化工原理课程设计范例

--化工原理课程设计

课程设计

杨则恒 王道银

2011 年 月

设计题目

学 号 专业班级 学生姓名

指导教师

目录

摘要：______________________________________________________________ 1

Abstract：____________________________________________________________ 2

第一章概述________________________________________________________ 3 1.1 蒸发操作的特点____________________________________________________3 1.2 蒸发操作的分类____________________________________________________3 1.3 蒸发设备 _________________________________________________________4 1.4 蒸发流程及示意图__________________________________________________6第二章蒸发工艺设计计算_____________________________________________ 8 2.1 多效蒸发的工艺计算 ________________________________________________8 2.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差 ___________________________________9

2.2.1 各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失'? ___________________________ 11

2.2.2 各效由于溶液静压强所引起的温度差损失___________________________________ 11

2.2.3 由于流体阻力产生压强降所引起的温度差损失估计为 __________________________ 12

2.2.4 各效溶液的沸点和有效总温差 _____________________________________________ 12 2·3 加热蒸汽消耗量和各效水份蒸发量初步计算____________________________13 2.4 估算蒸发器的传热面积 _____________________________________________14 2.5 重新分配各效的有效温度差_________________________________________15

2.6 重复上述计算步骤_________________________________________________16

2.6.1 由所求各效蒸汽量求各效溶液浓度 _________________________________________ 16

2.6.2 计算各效溶液沸点______________________________________________________ 16

2.6.3 各效的焓衡算__________________________________________________________ 17

2.6.4 蒸发器传热面积的计算___________________________________________________ 18 2.7 优化计算 ________________________________________________________19 2.8 优化计算结果与手工计算结果比较 ____________________________________24第三章蒸发器主要结构尺寸计算_____________________________________ 25

3.1 加热管的选择和管数的初步估计______________________________________25 3·2 循环管的选择____________________________________________________25 3·3 加热室直径及加热管数目的确定______________________________________26

3.4 分离室直径及高度的确定 ___________________________________________27

3.4.1 分离室体积的计算______________________________________________________ 27

3.4.2 分离室直径及高度的确定_________________________________________________ 28 3·5 接管尺寸的确定___________________________________________________29

3.5.1 溶液进出口 ____________________________________________________________ 29

3.5.2 加热蒸气进口与二次蒸汽出口 _____________________________________________ 29

3.5.3 冷凝水出口 ____________________________________________________________ 30

第四章蒸发装置的辅助设备_________________________________________ 31 4.1 气液除沫器______________________________________________________31

4.2 蒸汽冷凝器______________________________________________________31

4.2.1 冷却水量 ______________________________________________________________ 32

4.2.2 冷凝器的直径__________________________________________________________ 32

4·3 泵的选型 ________________________________________________________33

4.3.1 真空泵的选型__________________________________________________________ 33

4.3.2 离心泵的选型__________________________________________________________ 34 4.4 预热器的选型____________________________________________________35第五章主要设备强度计算及校核_____________________________________ 37

5.1 分离室 __________________________________________________________37 5.2 加热室 __________________________________________________________37第六章小结与参考文献_____________________________________________ 39

6.1 设计结果汇总表__________________________________________________39 6.2 设计评价 _______________________________________________________41 6.3 心得体会 _______________________________________________________42附录_______________________________________________________________ 43一、优化程序____________________________________________________43参考文献___________________________________________________________ 45

摘要：

蒸发是生产中重要的单元操作，普遍应用于化工、医药、食品等行业的水溶液或有机溶液的浓缩。本次课程设计的任务是将10% 的NaOH溶液浓缩至35%，年处理量为3.5×104吨。选用三效并流中央循环管式蒸发器。设计工作主要包括工艺设计计算，蒸发器传热面积的计算以及运用C语言进行面积优化，还有蒸发器工艺尺寸的设计计算及辅助设备的选型计算，主要设备的强度校核，管道及各种连接件的选型，工艺管道流程图及蒸发器装配图的绘制。

