化工原理课程设计汇总.docx

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1、化工原理课程设计汇总 前言 课程设计是本课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是学习化工设计基本知识的初次尝试。通过课程设计，要求能够综合运用本课程和前修课程的基本知识进行融会贯通，并在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。 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

2、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。 本次设计的主要是三效蒸发装置。 第一章设计方案的确定 1.1蒸发操作条件的确定 蒸发操作条件的确定主要指蒸发器加热蒸汽压强（或温度）、冷凝器操作压强（或温度)的选定。正确选择蒸发过程的操作条件，对保证产品质量和降低能耗极为重要。 1.1.1加热蒸汽压强的确定 通常被蒸发的溶液有一个被允许的最高温度，若超过此温度物料就会变质、破坏或分解，这是确定加热蒸汽压强的一个依据。应使操作在低于最大温度范围内进行，可以采用加压蒸发、常压蒸发或真空蒸发。 蒸发是一个消耗大量加热蒸汽而又产生大量二次

3、蒸汽的过程。从节能观点出发，应充分利用二次蒸汽作为后续蒸发过程或者其它加热用的热源，即要求蒸发 装置能够提供温度较高的二次蒸汽。这样既可以减少锅炉产生蒸汽的消耗量，又可减少末效进入冷凝器的二次蒸汽量，提高蒸汽的利用率。因此，能够采用较高温度的饱和蒸汽作为加热蒸汽是有利的，但通常所用饱和蒸汽的温度不超过180，超过时相应的压强就很高，这将增加加热设备费用和操作费用。一般的加热蒸汽压强在400800kPa范围之内。 本设计选700kPa。 1.1.2冷凝器操作压强的确定 若一次采用较高压强的加热蒸汽，则末效可采用常压或加压蒸发，此时末效产生的二次蒸汽具有较高的温度，可以全部利用。而且各效操作温度较

4、高时，溶液粘度低，传热效果好。若一效加热蒸汽压强低，末效应采用真空操作，此时各效二次蒸汽温度低，进入冷凝器冷凝需要消耗大量冷却水，而且溶液粘度大，传热差。但对于那些热敏性物料的蒸发，为充分利用热源还是经常采用真空蒸发的。对混合式冷凝器，其最大真空度取决于冷凝器内的水温和真空装置的性能。通常冷凝器的最大真空度为8090kPa。 本设计冷凝器的绝对压力选20kPa。 1.2蒸发器的类型及其选择 1.2.1蒸发器的类型 蒸发设备的作用是使进入蒸发器的原料液被加热，部分气化，得到浓缩的完成液，同时需要排出二次蒸汽，并使之与所夹带的液滴和雾沫相分离。 蒸发的主体设备是蒸发器，它主要由加热室和蒸发室组成。

5、蒸发的辅助设备包括：使液沫进一步分离的除沫器，和使二次蒸汽全部冷凝的冷凝器。减压操作时还需真空装置。分述如下： 由于生产要求的不同，蒸发设备有多种不同的结构型式。对常用的间壁传热式蒸发器，按溶液在蒸发器中的运动情况，大致可分为以下两大类：（1）循环型蒸发器 特点：溶液在蒸发器中做循环流动，蒸发器内溶液浓度基本相同，接近于完成液的浓度。操作稳定。此类蒸发器主要有: a.中央循环管式蒸发器； b.悬筐式蒸发器； c.外热式蒸发器； d.列文式蒸发器； e.强制循环蒸发器。 其中，前四种为自然循环蒸发器。 （2）单程型蒸发器 特点：溶液以液膜的形式一次通过加热室，不进行循环。 优点：溶液停留时间短，

6、故特别适用于热敏性物料的蒸发；温度差损失较小，表面传热系数较大。 缺点：设计或操作不当时不易成膜，热流量将明显下降；不适用于易结晶、结垢物料的蒸发。 此类蒸发器主要有: a.升膜式蒸发器； b.降膜式蒸发器； c.刮板式蒸发器。 1.2.2蒸发器的选择 蒸发设备的种类很多，但无论何种类型的蒸发设备，在构造上必须有利于过程的进行。因此设计蒸发设备时应考虑以下几个因素： (1)尽可能提高冷凝和沸腾给热系数。减缓加热面上污垢的生成速率，保证设备具有较大的传热系数； (2)能适应溶液的某些特性，如粘性、起泡性、热敏性、腐蚀性等； (3)能完善汽化、液的分离； (4)能排除溶液在蒸发过程中所析的晶体。

