氢氧化钠溶液蒸发浓缩的管道设计化工原理课程设计

1、化工原理课程设计学 院 ：化学与材料科学学院专业：化学工程与工艺班级：学号：姓名： 指导老师课程设计任务书课程名称化工原理课程设计课程代码设计时间2013-05-17 到 2013-06-20指导教师专业化学工程与工艺班级1. 课程设计任务1.1 设计总任务将 10%的氢氧化钠溶液蒸发浓缩到 50%，年产 30 万吨。1.2 我的具体任务 正常生产、停车检修及设备清洗时的管路设计； 泵的选型、阀门选型、确定管径及管材； 绘制带控制点的流程图并说明。2. 课程设计要求及成果要求2.1 课程设计要求学生应在老师指导下独立完成，题目不可更换； 查阅相关资料，自学具体课题中涉及到的新知识。2.2 对课

2、程设计成果的要求写出详细设计说明； 写出详细计算过程、经验值的取舍依据； 设计完成后提交课程设计说明书及相关设计图； 设计说明书应内容充实、写作规范、项目填写正确完整、书面整洁、版面编排、图表绘制符合要求。2.3 最后提交的课程设计成果 课程设计说明书纸质文件及电子文件； 课程设计相关设计图纸质文件及电子文件。指导教师（签名）教研室主任（签名）目录1. 前言 12. 设计思路 13. 能源的合理利用 24. 具体任务说明 25. 确定管径、管材及其型号 26. 泵的选型 36.1 总能量损失 hf 的计算 46.2 泵的确定 56.3 泵的最大允许安装高度的确定 57. 阀门及管件的选择 68

3、. 流程说明 68.1 生产流程及阀门控制 68.1.1 正常生产流程 68.1.2 阀门控制 68.2 壳程清洗流程及阀门控制 78.2.1 同时清洗壳程 78.2.1.1 同时清洗壳程的流程 78.2.1.2同时清洗壳程的阀门控制 78.2.2 单独清洗壳程 78.2.2.1只洗一号换热器壳程的流程 78.2.2.2只洗一号换热器壳程的阀门控制 78.2.2.3只洗二号换热器壳程的流程 78.2.2.4只洗二号换热器壳程的阀门控制 78.2.2.5只洗三号换热器壳程的流程 78.2.2.6只洗三号换热器壳程的阀门控制 78.2.2.7只洗四号换热器壳程的流程 88.2.2.8只洗四号换热器

4、壳程的阀门控制 88.3 管程清洗流程及阀门控制 88.3.1 同时清洗管程 88.3.1.1 同时清洗管程的流程 88.3.1.2 同时清洗管程的阀门控制 88.3.2 单独清洗管程 88.3.2.1只洗一号换热器管程的流程 88.3.2.2只洗一号换热器管程的阀门控制 88.3.2.3只洗二号换热器管程的流程 88.3.2.4只洗二号换热器管程的阀门控制 88.3.2.5只洗三号换热器管程的流程 98.3.2.6只洗三号换热器管程的阀门控制 98.3.2.7只洗四号换热器管程的流程 98.3.2.8 只洗四号换热器管程的阀门控制 9总结 9致谢 10参考资料 10附录 101.前言化工原理

5、课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节。 通过课程设计使我们初步 掌握化工设计的基础知识、 设计原则及方法； 学会各种手册的使用方法及物理性质、 化学性 质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、带控制点的流程图等图形。 在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性、经济合理性。本次化工原理课程设计实际的生产任务是将10%的氢氧化钠溶液通过蒸发浓缩至 50%的氢氧化钠的溶液，年产 30 万吨。这次设计的任务包括管路的设计、换热器的设计和蒸发器 的设计 , 而我的任务是管路的设计。管路是由管子、管件、阀门、以及管路上的小型设备等 管路组成件连接而成的输送流体或

