化工原理課程設(shè)計(jì)應(yīng)化用新

化工原理課程設(shè)計(jì)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院2013年12月課程設(shè)計(jì)的目的和要求一.設(shè)計(jì)目的：工程設(shè)計(jì)初步訓(xùn)練理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁1.綜合能力的培養(yǎng)：資料查閱、知識(shí)綜合應(yīng)用、理論計(jì)算、設(shè)備選型、繪制工程圖形、編寫設(shè)計(jì)說明書。(1)熟練查閱文獻(xiàn)資料、搜集有關(guān)數(shù)據(jù)、正確選用公式的能力。“翻書能力”

與平時(shí)作業(yè)極不同的是，設(shè)計(jì)者面臨許多未知條件，需要作出選擇。(2)在考慮技術(shù)先進(jìn)可行、經(jīng)濟(jì)上合理的前提下，具備分析設(shè)計(jì)任務(wù)要求，確定工藝流程、設(shè)備選型的設(shè)計(jì)能力，同時(shí)還要統(tǒng)籌兼顧節(jié)能、勞動(dòng)條件和環(huán)保等其他方面。具體來說：四個(gè)方面的能力(3)熟練、快速地進(jìn)行過程計(jì)算及主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)的計(jì)算能力。(4)用簡潔的文字、清晰的圖表來表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思想和計(jì)算結(jié)果的表達(dá)能力。

二.課程設(shè)計(jì)總的要求：1.綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立思考，按時(shí)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。2.了解工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，掌握主要程序和方法，培養(yǎng)分析和解決工程實(shí)際問題的能力。3.樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)。

2.培養(yǎng)工程觀念：理論→小試→放大。課程設(shè)計(jì)對培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)尤為重要。三.設(shè)計(jì)的一般流程：2.進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，得出設(shè)備主要尺寸和參數(shù)；1.設(shè)定大致框架，繪制工藝流程草圖；4.根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制工藝流程簡圖和主體設(shè)備條件圖;5.撰寫設(shè)計(jì)說明書。3.附屬設(shè)備的選擇：選型計(jì)算；

(1)標(biāo)題頁；

(2)設(shè)計(jì)任務(wù)書；

(3)目錄；

(4)設(shè)計(jì)方案簡介；

(5)工藝計(jì)算；

(6)主體設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)尺寸；

(7)輔助設(shè)備的計(jì)算及選型；

(8)設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表；

(9)對本設(shè)計(jì)的評述；

(10)主要參考文獻(xiàn)；

(11)主要符號(hào)說明。說明書:包括所有論述、原始數(shù)據(jù)、計(jì)算、表格等，編排順序如下：

化工原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告的撰寫整個(gè)設(shè)計(jì)由論述，計(jì)算和圖表三個(gè)部分組成，論述應(yīng)該條理清晰，觀點(diǎn)明確；計(jì)算要求方法正確，誤差小于設(shè)計(jì)要求，計(jì)算公式和所有數(shù)據(jù)必需注明出處；圖表應(yīng)能簡要表達(dá)計(jì)算的結(jié)果。圖紙：主體設(shè)備工藝簡圖，工藝流程圖料液加熱蒸汽完成液冷凝水二次蒸汽蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)一、概述1.蒸發(fā)及應(yīng)用

(1)

蒸發(fā)：蒸發(fā)是溶液濃縮的單元操作。它采用加熱的方法，將含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液加熱沸騰，使其中的揮發(fā)性溶劑部分汽化除去，從而將溶液濃縮的過程稱為蒸發(fā)。

設(shè)備：蒸發(fā)器，冷凝器。

11/20/2023（2）應(yīng)用：①將溶液濃縮后，冷卻結(jié)晶，獲得固體產(chǎn)品；②濃縮溶液，獲得純凈的溶劑產(chǎn)品；③獲得濃縮的溶液產(chǎn)品。(3)幾個(gè)概念

*加熱蒸汽(生蒸汽)：蒸發(fā)過程所用的加熱蒸汽；*二次蒸汽：從溶液中蒸出的蒸汽；

*完成液：濃縮后的溶液；*單效蒸發(fā)：產(chǎn)生的二次蒸汽不加利用，直接冷凝排出；*多效蒸發(fā)：二次蒸汽作為串聯(lián)使用的下一個(gè)蒸發(fā)器的加熱蒸汽。單效蒸發(fā)流程：3-中央循環(huán)管；不凝性氣體冷卻水二次蒸汽料液加熱蒸汽冷凝水完成液水