关键词：

三效并流；蒸发；中央循环管；N aO H

Abstract：

Evaporation is an important unit operation in process, which is widely used

for the concentration of aqueous and organic solutions in fields such as

chemical, pharmaceutical, food and other industries. The mission is to design

evaporation system to concentrate 3.5×104 ton/year of NaOH aqueous solution

from 10% to 35%. Three-effect and forward-feed evaporators with vertical

tubes and large central downcomer are chosen. The detailed work includes

process design and calculations, heat transfer area determination and program

optimization with C language, as well as design and calculations of the

evaporator and selection of auxiliary equipments. In addition, the strength

check of the main equipment was done, pipe and pipe fittings was

selected.,pipe and instrument diagram (PID) and evaporator assembly were

accomplished.

Key words:

Triple-effect forward feed；evaporation；Central circulation downcomer;

NaOH

第一章概述

1.1 蒸发操作的特点

工程上，蒸发过程只是从溶液中分离出部分溶剂，而溶质仍留在溶液中，因此，蒸发操作即为一个使溶液中的挥发性溶剂与不挥发性溶质的分离过程。目的主要是获得浓缩的溶液,有时也为获得纯净得溶剂.由于溶剂的汽化速率取决于传热速率，故蒸发操作属传热过程，蒸发设备为传热设备，但是，蒸发操作与一般传热过程比较，有以下特点:

（1）溶液沸点升高蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在相同压力下溶液的蒸汽压较同温度纯溶剂的蒸汽压低，使溶液的沸点高于纯溶液的沸点，这种现象称为溶液沸点的升高。在加热蒸汽温度一定的情况下，蒸发溶液时的传热温差必定小于加热纯溶剂时的传热温差，而且溶液的浓度越高，这种影响也越显著。

（2）物料的工艺特性蒸发的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在浓缩时可能析出晶体，或易于结垢；有些则具有较大的黏度或较强的腐蚀性等。

（3）能量回收蒸发过程是溶剂汽化过程，由于溶剂汽化潜热很大，所以蒸发过程是一个大能耗单元操作。因此，节能是蒸发操作应予考虑的重要问题。为了充分利用热能,生产上普遍采用多效蒸发。

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。

按二次蒸汽的利用情况可以分为单效蒸发和多效蒸发，若产生的二次蒸汽不加利用，直接经冷凝器冷凝后排出，这种操作称为单效蒸发。若把二次蒸汽引至另一操作压力较低的蒸发器作为加热蒸汽，并把若干个蒸发器串联组合使用，这种操作称为多效蒸发。多效蒸发中，二次蒸汽的潜热得到了较为充分的利用，提高了加热蒸汽的利用率。.

按操作压力可以分为常压、加压或减压蒸发。很显然，对于热敏性物料，如抗生素溶液、果汁等应在减压下进行。而高粘度物料就应采用加压高温热源加热

（如导热油、熔盐等）进行蒸发.

在加压蒸发中，所得到的二次蒸汽温度较高，可作为下一效的加热蒸汽加以利用。因此，单效蒸发多为真空蒸发，多效蒸发的前效为加压或常压操作，而后效则在真空下操作。

按蒸发方式分：

自然蒸发：即溶液在低于沸点温度下蒸发，如海水晒盐，这种情况下，因溶剂仅在溶液表面汽化，溶剂汽化速率低。

沸腾蒸发：将溶液加热至沸点，使之在沸腾状态下蒸发。工业上的蒸发操作基本上皆是此类。

按加热方式分：

直接热源加热它是将燃料与空气混合，使其燃烧产生的高温火焰和烟气经喷嘴直接喷入被蒸发的溶液中来加热溶液、使溶剂汽化的蒸发过程。

间接热源加热容器间壁传给被蒸发的溶液。即在间壁式换热器中进行的传热过程。

1.3 蒸发设备

蒸发设备又称蒸发器。是通过加热使溶液浓缩或从溶液中析出晶粒的设备。

主要由加热室和蒸发室两个部分组成。加热室是用蒸汽将溶液加热并使之沸腾的部分，但有些设备则另有沸腾室。蒸发室又称分离室，是使气液分离的部分。加热室(或沸腾室)中沸腾所产生的蒸气带有大量的液沫，到了空间较大的分离室，液沫由于自身凝聚或室内的除沫器等的作用而得以与蒸气分离。蒸气常用真空泵抽引到冷凝器进行凝缩，冷凝液由器底排出。

