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1、中南民族大学化工原理课程设计题学目院年产 100 万吨 35%氯化钠工程化学与材料科学学院专业化学工程与工艺学生姓指导教名师学号完成日期： 2023 年 6 月 13 日I课程设计任务书课程名称设计时间专 业化工原理课程设计2023.5.25-2023.6.14化学工程与工艺课程代码指导教师班 级010420231201一、课程设计任务题目及要求一设计任务：蒸馏塔设计浓缩用料为 NaCl，进料浓度为 15%，最终浓缩至 35%，进料量为 5000kg/h，加热蒸汽的品质为 500kPa，设备总数 65 套，使用列管式换热器，并且承受三效并流加料蒸发流程。设计条件如下：操作压力kPa(塔顶表压)
2、生蒸汽压力500kPa进料热状况100气候条件无视试依据上述工艺条件作出蒸馏塔的设计计算。设计根本资料见主要参考资料。二设计要求1、学生应在教师指导下独立完成，题目不行更换。2、查阅相关资料，自学具体课题中涉及到的学问。3、最终提交的课程设计成果包括：a) 课程设计说明书纸质文件及电子文件。b) 课程设计相关设计图纸质文件及电子文件。二、对课程设计成果的要求包括课程设计说明书、图纸、图表、实物等软硬件要求1、分析课程设计题目的要求；2、写出具体设计说明；3、写出具体计算过程、阅历值的取舍依据；4、设计完成后提交课程设计说明书及相关设计图；5、设计说明书应内容充实、写作标准、工程填写正确完整、书
3、面干净、版面编排、图表绘制符合要求。6、计算过程使用的符号符合参考资料中的要求，设计内容按参考资料设计例如执行。理论塔板数的求取用逐板计算法。A 和 Wfd的求取按自己推导的公式进展。三、主要参考资料1涂伟萍，陈佩珍，程达芳.化工过程及设备设计.化学工业出版社,2023.6. 2指导教师签字：任务安排任务分为三局部： 1、换热器设计2、蒸发器设计3、管道的设计3.1 、管程清洗3.2 、壳程清洗3.3 、泵的设计3.4 、管道设计3.5 、工艺流程图纸我的任务：蒸发器的设计目 录年产 100 万吨 35%氯化钠溶液蒸发器设计1摘要：1关键词：中心循环式蒸发器；氯化钠；提浓1第一章 前言21.1
4、 蒸发21.1.1 多效蒸发21.1.2 蒸发操作的特点21.2 多效蒸发流程3其次章 蒸发工艺设计计算42.1 参数42.2 设计方案42.3 设计计算42.3.1 蒸发量42.3.2 初算各效浓度42.3.3 初算各效溶液沸点和有效总温度差52.3.4 热量衡算及蒸发量计算62.3.5 蒸发器的传热面积72.3.6 计算结果列表8表 2 计算数据表8第三章、设备构造设计83.1 加热管的选择和管束的初步估量83.1.1 中心循环管直径的选择93.1.2 加热室直径及加热管数目确实定93.1.3 分别室直径和高度确实定10总 结11致 谢12参考文献13附 录14IV年产 100 万吨 35
5、%氯化钠溶液蒸发器设计摘要：蒸发是承受加热的方法，使含有不挥发性杂质如盐类的溶液沸腾，除去其中被汽化 单位局部杂质，使溶液得以浓缩的单元操作过程。蒸发操作广泛用于浓缩各种不挥发性物质 的水溶液，是化工、医药、食品等工业中较为常见的单元操作。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淌，被浓缩到规 定浓度后排出蒸发器外。蒸发器内备有足够的分别空间，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，排出的蒸汽如不再利用，应将其在冷凝器中加以 冷凝。蒸发过程中常常承受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
6、液蒸发出来的蒸汽叫做二次蒸汽。关键词：中心循环式蒸发器；氯化钠；提浓Annual output of 1 million tons of 35% sodium chloride solution evaporator designAbstract：Evaporation adopting the method of heating, make the involatile impurities, such as salt solution boiling, remove the impurities by vaporizing unit parts, to unit operation pro
