化工流體流動課程設計----真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預熱器設計

1、<p>　　化工原理課程設計說明書</p><p>　　設計題目：真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預熱器設計</p><p>　　化工流體傳熱課程設計任務書</p><p>　?。ㄒ唬┰O計題目：真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預熱器設計</p><p>　　（二）設計任務及條件</p><p>　　1、蒸發(fā)系統(tǒng)流程及有關條件

2、見附圖。</p><p>　　2、系統(tǒng)生產能力： 90 萬噸/年。</p><p>　　3、有效生產時間：300天/年。</p><p>　　4、設計內容： 第三套 效預熱器（組）第 三 臺預熱器的設計。</p><p>　　5、鹵水分效預熱器采用單管程固定管板式列管換熱器，試根據(jù)附圖中鹵水預熱的溫度要求對預熱器（組）進

3、行設計。</p><p>　　6、鹵水為易結垢工質，鹵水流速不得低于0.5m/s。</p><p>　　7、換熱管直徑選為Φ38×3mm。</p><p>　　8、鹵水物性參數(shù)隨溫度的變化，當手冊查不到時，可按水的變化規(guī)律推算。</p><p><b>　　（三）設計項目</b></p><

4、p>　　1、由物料衡算確定鹵水流量；</p><p>　　2、假設K計算傳熱面積；</p><p>　　3、確定預熱器的臺數(shù)及工藝結構尺寸；</p><p>　　4、核算總傳熱系數(shù)；</p><p><b>　　5、核算壓降；</b></p><p><b>　　6、初步經濟衡算；

5、</b></p><p>　　7、確定預熱器附件；</p><p><b>　　8、設計評述。</b></p><p><b>　?。ㄋ模┰O計要求</b></p><p>　　1、根據(jù)設計任務要求編制詳細設計說明書。</p><p>　　2、按機械制圖標準和規(guī)范，

6、繪制預熱器的工藝條件圖（2#），注意工藝尺寸和結構的清晰表達。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 設計簡介4</p><p>　　第二章 熱力學計算5</p><p>　　2.1由物料衡算確定鹵水流量5</p><p>　　2.2 假設K計算傳熱面積6&

7、lt;/p><p>　　2.2.1熱力學數(shù)據(jù)的獲取6</p><p>　　2.2.2 估算傳熱面積7</p><p>　　2.2.3.工藝尺寸計算7</p><p>　　2.2.4.核算總傳熱系數(shù)9</p><p>　　2.2.5核算壓降10</p><p>　　2.3確定預熱器附件12

8、</p><p>　　2.4初步經濟衡算。14</p><p>　　2.5換熱器主要結構尺寸和計算結果15</p><p>　　第三章 設計評述16</p><p>　　第四章 主要符號說明16</p><p>　　第五章 參考文獻17</p><p><b>　　第一章 設

9、計簡介 </b></p><p>　　換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設備，在生產中占有重要地位。在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應用最多。 &

10、lt;/p><p>　　隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強。換熱器的設計、制造、結構改進及傳熱機理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 </p><p>　　為了適應發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經建立了標準，形成了系列。完善的換熱器在設計或選型時應滿足以下基本要求：　　</p><p>　　合理

11、地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； 　　</p><p><b>　　結構安全可靠； 　</b></p><p>　　便于制造、安裝、操作和維修；</p><p><b>　　經濟上合理。 </b></p><p>　　此換熱器設計要求用單管程固定管板式列管換熱器以二次蒸汽為加熱流體預熱鹵水，將鹵水由 59度

12、加熱到61度。</p><p>　　通過對鹵水預熱列管式換熱器設計，達到讓學生了解該換熱器的結構特點，并能根據(jù)工藝要求選擇適當?shù)念愋?，同時還能根據(jù)傳熱的基本原理選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計算傳熱面積及計算流體阻力壓降等。 </p><p><b>　　第二章 熱力學計算</b></p><p>　　2.1由物料衡算確定鹵水流量</