7、从机械加工的工艺性、设备的投资、操作费用等角度考虑，蒸发设备的设计还应满足以下几项要求： a、设备的材料消耗少，制造、安装方便合理； b、设备的检修和清洗方便，使用寿命长； c、有足够的机械强度。 在实际设计过程中，要完全满足以上各点困难的，必须权衡轻重，研究主次，加以综合考虑。 本次设计采用的是中央循环管式蒸发器。 结构和原理：其下部的加热室由垂直管束组成，中间由一根直径较大的中央循环管。当管内液体被加热沸腾时，中央循环管内气液混合物的平均密度较大；而其余加热管内气液混合物的平均密度较小。在密度差的作用下，溶液由中央循环管下降，而由加热管上升，做自然循环流动。溶液的循环流动提高了沸腾表面传热

8、系数，强化了蒸发过程。 这种蒸发器结构紧凑，制造方便，传热较好，操作可靠等优点，应用十分广泛，有标准蒸发器之称。为使溶液有良好的循环，中央循环管的截面积，一般为其余加热管总截面积的40%100%；加热管的高度一般为12m；加热管径多为2575mm之间。但实际上，由于结构上的限制，其循环速度一般在0.4 0.5m/s以下；蒸发器内溶液浓度始终接近完成液浓度；清洗和维修也不够方便。 1.3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

9、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。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）可以利用低压蒸汽作为加热剂； （3）有利于对热敏性物料的蒸发； （4）操作温度低，热损失较小。 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。 1.3.1

10、多效蒸发效数的确定 在流程设计时首先应考虑采用单效还是多效蒸发，为充分利用热能，生产中一般采用多效蒸发。 经济上的限制是指效数超过一定时经济上不合算。多效蒸发中，随着效数的增加，总蒸发量相同时所需生蒸汽量减少，是操作费用降低。随着效数的增加，设备费用成倍增长，而所节省的生蒸汽量愈来愈少，所以无限制增加效数已无实际意义，最适宜时的效数应使设备费和操作费二者之和为最小。 技术上的限制是指效数过多，蒸发操作将难以进行。一般工业生产中加热蒸汽压强和冷凝器操作压强都有一定的限制，因此在一定操作条件下，蒸发器的理论总传热温度差为一定值。在效数过多时，由于各效温度差损失之和的增加，使总的有效传热温度差减小。

11、当分配到各效的有效传热温度差减小到无法保证操作呈正常的沸腾状态时，蒸发操作将无法进行下去。 因此基于上述因素考虑，实际的多效蒸发过程效数并不多。为保证传热的正常进行，各效的有效传热温度差不能小于610。通常对于电解质溶液，如NaOH、NH4OH等水溶液，由于沸点升高较大，采用23效；对于非电解质溶液、有机溶液等，其沸点升高较小，可采取为46效。但真正适宜的效数，需通过最优化的方法加以确定。 本设计选择3效蒸发。 1.4多效蒸发流程的选择 根据加热蒸汽与料液的流向的不同，多效蒸发的操作流程可分为并流、逆流、平流、错流等流程。 （1）并流流程也称顺流加料流程，料液与蒸汽在效间流动同向。并流流程结构

12、紧凑，操作简便，应用较广。并流流程只使用于处理黏度不大的料液。 （2）逆流流程料液与加热蒸汽在效间呈逆流流动。自前效到后效，料液组成渐增，温度同时升高，黏度及传热系数变化不大，温度分配均匀，适用于处理黏度较大的料液，不适于处理热敏性料液。 （3）平流流程每一效都有进料和出料，适合于有大量结晶析出的蒸发过程（4）错流流程也称为混流流程，它是并、逆流的结合，其特点是兼有并、逆流的优点，但操作复杂，控制困难。我国目前仅用于造纸工业及有色金的碱回收系统中。 采用多效蒸发装置是节能的途径之一。此外为了回收系统中的热量，应尽量利用低温热源，如蒸发冷凝液的利用及二次蒸汽的压缩再利用等。 本设计采用并流操作。