7、cess of concentrated solution.Evaporation operation is widely used in concentrated aqueous solution of involatile substances, is relatively common in chemical, pharmaceutical, food and other industrial unit operation.In the evaporator must have enough heating area, make the solution is heated to boi
8、l.Solution throughout the evaporator internal cause differences in density and form a circular flow, concentration back out of the evaporator is concentrated to the regulations.Evaporator with adequate separation of space inside, in order to remove the entrainment of vaporized steam entrainment and
9、liquid droplets, or with appropriate forms of defoaming device to remove the liquid foam, discharge of steam, such as no longer use, should be to be condensed in the condenser.Evaporation process often adopt the method of saturated steam to heat partition, usually the steam as the one used as heat s
10、ource, evaporation from the solution of steam is called secondary steam.Keywords：The central circulation evaporator;Sodium chloride;enrichment10第一章 前言1.1 蒸发在化工、轻工、医药和食品等工业中，常常需要将含有固体溶质的溶液进展浓缩，以获得固体产品或制取溶剂。工业上常用浓缩方法一般是将稀溶液加热沸腾，使局部溶剂气话并不断移除，从而提高溶液中溶质的浓度，这种过程称为蒸发。1.1.1 多效蒸发蒸发需要消耗水蒸汽作热源，被蒸发的溶液大多是水溶液，溶剂蒸
11、发产生的气体也是 水蒸汽，为了区分，前者称为加热蒸汽假设来自锅炉，又称生蒸汽，后者称为二次蒸汽。二次蒸汽具有肯定的压力和温度，也可用作加热热源。通常，可将二次蒸汽通入另一压力较 低的蒸发器作为加热蒸汽，以降低生蒸汽的耗用量。假设将前一蒸发器的二次蒸汽通入后一蒸 发器的加热室作热源，则后一蒸发器的加热室就成为前一蒸发器所产生的二次蒸汽的冷凝 器。将多个蒸发器串联起来，后一级蒸发器利用前一级蒸发器的二次蒸汽作热源，仅在第一 级蒸发器中消耗生蒸汽，溶液在多个蒸发器中进展蒸发。这种多个蒸发器相串联的蒸发过程 称为多效蒸发。蒸发可以在常压、加压或减压下进展，为维持蒸发过程所需的真空度，在冷凝器后连有真空