6、传递压力的通道。在这次课程设计中， 一方面提高了自己的思维能力和自己解决实际问题的能力，另一方面让我熟悉了化工厂在实际生产中使用的专用设备和相关零件以及实际生产环境和流程。 本 次课程设计是以我们学生自己设计为主 , 老师负责解答我们所遇到的困难并指导我们的设计 方向，所以在整个设计过程中，从对管路草图的讨论、修改，对各部分管路、管件的选择都 要靠我们自己从相关书籍和资料中寻找和查阅相关数据和公式， 而我们也从这一过程中学习 和熟悉了这些专业工具书的使用方法。 而这一技巧对以后的工作有着非常巨大的帮助。 所以 说，这次课程设计对我们在以后的工作中能够有出色表现打下了坚实的基础， 也加强了我们

7、自己的钻研精神和解决问题的能力。这次课程设计是我们将课堂理论知识运用到实际生产的一次尝试。 课程设计这一平台给 了我们独立思考的空间和自由发挥所学知识的机会， 这对加深我们所学知识的理解有着很大 的帮助。 在这次课程设计中我们自己操作， 验证自己所学的理论知识， 并在此基础上灵活设 计出自己的一套生产方案， 这一过程培养了我们严谨思考的习惯和在实际工作中灵活应变的 能力。总之， 此次课程计是理论联系实际的桥梁， 让我体会到了工程实际问题的复杂性， 了解 到了课程设计的基本内容， 掌握了课程设计的主要程序和方法， 培养了我解决实际问题的能 力，也让我养成实事求是、严肃认真、高度负责的工作态度。2

8、. 设计思路在氢氧化钠溶液的浓缩过程中 ,先把稀的碱液用较高温度的水加热到接近沸点,在用蒸发器将其中多余的水分蒸发掉 ,达到实际生产中所需的浓度。考虑到在整个生产过程中料液都 是在流动且原料液与完成液的浓度相差较大， 一个换热器和一个蒸发器可能满足不了实际生产要求，所以在设计中采用多个换热器和多个蒸发器。3. 能源的合理利用多效蒸发是目前工业生产中浓缩溶液的常用装置。 随着科学技术的不断发展和节能降耗 的需求， 前期蒸发过程中如果将产生的蒸汽直接排向外界，不仅浪费了蒸汽， 造成热能损失，而且其中夹杂的不良气体又会污染空气。 多效蒸发器能够很好的利用二次蒸汽， 使二次蒸汽 作为下一个蒸发器的热源

9、，这不仅节经济合理、节约能源，而且减少了废气的排放，减轻了 对环境的影响。 蒸发器中产生的冷凝水具有很高的温度， 可以合理设计管道， 把生成的冷凝 水用于给换热器中的料液进行加热。对于清洗管程和壳程的管道设计，我们尽量共用管道， 以减少管道的成本。4. 具体任务说明本次课程设计的主要任务是将 10%的氢氧化钠溶液加热蒸发浓缩至 50%，年产 30 万吨。 设计任务包括管路设计、换热器设计以及蒸发器设计三个部分，而我负责的是管路设计。在主要的输送管路和铺筑管路中的计算包括管路的直径、 流量和能量损失， 根据计算结 果选择泵的类型，根据泵的性能指标和实际生产要求得出泵的安装高度。设计管路中包括换热

10、器的清洗， 换热器包括管程和壳程， 在设计清洗管路时要把清洗管 程和清洗壳程的管路分开， 还要考虑到一次清洗和分别清洗的情况， 要求设计的管路实际可 行，总长最短， 清洗效果最佳。 从经济的角度考虑，要求管路中尽可能的减少阀门和接头的 数量。由于生产任务是连续 24 小时生产，所以所选管材必须内疲劳，管路必须易检修、易清 洗和能替换。 本次设计中的生产料液是氢氧化钠溶液， 是具有腐蚀性的碱液， 所以所选管材 可以选用耐腐蚀的无缝不锈钢管。5. 确定管径、管材及其型号从化学化工物性数据手册查得氢氧化钠溶液在20， 1atm 时的物性数据为： =1109 Kg/h =0.00175 Pa S年产