13、 1.4.1三效蒸发的工艺流程 蒸发过程的两个必要组成部分是加热溶剂使水蒸气汽化和不断除去汽化的水蒸气，前一部分在蒸发器内进行，后一部分在冷凝器完成。蒸发器实质上是一个换热器，由加热室和分离室两部分组成，加热室通常用饱和水蒸气加热，从溶液中蒸发出来的水蒸气在分离室分离后从蒸发器引出，为了防止液滴随蒸汽带出，一般在蒸发器顶部设有气液分离用的除沫装置从蒸发器蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，在多效蒸发中，二次蒸汽用于下一效的物料加热。冷却水从冷凝器顶加入，与上升的蒸汽接触，将它冷凝成水从下部排出，不凝气体从顶部排出。通常不凝气体来源有两个方面，料液中溶解的空气和系统减压操作时从周围环境中漏入的空气。 料液在

14、蒸发器中蒸浓达到要求后称为完成液，从蒸发器底部放出，是蒸发操作的产品。 采用多效蒸发的目的是为了减少新鲜蒸汽用量，具体方法是将前一效的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽。 1.5进料温度的选择 进蒸发器料液的温度高低直接影响到蒸发器中的传热情况和蒸发器传热面积的大小，生产上通常为了节约蒸汽用量和提高传热效果，在进蒸发器之前利用可回收的低温热源将料液预热到接近或达到沸点状态，以实现节能降耗。 本设计进料温度为25。 第二章 三效蒸发的工艺计算 三效蒸发的工艺计算的主要依据是物料衡算和、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

15、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三效蒸发的计算一般采用试算法。 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。 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。 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。 根据蒸发器的焓衡算，求各效的蒸发量和传热量。 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

16、。 2.1.各效蒸发量和完成液组成的估算 本设计的操作条件是： （1） NaOH 的水溶液的处理量68kt/a ；原料液的浓度为10%，完成液浓度为 30%。用三效并流蒸发装置。每小时将8500kt 浓度为10%的NaOH 浓缩为30%，原料液温度为第一效的沸点。 （2） 加热蒸汽压强为700kPa,冷凝器的压强为20kPa. （3） 各效蒸发器的总传热系数：K 1=1800 W/（m 2.）, K 2=1200 W/（m 2.） K 3=800 W/（m 2.）。 蒸发溶液浓度的计算 已知：进料量F= 68kt/a ，质量分率0x =10%，3x =30% F=680000008000=85

17、00kg/h 则总蒸发量:)1(30x x F W -=8500?(1-03.010.0)=5666.67 kg/h 并流加料蒸发中无额外蒸汽引出, W 1: W 2: W 3=1:1:1 则各效蒸发量为： W 1= W 2= W 3=1888.89 kg/h 则各效的完成液浓度为： 3000 .01800.089 .1888-89.1888-85001 .085001286 .089 .188885001 .0850032102101=?=-= =-?=-=x W W F Fx x W F Fx x 2.2估算各效二次蒸汽温度i T 各效加热蒸汽压强与二次蒸汽压强之差p 为： kPa p 7

18、001= kPa p 203= kPa n p p p n 67.2263 20700 1=-=-=? 故第i 效二次蒸汽压强i p 为：p i p p i i ?-= kPa p p p 33.47367.22670011=-=?-= kPa p p p 66.24667.226270021 2=?-=?-= kPa p p p 99.1967.2263700313=?-=?-= 由i p 可查得或计算得到对应温度i T 和气化潜热i r ，同时前一效的二次蒸汽即为后一效的加热蒸汽。 kg kJ r kg r kg kJ r C T C T C T 93.23540.2370)1599.19

19、(15200.23709.2354kJ 2186.682204.6)20226.246(2022506.22044.218571.21194.2125)45033.473(4505004.21252.211309.605.53)1599.19(15 205.531.6073.1262.120)20226.246(2022502.1202.12757.1497.147)45033.473(4505007 .1477.151321030201=+-?-=+-?-=+-?-=+-?-=+-?-=+-?-= 表2-1 各效二次蒸汽的压力、二次蒸汽的温度和二次蒸汽的汽化潜热1 效次 二次蒸汽的压力i p

20、 ，kPa 473.33 246.66 19.99 二次蒸汽的温度T , （即下一效蒸汽的温度） 149.57 126.73 60.09 二次蒸汽的汽化潜热i r ，kJ /kg (即 下一效加热蒸汽的汽化潜热) 2119.71 2186.68 2354.93 2.3计算各效传热温度差i t ? 2.3.1计算校正因数 2 )273(0162.0i i i r t f += 3647.171 .211927357.1490162.0)273(0162.02 1211=+?=+=） （r t f 1838.168.218627373.1260162.0)273(0162.02 2222=+?=+