硝酸銨水溶液蒸發(fā)流程

蒸發(fā)流程123451-加熱管；2-加熱室；4-蒸發(fā)室；5-除沫器；6-冷凝器2.分類按操作方式：間歇式、連續(xù)式；按二次蒸汽的利用情況：單效蒸發(fā)、多效蒸發(fā)；按操作壓力：常壓、加壓、減壓（真空）；真空蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)：提高傳熱溫差、利用低壓蒸汽作為熱源、對熱敏性物料的蒸發(fā)有利。3.蒸發(fā)操作的特點(diǎn)（1）蒸發(fā)器實(shí)質(zhì)是一種兩側(cè)流體發(fā)生相變的換熱器；（2）溶液的沸點(diǎn)升高生蒸汽溫度一定時(shí)，傳熱溫差小于加熱純?nèi)軇r(shí)的傳熱溫差（3）溶劑汽化時(shí)消耗大量能量為減小能耗必須提高加熱蒸汽利用率。（4）根據(jù)物料本身特性(如粘度、結(jié)晶性、熱敏性等)合理選擇設(shè)備和操作流程。11/20/2023二、蒸發(fā)設(shè)備

主體設(shè)備：蒸發(fā)器-----主要由加熱室和蒸發(fā)室組成。

輔助設(shè)備：除沫器、冷凝器。減壓操作時(shí)還需真空裝置。1.蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)按溶液在蒸發(fā)器中的運(yùn)動(dòng)情況，大致可分為以下兩大類：

（1）循環(huán)型蒸發(fā)器

特點(diǎn)：溶液在蒸發(fā)器中做循環(huán)流動(dòng)，蒸發(fā)器內(nèi)溶液濃度基本相同，接近于完成液的濃度，操作穩(wěn)定。根據(jù)引起循環(huán)的原因不同，又可分為自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)。自然循環(huán)蒸發(fā)器：①中央循環(huán)管式蒸發(fā)器完成液二次蒸氣料液加熱蒸氣冷凝水123451-外殼；2-加熱室；3-中央循環(huán)管；4-蒸發(fā)室；5-除沫器中央循環(huán)管式蒸發(fā)器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、傳熱較好、操作可靠；缺點(diǎn)：循環(huán)速度在0.4~0.5m/s以下，清洗和維修不方便。②懸筐式蒸發(fā)器優(yōu)點(diǎn)：循環(huán)速度可稍大、易于檢修、熱損失較??；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單位傳熱面的金屬消耗量大；適用：易結(jié)晶、結(jié)垢溶液的蒸發(fā)。1－外殼2－加熱蒸氣管3－除沫器4－加熱室5－液沫回流罐③外熱式蒸發(fā)器優(yōu)點(diǎn)：降低了蒸發(fā)器的高度、便于清洗和更換、循環(huán)速度較大。外熱式蒸發(fā)器④列文式蒸發(fā)器優(yōu)點(diǎn)：氣化在沸騰室進(jìn)行，循環(huán)速度大，有利于減輕或避免加熱管表面的結(jié)晶和結(jié)垢，傳熱效果好。缺點(diǎn)：溫差損失大，設(shè)備龐大，消耗材料多，需要高大廠房。列文式蒸發(fā)器二次蒸汽加熱蒸汽冷凝水料液完成液12376541-加熱室；2-加熱管；3-循環(huán)管；4-蒸發(fā)室5-除沫器；6-擋板；7-沸騰室強(qiáng)制循環(huán)式蒸發(fā)器：利用外加動(dòng)力使溶液沿一定方向作高速循環(huán)流動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：適用于粘度大、易結(jié)晶、易結(jié)垢物料的蒸發(fā)，循環(huán)速度大小可調(diào)節(jié)，傳熱系數(shù)較大。缺點(diǎn)：能量消耗大。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器加熱蒸氣冷凝水完成液123451-加熱室2-循環(huán)泵3-循環(huán)管4-蒸發(fā)室5-除沫器二次蒸氣（2）單程型蒸發(fā)器

