1、中 南 民 族 大 学化工原理课程设计完成日期： 2015 年 6 月 13 日题 目 年产 100 万吨 35%氯化钠项目 学 院 化 学 与 材 料 科 学 学 院 专 业 化 学 工 程 与 工 艺 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师 I课程设计任务书课程名称 化工原理课程设计 课程代码 01042010设计时间 2015.5.25-2015.6.14 指导教师专 业 化学工程与工艺 班 级 1201一、课程设计任务（题目）及要求（1）设计任务：蒸馏塔设计浓缩用料为 NaCl，进料浓度为 15%，最后浓缩至 35%，进料量为 5000kg/h，加热蒸汽的品质为 500kPa，设备总数
2、 65 套，使用列管式换热器，并且采用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 )生蒸汽压力 500kPa进料热状况 100气候条件 忽略试根据上述工艺条件作出蒸馏塔的设计计算。设计基本资料见主要参考资料。（二）设计要求1、学生应在老师指导下独立完成，题目不可更换。2、查阅相关资料，自学具体课题中涉及到的新知识。3、最后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、写出详细设计说明；3、写出详细计算过程、
3、经验值的取舍依据；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、写作规范、项目填写正确完整、书面整洁、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示例执行。理论塔板数的求取用逐板计算法。A f和 Wd的求取按自己推导的公式进行。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 ,2000.6.2 指导教师签字：II任务分配任务分为三部分：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III
4、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：中央循环式蒸发器；氯化钠；提浓 1第一章 前言 .21.1 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第二章 蒸发工艺设计计算 .42.1已知参数 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、设备结构设计 83.1加热管的选择和管束的初步估计 83.1.1中央循环管直径的选择
5、93.1.2加热室直径及加热管数目的确定 93.1.3分离室直径和高度的确定 .10总 结 11致 谢 12参考文献 .13附 录 140年产 100 万吨 35%氯化钠溶液蒸发器设计摘要：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。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动，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离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当
6、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。关键词：中央循环式蒸发器；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 bo
7、iling, remove the impurities by vaporizing unit parts, to unit operation process 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
8、evaporator must have enough heating area, make the solution is heated to boil.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 in
9、side, in order to remove the entrainment of vaporized steam entrainment and 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 sa
10、turated steam to heat partition, usually the steam as the one used as heat source, evaporation from the solution of steam is called secondary steam.Keywords：The central circulation evaporator;Sodium chloride;enrichment1第 1 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行浓缩，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
11、沸腾，使部分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，溶剂蒸发产生的气体也是水蒸汽，为了区别，前者称为加热蒸汽（如果来自锅炉，又称生蒸汽），后者称为二次蒸汽。二次蒸汽具有一定的压力和温度，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。若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
12、个蒸发器中进行蒸发。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、加压或减压下进行，为维持蒸发过程所需的真空度，在冷凝器后连有真空泵，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殊性：（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。相同条件下，蒸发溶液的传热温差就比蒸发纯溶剂的传热温差小。因此，溶液的沸点升高是蒸发操作必须考虑
13、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，采用多效蒸发流程，是降低蒸发过程能量消耗的有效途径。（3） 溶液的特殊性决定了蒸发器的特殊结构。21.2 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：溶液和蒸汽的流向相同，生蒸汽通入第一效，第一效的二次蒸汽送第二效作加热蒸汽，第二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第二效和第三效继续浓缩，完成液由第三效排出。并流流程
14、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，此种情况在后两效中尤为严重。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顺序流至末效。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逐渐提高，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相同。缺点是效间
15、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：料液分别加入各效，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容易析出结晶的物料，例如，食盐水的蒸发，在较低的浓度下即达到饱和状态而有结晶析出，为了避免在各效间输送含有大量结晶的溶液，通常采用平流加料过程。采用的换热器类型：中央循环管式蒸发器。3第 2 章 蒸发工艺设计计算2.1 已知参数浓缩用料为 NaCl，进料浓度为 15%，最后浓缩至 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
16、式换热器，并且采用三效并流加料蒸发流程。2.2 设计方案根据已知的参数，采用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2.3.1 蒸发量F=5000kg/h总蒸发量:hkgxFW/2860)35.1(50)1(3初算各效蒸发量，对于并流加料蒸发器，取 W1:W2:W3=1:1.1:1.2所以 W=W1+W2+W3=4500kg/h由以上三式可得： W 1=866.7kg/h；W2=953.3kg/h；W3=1040kg/h；Wi各效蒸发量，kg/h 2.3.2 初算各效浓度 4= =0.1814； = =0.2357； =0.351X10WF2X210WF3X2.3.