21、=） （r t f 7632.093 .235427309.600162.0)273(0162.02 3233=+?=+=） （r t f 2.3.2计算水溶液的沸点Ai t 2.3.3常压下由于溶液蒸汽压下降引起的温度差损失 0i ? 1000-=?A t 2.3.4由于溶液蒸汽压下降引起的温度差损失? C t C t C t A A A 02 020221.117115)11512021 .2673.3321.263083.106105)105107(53.1432.1853.1400.1817.104104)104105(51.1253.1451 .1286.12=+-?-=+-?-=+

22、-?-=（C C C 00300200151.1710051.11783.610083.10617.410017.104=-=?=-=?=-=? 校正系数法：0?f = C f 0011169.517.43647.1=?=?=? C f 0022209.883.61838.1=?=?=? C f 0033336.1351.177632.0=?=?=? 2.3.5由于蒸发器中溶液静压强引起的温度差损失? 为简便计溶液内部沸点升高按液面与底层的平均压强p m 下水的沸点和二次蒸汽压强p 下水的沸点差估算。平均压强按静力学方程式计算： 2 gL p p i i m += 计算NaOH 水溶液的密度

23、3 1323 13279.1325.1)73.2900.30(73 .2920.30325.1330.11972.1195.1)80.1700.18(80.17255.18195 .1200.11403.1140.1)83.1286.12(83.1228.13140 .1145.1cm g cm g cm g =+-?-=+-?-= =+-?-= kPa kpa gL p p m 87.48726 .281.91403.133.473211 1=?+ =+= kPa kpa gL p p m 96.26126.281.91972.166.2462222=?+=+= kPa kpa gL p p

24、 m 95.3626.281.93279.199.192333=?+=+= 计算对应m p 下水的沸点m p t ，对应p 下水的沸点p t ()()()()()()C t C t C t C t C t C t p p p pm pm pm 030201030202247.60953.581999.191920953.58058.6038.1256.119650.20266.246650.202925.3036 .1199.13241.1489.142300.40533.473300.405625.5069 .1421.15196.7334.733695.3636 37345.73994.7

25、339.1276.119650.20296.261650.202975.3036 .1199.13258.1499.142300.40587.487300.405625.5069 .1421.151=+-?-=+-?-=+-?-=+-?-=+-?-=+-?-= 计算p p t t -=? 17.141.14858.149111 =-=-=?p pm t t 01.238.12539.127222 =-=-=?p pm t t 91.13047.6096.73333=-=-=?p pm t t 2.3.6各效总的温度差损失i ? 在多数蒸发中，各效二次蒸汽流到下一效加热室时，由于管道阻力使其压强

26、降低，致使蒸汽的饱和温度相应降低，由此引起的温差损失即为?。根据经验，一般取?=1。 i i i i ?+?+?=? C C C 0 3333022 220221 127.28191.1336.131.11101.209.886.7117.169.5=+=?+?+?=?=+=?+?+?=?=+=?+?+?=? 各效传热温度差计算式为：i i i t T t -=- 1? 其中1-i T 为前一效二次蒸汽温度 （即第i 效加热蒸汽温度），i t 为第i 效溶液沸点，其计算式为： i i i T t ?+= 式中： i T 为第i 效二次蒸汽温度，i ?为第i 效温度差损失。 C T t C T

27、t C T t 03330222011136.8827.2809.6083.1371.1173.12643.15786.757.149=+=?+=+=?+=+=?+= C t T t C t T t C t T t 0323021201137.3836.8873.12674.1183.13757.14927.743.15770.164=-=-=?=-=-=?=-=-=? 2.4计算各效蒸发量W i 和传热量Q i 考虑溶液的稀释热,引入对NaOH 水溶液蒸发热利用系数i : x i ?-=7.098.0 第效：因沸点进料，故 0t =1t 热利用系数:=10.980.71x ?=0.980.7（12.86%10%）=0.96 查水蒸汽表得： 压力为700kPa 的加热蒸汽的汽化热1r =2071.5kg kJ ,1t =157.43的二次蒸汽的汽化热1r =2119.71kg kJ 。 1111 1194.071 .21195 .202296.0D D r r D W =?=