13、p><p>　　從已知表格2-1中得知鹵水組成如下：</p><p>　　表2-1 鹵水離子組成表</p><p>　　因為鹵水的物理性質隨溫度變化而變化，因此為方便通過熱力學方程估算鹵水在不同溫度下的性質，因此通過質量橫算，假設鹵水由NaCl、CaSO4、MgCl2、H2O以積極少量的CaCl2（因質量過小對估算影響不大，因此忽略）組成，組成結果如下表所示。&l

14、t;/p><p>　　表2-2 鹵水質量組成表</p><p>　　根據(jù)設計任務書的要求，即設計年產量為90萬噸/年的鹽，因此根據(jù)第二章的鹵水組成表進行質量衡算，得出總鹵水量L為：</p><p>　　從圖中可以得出進入第二效的鹵水流量F為：</p><p>　　2.2 假設K計算傳熱面積</p><p>　　2.2

15、.1熱力學數(shù)據(jù)的獲取</p><p>　?。?）冷流體鹵水的定性溫度：</p><p>　　入口溫度為，出口溫度為</p><p><b>　　循環(huán)水的定性溫度為</b></p><p>　　表2-3 鹵水物理性質表</p><p>　?。?）蒸汽及飽和水物理性質及熱力學性質</p&g

16、t;<p>　　根據(jù)已知流程中第三效的加熱蒸汽為30.0kPa下的飽和蒸汽，因此查飽和蒸汽物性表，得出蒸汽物理性質及熱力學性質如下：</p><p>　　表3-4 飽和蒸汽及飽和水性質表</p><p>　　2.2.2 估算傳熱面積</p><p><b>　　（1）計算熱負荷</b></p><p>

17、;　　水蒸氣耗量 </p><p>　　（3）計算有效平均溫度差</p><p><b>　　(4）流體流經選擇</b></p><p>　　冷流體鹵水不潔凈且易結垢宜走管程，便于清洗；熱流體為飽和水蒸汽，宜走殼程以便于及時排除冷凝液，且蒸汽結晶，一般不清洗（5）選取經驗傳熱系數(shù)K值</p><p>　　參照文獻

18、2附錄二十六，總傳熱系數(shù)K現(xiàn)暫取：</p><p><b>　?。?）估算換熱面積</b></p><p>　　2.2.3.工藝尺寸計算</p><p>　　管徑和管內流速 根據(jù)設計要求，選用Φ38×3mm較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內鹵水流速 u=0.7m/s。</p><p>　　管長和傳熱管數(shù)

19、選用L=6m的管長。</p><p>　　可依據(jù)傳熱管內徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p><b>　　因此實際換熱面積</b></p><p>　　采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為</p><p>　?。?）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù):</p><p>　　平均溫差校正系數(shù)有

20、 :</p><p><b>　　R=</b></p><p>　　單殼程，單管程結構，查得參考文獻2</p><p>　　平均傳熱溫差 ℃</p><p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p><p><b>　　(4）殼體內徑 &

21、lt;/b></p><p>　　采用單管程結構，殼體內徑可按下式估算。</p><p><b>　　則殼體內徑為</b></p><p>　　參照文獻2表6-4 換熱管外徑為38mm時，管間距t=48m，且選取管子按照正三角形排列，則橫過管數(shù)中心線管的根數(shù)</p><p><b>　　則殼體外徑<

22、/b></p><p>　　按上述方法計算出的殼體內徑后進行圓整，選用標準800mm</p><p>　　立式固定管板式換熱器的規(guī)格如下：</p><p>　　公稱直徑D…………………………800mm</p><p>　　公稱換熱面積S……………………120.4m2</p><p>　　管程數(shù)…………………………

23、……1</p><p>　　管數(shù)n………………………………171根</p><p>　　管長L………………………………6m</p><p>　　管間距………………………………48mm</p><p>　　管子直徑……………………………</p><p>　　管子排列方式………………………正三角形</p>&

