氧氢化钠溶液蒸发浓缩的管道设计化工原理课程设计--毕业设计.doc

化工原理课程设计

氢氧化钠溶液蒸发浓缩的管道设计

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 1
2.设计思路 1
3.能源的合理利用 2
4.具体任务说明 2
5.确定管径、管材及其型号 2
6.泵的选型 3
6.1总能量损失∑hf 的计算 4
6.2泵的确定 5
6.3泵的最大允许安装高度的确定 5
7.阀门及管件的选择 6
8.流程说明 6
8.1生产流程及阀门控制 6
8.1.1正常生产流程 6
8.1.2阀门控制 6
8.2壳程清洗流程及阀门控制 7
8.2.1同时清洗壳程 7
8.2.1.1同时清洗壳程的流程 7
8.2.1.2同时清洗壳程的阀门控制 7
8.2.2单独清洗壳程 7
8.2.2.1只洗一号换热器壳程的流程 7
8.2.2.2只洗一号换热器壳程的阀门控制 7
8.2.2.3只洗二号换热器壳程的流程 7
8.2.2.4只洗二号换热器壳程的阀门控制 7
8.2.2.5只洗三号换热器壳程的流程 7
8.2.2.6只洗三号换热器壳程的阀门控制 7
8.2.2.7只洗四号换热器壳程的流程 8
8.2.2.8只洗四号换热器壳程的阀门控制 8
8.3管程清洗流程及阀门控制 8
8.3.1同时清洗管程 8
8.3.1.1同时清洗管程的流程 8
8.3.1.2同时清洗管程的阀门控制 8
8.3.2单独清洗管程 8
8.3.2.1只洗一号换热器管程的流程 8
8.3.2.2只洗一号换热器管程的阀门控制 8
8.3.2.3只洗二号换热器管程的流程 8
8.3.2.4只洗二号换热器管程的阀门控制 8
8.3.2.5只洗三号换热器管程的流程 9
8.3.2.6只洗三号换热器管程的阀门控制 9
8.3.2.7只洗四号换热器管程的流程 9
8.3.2.8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 10

1.前言
化工原理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.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
1

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，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：
ρ=1109 Kg/h
μ=0.00175 Pa·S
年产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：

则10%的原料液的质量流量为：

换算为体积流量是：

因为稀的氢氧化钠溶液与水的流速范围相差不大，可取ν=1.8m/s，之后再经过核算求取ν。则：

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
公称直径/mm
壁厚/mm
内径/mm
GB/T14976
200
8
184
重新核算流速，即：

6.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：

式中：Z1=0 Z3=7m P1=P3=1atm ν1=0 ν3=1.78
因此方程简化为：

只要算出系统的总能量损失∑hf ，就可以算出泵的压头。
6.1总能量损失∑hf 的计算

表6-1 阀门和弯头的个数及当量长度

90 ͦ标准弯头
标准三通
全开闸阀
底阀
截止阀
个数
4
10
1
1
1
当量长度/m
1.2
2.5
0.25
2.8
2.5
局部阻力系数ξ
0.75
3.5
0.17
8.5
6.4
总当量长度
总局部阻力系数
取管壁的相对粗糙度ε=0.20mm,则管壁的相对粗糙度为
雷诺数
查表得摩擦系数λ=0.041
设管长为50m
则：

每一个换热器间的能量损失是20KPa，则：

6.2泵的确定
由以上计算的到泵的理论压头：

泵的实际压头是理论压头的1.03到1.1倍，所以：

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kw
3.5
流量L/s
50
电机功率kw
6.5
扬程m
30
效率%
44
转速r/min
6500
允许吸上真空度m
6
6.3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：

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。

有一个底阀和一个90 ͦ的标准弯头，则：

设10%氢氧化钠溶液储液槽到泵吸入口之间的距离为10m，则：

则：

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：1Cr18Ni9Ti
90 ͦ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 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50
8.2.2.5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（侧进左出），关闭闸阀48、47，打开三通阀33（直进侧出）、闸阀50
8.2.2.7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50
8.3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。
作为第一次进行课程设计，在这个过程中，出现了一系列的问题，开始感觉无从下手，对装置的设计不够完善。但是在老师耐心的指导下，设计任务慢慢完善慢慢改进。我觉得不仅巩固了化工原理及相关知识，而且增强个人对于了团队协作精神，同时也磨练了意志。相信这次课程设计会让我们更加注意理论与实践的结合，成为一次对个人很有意义的经历。
总之，我们在这次课程设计中，学习到了非常重要的知识和技能，明白了光具有理论知识是远远不够的，必须联系实际情况从中培养了解决问题的能力，如何去解决实际问题，运用自己所学的知识去创造。
致谢
首先，我要感谢我的指导老师陈胜慧教授，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我生活、学习中的榜样，给了起到了指路明灯的作用；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资料，没有他们的鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。谢谢!
参考资料
[1] 贾绍义, 柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津大学出版社, 2002年6月.
[2] 刘光启, 马连湘, 刘杰. 化学化工物性数据手册. 化学工业出版社, 2002年3月.
[3] 中国石化集团上海工程有限公司. 化工工艺设计手册. 化学工业出版社. 2009年8月.
[4] 刘启光, 马连湘, 邢志有. 化工物性算图手册. 化学工业出版社. 2002年1月.
[5] 贾绍义, 柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津大学出版社. 2002年8月.
附录
氢氧化钠溶液蒸发浓缩--流程图.dwg(文库里有)

11

化工原理课程设计成绩评定表
学 院
化学与材料科学学院
专 业
化学工程与工艺
学生姓名
黄文伟
学 号
10081004
年 级
2010级一班
设计题目
10%NaOH蒸发浓缩到50%，年产30万吨
评阅意见及
成绩评定

成绩： 等级：

导师签名：

年 月 日

审
定
意
见

专业负责人签名：

年 月 日