化工原理课程设计

安徽理工大学课程设计说明书PAGE18目录TOC\o"1-2"\h\u1907第一章工艺流程图及方案设计 230356第一节方框流程图 214788第二节工艺流程图 35033第三节方案的论证说明 423563第二章物料衡算和能量衡算 532613第一节有关空气及物料的参数 525544第二节物料衡算 516256第三章附属设备的设计及选型 829985第一节空气加热器的设计及选型 83986第二节喷嘴的设计 113380第三节风机的选型 1228826四、旋风分离器的设计及选型 1410231第五节设计结果 1614820设计体会 171543参考文献 18工艺流程图及方案设计方框流程图图1-1乳化炸药干燥方框流程图第二节工艺流程图乳化炸药干燥工艺流程简图如图1-2所示(1)过滤器 (2)通风机 （3）旋风分离器（4）通风机 （5）螺杆泵(6)三套管(7)干燥器(8)通风机(9)预热器(10)去湿机图1-2乳化炸药干燥工艺流程简图方案的论证说明设计一个干燥装置，用以干燥平均粒径在0.3.mm左右的乳化炸药粉末，要求将其从5%的湿基含水率降至0.5%的湿基含水率，并且采用冷干风冷却，热风加热。根据以上设计要求及物料性质，我们采用喷雾干燥，冷风造型的方式进行干燥。喷雾干燥的原理是将料液在热气流中喷成细雾以增大气液两相的接触面积。喷雾干燥器具有以下的优点：（1）干燥过程进行极快，而颗粒表面温度仍接近介质的湿球温度，故热敏性物料不易变质，能得到速溶的粉末或空心颗粒；（2）可由浆状料液直接获得合乎要求的粉状产品，从而省去蒸发、结晶、分离、粉碎等的工序；（3）容易连续化、自动化，避免干燥过程中的粉尘飞扬，改善劳动条件。喷雾干燥是将乳化基质通过雾化、脱水和冷却制成粉末状乳化炸药产品。乳化机产出的乳化基质通过螺杆泵输送至喷枪，同时利用热压缩空气的高速气流的剪切作用，通过喷枪将乳化基质雾化分散成微细的基质液滴，与经热风分配器进入的气流在干燥塔内相遇，液滴被脱水，冷却固化成粉状颗粒，降至干燥塔底，通过星型阀进入风管，由风机提供的气流将药粉输送至主旋风分离器进行气固分离，同时药粉在管道内降温，经星型阀排出即为粉状乳化炸药产品。由于乳化炸药的物料状态和物性均符合用气流干燥的物性特点，适合于喷雾干燥式气流干燥，所以我们选用喷雾冷风干燥造型的方式进行干燥。第二章物料衡算和能量衡算第一节有关空气及物料的参数一、空气状态参数进口温度：t1=130℃出干燥塔温度:t2=25℃冷空气进口温度：t0=15℃新鲜空气的相对湿度：ψ0=74%新鲜空气温度：t0=15℃新鲜空气湿度：H0=0.0078二、物料状态参数湿物料量：G1=1760kg•h-1颗粒平均直径：dp=0.003m物料堆积密度：ρa=1200kg•m-3物料晶体密度：ρb=1600kg•m-3绝干物料比热：Cs=2.1kJ•kg-1•K-1物料初始温度：θ0=15℃物料进干燥器温度：θ1=130℃物料出口温度：θ2=25℃物料衡算在讨论喷雾器干燥时，一般做以下假设：①颗粒均匀且成球形，在干燥过程中不变形；②颗粒在重力场中运动；③颗粒群的运动以及传热等行为可用单个颗粒的特征来描述。一、水分蒸汽量对干燥器作水分的物料衡算，并假设干燥器内无物料损失。则W=Gc(X1-X2)又由：W1=5%=0.05W2=0.5%=0.005X1=W1/(1-W1)=0.05/(1-0.05)=0.0526kg/kg干物料X2=W2/(1-W2)=0.005/(1-0.005)=0.005kg/kg干物料Gc=G1(1-W1)=1760×(1-0.05)=1672kg干物料/h故水分蒸发量为：W=Gc(X1-X2)=1672×(0.0526-0.005)=79.59kg水分/h空气消耗量假设绝干冷、热风的流量分别为L1和L2，且L1=20L2干燥器出口风量为L3，则：L3=L1+L2=21L2对整个干燥器的水分进行物料衡算有:L2H0+GcX1+L1H0’=L3H2+GcX2(H0’=0)其中H0为热风的绝对湿度，H0’为冷风绝干湿度，H2为出口混合气的绝度湿度代入数据得：0.00788L2+1672×0.0526=21L2H2+1672×0.05即0.0078L2+79.59=21L2H2（1）三、干燥器处理量干燥产品G2是指离开干燥器的物料的流量，即干燥器的生产能力，由进出干燥器的绝干物料量不变有：G1（1-W1）=G2(1-W2)(2)解得：G2=G1（1-W1）/(1-W2)=1760×(1-0.0526)/(1-0.005)=1680.4kJ/kg热量衡算L1H0’t0I1QLL2H0t0I0L1H0t1I2L3H2t2I3GcX1θ0QpQd图2-1干燥过程示意图假设干燥器不补充热量的，对干燥器进行热量衡算：L1I1+L2I2+Gc(Cs+ClX1)θ1=L3I3+Gc(Cs+ClX1)θ2+QlCs：绝干物料的比热容Cl：水的比热容其中热量损失取空气加热器提供热量的20%。