11、30 万吨 50%的氢氧化钠溶液，一年工作 330 天，每天连续 24 小时工作，则完成液 按小时算的产量是：37878.79Kg /h330 243 108则 10%的原料液的质量流量为：37878.79 50%189393.95Kg /h10%换算为体积流量是：189393.95 30.0474m3 /s1109 3600因为稀的氢氧化钠溶液与水的流速范围相差不大，可取 =1.8m/s ，之后再经过核算求取 。则：4 0.0474 d 1.80.183m由于输送的是稀碱液，所以输送管路都用耐腐蚀的铸铁管，其主要参数如下：表 5-1 所选管道参数项目参数型号GB/T14976公称直径 /mm

12、200壁厚 /mm8内径 /mm184重新核算流速，即：4 0.04742 1.78m/s0.18426. 泵的选型生产时需要将氢氧化钠溶液输送到距离液面高度为 7m 的第一效蒸发器入口， 以储液槽 的液面为 1-1 面，出口管的内侧为 3-3面。草图如下：图 6-1在 1-1 和 3-3 截面之间运用伯努利方程：Z11P1 He Z2g g2333 3hfP32g g式中： Z1=0 Z3=7m P1=P3=1atm1=03=1.78因此方程简化为：He Z331.782只要算出系统的总能量损失6.1 总能量损失 hf 的计算2gh f 7f 2 9.8hf 7.16hfhf ，就可以算出泵

13、的压头。hflle22g个数当量长度 /m局部阻力系数 标准弯头41.20.75标准三通102.53.5全开闸阀10.250.17底阀12.88.5截止阀12.56.4表 6-1 阀门和弯头的个数及当量长度总当量长度le 4 1.2 10 2.5 1 0.25 1 2.8 1 2.5 35.35m总局部阻力系数4 0.75 10 3.5 1 0.17 1 8.5 1 6.4 53.07取管壁的相对粗糙度0.20 =0.20mm,则管壁的相对粗糙度为0.001d 200雷诺数 Re d0.2 1.78 1109 2256020.00175查表得摩擦系数 =0.041设管长为 50m则：hf (0

14、.04150 35.350.253.07)1.7822 9.811.41m每一个换热器间的能量损失是 20KPa，则： 4 20000 hf7.36mf 1109 9.86.2 泵的确定由以上计算的到泵的理论压头：H e 7.16 11.41 7.36 25.93m泵的实际压头是理论压头的 1.03 到 1.1 倍，所以：H e 25.93 1.1 28.52m最终选择耐腐蚀泵 F50-30表 6-2 耐腐蚀泵 F50-30 的参数项目参数项目参数泵的型号50F-30轴功率 kw3.5流量 L/s50电机功率 kw6.5扬程 m30效率 %44转速 r/min6500允许吸上真空度 m66.3

15、 泵的最大允许安装高度的确定如泵的工作草图 6-1 所示，在面 1-1和 2-2之间列伯努利方程：2Hg Hs 2 Hf1 2g s 2g f 1 2在 20，10% 的 NaOH 的饱和蒸汽压 Hv=2200Pa=0.22m 水柱，设当地大气压 Ha=10m 水柱。Hs Hs (H a 10.33) (HV 0.24)6 (10 10.33) (0.22 0.24)5.21m 有一个底阀和一个 90 的 标准弯头，则：le 1 2.8 1 1.2 4m1 6.4 1 0.7510m，则：设 10%氢氧化钠溶液储液槽到泵吸入口之间的距离为H f1 2lled2) 22g则：(0.0411.62

16、m10 40.27.15)1.7822 9.82H g Hs2H2g Hf1 221.7825.21 1.622 9.83.43m在实际生产中，安装高度比理论高度小 0.5 到 1.0 米，所以在我的设计中，泵的安装高 度在液面上方 2.4 米。7. 阀门及管件的选择阀门的选择要参考介质温度、 工作压力和操作要求等各方面的因素， 由此工艺流程设计 要求，选择如下：截止阀型号： J45W-25Ti闸阀型号： Z40W-16Ti 型钛合金楔式闸阀三通阀型号： 1Cr18Ni9Ti90 标准弯头型号： CrSMo以上所选材质均耐碱性腐蚀。8. 流程说明8.1 生产流程及阀门控制8.1.1 正常生产流