蒸发器种类繁多，构造也各不相同。根据循环原理可分为自然循环蒸发器、强制循环蒸发器、单程蒸发器，也有根据操作原理来分类的。

（1）循环型蒸发器

循环型蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作循环流动。根据造成液体循环的原理的不同，又可将其分为自然循环和强制循环两种类型。前者是藉助在加热室不同位置上溶液的受热程度不同，使溶液产生密度差而引起的自

然循环；后者是依靠外加动力使溶液进行强制循环。循环的蒸发器中有中央循环管式，悬筐式，外加热式，列文式及强制循环式等。

（2）单程型蒸发器

单程型蒸发器的特点是，溶液沿加热管壁成膜状流动，一次通过加热室即达到要求的浓度，而停留时间仅数秒或十几秒钟。

单程型蒸发器的主要优点是传热效率高，蒸发速度快，溶液在蒸发器内停留时间短，因而特别适用于热敏性物料的蒸发。

按物料在蒸发器内的流动方向及成膜原因的不同，可以分为以下几种类型：升膜蒸发器；降膜蒸发器；升—降膜蒸发器；刮板薄膜蒸发器。

(3)直接接触传热蒸发设备

直接接触传热的蒸发器是将燃料（通常是煤气或重油）与空气混合后燃烧产生的高温烟气直接喷入被蒸发的溶液中，高温烟气与溶液直接接触，使得溶液迅速沸腾汽化。蒸发出的水分与烟气一起由蒸发器的顶部直接排出。

通常这种蒸发器的燃烧室在溶液中的深度为200~600mm，燃烧室内高温烟气的温度可达1000℃以上，但由于气液直接接触时传热速率快，气体离开液面时只比溶液温度高出2~4℃。燃烧室的喷嘴因在高温下使用，较易损坏，故应选用耐高温和耐腐蚀的材料制作，结构上应考虑便于更换。

在工业上常用的间接加热蒸发器为循环型和单程型。

此次设计用的是中央循环管式蒸发器.

中央循环管式蒸发器是一种蒸发设备。它由加热室、蒸发室、气液分离室等组成。它的加热列管同管壳式换热器，中央有一根粗管，即为中央循环管。流体在周围的列管中被加热而使密度下降，向上流动，在中央循环管中流体密度相对较大，向下流动，从而形成良好的循环流动，促进传热和蒸发。

其优点是结构简单，操作可靠；传热效果好；投资费用少。缺点是清洗和检修较麻烦；溶液循环速度较低；因溶液的循环使蒸发器中溶液的组成总是接近于完成液组成，溶液沸点升高明显，传热温差减小，黏度也较大，影响传热效果。

1.4 蒸发流程及示意图

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。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。

本次设计的是三效并流蒸发。流程如下图所示，其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，故各效之间无须用泵输送溶液，此为并流法的优点之一。它的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进入后一效内，即成过热状态而立即自行蒸发，可以发生更多的二次蒸汽，使能在次一效蒸发更多的溶液。但其缺点则为后一效的溶液的浓度较前一效的大，而温度又较低，黏度增加显著，因而传热系数就小很多。