24、lt;p>　　(5)折流擋板結構設計</p><p>　　本設計可采用弓形擋板，弓形折流板圓缺高度為殼體內徑的25%.。折流擋板間距一般為0.2～1.0倍的殼體內徑，固定管板式系列標準板間距為150mm、300mm、600mm三種，考慮到本設計中外層為蒸汽冷凝，冷凝傳熱系數(shù)很大并且與蒸汽流速關系很小，因此折流擋板作用不大，所以采用間距為600mm，共用9塊擋板即可。</p><p>

25、　　2.2.4.核算總傳熱系數(shù)</p><p>　?。?）管程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　管程流體流速=0.7m/s</p><p><b>　　則</b></p><p>　?。?）殼程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　殼程為低壓蒸汽冷凝釋放潛熱傳熱，蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)系數(shù)相對較大，一

26、般情況下，在10000~15000之間。本預熱器中被加熱流體沒有出現(xiàn)相變化的話，傳熱的熱阻主要集中在冷流體這一側，冷熱兩側給熱系數(shù)相差數(shù)倍甚至上百倍，這種情況下，水蒸汽無論取10000還是15000，其總傳熱系數(shù)計算值基本相差無幾。由于流速較低，根據(jù)工程經驗可以取對流傳熱系數(shù)為10000 。</p><p><b>　　（3）壁面污垢熱阻</b></p><p>　　

27、參照文獻2附錄二十，管程壁面污垢熱阻0.000172，殼程壁面污垢熱阻為0.000086，根據(jù)換熱器鋼管材質可以查出其熱阻為0.00005。</p><p><b>　?。?）總傳熱系數(shù)</b></p><p>　　故設計的換熱器是合適的，安全系數(shù)為15.3%</p><p><b>　　2.2.5核算壓降</b><

28、/p><p><b>　　管程壓降</b></p><p>　　其中Ft=1.5，Ns=1,Np=1。</p><p>　　對于碳鋼管，取管壁粗糙度ε=0.1mm</p><p>　　有λ-Re關系圖中查得λ=0.03</p><p>　?。?）殼程壓降 </p><p>

29、<b>　　, , </b></p><p><b>　　流體流經管束的阻力</b></p><p>　　管子為正三角形排列F=0.5</p><p><b>　　殼程流通面積 </b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p&g

30、t;　　流體流過折流板缺口的阻力 , </p><p><b>　　總阻力 </b></p><p>　　2.3確定預熱器附件</p><p><b>　　膨脹節(jié) </b></p><p>　　因為此換熱器的傳熱溫差較小（<50度），所以換熱器不需要使用膨

31、脹節(jié)。</p><p><b>　　折流擋板 </b></p><p>　　折流板直徑與殼體直徑之間的間隙取3.5mm，折流板厚度取10mm，因為冷熱流股均為常見物質，因此折流擋板選用普通類型即可，即切去弓星高度25%的弓形折流擋板。因為折流擋板間距一般為0.2～1.0倍的殼層直徑且常見距離為150mm、300mm、600mm三種，考慮到本設計中外層為蒸汽冷凝，冷凝

32、傳熱系數(shù)很大并且與蒸汽流速關系很小，因此折流擋板作用不大，所以采用間距為600mm，共用9塊擋板即可。</p><p><b>　　外殼壁厚 </b></p><p>　　殼體、管箱殼體和封頭共同組成了管殼式換熱器的外殼，管殼式換熱器的殼體通常是由管材或板材卷制而成的，當直徑不小于400mm時，采用板材卷制殼體和管箱殼體。其直徑系列應與封頭、連接法蘭的系列匹配，以便