12、泵，为在负压下降冷凝水排出，应使冷凝器具有足够的高度，从而可依靠重力排水，或用泵将水抽出。1.1.2 蒸发操作的特点蒸发操作实质上是在间壁的两侧分别有蒸汽冷凝和液体沸腾的传热过程，因此，蒸发器也是一种换热器。但它又具有不同于一般传热过程的特别性：（1） 溶液中含有不挥发性溶剂，由拉乌尔定律可知，溶液的蒸汽压较纯溶剂的蒸汽压低，或者溶液的沸点较纯溶剂的沸点高。一样条件下，蒸发溶液的传热温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小。因此，溶液的沸点上升是蒸发操作必需考虑的重要问题。（2） 工业规模下，溶剂的蒸发量往往是很大的，需要好用大量的加热蒸汽，如何充分利用二次蒸汽的热能，使单位质量的生蒸汽能汽化更多的水分
13、，承受多效蒸发流程，是降低 蒸发过程能量消耗的有效途径。（3） 溶液的特别性打算了蒸发器的特别构造。1.2 多效蒸发流程多效蒸发有三种不他那个的操作流程，它们是：并流加料流程、逆流加料流程和平流加料流程，以三效为例。并流加料蒸发流程：溶液和蒸汽的流向一样，生蒸汽通入第一效，第一效的二次蒸汽送 其次效作加热蒸汽，其次效的二次蒸汽送第三效作加热蒸汽，第三效的二次蒸汽送入冷凝器 中全部冷凝。溶液经第一效浓缩后送其次效和第三效连续浓缩，完成液由第三效排出。并流 流程的优点是：后效蒸发室压力较前效低，前效溶液可借压差流入后效，无需用泵输送。此外，后效溶液沸点较前效低，溶液自前效流入后效时，由于过热而发生
14、自蒸发，称为闪蒸， 从而可以蒸发更多的溶液。这种流程的缺点是：后效溶液的浓度较前效大，而沸点又较低， 其黏度则相对较大，使后效蒸发器的传热系数较前效小，此种状况在后两效中尤为严峻。逆流加料流程：原料由末效进入，用泵一次输送至前一效，完成液由第一效排出，而加 热蒸汽则从第一效挨次流至末效。因蒸汽和溶液的流向相反，故称逆流加料流程。逆流加料 流程的主要优点是随着溶液浓度的渐渐提高，溶液的温度也在不断提高，因此，各效溶液的 黏度比较接近，各效的传热系数也大致一样。缺点是效间溶液需用泵输送，能量消耗较大。逆流蒸发流程适用于黏度随温度和浓度的变化比较大的溶液，但不适用于热敏性物料的蒸 发。平流加料流程：
15、料液分别参加各效，蒸发后完成液从各效分别排出，各效溶液的流向相互平行。平流加料流程应用于蒸发过程中简洁析出结晶的物料，例如，食盐水的蒸发，在较低的浓度下即到达饱和状态而有结晶析出，为了避开在各效间输送含有大量结晶的溶液，通常承受平流加料过程。承受的换热器类型：中心循环管式蒸发器。其次章 蒸发工艺设计计算2.1 参数浓缩用料为NaCl，进料浓度为15%，最终浓缩至 35%，进料量为5000kg/h，加热蒸汽的品质为 500kPa，设备总数 65 套，使用列管式换热器，并且承受三效并流加料蒸发流程。2.2 设计方案依据的参数，承受三效并流加料蒸发流程，流程图如下：图 1 蒸发流程图2.3 设计计算
16、2.3.1 蒸发量F=5000kg/h 总蒸发量:W = F (1-x0 ) = 5000 (1-) = 2860kg / h0.15x0.353初算各效蒸发量，对于并流加料蒸发器，取W :W :W3=1:1.1:1.212所以 W=W +W +W =4500kg/h123由以上三式可得： W =866.7kg/h；1W =953.3kg/h；2W =1040kg/h；3W 各效蒸发量，kg/hi2.3.2 初算各效浓度=F XX01F -=0.1814； X 2=FX0=0.2357； X 3=0.35WF - W - W1122.3.3 初算各效溶液沸点和有效总温度差由加热蒸汽的品质为 6
17、Kg/cm2，得P = 500KPa；1假设末效冷凝器的压力为：P ”= 50KPa；3总压降为：DP = 500 - 50 = 450KPa ；假设各效的压降相等，即：DP1= DP2= DP3= DP 3 = 150KPa ；第一效二次蒸汽的压强为：P”1= P - DP11= 500 -150 = 350KPa ；其次效二次蒸汽的压强：P”= P” - DP= 350 -150 = 200KPa ；212末效二次蒸汽的压强：P ”= 50KPa。3由各效的二次蒸汽压强从手册中查得相应的二次蒸汽温度和汽化潜热列与下表中：表 1 蒸汽性质列表第一效其次效第三效二次蒸汽压强P ”/(KPa)i