17、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 6Kg/cm2，得 P1= 500KPa；假设末效冷凝器的压力为： P 3= 50KPa；总压降为： ；KPa450-假设各效的压降相等，即： ；1321第一效二次蒸汽的压强为： ；P1 第二效二次蒸汽的压强： ；a20522 末效二次蒸汽的压强： P 3= 50KPa。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 第二效 第三效二次蒸汽压强 Pi/(KPa) 350 200 50二次蒸汽温度 T i/()(即下一效加热蒸汽温度)138.9 120.2 81.3二次蒸汽的汽化潜热r/(K
18、J/Kg)2156.0 2205.2 2310.4（1）溶液蒸气压降低引起的温度差损失 i根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：tA1=140.0，t A2=121.5，t A3=83.3。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：=140.0-138.9=1.11=121.5-120.2=1.32=83.3-81.3=2.03因此， 4.023.1321 i（2）溶液静压强引起的温度差损失 i5由于 gL21pm则： ；KPa56.3018.9351 ；pm7.2.723；a56108953所以，T pm1=139.4，T pm2=121.
19、01，T pm3=84.18.03-4.11 pm8222.-8.33pT1.40521 i（3）由于流动阻力引起的温度差损失 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 ，根据经验其值可以省略。所以， 0各效总的温度差损失为：5.801.4 iiii（4）各效溶液的沸点和有效温差为.5.9.1381Tt3120202 .8633t总的有效传热温差：iTtk1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
20、，于是6.703.8.5Tt514-6702.3.4 热量衡算及蒸发量计算 6第一效的热量衡算式为10p11rtFcrDWD1为加热蒸汽消耗量 kg/h；热利用系数 取为19580.)1.-84.0(79.7.0981 x62.372635.265 11 DW第二效的热量衡算式为 21pw0p212 rt)cF(r热利用系数 取为940.)8.-357.(98.02 6.1. 2.0531-)230421 WW第三效的热衡算式为: 32pwp10p323 rt)cFc(r热利用系数 为 90.)257.(7.9803 12 2103.4. 4.31086)05.423.41WWW W1+W2+
21、W3=W联立求解得：D 1=1350.78kg/hW1=903.06kg/hW2=958.8kg/hW3=998.36kg/h2.3.5 蒸发器的传热面积m2 0.58).1487.5(1203.)(111 tTKrDtQA7m24.56).12.4(803605.9)(21222 tTKrWtrDtKQAm2 .).(.)(32333 ttt误差计算得： 0.0505.4.058.1maxinS所以误差允许取平均传热面积：S=56.65m 2 2.3.6 计算结果列表表 2 计算数据表效数 1 2 3 冷凝器加热蒸汽温度() 151.9 138.9 120.2 81.3操作压强 Pi/ (K
22、Pa) 350 200 50 50溶液沸点 ti（） 140.5 122.3 86.1完成液浓度(%) 18.14 23.57 35.0蒸发水量 Wi Kg/h 903.06 958.8 998.36生蒸汽量 D Kg/h 1350.78传热面积 Si m2 58.0 55.54 56.40第三章、设备结构设计中央循环管式蒸发器主体分为加热室和分离室，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央循环管；分离室是汽液分离的空间。其主要结构尺寸包括：加热室和分离室的直径和高度；加热管和循环管的规格，长度及在花板上的排列方式等。这些尺寸的确定取决于工艺计算结果，主要是传热面积。壳体直径取
23、决于加热室和分离室直径，而且长度与厚度均是按加热室和分离室分开计算的。3.1 加热管的选择和管束的初步估计加热管通常选用 ， ， 等几种规格的无缝m5.25.238m5.38钢管，长度一般为 0.6-2m。管子长度的选择应根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。本次设计加热管选用 长度为 2 m的无缝钢管。5.238由下式估算所需管数：（3-1）2508.4910).2(3814.65)0( 3 LdSn式中 蒸发器的传热面积， ；S2m加热管的管径， ；0d加热管长度， 。L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 时的管长用（L-n0.1）m。为完成