33、于法蘭和封頭的選型。一般情況下，當直徑小于1000mm時，直徑相差100mm為一個系列。本設計采用碳素鋼Q235-B鋼材，在實際設計中，為了保證殼體具有足夠的剛度，外殼壁厚取8mm。</p><p><b>　　封頭設計</b></p><p>　　管箱上下封頭均采用標準橢圓封頭，橢圓形封頭是由長短半軸分別由a，b的半橢圓和高度為ho的短圓筒（通稱為直邊）兩部分構成的

34、。直邊的作用是為了保證封頭的制造質量和避免筒體與封頭間的環(huán)向焊縫受到邊緣應力的作用。</p><p>　　根據(jù)JB4737-95，選用公稱直徑800mm，曲面高度200mm，直邊高度25mm，壁厚8mm的封頭。封頭質量為47.13kg。</p><p><b>　　管板</b></p><p>　　管板是管殼式換熱器的一個重要元件，它除了與管子

35、和殼體等連接外，還是換熱器中的一個主要受壓元件。對于管板的設計，除滿足強度要求外，同時應合理考慮其結構設計。管板厚度除滿足計算要求外，當管板和管熱管采用焊接時，應滿足結構式就和制造的要求，且不小于12mm。</p><p><b>　　法蘭及裙座設計</b></p><p>　　殼層的封頭和主體鏈接采用法蘭連接，選用標準尺寸為800的法蘭連接。鹵水進出口的接管法蘭選用

36、標準尺寸為200的法蘭連接。水蒸氣入口接管的法蘭選用標準尺寸為300的法蘭連接。冷卻水出口接管法蘭選用標準尺寸為50的法蘭連接。</p><p>　　對于高為6m的換熱器，可以按照經驗選用0.5m高的裙座作為支撐。</p><p><b>　　換熱器接管設計</b></p><p>　　其中因為管道中水溶液的流速一般為1.5～3m/s，此處選用

37、3m/s，所以鹵水的進出口管徑為：</p><p>　　因為飽和蒸汽流速一般為20～40m/s，因此此處選用30m/s。</p><p>　　因此代入公式計算出飽和蒸汽入口接管管徑為：</p><p>　　因冷凝水的流速一般為0.5 m/s，所以冷凝水的出水口管徑為：</p><p><b>　　主要連接形式</b>&l

38、t;/p><p>　　對于此換熱器，主要連接有殼體與管板的連接、換熱管與管板的連接和拉桿與管板的連接。</p><p>　　殼體與管板的連接采用直接焊接的形式，見圖5-1所示。該形式焊接質量容易保證。</p><p>　　圖5-1 殼體與管板連接形式</p><p>　　換熱管與管板的連接采用焊接方式固定，焊接口形式如圖5-2所示。<

39、/p><p>　　圖5-2 換熱管與管板連接焊接口形式</p><p>　　拉桿與管板的連接采用將拉桿擰入管板的可拆螺紋連接，拉桿是一根兩端均帶有螺紋的長桿，一端擰入管板，折流擋板穿在拉桿上，各板之間則以套在拉桿上的定距管來保證間距，最后一塊折流擋板用螺母擰在拉桿上予以固緊。</p><p><b>　　2.4初步經濟衡算</b></p

40、><p>　　根據(jù)大量網上資料，查閱20平方米（20000RMB）、60平方米（65000RMB）的列管式換熱器價格以及部分公司的銷售規(guī)律即1000元/m2（碳鋼），因此根據(jù)換熱器換熱面積為120.4m2，進行經濟預估得出每臺換熱器大約120400元，</p><p>　　2.5換熱器主要結構尺寸和計算結果</p><p><b>　　第三章 設計評述<

41、/b></p><p>　　本次化工課程設計是對列管式換熱器的設計，通過查閱有關文獻資料、上網搜索資料以及反復計算核實，本列管式換熱器的設計可以說基本完成了。下面就是對本次設計的一些評述。</p><p>　　固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，結構簡單；在相同的殼體直徑內，排管最多，比較緊湊，本設計由于換熱任務較大，故管數(shù)較多。由于這種結構使殼側清洗困難，所以

