天津大学化工原理课程设计讲解

1、化工原理课程设计报告真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计学院天津大学化工学院专业化学工程与工艺班级学号姓名指导教师天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告化工流体传热课程设计任务书专业 化学工程与工艺 班级 姓名 学号（编号）（一）设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计（二）设计任务及条件1、蒸发系统流程及有关条件见附图。2、系统生产能力： 40 万吨 /年。3、有效生产时间： 300 天/年。4、设计内容： 效预热器（组）第 3 台预热器的设计。5、卤水分效预热器采用单管程固定管板式列管换热器，试根据附图中卤水预热 的温度要求对预热器（组）进行设计。6、卤水为易结垢工质，卤水流速

2、不得低于 0.5m/s。7、换热管直径选为 383mm。（三）设计项目1、由物料衡算确定卤水流量。2、假设 K 计算传热面积。3、确定预热器的台数及工艺结构尺寸。4、核算总传热系数。5、核算压降。6、确定预热器附件。7、设计评述。（四）设计要求1、根据设计任务要求编制详细设计说明书。2、按机械制图标准和规范，绘制预热器的工艺条件图（ 2#），注意工艺尺寸和结 构的清晰表达。天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告设计说明书的编制按下列条目编制并装订： （统一采用 A4 纸，左装订）（1）标题页，参阅文献 1 附录一。（2）设计任务书。（3）目录。（4）说明书正文 设计简介：设计背景，目

3、的，意义。 由物料衡算确定卤水流量。 假设 K 计算传热面积。 确定预热器的台数及工艺结构尺寸。 核算总传热系数。核算压降。 确定预热器附件。设计结果概要或设计一览表。 设计评述。（5）主要符号说明。（6）参考文献。（7）预热器设计条件图。主要参考文献1. 贾绍义，柴诚敬 . 化工原理课程设计 . 天津: 天津大学出版社 , 20022. 柴诚敬，张国亮 . 化工流体流动和传热 . 北京: 化学工业出版社 , 20073. 黄璐，王保国 . 化工设计 . 北京 : 化学工业出版社 , 20014. 机械制图自学内容：参考文献 1，第一章、第三章及附录一、三；参考文献 2，第五 七章；参考文献

4、3，第 1、3、4、5、11 部分。天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告具有分效预热的卤水真空蒸发制盐系统（平流进料，IIIIII盐盐盐浆浆浆来自热电站的生蒸汽 97.3kPa 16.8kPa 71.3kPa287.7kPa顺流排盐）91.7kPaIV22%V22%V接真空泵板式换热器盐浆去脱水干燥系统精制卤水 V循环下水35循环上卤水分效预热系冷凝水冷凝水冷凝水24%V552+ 2+ Ca MgSO42-Cl - NaCl1.62 0.153.31178.20 293.7635时卤水的物性参数密度 /(kg/m 3)1180恒压比热容 /kJ/（kg.)3.39黏度 /(mPa.

5、s)2.3导热系数 /W/（m.)0.57卤水典型组成 /（g/L ）固体氯化钠晶体的密度： 2200kg/m 3 盐浆能顺畅流动时的固相体积分率： 0.60 当地大气压： 101.3kPaI 效预热器（组）II 效预热器（组）III 效预热器 （组）目录一、设计简介 11.1 设计背景 11.2 设计目的 11.3 设计意义 1二、项目设计 12.1 流径选择 12.2 物料衡算 22.3 假设 K 计算传热面积 22.4 确定预热器台数及计算工艺结构尺寸 32.5 核算总传热系数 42.6 核算压降 52.7 确定预热器附件 5三、设计总结 1 13.1 设计概况一览表 1 13.2 设计

6、评述 1 3四、符号说明 1 3五、参考文献 1 4天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告一、设计简介1.1 设计背景盐，既是生活必需品，又是化工业的基本原料，被称为“工业之母”。以其为主要原料 制成的“两碱”（纯碱和烧碱）被广泛应用于纺织、农业、医药、有色金属、冶金、电力、 军工等多种行业。在中国，根据来源和生产方法可将原盐分为三类：以海水为原料晒制而得的海盐；开采 现代盐湖矿制得的湖盐；开采地下天然卤水或古代岩盐矿床制得的井矿盐又称岩盐。 其中以 岩盐分布最为广泛，开采也最为成熟，因此，在我国内陆普遍盐工业所使用的为岩盐。1.2 设计目的本次给全班分配的任务为制盐年产量40 万吨