18、35020050二次蒸汽温度 T ”/()i(即下一效加热蒸汽温度) 二次蒸汽的汽化潜热r”/(KJ/Kg)138.92156.0120.281.32205.22310.4（1） 溶液蒸气压降低引起的温度差损失D”i依据二次蒸汽温度以及各效完成液的浓度，有氯化钠的杜林线图可查的各效溶液的沸点为：t =140.0，t =121.5，t =83.3。A1A2A3由此可得各效由于溶液蒸气压力下降所引起的温度差损失：D” =140.0-138.9=1.11D” =121.5-120.2=1.32D” =83.3-81.3=2.03因此， D”i= D”1+ D”2+ D”3= 1.1 + 1.3 +
19、2.0 = 4.4 （2） 溶液静压强引起的温度差损失D”i由于pm= p + 1 rgL 2则： p= 350 +m1p= 200 +m21133 9.81121031177 9.8112103= 355.56KPa ；= 205.77KPa ；p= 50 +m31291 9.8112 103= 56.33KPa ；所以，T ”=139.4，T ”=121.01，T ”=84.18pm1pm2pm3D”1D”2D”3= T ”pm1= T ”pm2= T ”pm3- T ”p1- T ”p 2- T ”p3= 139.4 -138.9 = 0.5= 121.01-120.2 = 0.8= 8
20、4.18 - 81.3 = 2.8 D”i= D”1+ D”2+ D”3= 0.5 + 0.8 + 2.8 = 4.1 （3） 由于流淌阻力引起的温度差损失D”由于管道流体阻力产生的压降所引起的温度差损失，在多效蒸发中末效之前的各效的二次蒸汽流到次一效的加热室的过程中，由于管道阻力使其压强降低蒸汽的饱和温度也相应降低，由此引起的温度差损失即为D ，依据阅历其值可以省略。所以， D”= 0 各效总的温度差损失为： D = D”ii+ D”i+ D” = 4.4 + 4.1+ 0 = 8.5 i（4） 各效溶液的沸点和有效温差为t = T ” + D111= 138.9 +1.1+ 0.5 + 0
21、 = 140.5 t= T ” + D222t= T ” + D333= 120.2 +1.3 + 0.8 + 0 = 122.3 = 81.3 + 2.0 + 2.8 + 0 = 86.1总的有效传热温差： Dt = Dt- DTiDt= TT1- T”k查表得压力为 500KPa 的蒸汽的饱和温度为 151.867，气化潜热为 2108.2kJ/kg，于是Dt= 151.87 - 81.3 = 70.6 T Dt = 70.6 - 4.1 = 66.52.3.4 热量衡算及蒸发量计算第一效的热量衡算式为DW = h 1 + Fct- t r01 11 1 r”1p0r”1D 为加热蒸汽消耗
22、量kg/h；1热利用系数h 取为1h= 0.98 - 0.7Dx = 0.98 - 0.7 (0.1814 - 0.15) = 0.95801W = 0.9580 D2108.2 + 5000 4.03 100 -140.5 = 0.937D- 362.62112156.02156.01其次效的热量衡算式为r”t - tW = h W1 + (Fc- W c) 12 22 1 r”2p01 pwr” 2热利用系数h 取为2h= 0.98 - 0.7 (0.2357 - 0.1814) = 0.94202W = 0.90W 2205.2 + (5000 4.03 - 4.2035W ) 140.
23、5 -122.3 21 2310.412205.2= 0.8883W1+156.65第三效的热衡算式为:rt- t W = h W 3 + (Fc- W c- W c) 23 33 2 r”3p01 pw2 pwr”3热利用系数h 为3h= 0.98 - 0.7 (0.35 - 0.2357) = 0.903=2205.2W0.90W+ (5000 4.03 - 4.2035W- 4.2035W122.3 - 86.1)322310.4122310.4= 0.8007W2+ 284.2 - 0.0593W1W +W +W =W123联立求解得：D =1350.78kg/h1W =903.06k