特點(diǎn)：溶液以液膜的形式一次通過加熱室，不進(jìn)行循環(huán)。

優(yōu)點(diǎn)：溶液停留時(shí)間短，故特別適用于熱敏性物料的蒸發(fā)；

溫度差損失較小，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。

缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)時(shí)不易成膜，熱流量將明顯下降；不適用于易結(jié)晶、結(jié)垢物料的蒸發(fā)。①升膜式蒸發(fā)器說明：不適于較濃溶液、粘度大、易結(jié)晶、易結(jié)垢物料的蒸發(fā)。②

降膜式蒸發(fā)器優(yōu)點(diǎn)：傳熱系數(shù)較高，與升膜相比，可以蒸發(fā)濃度較高的溶液，對粘度較大的物料也能適用。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。（3）直接接觸傳熱蒸發(fā)器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，適用于易結(jié)晶、易結(jié)垢和具有腐蝕性物料的蒸發(fā)。傳熱效果好，熱利用率高。缺點(diǎn)：不適用于不可被煙氣污染物料的處理，且二次蒸汽利用受到限制。直接接觸傳熱(浸沒燃燒)蒸發(fā)器氣汽混合物燃料氣空氣出料進(jìn)料14231-外殼2-燃燒室3-點(diǎn)火口4-測溫管2.除沫器、冷凝器和真空裝置（1）除沫器作用：利用液體的慣性使氣液分離，以除去液沫。型式：（2）冷凝器和真空裝置冷凝器：冷凝二次蒸汽。多采用氣液直接接觸的混合式冷凝器，如逆流高位冷凝器。真空裝置：排除少量不凝性氣體，維持蒸發(fā)所需要的真空度。水環(huán)式真空泵、噴射泵、往復(fù)式真空泵。

1.多效蒸發(fā)問題分析(1)溫度差損失和有效溫度差

▲當(dāng)完成液濃度相同時(shí)，多效蒸發(fā)中各效溫度差損失之和大于單效蒸發(fā)；

即：溫度差損失多效蒸發(fā)＞單效蒸發(fā)▲當(dāng)理論傳熱溫度差一定時(shí)，多效蒸發(fā)的各效有效傳熱溫度差之和小于單效蒸發(fā)。

即：有效傳熱溫差多效蒸發(fā)<單效蒸發(fā)三、多效蒸發(fā)的效數(shù)及流程

▲多效蒸發(fā)的生蒸汽經(jīng)濟(jì)性理論值與效數(shù)成正比，其經(jīng)驗(yàn)值也隨效數(shù)增多而增加，但不成正比。即：多效蒸發(fā)，可提高生蒸汽的經(jīng)濟(jì)性。

(2)經(jīng)濟(jì)性

(3)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度

▲在相同條件下，雖然多效蒸發(fā)傳熱面積為單效蒸發(fā)的m倍，但生產(chǎn)能力小于單效蒸發(fā)；

▲當(dāng)多效蒸發(fā)的及各效Ai，Ki

，與單效相同時(shí)，多效蒸發(fā)的生產(chǎn)強(qiáng)度小于單效的1/m；

▲為完成相同的生產(chǎn)任務(wù)，多效蒸發(fā)所需要的傳熱面積大于單效蒸發(fā)的m倍，多效蒸發(fā)經(jīng)濟(jì)性的提高是以增加設(shè)備費(fèi)為代價(jià)的。

即：生產(chǎn)能力：多效蒸發(fā)<單效蒸發(fā)生產(chǎn)強(qiáng)度：多效蒸發(fā)<單效蒸發(fā)11/20/2023(4)多效蒸發(fā)中效數(shù)的限制和選擇

▲

傳熱溫度差的限制；

▲

設(shè)備費(fèi)用的限制；

▲

效數(shù)選擇。生蒸汽經(jīng)濟(jì)性隨效數(shù)提高幅度減小，而設(shè)備費(fèi)用始終正比于效數(shù)。選取原則：設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用總和最小，通常選取2~3效。單效雙效△s△ts△2△t2△t1Tt'△T=T-t’單效蒸發(fā)和雙效蒸發(fā)有效溫度差的比較tttt△1tt2.多效蒸發(fā)流程

多效蒸發(fā)操作蒸汽與物料的流向有多種組合，常見的有：并流：溶液與蒸汽的流向相同，稱并流。逆流：溶液與蒸汽的流向相反，稱逆流。錯(cuò)流：溶液與蒸汽在有些效間成并流，而在有些效間成逆流。平流：每一效都加入原料液的方法。下面以三效為例加以說明：（1）并流流程蒸汽流動(dòng)方向：1→2→3