图1.1 三效并流蒸发流程图

第二章蒸发工艺设计计算

图2.1 三效蒸发的物料恒算，热量恒算示意图

2.1 多效蒸发的工艺计算

多效蒸发工艺计算的主要依据是物料衡算、热量衡算及传热速率方程。计算的主要项目有：加热蒸汽（生蒸汽）的消耗量、各效溶剂蒸发量以及各效的传热面积。计算的已知参数有：料液的流量、温度和浓度、最终完成液的浓度、加热蒸汽的压强和冷凝器中的压强等。

蒸发器的设计计算步骤多效蒸发的计算一般采用迭代计算法。

1.根据工艺要求及溶液的性质，确定蒸发的操作条件（如加热蒸汽压强及冷凝器的压强），蒸发器的形式、流程和效数。

2.根据生产经验数据，初步估计各效蒸发量和各效完成液的浓度。

3.根据经验假设蒸汽通过各效的压强降相等，估算各效溶液沸点和有效总温差。

4.根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。

5.根据传热速率方程计算各效的传热面积。若求得的各效传热面积不相等，则应按下面介绍的方法重新分配有效温度差，重复步骤（3）至（5），直到所求得各效

传热面积相等（或满足预先给出的精度要求）为止。 估算各效蒸发量和完成液 进料量：

7

3.510

4557.2917/32024

F kg h

?=

=?

总蒸发量:

30.1

(1)4557.2917(1)3255.2084/0.35

x W F kg h

x =-

=?-

=

由于并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设

123W :W :W 1:1.1:1.2=

而 12313.3W W W W W ++== 所以

00

12

311

212

33255.2084

986.4268/3.3

1.1986.42681085.0695/1.2986.42681183.7121/4557.291710%0.1276

4557.2917986.4268

4557.291710%

0.1833

4557.2917986.42681085.0695

W kg h

W

kg h

W kg h Fx x F W

Fx x F W W

x ===?==?=?==

=--?=

=

=----=0.35

式中以上各式中：

W

——总蒸发量，kg /h ；

1,2,W W …，n ,W ——各效的蒸发量，kg /h ；

F ——原料液流量，kg /h

；

0,1x x ，…n

x ——原料液及各效完成液的组成，质量分数。

2.2 估算各效溶液的沸点和有效总温度差

设各效间的压强降相等，则总压强差为

'

1

(400101.3)(101.381)481k p P

P kPa

?=-=+--=∑

各效间的平均压强差为：

481160.33

3

i P

P kP a

??=

=

=∑

由各效的压强差可求得各效蒸发室的压强，即：

'

11'12'

'

3(400101.3)160.33412(400101.3)2160180.7101.38120.3i i k P P P kPa P P P kPa P P kPa

=-?=+-==-?=+-?===-=

式中 i p ?——各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差，kP a ； 1p ——第一次加热蒸汽的压强，kP a ；

K

p '——末效冷凝器中的二次蒸汽的压强，kP a 。

由各效的二次蒸汽压强，从《化工原理》附录4中查得相应的二次蒸汽和汽化热列于下表中。

表2.1 饱和水蒸汽的物性

多效蒸发中的有效传热总温度差可用下式计算：()1k t T T '?=--?∑∑ 式中

t ?∑——有效总温度差，为各效有效温度差之和，℃。

1T ——第一效加热蒸汽的温度，℃；

k T '——冷凝器操作压强下二次蒸汽的饱和温度，℃；

?∑——总的温度差损失，为各效温度差损失之和，℃。

''''''?

=

?+?+?

∑∑∑∑ 式中 '?—— 由于溶液的蒸汽压下降而引起的温度差损失，℃；

''?——由于蒸发器中溶液的静压强而引起的温度差损失，℃；

'''?——由于管路流体阻力产生压强降而引起的温度差损失，℃。

2.2.1 各效由于溶液的蒸汽压下降所引起的温度差损失'?

根据各效的二次蒸汽温度i T '和各效完成液的组成x i ，由NaOH 水溶液的杜林线图查得各效溶液的沸点t Ai 分别为：

12314612880A A A t C t C t C =?=?=?

