化工设计课程设计-- 管道设计计算

中南民族大学

化工专业课程设计

学院：化学与材料科学学院

专业：化学工程与工艺年级：2011级:KNO

水溶液三效蒸发工艺设计

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学生姓名：** 学号：******

指导教师姓名：*** 职称: 教授

2014年12 月29 日

化工专业课程设计任务书

设计题目：KNO3水溶液三效蒸发工艺设计

设计条件：

1.年处理能力为7.92×104 t/a KNO3水溶液；

2.设备型式中央循环管式蒸发器；

3.KNO3水溶液的原料液浓度为8%，完成液浓度为48%，原料液温度为20℃，比热容为3.5kJ/(kg. ℃)；

4.加热蒸汽压力为400kPa（绝压），冷凝器压力为20kPa(绝压)；

5.各效加热蒸汽的总传热系数：K1=2000W/（m2?℃）；K2=1000W/（m2?℃）；K3=500W/（m2?℃）；

6.各效加热蒸汽的冷凝液均在饱和温度下排出。各效传热面积相等，并忽略浓缩热和热损失，不计静压效应和流体阻力对沸点的影响；

7.每年按300天计，每天24小时运行；

设计任务：

1.设计方案简介：对确定的工艺流程进行简要论述。

2.蒸发器和换热器的工艺计算：确定蒸发器、换热器的传热面积。

3.蒸发器的主要结构尺寸设计。

4.主要辅助设备选型，包括气液分离器及换热器等。

5.绘制KNO3水溶液三效蒸发装置的流程图及蒸发器设备工艺简图。姓名：

班级：化学工程与工艺专业

学号：

指导教师签字:

目录

1 概述 (1)

1.1 蒸发简介 (1)

1.2 蒸发操作的分类 (1)

1.3 蒸发操作的特点 (4)

2设计条件及设计方案说明 (6)

2.1设计方案的确定以及蒸发器选型 (6)

2.2工艺流程简介 (6)

3. 物性数据及相关计算 (7)

3.2换热器设计计算 (8)

3.3管道选材及计算 (9)

3.3.1料液管道管径的确定 (10)

3.3.2加热蒸汽管道与二次蒸气管道管径的确定 (10)

3.3.3冷凝水管道管径的确定 (11)

3.4管材的选择 (12)

4对本次设计任务的评价 (17)

1 概述

1.1 蒸发简介

在化工、轻工、医药、食品等工业中，常常需要将溶有固体溶质的稀溶液加以浓缩，以便得到浓溶液（固体产品）或制取溶剂，例如硝酸铵、烧碱、抗生素、食糖等生产以及海水淡化等。工业上常用的浓缩方法是蒸发，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。

化工生产中蒸发主要用于以下几种目的：

（1）获得浓缩的溶液产品；

（2）将溶液蒸发增浓后，冷却结晶，用以获得固体产品，如烧碱、抗生素、糖等产品；

（3）脱除杂质，获得纯净的溶剂或半成品，如海水淡化。进行蒸发操作的设备叫做蒸发器。

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。蒸发器内部有足够的分离空间，以除去汽化的蒸汽夹带的雾沫和液滴，或装有适当形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽可回收热量加以利用，或经过冷凝器冷凝

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。

1.2 蒸发操作的分类

按操作的方式可以分为间歇式和连续式，工业上大多数蒸发过程为连续稳定操作的过程。

按操作压力，蒸发可以分为常压蒸发、加压或减压蒸发。真空蒸发有许多优点：

（1）在低压下操作，溶液沸点较低，有利于提高蒸发的传热温度差，减小蒸发器的传热面积；

（2）可以利用低压蒸气作为加热剂；

（3）有利于对热敏性物料的蒸发；

（4）操作温度低，热损失较小。

按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，倘若将加热蒸汽通入一蒸发器，则液体受热而沸腾，所产生的二次蒸汽，其压力与温度比较原加热蒸汽（生蒸汽）为低。但

此二次蒸汽仍可设法加以利用。最普遍的利用方法是将其当作加热蒸汽，引入另一个蒸发器，只要后者的蒸发室压力和溶液沸点均较原来蒸发器中为低，则引入的二次蒸汽仍能起到加热作用。此时第二个蒸发器的加热室便是第一个蒸发器的冷凝器，这就是多效蒸发的原理。将多个蒸发器这样连接起来一同操作，即组成一个多效蒸发器。每一蒸发器称为一效，通入生蒸汽的，称为第一效，利用第一效的二次蒸汽为加热蒸汽的称为第二效，以此类推。由于各效（最后一效除外）的二次蒸汽都作为下一效蒸发器的加热蒸汽，提高了生蒸汽的利用率，节省了生蒸汽用量，所以，在蒸发大量水分时，广泛采用多效蒸发，常用的多效蒸发有双效、三效或四效，有的多达六效。

多效蒸发按加料方式又可分为以下四种：

①溶液与蒸汽成并流的方法，简称并流法；

②溶液与蒸汽成逆流的方法，简称为逆流法；

③溶液与蒸汽在有些效间成并流而在有些效间则成逆流，简称错流法；

④每一效都加入原料液的方法，简称平流法。

以三效为例加以说明，当效数有所增减时，其原则不变。

（1）并流法

图1 三效蒸发并流加料流程

并流法是工业中最常用的为并流加料法，如图1所示，溶液流向与蒸汽相同，即第一效顺序流至末效。因为后一效蒸发室的压力较前一效为低，故各效之间可无须用泵输送溶液，此为并流法的优点之一。其另一优点为前一效的溶液沸点较后一效的为高，因此当溶液自前一效至后一效内，即成过热状态而立即自行蒸发（常称为自蒸发或闪蒸），可以发生更多的

二次蒸汽，使能在次一效蒸发更多的溶液。其缺点则为最后一效的溶液的浓度较前一效的大，而温度又较低，粘度增加显著，因而传热系数就小很多。这种情况在最末一、二效尤为严重，使整个蒸发系统的生产能力降低。因此，如果遇到溶液的粘度随浓度的增大而很快增加的情况，不宜采用并流法。

（2）逆流法

图2 三效蒸发逆流加料流程

如图2所示，原料液由末效流入，而由泵打入前一效。逆流法的优点在于溶液的浓度愈大时蒸发的温度亦愈高，使各效溶液均不致出现粘度太大的情况，因而传热系数也就不致过小。其缺点是，除进入末效的溶液外，效与效之间皆需用泵输送溶液，且各效进料温度（末效除外）都较沸点为低，故与并流法比较，所产生的二次蒸汽量减少。

（3）平流法