溶液流動(dòng)方向：1→2→3（1）并流流程

優(yōu)點(diǎn)：①由于前效的壓強(qiáng)較后效高，料液可借此壓強(qiáng)差自動(dòng)地流向后一效而無須泵送；②溶液由前一效流入后一效處于過熱狀態(tài)會(huì)放出溶液的過熱量形成自蒸發(fā)，可產(chǎn)生更多的二次蒸汽，因此第三效的蒸發(fā)量最大。

缺點(diǎn)：后效溫度低、組成高，逐效料液的粘度增加，傳熱系數(shù)下降，并導(dǎo)致有效溫差在各效間的分配不均。（2）逆流流程溶液流動(dòng)方向：3→2→1蒸汽流動(dòng)方向：1→2→3

優(yōu)點(diǎn)：，↑，↑，，↑，↓，、對的影響大致抵消，各效的基本不變。

缺點(diǎn)：①由于前效壓強(qiáng)較后效高，，料液從后效往前一效要用泵輸送。②各效進(jìn)料（末效除外）都較沸點(diǎn)低，自蒸發(fā)不會(huì)發(fā)生，所需要熱量大。（3）錯(cuò)流流程溶液流向：3→1→2或2→3→1

蒸汽流向：1→2→3優(yōu)點(diǎn)：兼有逆流與并流的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：操作較復(fù)雜。（4）平流各效分別進(jìn)料并分別出料，二次蒸汽多次利用，對易結(jié)晶的物料較合適（因?yàn)榻Y(jié)晶體不便在效與效之間輸送）。三、多效蒸發(fā)的計(jì)算（一）多效蒸發(fā)的工藝計(jì)算主要依據(jù)是物料衡算、熱量衡算及傳熱速率方程。計(jì)算的主要項(xiàng)目有：加熱蒸汽的消耗量；各效溶劑的蒸發(fā)量；各效的傳熱面積。計(jì)算的已知參數(shù)包括：料液的流量、溫度和組成、最終完成液的組成、加熱蒸汽的壓力和冷凝器中的壓力等。多效蒸發(fā)的計(jì)算一、蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸包括：加熱室和分離室的直徑和高度；加熱管與中央循環(huán)管的規(guī)格、長度及在管板上的排列方式。這些尺寸的確定取決于工藝計(jì)算結(jié)果。計(jì)算的已知參數(shù)包括：料液的流量、溫度和組成、最終完成液的組成、加熱蒸汽的壓力和冷凝器中的壓力等。二、蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備主要包括氣液分離器與蒸汽冷凝器。（一）設(shè)計(jì)題目：NaOH水溶液三效并流加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)本課程設(shè)計(jì)任務(wù)是依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況并加以一定程度的簡化而提出的。（二）設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件：1．處理能力：（3.6+0.18×n）×104

t/aNaOH水溶液。其中：（n為學(xué)號(hào)尾數(shù)后兩位）。2．設(shè)備型式：中央循環(huán)管式蒸發(fā)器3．各效蒸發(fā)器傳熱面積相等，并忽略熱損失。4．年工作日為300天，運(yùn)行方式為24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行多效蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書5．操作條件(1)原料液為質(zhì)量濃度為5（12）%的NaOH水溶液，末效完成液質(zhì)量濃度為30(40)%(2)原料液溫度為25℃。(3)一次蒸汽的壓強(qiáng)為500（600）

kPa(絕壓)，蒸汽冷凝器壓強(qiáng)為25（28）

kPa(絕壓)

(4)各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)為：K1＝1800（1500）W/(m2℃)K2＝1200（1000）

W/(m2℃)K3＝600W/(m2℃)(5)各效蒸發(fā)器中液面的高度均為1.5m(6)各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出。(7)采用慣性式汽液分離器設(shè)置在蒸發(fā)器分離室頂部，采用多孔板式的蒸汽冷凝器。