42、殼程走不易結垢的混合氣體。</p><p>　　在設計過程中應盡量做到：</p><p>　　1、增大傳熱系數(shù)。在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動的情況下，盡量選擇較高的流速。</p><p>　　2、提高平均溫差。對于無相變的流體，采用逆流的傳熱方式，不僅可提高平均溫差，還有助于減少結構中的溫差應力。</p><p>　　3、妥善布置傳

43、熱面。本設計采用合適的管間距和排列方式，不僅可以加大單位空間內的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。并且錯列管束的傳熱方式比并列的好。</p><p>　　通過本次設計，我學會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設備，及計算出主要設備及輔助設備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設計計算過程中要進行工藝參數(shù)的計算。通過設計不但鞏固了對主體設備圖的了解，還

44、學習到了工藝流程圖的制法。通過本次設計不但熟悉了化工原理課程設計的流程，加深了對冷卻器設備的了解，而且學會了更深入的利用圖書館及網上資源，對前面所學課程有了更深的了解。但由于本課程設計屬我第一次設計，而且時間比較短，查閱的文獻有限，本課程設計還有較多地方不夠完善，不能夠進行有效可靠的計算。</p><p>　　第四章 主要符號說明</p><p><b>　　英文字母</b

45、></p><p>　　z——折流板間距，m；　　C——系數(shù)，無量綱；　　d——管徑，m；% N/ Q" Q2 J% A　　D——換熱器外殼內徑，m；　　f——摩擦系數(shù)；　　F——系數(shù)；　　h——圓缺高度，m；　　K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；　　L——管長，m； m+ i6 ~0 F3 y* o4 P d　　m——程數(shù)；# n2 }$ E p' J

46、0 P　　n——指數(shù)；管數(shù)；程數(shù)；　　N——管數(shù)；程數(shù)；　　NB——折流板數(shù)；</p><p>　　Nu——努塞爾特準數(shù)；　　P——壓力，Pa；% k+ _4 [% `7 d9 K; K8 g2 U- g% K</p><p>　　Pr——普蘭特準數(shù)；( [/ I) f9 F/ c2 Z: g　　q——熱通量，W/m2；! s/ u$ ]8 U7 r+ E7 q+ U　　Q—

47、—傳熱速率，W；, q/ A' R+ w8 z a8 f- V　　r——半徑，m；　　氣化潛熱，kJ/kg；! @6 [16 　　R——熱阻，m2·℃/W；　　Re——雷諾準數(shù)；2 I B3 Z$ e& b, }8 S' J　　S(或A)——傳熱面積，m2；6 A6 n+ T8 g X4 K& G　　t—冷流體溫度，℃；管心距，m；　　T——熱流體溫度，℃；　　u——流速，

48、m/s；　　W——質量流量，kg/s，, @( r7 v6 @+ I( S3 B5 p　　V——體積流量，m3/s。希臘字母* |" M# ]2 p* R　　α——對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；　　Δ——有限差值；　　λ——導熱系數(shù)，W/(m·℃)；</p><p>　　μ——粘度，Pa·S；　　ρ——密度，kg/m3；$ `! R% ]0 `% R5 a

49、 O　　ψ——校正系數(shù)。, m' b/ D7 N; H下標　　c——冷流體；　　h——熱流體；　　i——管內；' n$ D; e0 G1 u% u( ?7 J7 A3 _　　m——平均；* \+ u! m2 \$ @0 b! Y　　o——管外；　　s——污垢。# y7 </p><p>　　^ </p><p><b>　　第五

50、章 參考文獻</b></p><p>　?。?）賈紹義，柴誠敬. 化工原理課程設計. 天津: 天津大學出版社, 2002</p><p>　?。?）柴誠敬，張國亮. 化工流體流動和傳熱. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2007</p><p>　　黃璐，王保國. 化工設計. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2001</p><p>　　錢頌