冷风的焓I1=(1.01+1.88H0’)t0+r0H0’=1.01×15=15.15kJ/kg热风的焓I2=（1.01+1.88H0）t1+r0H0=(1.01+1.88×0.0078)×130+2492×0.0078=152.64kJ/kg干燥器出口处混合空气的焓I3=（1.01+1.88H2）t2+r0H2=(1.01+1.88×H2)×25+2492H2=2539H2+25.25kJ/kg将数据代入热量衡算式有：15.15×20L2+152.64L2+1672×(2.1+4.187×0.0526)×130=(2539H2+25.25)×21L2+1672×(2.1+4.187×0.0526)×25+0.2Qp’化简有：74.606L2+53319L2H2+0.2Qp’=415671.5(3)第三章附属设备的设计及选型第一节空气加热器的设计及选型一、物料从热空气获得的能量QM=GC(CS+C1X1)(θ1-θ0)=1672×(2.1+4.187×0.0526)×(130-15)=446135.0kJ/h热风从空气加热器获得的热量Qp’=L2(I2-I0)其中I0为空气进入空气加热器前所具有的焓I2为空气被预热器加热后所具备的焓IO=(1.01+1.88HO)t0+r0H0=(1.01+1.88×0.0078)×15+2492×0.0078=34.81kJ/h则Qp’=L2(I2-I0)=L2(152.64-34,.81)=117.83L2(4)联立式（1）（3）（4）解得L1=36208kg干空气/hL2=1810.4kg干空气/hL3=38018.4kg干空气/hQp’=213319.4kJ/h=59.26kWH2=0.0025kg/kg空气考虑到空气加热器的热损失为5%，则空气加热器所需补充热量为：Qp=Qp’/η=59.26/0.95=62.37kW选择150℃，绝地压强为476.24kPa的饱和水蒸汽，此蒸汽相变潜热为2118.5kJ/kg,所以蒸汽用量为qm=213319.4/(0.95×2118.5)=106.0kg/h二、空气加热器的设计及选型1.基本数据物料初始温度：θ0=15℃物料进干燥器温度：θ1=130℃空气进口温度：t0=15℃出口温度：t1=130℃2.流动空间及流速的确定蒸汽冷凝相变走壳程，空气走管程。选用Φ25×2.5的钢管，管内流速取μi=20m/s壳程150℃饱和水蒸汽物性参数密度ρ0=2.5481kg/m3定压比容Cp0=1.88kJ/(kg•℃)导热系数λ0=0.031595W•m-1K-1黏度μ0=1.399×10-5Pa•S管程空气的定性温度tm=(15+130)/2=72.5℃空气在72.5℃下的物性参数密度ρ0=1.024kg/m3定压比容Cp0=1.019kJ/(kg•℃)导热系数λ0=0.0298W•m-1K-1黏度μ0=2.07×10-5Pa•S3.总传热系数K(1)管程给热系数计算Re=diρiui/μi=0.02×20×1.024/(2.07×10-5)=19787.44Pr=Cpiμi/λi=1.019×1000×2.07×10-5/0.0298=0.708αi=0.023(λi/di)Re0.8Pr0.4=0.023×0.0298/0.02×19787.440.8×0.7080.4=81.67W/(m2℃)污垢热阻Rsi=5.0×10-4m-2•℃•W-1Rso=1.72×10-4m-2•℃•W-1（2）壳程给热系数的计算取壳程传热系数α0=10000W/(m2℃)管壁导热系数λ=45W/(m℃)K=1/(d0/(αi×di)+Rsid0/di+b×d0/(λdm)+Rs0+1/α0)=1/(0.025/(81.67×0.02)+5.0×10-4×0.025/0.02+0.0025×0.025/(45×0.0225)+1.72×10-4+1/10000)=61.55W•m-2℃-14.传热面积的计算平均温差Δtm=（Δt1-Δt2）/ln（Δt1/Δt2）=(135-20)/ln(135/20)≈60.22℃S计=Q/(KΔtm)=213319.4/（61.55×60.22)=57.55m2考虑15%的面积裕度S=1.15×57.55=66.18m25.