则各效由于溶液蒸汽压下降引起的温度差损失为：

123'

'

11''22'

'

33146137.818.19128116.711.38060.219.8A A A t T C t T C

t T C

?=-=-=??=-=-=??=-=-=?

所以：

'

8.1911.319.839.29

?

=++=∑

2.2.2 各效由于溶液静压强所引起的温度差损失

由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失 ''?，某些蒸发器在操作时，器内溶液需维持一定的液位，因而蒸发器中溶液内部的压强大于液面的压强，致使溶液内部的沸点较液面处高，二者之差即为因溶液静压强引起的温度差损失''?，为简便起见，内部的沸点可按液面和底层的平均压强来查取，平均压强近似按静力学方程估算：

m gL p p 2

ρ'=+

式中 m p ——蒸发器中液面和底层的平均压强，P a

p '——二次蒸气的压强，即液面处的压强，P a

ρ

——溶液的平均密度，3kg /m L ——液层高度，m ； g

——重力加速度，2m /s

根据 m gL p p 2

ρ'=+

蒸发器中溶液的液面高度估计为2m 故：

123 1.109.812

341351.821.169.812

181.7192.021.329.812

20.333.32

m m m P kPa P kPa

P kPa

??=+

=??=+=??=+

=

根据各效溶液的平均压强，由手册查得对应的饱和温度为： 所以

123"

'

'

11"

'

'

22"

'

'

33"

138.81137.811118.76116.7 2.0669.30560.29.1051 2.069.10512.165Pm Pm Pm T T C T T C T T C

C

?=-=-=??=-=-=??=-=-=??

=++=?∑

2.2.3 由于流体阻力产生压强降所引起的温度差损失估计为

所以各效总的温度差损失为

'""'

39.2912.165354.5C

?=

?+?+?=++=?∑

∑∑∑

2.2.4 各效溶液的沸点和有效总温差

溶液的沸点为：

i i i

t T '=+?

各效总温差为：

123'

'

'138.81118.7669.305Pm Pm Pm T C T C T C

=?=?=?'''''''''1

2

3

'''

13?=?

=?=?

?

=?

∑

011111''11

4%po t t

r W D FC Dr r r η??-=+-???

??

'""'

1111'

"

"'

2222'

"

'"

33338.191110.211.3 2.06114.419.89.105129.9C C C

?=?+?+?=++=??=?+?+?=++=??=?+?+?=++=?

所以各效溶液沸点：

123137.810.2148.0116.714.4131.160.229.990.1t C t C t C

=+=?=+=?=+=?

有效总温度差：

由手册查得压强为501kPa 时蒸汽的饱和温度为

汽化热为

2113kJ/kg,所以：

(151.760.2)54.537t C

?=--=?∑

2·3 加热蒸汽消耗量和各效水份蒸发量初步计算

效的焓衡量式为:

由于沸点进料，所以

01t t =

考虑到NaOH 水溶液浓缩热的影响，热利用系数1η为： ()1100.980.7x 0.980.7(x x )0.980.70.12760.10.96068

η=-?=--=--=

1111

11

1r 2113.2W D 0.96068D 0.904D r 2155.1

=η=?

='

同理第二效的热衡算式为: ()2

2

121221

po 1pw '222

r t t r W W Fc W c W 4%r r r ?

?-=η+--???''?? ()20.980.70.18330.12760.94101η=-?-=

'

1

()k t T

T ?=--?

∑∑151.7C ?

10.849123.321

W =+

第三效的热衡算式为:

()233

3332p 01pw 2pw 2''

'333r t t r W W FC W C W C W 4%r r r ??-=η+--?-?????

30.980.7(0.350.1833)0.86331

η=-?-=()32122212215.6131.190.12215.6W 0.86331W 4557.2917 3.77 4.187W 4.187W W 4%2355235523550.7168W 0.06293W 258.2307

?-??

=??+?---???