24、g/h1W =958.8kg/h2W =998.36kg/h32.3.5 蒸发器的传热面积Q1 1A =1=D r=1350.78 2108.2 1000= 58.0 m21K Dt11K (T11- t )3600 1200 (151.867 -140.5)1QD rW r ”903.06 2205.2 1000A =2=2 2=1 1= 56.4 m22K Dt22K Dt22K (T ” - t212)3600800 (142.1-126.6)QD rW r ”958.8 2310.4 1000A =3=3 3=2 2= 56.4 m23K Dt33K Dt33K (T ” - t323
25、)3600 320 (120.2 - 86.1)误差计算得：1-SminSmax= 1- 55.54 = 0.04240.05 0.0558.0所以误差允许取平均传热面积：S=56.65m22.3.6 计算结果列表效数1表 2计算数据表23冷凝器加热蒸汽温度()151.9138.9120.281.3操作压强P / (KPa)i3502005050溶液沸点t i140.5122.386.1完成液浓度(%)18.1423.5735.0蒸发水量W Kg/hi903.06958.8998.36生蒸汽量D Kg/h1350.78传热面积S m2i58.055.5456.40第三章、设备构造设计中心循环管
26、式蒸发器主体分为加热室和分别室，加热室由直立的加热管束组成，管束中间为一根直径较大的中心循环管；分别室是汽液分别的空间。其主要构造尺寸包括：加热室和分别室的直径和高度；加热管和循环管的规格，长度及在花板上的排列方式等。这些尺寸确实定取决于工艺计算结果，主要是传热面积。壳体直径取决于加热室和分别室直径，而且长度与厚度均是按加热室和分别室分开计算的。3.1 加热管的选择和管束的初步估量加热管通常选用f 25 2.5 mm ，f 38 2.5 mm ，f 57 3.5 mm 等几种规格的无缝钢管，长度一般为 0.6-2m。管子长度的选择应依据溶液结垢的难易程度，溶液的起泡性和厂房的高度等因素综合考虑
27、。本次设计加热管选用f 38 2.5 mm 长度为 2 m 的无缝钢管。由下式估算所需管数：n =S=56.65= 249.88 2503-1p d (L - 0.1)3.14 38 (2 - 0.1) 10-30式中 S 蒸发器的传热面积， m 2 ；d 0加热管的管径， m ； L 加热管长度， m 。因加热管固定在管板上，考虑到管板厚度占据的传热面积，计算n 时的管长用L-0.1 m。为完成传热任务所需的最小实际管数n 只有在管板上排列加热管后才能确定。3.1.1 中心循环管直径的选择中心循环管的截面积是依据使循环阻力尽量削减的原则来考虑的。其截面积可以取加热管总截面积的 40100，假
28、设以 D 1表示循环管内径，则：pD 214= (0.4 1)n -p d 23-241即： D1=0.7ndi=0.7 250 0.033 = 0.436548 m=437mm对于加热面积小的蒸发器，应取较大的的百分数。查书后附表，得本设计选取的循环管应选用f 437 12 mm 的承插式铸铁管或焊管子，长度为2 m。3.1.2 加热室直径及加热管数目确实定加热室的内径取决于加热管和循环管的规格、数目及在管板上的排列方式。加热管在管板上的排列方式有三角形、正方形、同心圆等，目前以三角形居多。管心距 t 为相邻两管中心线之间的距离，t 一般为加热管外径的 1.25-1.5 倍。目前在换热器设计
29、中，管心距的数值已经标准化，管子规格确定后，相应的管心距则为定值。表 3 三角形排列时加热管直径与管心距的关系加热管外径d，mm190管心距t,mm25管子按正三角形排列时，有：253857324870250n= 1.1n =1.1c式中 n总加热管数= 17.39 18根3-3加热室内径Di= t (nc-1)+ 2 (11.5 )d0 48 (18 -1) + 2 1.5 38 =930mm3-43.1.3 分别室直径和高度确实定分别室的直径和高度取决于分别室的体积，而分别室的体积又与二次蒸汽的体积流量及蒸发体积强度有关。分别室体积的计算式:V =Wm33-53600r U式中 V分别室的