工艺结构尺寸（1）管径和管内流速选用Φ25×2.5传热管，取管内流速u1=20m/s(2)管程数和管束根数ns=V/(πd1u1/4)=1114.24×4/(3600×3.14×0.022×20)=49.28圆整为50根按单程计：L=S/(πd0ns)=66.18/(3.14×0.02×50)=21.08m现取传热管长度l=7m则该换热器管程数为Np=L/l=21.08/7=3.01圆整为四程管（3）传热管排列和分程方法采取组合排列法，每程内按正方形斜45°排列管心距t=32mm横过管束中心线的管数nc=1.19N½=1.19×200½=16.8圆整为17根（4）管体直径采用多程管结构，取管板利用率η=0.5，则壳体内径D=1.05t（N/η）½=1.05×32×(200/0.5)½=672mm圆整D=700mm(5)折流挡板采用弓形折流挡板，取弓形折流挡板的圆缺高度为壳体内的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25×700=175mm取折流挡板间距B=0.3D=0.3×700=210mm（6）换热器核算壳程α0=10000W/(m2℃)1.管程对流传热系数：α1=0.023(λi/di)Re0.8Pr0.42.管程流通面积：Si=（1/4）πdi2N/4=3.14×0.022×50/4=0.0157m23.管程流体流速ui=114.24/(3600×1.024)/0.0157=19.25m/sRe=0.02×19.25×1.024/(2.07×10-5)=19045.41Pr=1.009×10-3×2.07×10-5/0.0298=0.7αi=0.023×2.98×10-2/0.02×19045.410.8×0.70.4=78.85W/(m2℃)4.传热系数KK=1/(d0/(αi×di)+Rsid0/di+b×d0/(λdm)+Rs0+1/α0)=1/(0.025/(78.85×0.02)+5.0×10-4×0.025/0.02+0.0025×0.025/(45×0.0225)+1.72×10-4+1/10000)=59.48W•m-2℃-15.传热面积SS=Q/(KΔtm)=149.14×103/(59.48×60.22)=41.64m2该换热器的实际传热面积Sp=πd0l(N-ns)=3.14×0.025×7×(200-17)=100.56m2该换热器的面积裕度为H=（Sp-S）/S=(100.56-66.18)/66.18=51.95%传热面积裕度适合，该换热器选型正确。第二节喷嘴的设计采用气流式喷嘴，液体速度一般不超过2m/s，物料晶体密度为ρa=1600kg/m3,堆积密度为ρb=1200kg/m3，体积流量qvqv=G1/ρ=1760/1200=1.47m3/h=0.000407m3/s取乳化基质流速u=0.1m/s，实际流通截面为环形，面积S物料=qv/u=0.000407/0.1=0.00407m2，具体尺寸如下图图3-1喷嘴截面示意图第三节风机的选型一、冷风鼓风机的选型V1=L1×(0.772+1.244H0)×(273+t0)273=62208×(0.772+1.244×0.0078)×(273+15)/273=32474m3/h=8.32m3/s假设管的长度为30m,Up=20m/s,鼓风管径d=（4V/UOπ）½=0.7315℃时，干空气ρ0=1.22kg/m3粘度μ=17.9×10-6Pa·sRe=dUρ/u=0.73×20×1.22/(17.9×10-6)=995083.8＞1000属于湍流区。镀锌铁管ε取0.2ε/d=0.2/720=0.00027由λ-Re-ε/d图可得λ=0.01591鼓风机的风压损失为Hf=λ(l1/d1)ρ0u2/2=0.0159×30×1.22×202/﹙0.73﹚=318.9Pa鼓风机的动风压为Hb=0.5U02ρ0=0.5×202×1.22=244Pa故全风压为HT=Hf+Hb=318.9+244=562.9Pa=57.44mmH2o查《化工原理》上册[1]可选4-72-11-10D型离心通风机流量为6720m3/h二、换热器前鼓风机的选型V2=L2(0.773+1.244H0)(273+t1)/273=1810.4×(0.773+1.244×0.0078)×(273+130)/273=2091.77m3/h=0.5810m3/s假设管的长度为15m,U2=30m