17、程原料液储槽 阀 1 阀 2 泵 阀 3 阀 4 阀 5 一号换热器 阀 6 阀 7 二号换热器 阀 8 阀 9 三号换热器 阀 10 阀 11 四号换热器 阀 12 阀 13 蒸发器8.1.2 阀门控制首先关闭所有阀门，然后打开三通阀4、5、6、7、8、9、10、11、12、13（直进直出） ，再打开截止阀 35 、37、38、39、40、41、42、43、44、45 、46，再打开三通 32、29、26（直 进侧出），再打开三通 25、28、31、34（直进直出） ，再打开三通 30、33、36（直进直出） 和 27（直进侧出） ，再打开闸阀 51，最后打开底阀 1 和闸阀 2 ，在打开泵

18、之后开启截止阀 3。8.2 壳程清洗流程及阀门控制8.2.1 同时清洗壳程8.2.1.1 同时清洗壳程的流程壳程清洗液存储器阀 21阀 22阀 23阀 24 阀 25 阀 27 阀49 阀 30 阀 48阀 33阀 47 阀 36 阀 50 壳程清洗液废液槽8.2.1.2 同时清洗壳程的阀门控制关闭所有阀门，然后打开闸阀 21，再打开三通阀 22、23 、24（直进直出）和 25（侧进 左出），再打开闸阀 47、48、49，三通，再打开三通阀 30、33、 36（直进侧出）和 27（直 进直出）最后打开闸阀 50。8.2.2 单独清洗壳程8.2.2.1 只洗一号换热器壳程的流程壳程清洗液存储器

19、 阀 21 阀 22 阀 23 阀 24 阀 25 阀 27 阀 50 壳程清洗液废液槽8.2.2.2 只洗一号换热器壳程的阀门控制在正常生产的基础上：将三通阀 4 由直进直出改为直进侧出，打开三通阀14（直进侧出），将三通阀 6 关闭，之后打开闸阀 21，三通阀 22、23、24（直进直出） 、25（侧进左出） ， 关闭闸阀 49，打开三通阀 27（直进直出） ，打开闸阀 50。8.2.2.3 只洗二号换热器壳程的流程壳程清洗液存储器 阀 21 阀 22 阀 23 阀 24 阀 28 阀 30 阀 50 壳程清洗液废液槽8.2.2.4 只洗二号换热器壳程的阀门控制在正常生产的基础上：将三通阀

20、7、8 关闭，打开三通阀 14（侧进右出） ，打开三通阀15（直进侧出） ，之后打开闸阀 21，三通阀 22、23（直进直出）、24（直进侧出） 、28（侧进 左出），关闭闸阀 49、48，打开三通阀 30（直进侧出） 、闸阀 508.2.2.5 只洗三号换热器壳程的流程壳程清洗液存储器 阀 21 阀 22 阀 23 阀 31 阀 33 阀 50 壳 程清洗液废液槽8.2.2.6 只洗三号换热器壳程的阀门控制在正常生产的基础上：将三通阀 9、10 关闭，打开三通阀 15（侧进右出） ，打开三通阀16（直进侧出） ，之后打开闸阀 21，三通阀 22（直进直出） 、23（直进侧出）、打开三通阀31

21、（侧进左出） ，关闭闸阀 48、47，打开三通阀 33（直进侧出）、闸阀 508.2.2.7 只洗四号换热器壳程的流程壳程清洗液存储器阀 21阀 22 阀 34 阀 36 阀 50 壳程清洗液废液槽8.2.2.8 只洗四号换热器壳程的阀门控制在正常生产的基础上：将三通阀11、12 关闭，打开三通阀 16（侧进右出） ，打开三通阀 13（侧进右出） ，之后打开闸阀 21，三通阀 22（直进侧出） 、打开三通阀 34（侧进左出） ， 关闭闸阀 47，打开三通阀 36（直进侧出） 、闸阀 508.3 管程清洗流程及阀门控制8.3.1 同时清洗管程8.3.1.1 同时清洗管程的流程管 程清洗液存储器阀

