合肥工业大学化工原理课程设计说明书2

合肥工业大学《化工原理》课程设计说明书设计题目KNO3水溶液三效并流蒸发系统设计学生姓名汤文武学号20082952专业班级高分子08-1班指导老师杨则恒日期2011年1月21日2设计题目3KNO水溶液三效并流蒸发系统设计成绩课程设计主要内容一、具体工艺参数如下：原料加料量F＝5859.375kg/h。料液：原料液：0x＝10％（质量分数），20℃进料。完成液3x=40％。蒸发器热损失为本效加热蒸汽供热的3％。末效真空度：0.8atm。冷却水温度：进口20℃，出口40℃。二、工艺操作条件：间接蒸汽加热，压力为0.4MPa(表压)。当地大气压：760mmHg。三、主要内容：1、设计方案的选择及流程说明2、工艺计算先预估各效蒸发量，再预估各效由于温度差损失而造成的沸点升高，从而获得各效溶液沸点，接下来初步计算加热蒸汽消耗量及各效蒸发水量。下一步计算总传热系数K，再计算传热面积S，若不符合要求需再次进行温度差分配。3、主要设备工艺尺寸设计（1）加热管管长及管径，管数。（2）中央循环管管径。（3）加热室直径和分离室直径。（4）接管尺寸(料液进出口，加热蒸汽进口与二次蒸汽出口，冷凝水出口接管)4、设计结果汇总5、工艺流程图及一效蒸发器总装图指导教师评语建议：从学生的工作态度、工作量、设计（论文）的创造性、学术性、实用性及书面表达能力等方面给出评价。签名：2011年月日3摘要：蒸发操作是将含有不挥发溶质的溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化，目的是获得浓缩的溶液。本次设计利用三效蒸发将4410t10%3KNO溶液浓缩至40%，采用中央循环管式。我们计算所得面积为40.32m；加热管采用三角形排列；辅助设备有气液式除沫器、多孔板接触式蒸发冷凝器、浮头式列管换热器、真空泵、离心泵和支座。蒸发器加热管选用φ573.5mm无缝钢管,管长2m；中央循环管选用φ45717mm；加热管数目为162根；分离室直径1.15m、高度2.30m；冷凝器直径为429.3mm；淋水板取4块。关键词：蒸发，中央循环管，三效并流蒸发系统。Abstract：Evaporationoperationisthewaythatheatingthesolutionwhichcontainingnon-volatilesolutetoboil,separatingthevolatilesolvent.Thepurposeistogainpartialvaporizationconcentratingto40%,wechoosetheevaporatorwithcentralcirculationdowncomer.Wecalculatedthearea40.32m.Thedesignedtechnicalandprocessparametersareasfollowing.HeatingTube:adoptingtrianglepermutation,steeltubeofφ573.5mm,length2m,thenumberis162;Theevaporatorwithcentralcirculationdowncomer:steeltubeofφ45717mm.SeparationChamber:diameter1.15m,height2.3m.Thediameterofthecondenserfor429.3mm.Watersprayplateloadedtake4pieces.Keywords:Evaporation,centralcirculationdowncomer,triple-effectforwardevaporationsystem.4目录化工原理课程设计成绩评定表……………………………………………化工原理课程设计任务书…………………………………………………中英文摘要…………………………………………………………………第一章.概述……………………………………………………………61.1蒸发操作的特点…………………………………………………61.2蒸发操作的分类………………………………………………61.3蒸发设备………………………………………………………71.4蒸发流程示意图………………………………………………9第二章.蒸发工艺设计计算……………………………………………102.1完成液浓度计算………………………………………………102.2各效溶液的沸点和总有效温度差估算………………………102.3加热蒸汽消耗量和各效水分蒸发量…………………………132.4传热系数确定……………………………………………152.5有效温度差在各效的分配………………………………152.6蒸发器传热面积的估算…………………………………………222.7计算结果列表……………………………………………………23第三章.蒸发器主要结构尺寸计算…………………………………233.1加热管的选择和管数的初步估计………………………233.2循环管的选择…………………………………………233.3加热管的直径以及加热管数目的确定………………………2453.4分离室直径和高度的确定……………………………………253.5接管尺寸的确定………………………………………………26第四章.蒸发装置的辅助设备………………………………………274.1气液除沫器…………………………………………………274.2蒸汽冷凝器…………………………………………………284.3真空泵的选型……………………………………………………294.4预热器的选型……………………………………………………30第五章主要设备强度校核计算及校验…………………………………315.1蒸发室厚度校核…………………………………………………315.2加热室厚度校核…………………………………………………325.3支座的选取与校核………………………………………………32第六章设计总结…………………………………………………………346.1设计结果汇总表…………………………………………………346.2设计评价…………………………………………………………366.3心得体会………………………………………………………36附录1……………………………………………………………………37附录2……………………………………………………………………38参考文献………………………………………………………………40第一章.概述1.1蒸发操作的特点从上述对蒸发过程的简单介绍可知，常见的蒸发时间壁两侧分别为蒸汽冷凝和液体沸腾的传热过程，蒸发器也就是一种换热器。但和一般的传热过程相比，蒸发操作又有如下特点:(1)沸点升高蒸发的溶液中含有不挥发性的溶质，在港台压力下溶液的蒸气压较同温度下纯溶剂的蒸汽压低，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的纯热温差，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。如何根据物料的特性和工艺要求，选择适宜的蒸发流程和设备是蒸发操作彼此必须要考虑的问题。(3)节约能源蒸发时汽化的溶剂量较大，需要消耗较大的加热蒸汽。如何充分利用热量，提高加热蒸汽的利用率是蒸发操作要考虑的另一个问题。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。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；7（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蒸发设备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。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。兹分述如下：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，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：8a.升膜式蒸发器，b.降膜式蒸发器，c.刮板式蒸发器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1～2m；加热管径多为25～75mm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。91.4蒸发流程示意图Fx0,t0X1,t1D1T1W1,T`1W2,T`2W3,T`3X2,t2X3,t3W1W2T3T2T2T3T1P`3P`2P`110第二章.蒸发工艺设计计算2.1完成液浓度计算总蒸发量：34500010F5859.375kg/h3202401233xWF1因并流加料，蒸发中无额外蒸汽引出，可设12312311230110212W:W:W1:1.1:1.230.1913.681464.84x0.402.2各效蒸发溶液的沸点和有效总温度差设各效间压力降相等，则总压力差为1KΔPPP4000.8101.3481.04kPa各效间的平均压力差为iΔPΔP160.3467kPa3由各效的压力差可求得各效蒸发室的压力，即11i21i3KPPΔP340.9533kPaPP2ΔP180.6066kPaPP20.26kPa由各效的二次蒸汽压力，从手册中可查得相应的二次蒸汽的温度和气化潜热列于下表中。11表1二次蒸汽的温度和气化潜热效数ⅠⅡⅢ二次蒸汽压力，kPaPi340.9518