/s通风管面积S=V2/U2/2=0.5810/30/2=0.00968m2确定喷嘴具体尺寸计算：d1=（4S/π）½=（4×0.00968/π）½=0.111m,所围环形面积=物料喷出面积即：S2=S+S物料=0.00968+0.042≈0.05168m2得d2=（4S2/π）½=0.257m最外环隙面积S=0.056m2则S3=S2+S=0.05168+0.00968=0.06136m2得d3=（4S3/π）=0.2796m喷管最外环隙的当量直径为：de=4×S/(πd3+πd2)=4×0.056/(3.14×0.257﹢3.14×0.2796)=0.13m则最外环隙中空气的风压损失为：Hf3=λ（l/de)(U22ρ/2)=0.0165×（15/0.13）×（1.22×302/2）=1007.2Pa内管空气的风压损失为：Hf1=λ（l/d1)(U22ρ/2)=0.0159×（15/0.111）×（1.22×302/2）=1179.6Pa动风压为Hb=0.5U22ρ=0.5×302×1.22=549Pa全风压HT=Hf1+Hb+Hf3=1179.6+549+1107.2Pa=2835.8Pa=289mmH2o查《化工原理》上册[1]可选4-72-11-6B(15800mm3/h)型离心通风机。三、旋风分离器后的鼓风机的选型V3=L3(0.772+1.244H2)×(273+t2)/273=38018.4×(0.772+1.244×0.00397)×(273+25)/273=32242.9m3/h=8.96m3/s取排风口管长60m，流速为20m/s，则其管径为：d=(4v3/πu)½=(4×8.96/（20×3.14))½=0.755m=755mmλ=0.0165风压损失为:Hf4=λ×(L/d)×ρu2/2=0.0159×(60/0.755)×(1.22×202)/2=308.3Pa动风压为:Hd=0.5×u2ρ=0.5×202×1.244=248.8Pa两个旋风分离器的压力降分别为1017.44Pa，465.55Pa，（计算过程结果见第四节）鼓风机3的全风压HT=380.3+248.8+1017.44+465.55=2040.09Pa=208.17mmH2O查《化工原理》上册[1]可选4-72-11-10C型通风机，流量为41300m3/h四、旋风分离器的设计及选型1、旋风分离1器的设计及选型（1）、确定旋风分离器的进口速度u1；根据经验可取u1=18m/s（2）、确定旋风分离器的几何尺寸按CLT/A型的旋风分离器的尺寸设计如下：A=0.56DB=0.2D进口面积F1=V3/u1=8.96/18=0.498m3所以D=1.31mAB=0.112D2=0.192m2D1=0.6D=0.867mD2=0.3D=0.3406mH2=2D=2.62mH1=4.5D=5.895m查《化工原理》上册[1]得ξ=5.3,t=25℃ρ空气=1.185kg/m3△P=ξρ/2=1017.44pa2、旋风分离器2的设计及选型（1）、确定旋风分离器的进口速度u1；根据经验可取u1=12m/s（2）、确定旋风分离器的几何尺寸按CLT/A-1.5型旋风分离器的尺寸设计A=0.56DB=0.2DAB=0.112D2=0.192m2D1=0.6D=0.966mD2=0.3D=0.4186mH2=2D=3.22mH1=4.5D=7.245m查《化工原理》上册[1]得ξ=5.3,t=15=1.22△P=ξρu2/2=5.3×1.22×122/2=465.55pa图3-2CLT/A-1.5型旋风分离器第五节设计结果项目符号单位计算结果处理湿物料量G1kg/h1760物料温度入口θ1℃130出口θ2℃25热空气的温度入口t1℃130出口t2℃25冷空气的温度入口t0℃15出口t2℃25空气湿度入口HOkg/h0.0078出口H2kg/h0.0025热空气用量L2kg/h36208冷空气用量L1kg/h1810.4蒸发水分量Wkg/h79.20冷风的焓I1kJ/kg15.15热风的焓I2kJ/kg152.64风带出的热量QkJ/h224546.7物料带进热量Q2kJ/h461.344.物料带出热量Q3kJ/h438.277干燥器中的热损失Q1kJ/h42663.9表3-1设计结果一览表设计体会本次化工原理课程设计历时一周，是上大学以来第一次工业化设计。从老师以及学长那里了解到化工原理课程设计是培养我们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