24、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 中央循环管直径的选择中央循环管的截面积是根据使循环阻力尽量减少的原则来考虑的。其截面积可以取加热管总截面积的 40100，若以 表示循环管内径，则：1D（3-2）21214).0(4dn即： m=437mm3658.0.571 idnD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 mm的承插式铸铁管或焊管子，长度为 2 m。2433.1.2 加热室直径及加热管数目的确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
25、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 ，mm0d19 25 38 57管心距 t,mm 25 32 48 70管子按正三角形排列时，有：9= 根 （3-3）nc1.1839.7250.式中 n总加热管数加热室内径=930mm（3-4）012.5icDtnd385.12)8(43.1.3 分离室直径和高度的确定分离室的直径和高度取决于分离室的体积，而分离室的体积又与二次蒸汽的体积流量及蒸发体积强
26、度有关。分离室体积的计算式: （3-5）360mUWV式中 V分离室的体积， ；3某效蒸发器的二次蒸汽流量，kg/h；某效蒸发器的二次蒸汽密度，；3/mkgU蒸发体积强度， ，即每立方米分离室每秒钟产生的二次蒸汽量一)/(3s般允许值为 。 5.1现取分离室中 U=1.2 kg/h ）sm3/(36.98W3/k150.mg根据前述计算值到代入分离器体积的计算式可得： 3540.12.0360UV分离室体积确定后，其高度 H与直径 D符合下列关系：（3-6）24分离室的高度与直径之比 。对于中央循环管式蒸发器，其分离室一般不21/能小于 1.8 m，以保证足够的雾沫分离高度。分离室的直径也不能
27、太小，否则二次蒸汽流速过大，将导致严重雾沫夹带。取 ，联解式（4-6）得：2DHm，H=1.97 m93.010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，吸收塔，干燥器，换热器等）的工艺设计和设备装置配图的绘制，以培养学生对物理化学，化工热力学，化工原理等课程知识的综合运用能力。通过课程设计，要求了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的主要程序和方法，培养分析和解决工程实际问题的能力。通过课程设计，还应培养独立工作能力，树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。通过课程设计，使我掌握化工设计的基本程序与基本方法，结合
28、设计课题培养查阅有关技术资料及物性参数的能力，通过查询技术资料，选用设计计算公式，收集数据，分析工艺参数与结构尺寸间的相互影响，增强分析问题，解决问题的能力，通过编写说明书，提高学生文中表达能力，掌握撰写技术文件的有关要求，了解一般化工设备图基本要求，对学生进行绘图基本技能训练。作为第一次进行课程设计，在这个过程中，出现了一系列的问题，开始感觉无从下手，对装置的设计不够完善。但是在老师耐心的指导下，设计任务慢慢完善慢慢改进。我觉得不仅巩固了化工原理及相关知识，而且增强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注意理论与实践的结合，成为一次对个人很有意义的经历。总之，
29、我们在这次课程设计中，学习到了非常重要的知识和技能，明白了光具有理论知识是远远不够的，必须联系实际情况从中培养了解决问题的能力，如何去解决实际问题，运用自己所学的知识去创造。11致 谢首先，我要感谢我的指导老师陈胜慧教授。起初，老师给我们细心地讲解设计、布置任务，其间，我遇到很多问题，老师都耐心教导指点，最后老师拿到我的手稿还认真审阅，指出我的作品的缺点，帮我纠正。她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我生活、学习中的榜样，给了起到了指路明灯的作用；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次，我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资
30、料，没有他们的鼓励和加油，这次课程设计就不会如此的顺利进行。最后，感谢自己的努力。12参考文献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,2000.6. 2 http:/ http:/ 贾绍义, 柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津大学出版社, 2002 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, 2002 年 3月.6 中国石化集团上海工程有限公司. 化工工艺设计手册. 化学工业出版社. 2009 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. 2002 年 1月. 8 谭天恩，窦梅，等.化工原理（上册）.化学化工出版社.2013.59 谭天恩，窦梅，等.化工原理（下册）.化学化工出版社.2013.510 黄璐，王保国.化工设计.北京.化学化工出版社.2001.213附 录1、工艺流程草图2、工艺流程设计图3、蒸发器图
