸點和各效傳熱溫度差的確定
設各效間的壓強降相等：
由各效的二次蒸汽壓強查相應的二次蒸汽的溫度和汽化熱，見表2-1。
表2-1 二次蒸汽的溫度和汽化熱
其中二次蒸汽溫度即為下一效加熱蒸汽溫度，二次蒸汽汽化熱即為下一效加熱蒸汽的汽化熱。
2.2.1由於溶液蒸汽壓下降引起的溫度差損失
多效蒸發中各效溫度差損失的計算可用：
為溶液沸點公升高引起的溫度差損失。
為液層靜壓效應引起的溫度差損失。
為蒸汽流動中的阻力和熱損失而引起的溫度差損失。
對於naoh水溶液採用杜林經驗式計算
對於第一效溶液沸點公升高引起的溫差為：
其他資料及計算結果見表2-2。
表2-2 資料及計算結果
2.2.2由於蒸發器中溶液靜壓強引起的溫度差損失
由於液層內部的壓力大於液面上的壓力，使相應的溶液內部的沸點高於液面上的沸點，二者之差即為液注靜壓頭引起的沸點公升高。
根據流體靜力學方程，液層的平均壓力為：
式中；℃
℃各濃度下溶液密度見下表2-2-1
表2-2-1 naoh各濃度對應密度表
對應的水的溫度及對應的水的沸點見表2-3。
表2-3 對應的水的溫度及對應的水的沸點
2.2.3由管道流動阻力產生的壓強降所引起的溫度差損失
二次蒸汽從蒸發室流入冷凝器的過程中，由於管道阻力，其壓力下降，故蒸發器內的壓力高度高於冷凝器內的壓力，由此造成的沸點公升高約為1-1.5 ℃。
通常取℃
2.2.4各效料液的溫度和各效總溫度差℃℃
℃所以各效沸點為 ℃ ℃
2.3 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發水量的計算
根據物料衡算和熱量衡算得公式
式中：——第i效的加熱蒸汽量，kg/h；
——分別是第i效加熱蒸汽，二次蒸汽的汽化熱，kj/kg且；
——為原料液的比熱，kj/（kg ℃）；
——為水的比熱，kj/（kg ℃）；
——分別為第i效及第i-1效溶液的沸點，℃；
為第i效的熱利用係數。
各效的熱利用係數：
根據水蒸汽表，查各壓強下的汽化熱見表2-4。
表2-4各效溶液沸點及其對應汽化熱
其中，初始壓力480 kpa時水蒸氣汽化熱為2119.3 kj/kg。
第一效1）
第二效： (kj/kg)
……（2）
第三效： (kj/kg)
……（3）
……（4）
聯立式（1）（2）（3）（4）
解，得2.4各效蒸發器傳熱面積的計算
誤差為誤差較大，故因調整各效的有效溫度差，重複上述步驟。
2.5溫差的重新分配與試差計算
2.5.1重新分配各效的有效溫度差
平均傳熱面積
重新分配的有效溫度差為： ℃
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