7、，该过程通过一套真空蒸发制盐系统来满足生产需要。在该卤水真空蒸发制盐系统中添加了预热器，通过三台以蒸发二次蒸汽作为热 源的预热器来回收利用各效蒸发器的二次蒸汽，达到能量多级回收利用，提高能量利用率。 我组负责第二效第三台换热器的设计，第二效换热器目的是将54%的卤水由 61提升到83，其中第三台换热目标为将卤水由78提升到 83。1.3 设计意义通过本次设计，来巩固化工流体与传热和化工设计中关于流体流动、传热，换热器设计 的相关内容， 自学化工原理课程设计中部分内容， 练习查阅相关的资料与行业相关国家标准、 化工标准与推荐标准。了解换热器的构成、运行原理以及装配要求，掌握 office 软件

8、Word 的格式编辑等应用，重新熟练机械制图关于绘图的标准要求，熟练 AutoCAD 制图操作。二、项目设计2.1 流径选择在本次设计中，卤水作为冷流体，为易结垢物质，不易清洗，而且对设备腐蚀性较大， 因此选择卤水走管程。二次蒸汽作为热流体，较为清洁，传热系数也较大，因此走壳程。天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告2.2 物料衡算出口卤水为 45，饱和氯化钠溶解度36.9g，换算为质量浓度为 313.2g/L .则单位体积卤水产盐量为：293.7622000.6022000.60+313.20.40= 268.30g / L则第二效换热器的流量为：=4 108= 268.30300

9、 2430.54= 111.82m3 / h卤水组成表如下：Ca2+2+Mg 2+2-SO42-ClNaCl1.620.153.31178.20293.76固体氯化钠的密度： 2200kg/m 3 最终卤水固相体积分率： 0.602.3 假设 K 计算传热面积第二效预热器中卤水的升温区间为61 至 83 摄氏度，故卤水的定性温度为：tm(83+ 61)2=72C由定性温度经水的变化规律推算出72时，卤水的物性参数如下：温度 t恒压热容 C pJ/(kg )表 2： 72下卤水的物性参数表密度 热导率 k粘度3 W/（ m）PaSkg/m72 3405 1162.6 0.612 0.002计算传

10、热量 Q：111.821180340522Q =V2 r CP (T2 - T1)= 2745.61kW2 P 2 1 3600对数平均温度为：t1 95 83 12t2 95 61 34tmltn2 t2t1 21.1t1又假设 K = 660W /C，则S= K QDtm =32745.6 1032=197m 66021.12天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告2.4 确定预热器台数及计算工艺结构尺寸由公式 Cp V (T2 - T1) = KS0Dtm 可迭代计算得二效换热器分为三台，其温度区间分别为 6171、 7178、7883 ，本组将设计第二效第三台换热器。换热器选用

11、383mm 不锈钢换热管， 按照正三角形排列将管数定为 61 根， 管间距 0.048m，考虑到卤水 为易结垢工质，为便于清洗，采取立式固定管板式列管换热器。第二效第三台预热器中卤水的升温区间为 78至 83摄氏度，故卤水的定性温度为：tm =(83 + 78)2= 80.5C由定性温度经水的变化规律推算出80.5时，卤水的物性参数如下：80.5下卤水的物性参数表温度 tC 恒压热容 C pJ/(kg )密度热导率 k粘度80.53411kg/m31157.5W/( m)PaS0.6170.0019计算传热量 Q：Q=V对数平均温度为：CP (T2 - T1) = 111.8211803411

12、5 = 625.101kW P 2 1 3600Dt1 =95- 83 =12CDt2 =95- 78 = 17CDtmDt2 - Dt1ln( Dt2 / Dt1)=14.4C又假设 K =700W /2(m2则S=Q = 625.101103 =62m2K Dtm700 14.4换热管长度确定为：S62L = 8.52mnpdo613.140.038所以选定长度为 9 米的换热管。天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告2.5 核算总传热系数4111.82首先计算流速：4Vub = npdi2 = 613.140.0322 3600 = 0.63m / s管内对流传热系数：nk d