22、 17阀 18阀 19阀 20 阀 5阀 6 阀 7阀 8 阀 9 阀 10阀 11阀 12阀 52壳程清洗液废液槽8.3.1.2 同时清洗管程的阀门控制关闭所有阀门，然后打开闸阀 17，再打开三通阀 18、19 、20（直进直出）和 25（侧进 右出），再打开三通阀 6、 7、8、9、10、11、12（直进直出）和 12（直进侧出）最后打开 闸阀 52。8.3.2 单独清洗管程8.3.2.1 只洗一号换热器管程的流程管 程清洗液存储器 阀 17 阀 18 阀 19 阀 20 阀 5 阀 6 阀 52 管程清洗液废液槽8.3.2.2 只洗一号换热器管程的阀门控制在正常生产的基础上：将三通阀 4

23、 由直进直出改为直进侧出，打开三通阀14（直进侧出），之后打开闸阀 17，三通阀 18、19、20（直进直出）、5（侧进右出） 、6（直进侧出） ， 最后打开闸阀 52 。8.3.2.3 只洗二号换热器管程的流程管 程清洗液存储器阀 17 阀 18 阀 19 阀 20 阀 7 阀 8 阀 52管程清洗液废液槽8.3.2.4 只洗二号换热器管程的阀门控制在正常生产的基础上：将三通阀7、8 关闭，打开三通阀 14 （侧进右出）、15（直进侧出），之后打开闸阀 17，三通阀 18、19（直进直出） 、20（直进侧出）、7（侧进右出） 、8（直 进侧出），最后打开闸阀 52。8.3.2.5 只洗三号换

24、热器管程的流程管 程清洗液存储器阀 17 阀 18 阀 19 阀 9 阀 10 阀 52 管程清洗液废液槽8.3.2.6 只洗三号换热器管程的阀门控制在正常生产的基础上：将三通阀 9、10 关闭，打开三通阀 15（侧进右出）、16（直进侧 出），之后打开闸阀 17，三通阀 18（直进直出） 、19（直进侧出） 、9（侧进右出） 、10（直 进侧出），最后打开闸阀 52。8.3.2.7 只洗四号换热器管程的流程管 程清洗液存储器阀 18 阀 11 阀 12 阀 52 管程清洗液废液槽8.3.2.8 只洗四号换热器管程的阀门控制在正常生产的基础上：将三通阀11、12 关闭，打开三通阀 16（侧进右

25、出） 、13（侧进右出），之后打开闸阀 17，三通阀 18（直进侧出） 、11（侧进右出） 、12（直进侧出），最后 打开闸阀 52。总结化工原理课程设计是化工原理课程教学中综合性较强的教学环节， 要求学生完成某一化 工设备（如精馏塔，吸收塔，干燥器，换热器等）的工艺设计和设备装置配图的绘制，以培 养学生对物理化学， 化工热力学，化工原理等课程知识的综合运用能力。通过课程设计，要 求了解工程设计的基本内容， 掌握化工设计的主要程序和方法， 培养分析和解决工程实际问 题的能力。通过课程设计，还应培养独立工作能力，树立正确的设计思想，培养实事求是， 严肃认真，高度负责的工作作风。我们小组主要负责设计整个流程的管路。 通过课程设计， 使我掌握化工设计的基本程序 与基本方法，结合设计课题培养查阅有关技术资料及物性参数的能力，通过查询技术资料， 选用设计计算公式， 收集数据， 分析工艺参数与结构尺寸间的相互影响，增强分析问题，解 决问题的能力，通过编写说明书，提高学生文中表达能力，掌握撰写技术文件的有关要求， 了解一般化工设备图基本要求，对学生进行绘图基本技能训练。作为第一