30、体积， m 3；W 某效蒸发器的二次蒸汽流量，kg/h；r 某效蒸发器的二次蒸汽密度， kg / m3 ；U蒸发体积强度， m3 /(m3 s) ，即每立方米分别室每秒钟产生的二次蒸汽量一般允许值为1.1 1.5 m3 /(m3 s) 。现取分别室中U=1.2 m3 /(m3 s W = W3= 998.36 kg/hr = 0.150kg / m3依据前述计算值到代入分别器体积的计算式可得：V =W=998.36= 1.540m33600r U3600 0.150 1.2分别室体积确定后，其高度H 与直径D 符合以下关系：pV =D2H3-64分别室的高度与直径之比 H / D = 1 2
31、。对于中心循环管式蒸发器，其分别室一般不能小于 1.8 m，以保证足够的雾沫分别高度。分别室的直径也不能太小，否则二次蒸汽流速过大，将导致严峻雾沫夹带。取 H D = 2 ，联解式4-6得：D = 0.993 m，H=1.97 m总 结化工原理课程设计是化工原理课程教学中综合性较强的教学环节，要求学生完成某一化 工设备如精馏塔，吸取塔，枯燥器，换热器等的工艺设计和设备装置配图的绘制，以培育学生对物理化学，化工热力学，化工原理等课程学问的综合运用力量。通过课程设计，要 求了解工程设计的根本内容，把握化工设计的主要程序和方法，培育分析和解决工程实际问 题的力量。通过课程设计，还应培育独立工作力量，
32、树立正确的设计思想，培育实事求是， 严峻认真，高度负责的工作作风。通过课程设计，使我把握化工设计的根本程序与根本方法，结合设计课题培育查阅有关技术资料及物性参数的力量，通过查询技术资料，选用设计计算公式，收集数据，分析工艺参数与构造尺寸间的相互影响，增加分析问题，解决问题的力量，通过编写说明书，提高学生文中表达力量，把握撰写技术文件的有关要求，了解一般化工设备图根本要求，对学生进 行绘图根本技能训练。作为第一次进展课程设计，在这个过程中，消灭了一系列的问题，开头感觉无从下手， 对装置的设计不够完善。但是在教师急躁的指导下，设计任务渐渐完善渐渐改进。我觉得不 仅稳固了化工原理及相关学问，而且增加
33、个人对于了团队协作精神，同时也磨练了意志。相 信这次课程设计会让我们更加留意理论与实践的结合，成为一次对个人很有意义的经受。总之，我们在这次课程设计中，学习到了格外重要的学问和技能，明白了光具有理论学问是远远不够的，必需联系实际状况从中培育了解决问题的力量，如何去解决实际问题，运用自己所学的学问去制造。1致 谢首先，我要感谢我的指导教师陈胜慧教授。起初，教师给我们细心地讲解设计、布置任 务，其间，我遇到很多问题，教师都急躁教育教导，最终教师拿到我的手稿还认真批阅，指出我的作品的缺点，帮我订正。她严谨细致、一丝不苟的作风始终是我生活、学习中的典范， 给了起到了指路明灯的作用；她循循善诱的教育和不
34、拘一格的思路赐予我无尽的启迪，让我 很快就感受到了设计的欢快并融入其中。其次，我要感谢同组同学对我的帮助和教导，没有他们的帮助和供给资料，没有他们的鼓舞和加油，这次课程设计就不会如此的顺当进展。最终，感谢自己的努力。13参考文献1 涂伟萍，陈佩珍，程达芳.化工过程及设备设计.化学工业出版社,2023.6.2 :/wenku.baidu /link?url=fTFJKQApS3OJYq2rFw18FesU_5_VwgdAr3 :/3y.uu456 /bp_2ryb04788y4g4gh0l15v_1.html24 贾绍义, 柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津大学出版社, 2023 年 6 月.5 刘光启, 马连湘, 刘杰. 化学化工物性数据手册. 化学工业出版社, 2023 年 3 月.6 集团上海工程. 化工工艺设计手册. 化学工业出版社. 2023 年 8 月.7 刘启光, 马连湘, 邢志有. 化工物性算图手册. 化学工业出版社. 2023 年 1 月.8 谭天恩，窦梅，等.化工原理上册.化学化工出版社.2023.59 谭天恩，窦梅，等.化工原理下册.化学化工出版社.2023.510 黄璐，王保国.化工设计.北京.化学化工出版社.2023.2附 录1、工艺流程草图2、工艺流程设计图3、蒸发器图