13、iubr 0.8 hi = 0.023 ( i b )0.8 dim管外对流传热系数：to - tw1+Rso hotw - ti1+Rsi hiho =1.13r (r - rv)gl k ? mL (tsat - tw)3?温度 t密度 v密度 热导率 k粘度 kg/m3kg/m3W/( m)PaS92.850.4460963.3050.6810.00030567壁温和管外对流传热系数两个式子迭代计算得壁温为90.7，则水的定性温度为 92.85。92.85下水的物性参数表95下水的汽化潜热为 2270900J/(kg ) 管外对流传热系数：ho =1.13963.305(963.305-

14、 0.446) 9.8122709000.6813 ?0.000305679 (95- 90.7)4=5476.4W/(m2C)根据书后附录污垢热阻 Rso=0.8598 10-4W/(m2)；Rsi=1.7197 10-4W/( m2)所以由总传热系数 :Ko=1dodobdo1+Rsi +Rso +dihi dikdmhohi = 0.0230.032 ( 壁温的确定：0.00190.617 0.0320.631157.5)0.8 (34110.0019)0.4 = 2122.31W / (m2 C)0.617天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告不锈钢的导热系数为 17.4W/

15、 ( m2 )；对数平均直径 dm = do - di = 38- 32 = 34.9C m ln(do /di) ln(38 / 32)Ko =38 38+32 2122.31 321.719710-4 + 0.00338 + 0.859810- 4 +17.434.915476.42= 819.6W / (m2 C)将结果进行比较：Ko /K = 819.6/ 700=1.17? 1.15,1.25 故该结果可靠。2.6 核算压降管程总压降为：? Dpi =(Dp1 +Dp2)FtNsNp 其中 Ns取 3；Np取 1；Ft 取 1.3。Dp1 =l2 L rub d2= 0.0349 1

16、157.5 0.6320.032 2= 2.197kPa其中 由 Re和 e/d 共同查图确定。 对于不锈钢粗糙度 e取 0.0001，计算得雷诺数 Re=12281.7, 由书中附图确定 =0.034 。2 r ub Dp2 =3(2)=3(21157.50.6322) = 0.689kPa则总压降为：? Dpi =(0.689+2.197)131.3=11.26kPa? 10kPa,100kPa 故管程压降合理。壳程为蒸汽冷凝不允许有过大的压降，故暂时不进行核算。10mm。2.7 确定预热器附件2.7.1 壳程管心距由化工流体流动与传热表 6-4 确定为 48mm 。所以壳体内径：D =

17、t(1.1 n-1)+(2 3)do = 500mm壳体厚度根据化工单元过程及设备课程设计中建议取壳体壁厚天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告2.7.2 封头根据 GB/T25198-2010 对封头的要求，选取以内径为基准的椭圆形EHA封头，公称直径D N=500mm 。选取公称直径为 500mm的 EHA封头总深度 H=150mm,于是 h=25mm。封头名义厚度与壳程厚度 一致取 10mm，封头质量为 24.7kg。2.7.3 接管2.7.3.1 管程接管d=3.140.6336004111.82=25mm故选取 313mm 的管程接管。2.7.3.2 壳程接管 壳程蒸汽冷凝

18、蒸汽流量为VG =Qlr V625100360022709000.4463= 0.617m3 /s根据课本中经验，蒸汽流速取故入口接管直径为：40m/s。VL =VG r V = r0.617 0.446 = 2.910- 4 m3 / s963.305天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告4V4 0.617d= = = 140mmpub3.1440冷凝水流量为冷凝水流速取 1.0m/s故出口接管直径为：d=4 2.910- 43.141.0= 19.2mm出于配合法兰尺寸以及换热效果的考虑，选择1594.5mm 和 252.5mm 壳程接管。2.7.3.3 排气、排液管根据 GB1

19、51-1999 排气、排液管口径不小于20mm 的要求选取 252.5mm 的排气、排液管。2.7.4 法兰2.7.4.1 压力容器法兰根据 JB47004707-2000 要求，封头法兰选取公称直径 DN=500mm 的甲型平焊法兰。与兼作 法兰的管板对接，密封面选取凹凸面密封。天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告其中 D =615mm; D 1=580mm; D 2=550mm; D 3=540mm; D 4=357mm; =30mm; d=18mm ；螺柱型号 M16 ，数量 20 个。零件图如下。2.7.4.2 管法兰根据 HG/T20592-2009 相关要求，对管程接管