(三)設(shè)計(jì)項(xiàng)目：1．設(shè)計(jì)方案的確定及流程說明；2．蒸發(fā)器的工藝計(jì)算，計(jì)算一次蒸汽的用量；3．蒸發(fā)器主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)：(1)換熱管尺寸、根數(shù)，實(shí)際傳熱面積，循環(huán)管的尺寸；(2)加熱室、分離室結(jié)構(gòu)尺寸；(3)各接管尺寸；4．蒸汽冷凝器工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冷卻水用量計(jì)算；5．其它主要輔助設(shè)備選型;6．設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總表；7．繪制帶控制點(diǎn)生產(chǎn)工藝流程圖和主體設(shè)備工藝條件圖8．對本設(shè)計(jì)的評述或有關(guān)問題的分析討論。一、設(shè)計(jì)說明書一份：1.封面、任務(wù)書：A4紙統(tǒng)一格式2.目錄：分章、節(jié)；3.前言：（1）化工原理設(shè)計(jì)的目的、意義；（2）本設(shè)計(jì)主題設(shè)備在化工生產(chǎn)中的地位作用；（3）本設(shè)計(jì)主要產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，本設(shè)計(jì)在該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝中的作用；要求完成的內(nèi)容

4.設(shè)計(jì)方案的確定：（1）采用三效并流蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)；（2）流程概述、簡圖，說明根據(jù)既定任務(wù)的特點(diǎn)確定具體流程的優(yōu)點(diǎn)，物料預(yù)熱方式以及作用，設(shè)備形式等；5.本設(shè)計(jì)方案符號(hào)說明：（1）一定要齊全，各量必須在符號(hào)上能區(qū)分，并符合技術(shù)習(xí)慣(字母、上下標(biāo))；（2）先按英文字母排列，每一字母先大寫后小寫，然后再按其它字母排列；（3）標(biāo)明符號(hào)名稱，注明單位（一定要轉(zhuǎn)換為SI制）。6.設(shè)計(jì)計(jì)算和說明：（1）對第一次出現(xiàn)的符號(hào)一定用文字前導(dǎo)或補(bǔ)充說明；（2）強(qiáng)調(diào)要先寫明公式原形再代入數(shù)字計(jì)算，每一個(gè)計(jì)算結(jié)果必須要注明單位；（3）強(qiáng)調(diào)要計(jì)算過程清楚，最后填寫計(jì)算結(jié)果總表；（4）要求詳細(xì)的文字說明，外人必須看得懂。7.對本設(shè)計(jì)計(jì)算的討論和設(shè)想，對經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面提出合理的改進(jìn)建議；8.主要參考文獻(xiàn)：著錄格式符合本科畢業(yè)論文的要求。二設(shè)計(jì)圖紙一套：1.帶控制點(diǎn)的工藝流程圖，用3#圖紙畫，主物料流用粗實(shí)線，設(shè)備外形用粗實(shí)線，其余用細(xì)線，要體現(xiàn)相對大小和比例；2.主要設(shè)備的工藝條件圖。

參考《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊》無機(jī)卷水溶液密度ρ計(jì)算公式：其中x為質(zhì)量分率；水溶液熱容CP計(jì)算公式：CP=CPA×xA+

CPB×xB，其中x為質(zhì)量分率；加熱器的實(shí)際傳熱面積應(yīng)為理論面積的1.1～1.3倍；試差結(jié)果要求小于5％

規(guī)定的基本數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)步驟和進(jìn)度要求一、設(shè)計(jì)流程簡圖，重點(diǎn)解決原料預(yù)熱的策略優(yōu)化選擇問題，大致有以下幾種選擇：（12月10日上午之前完成）1）用末效的二次蒸汽預(yù)熱原料2）用第一效的加熱蒸汽的冷凝液經(jīng)逆流換熱來預(yù)熱原料3）直接用高溫的加熱蒸汽預(yù)熱原料重點(diǎn)思考三種預(yù)熱方法優(yōu)缺點(diǎn)，可以預(yù)熱到什么溫度等。本步驟完成后要確定預(yù)熱后原料液的溫度值。二、根據(jù)既定的設(shè)計(jì)流程簡圖和原料預(yù)熱方案，進(jìn)行給定設(shè)計(jì)任務(wù)的計(jì)算：

1）進(jìn)行蒸發(fā)工藝的計(jì)算最終得到D、W、W1、W2、W3、S1、S2、S3等物流的量值；2）進(jìn)行原料液預(yù)熱的核算，確認(rèn)第一步估算的準(zhǔn)確性；3）蒸發(fā)器的工藝條件設(shè)計(jì)，包括氣液分離器、接管等，為畫主體設(shè)備做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；（以上12月12日中午之前完成）4）原料液預(yù)熱換熱器的計(jì)算、選型；5）蒸汽冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算，得出冷凝器的設(shè)備尺寸、淋水板結(jié)構(gòu)、間距，在說明書中畫出