??=-+

又由于：

123W W W 2790++= (d) 解得:

1123D 1287 kg /h W 1163kg /h W 1111kg /h

W 981 kg /h

====

2.4 估算蒸发器的传热面积

i i i i

Q S K t =

? 各效蒸发器的总传热系数依据经验取

()

()

()

2

o

12

o 22

o

3K 1800W m C K 1200W m C K 600W

m

C =?=?=?()21112155.1148.0131.12155.10.941014557.2917 3.77 4.1874%2215.62215.62215.6W W W W -??

=??+?-??-????

??

2.5 重新分配各效的有效温度差

平均传热面积：

3

5

1112872133.210

Q Dr 7.55510W

3600

??==

=?o

111t T t 151.7148.0 3.7C

?=-=-=5

2

17.55510

S 113.4m

1800 3.7

?=

=?3

5

21211632155.110

Q W r 6.96210W

3600

??==

=?5

2

2 6.96210

S 86.5m

1200 6.71

?=

=?'o

221t T t 137.81131.1 6.71C

?=-=-=3

5

32311112215.610

Q W r 6.83810W

3600

??==

=?'

o

332t T t 116.790.126.6C

?=-=-=5

2

3 6.83810

S 42.8m

60026.6

?=

=?

112233

2

S t S t S t S t

113.4 3.786.5 6.7142.826.6

3.7 6.7126.6

57.78m

?+?+?=

??+?+?=

++=∑

重新分配有效温度差:

11122233

3S 113.4t t 3.77.26C S 57.78S 86.5t t 6.7110.05C S 57.78S 42.8t t 26.619.70 C

S 57.78

'?=??=?='?=??=?='?=??=

?=

2.6 重复上述计算步骤

2.6.1 由所求各效蒸汽量求各效溶液浓度

011

212

3Fx 4557.291710%x 0.1343

F W 4557.29171163

Fx 4557.291710%x 0.1996

F W W 4557.291711631111

x 0.35

?==

=--?=

=

=----=

2.6.2 计算各效溶液沸点

末效溶液沸点和二次蒸汽压强保持不变,各种温度差损失可视为衡值，故末效溶液的沸点t 3=90.1℃，而3

t 19.7 C '?=

，则第三效加热蒸汽温度（即第二效二次蒸汽

温度）为:

3233

T T t t 90.119.7109.8C ''==+?=+=?℃

由于第二效二次蒸汽温度为2T '=109.8 ℃,及x 2=0.1996查杜林线图得第二效溶液的t A2=125 ℃。且由于静压强引起的温度差"?可视为不变。

故第二效溶液的沸点为：

o

2t 125 2.061128.06C =++=

同理由：o

2'o

2t 128.06C

t 10.05C =?= 得：

'

'

o

2212T T t t 128.0610.05138.11C

==+?=+=

由：'o

11T 138.11C

x 0.1343

== 查杜林线图

得：1

o A t 146.2C = 则：o

1t 146.211148.2C =++=

2.6.3 各效的焓衡算

第一效：

()10.980.70.13430.10.95599

η=--=

1111

2113.22113.2W 0.95599D D 4%0.900D 2155.2392155.239??

=??-??=????

第二效：

()20.980.70.19960.13430.93429

η=--=

()121112155.239148.2128.062155.239W 0.93429W 4557.2917 3.77W 4.187W 4%2232.9242232.9242232.9240.830W 144.782

-??

=+?-?-????

??

=+ 第三效：

()30.980.70.350.19960.87472

η=--=

()23212122232.924128.0690.12232.924W 0.87472W 4557.2917 3.77W 4.187W 4.187W 4%2354.6322354.6322354.6320.0590W 0.737W 242.282

-??

=?+?-?-??-???

??=-++

因为： 123W W W W 3255.2084 kg /h

=++=

'

o

1'

o

2'

o

3T 138.11C T 109.8C T 60.2C

==='

1'

2'3r 2155.239kJ /kg r 2232.924kJ /kg r 2354.632kJ /kg

===