20、法兰、壳程接管法兰和排气、排液管法兰型号 分别为 DN25B 、D N150B 和 DN20B。其尺寸符合公制管标准。8天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告2.7.5 管板选取管板兼作法兰的管板。根据 GB151-1999 要求，换热管直径 25do 50，所以最小厚度 =30mm ，管孔直径 =38.4mm 。min0.7do=26.6mm，配合法兰尺寸，选其厚度2.7.6 垫片根据 JB4720-1992 要求，按其温度压力要求选取石棉橡胶垫片。尺寸 D =539mm ， d=503mm ， =3mm 。2.7.7 拉杆定距管天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告根据

21、 GB151-1999 相关要求，选定 4 根直径 16mm 的拉杆定距管。排布位置见附图。2.7.8 支持板、防冲板、折流挡板 根据 GB151-1999 相关要求，383mm 换热管最大无支撑跨距为 2500mm ，所以选用 3 块支持板。管程流速小于 3m/s， 故不需要防冲板，壳程蒸汽冷凝 ub2713.6 2230，故不需要防冲板，同时也不安装折流挡 板。2.7.9 连接方式设计压力 4Mpa; t300，所以换热管和管板之间选取强度胀接的连接方式。换热管伸出 长度选取最小值 4mm。管板厚度 12mm，公称压力 1Mpa ，所以管板与壳体之间焊接方式见下图10天津大学 2013 级

22、本科生化工原理课程设计报告三、设计总结3.1 设计概况一览表卤水温度要求78 83流径选择卤水走管程，蒸汽走壳程卤水流量111.82m3/h蒸汽流量0.617m 3/h卤水定性温度80.5传热量625.101kW换热面积265.5m2总传热系数（选）2700W/(m 2)总传热系数（计）819.6 W/(m 2 )安全系数1.17对数平均温度14.4壁温90.7水定性温度92.85管外对流传热系数2ho=5476.4 W/(m 2 )管内对流传热系数2hi=2122.3 W/(m 2 )管外污垢热阻Rso=0.8598 10-4 W/(m 2 )11天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计

23、报告管内污垢热阻-4 2Rsi=1.7197 10-4 W/(m 2)换热管对数平均直径34.9mm总压降11.26kPa相关物性参数72下卤水的物性参数表温度 tC 恒压热容 C pJ/(kg )密度kg/m3热导率 kW/（ m）粘度PaS7234051162.60.6120.00280.5下卤水的物性参数表温度 t恒压热容 C p密度热导率 k粘度J/(kg )kg/m3W/( m)PaS80.534111157.50.6170.001992.85下水的物性参数表温度 t密度 v密度 热导率 k粘度 kg/m3kg/m3W/( m)PaS92.850.4460963.3050.6810.

24、00030567换热管数管长度壳体封头容器法兰管板拉杆定距管排气、液管619mDN500EHA DN500DN500DN50016 4 根252.5mm12天津大学 2013 级本科生化工原理课程设计报告管程接管壳程接管钢管法兰 313mm 159 4m.5mDN20B DN25B D N150B3.2 设计评述在此次课程设计中，综合的运用了物料衡算，热量衡算，对流传热系数的计算与确定， 附件尺寸的计算与确定，对于附件标准相关查询，利用AutoCAD画图，利用 Word 编撰报告书等知识，在计算开始前，将化工流体流动与传热，化工设计进行了重新阅读、复习，并自 学了化工原理课程设计一书中相关内容

25、，参考化工单元过程及设备课程设计，化工设备设计 基础等书，对于不懂和有疑惑的地方在学习群中与老师和同学互相交流，在计算与确认过程 中分组合作，分别计算，共同校对结果，改正不完善的过程，又各自阅读了许多参考文献， 加上自己的理解与看法，通过互相交流，便得到了更多的数据和经验。由于在此前的学习过 程中从未系统而完整的运用过整本书的内容，只是在各个章节中练习已经经过简化的题目， 在正式的计算过程中出现了很多问题，例如在求取管外对流传热系数中设计壁温的确定，需 要联系不同的物性参数进行迭代求解，而我们在最初的计算中则忽略的物性的变化，得到了 错误的结果，但随后及时的更正了，并且由于计算过程复杂，又需要重复多次，出于简便的 考虑，套用百度中水的物性参数表为参数库，编写了一个简单的迭代运算程序来进行壁温与 管外对流传热系数的计算，但由于小数位保留问题，存在约 0.