化工流体流动课程设计----真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计

1、化工原理课程设计说明书设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计化工流体传热课程设计任务书（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： 90 万吨/年。3、有效生产时间：300天/年。4、设计内容： 第三套 效预热器（组）第 三 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，卤水流速不得低于0.5m/s。7、换热管直径选为38×3mm。8、卤水物性参数随温度的变化，当手册查不到时，可按水的变化规律推算。（三）设

2、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、初步经济衡算；7、确定预热器附件；8、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。目录第一章 设计简介4第二章 热力学计算52.1由物料衡算确定卤水流量52.2 假设k计算传热面积62.2.1热力学数据的获取62.2.2 估算传热面积72.2.3.工艺尺寸计算72.2.4.核算总传热系数92.2.5核算压降102.3确定预热器附件122.4初步经济衡算。14

3、2.5换热器主要结构尺寸和计算结果15第三章 设计评述16第四章 主要符号说明16第五章 参考文献17第一章 设计简介 换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。 随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进

4、及传热机理的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继问世。 为了适应发展的需要，我国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：（1） 合理地实现所规定的工艺条件； （2） 结构安全可靠； （3） 便于制造、安装、操作和维修；（4） 经济上合理。 此换热器设计要求用单管程固定管板式列管换热器以二次蒸汽为加热流体预热卤水，将卤水由 59度加热到61度。通过对卤水预热列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积及计算流体阻力压降等。 第二章 热力

5、学计算2.1由物料衡算确定卤水流量从已知表格2-1中得知卤水组成如下：表2-1 卤水离子组成表离子种类ca2+mg2+so42-cl-nacl质量，g/l1.620.153.31178.20293.76因为卤水的物理性质随温度变化而变化，因此为方便通过热力学方程估算卤水在不同温度下的性质，因此通过质量横算，假设卤水由nacl、caso4、mgcl2、h2o以积极少量的cacl2（因质量过小对估算影响不大，因此忽略）组成，组成结果如下表所示。表2-2 卤水质量组成表物质种类naclcaso4mgcl2h2o质量，g/l293.764.690.59880.96质量分数，%24.890.400.05

6、74.66 根据设计任务书的要求，即设计年产量为90万吨/年的盐，因此根据第二章的卤水组成表进行质量衡算，得出总卤水量l为：从图中可以得出进入第二效的卤水流量f为：2.2 假设k计算传热面积2.2.1热力学数据的获取（1）冷流体卤水的定性温度：入口温度为，出口温度为循环水的定性温度为表2-3 卤水物理性质表温度，密度，kg/m3恒压热容，kj/（kg·k）粘度，mpa·s导热系数，w/（m·k）6011103.102.020.394（2）蒸汽及饱和水物理性质及热力学性质根据已知流程中第三效的加热蒸汽为30.0kpa下的饱和蒸汽，因此查饱和蒸汽物性表，得出蒸汽物理性

7、质及热力学性质如下：表3-4 饱和蒸汽及饱和水性质表饱和蒸汽饱和水温度，66.566.5压力，kpa30.030.0密度，kg/m30.1610980.9粘度，mpa·s0.0110.413导热系数，w/（m·k）0.0220.662恒压热容，kj/（kg·k）1.9254.180蒸发焓，kj /kg23452.2.2 估算传热面积（1）计算热负荷 （2） 水蒸气耗量 （3）计算有效平均温度差 (4）流体流经选择 冷流体卤水不洁净且易结垢宜走管程，便于清洗；热流体为饱和水蒸汽，宜走壳程以便于及时排除冷凝液，且蒸汽结晶，一般不清洗（5）选取经验传热系数k值 参照文献

8、2附录二十六，总传热系数k现暂取： （6）估算换热面积 2.2.3.工艺尺寸计算（1） 管径和管内流速 根据设计要求，选用38×3mm较高级冷拔传热管（碳钢），取管内卤水流速 u=0.7m/s。（2） 管长和传热管数 选用l=6m的管长。 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数 因此实际换热面积 采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为 （3）平均传热温差校正及壳程数: 平均温差校正系数有 : r= 单壳程，单管程结构，查得参考文献2 平均传热温差 由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。(4）壳体内径 采用单管程结构，壳体内径可按下式估算。

9、则壳体内径为 参照文献2表6-4 换热管外径为38mm时，管间距t=48m，且选取管子按照正三角形排列，则横过管数中心线管的根数 则壳体外径按上述方法计算出的壳体内径后进行圆整，选用标准800mm立式固定管板式换热器的规格如下： 公称直径d800mm 公称换热面积s120.4m2 管程数1 管数n171根 管长l6m 管间距48mm 管子直径 管子排列方式正三角形 (5)折流挡板结构设计 本设计可采用弓形挡板，弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%.。折流挡板间距一般为0.21.0倍的壳体内径，固定管板式系列标准板间距为150mm、300mm、600mm三种，考虑到本设计中外层为蒸汽冷凝，冷凝传

10、热系数很大并且与蒸汽流速关系很小，因此折流挡板作用不大，所以采用间距为600mm，共用9块挡板即可。2.2.4.核算总传热系数（1）管程对流传热系数管程流体流速=0.7m/s则 （2）壳程对流传热系数壳程为低压蒸汽冷凝释放潜热传热，蒸汽冷凝的对流传热系数系数相对较大，一般情况下，在1000015000之间。本预热器中被加热流体没有出现相变化的话，传热的热阻主要集中在冷流体这一侧，冷热两侧给热系数相差数倍甚至上百倍，这种情况下，水蒸汽无论取10000还是15000，其总传热系数计算值基本相差无几。由于流速较低，根据工程经验可以取对流传热系数为10000 。（3）壁面污垢热阻 参照文献2附录二十，

11、管程壁面污垢热阻0.000172，壳程壁面污垢热阻为0.000086，根据换热器钢管材质可以查出其热阻为0.00005。（4）总传热系数故设计的换热器是合适的，安全系数为15.3%2.2.5核算压降（1） 管程压降其中ft=1.5，ns=1,np=1。对于碳钢管，取管壁粗糙度=0.1mm有-re关系图中查得=0.03 （2）壳程压降 , , 流体流经管束的阻力 管子为正三角形排列f=0.5壳程流通面积 壳程流体流速及其雷诺数分别为： 流体流过折流板缺口的阻力 , 总阻力 2.3确定预热器附件（1） 膨胀节 因为此换热器的传热温差较小（<50度），所以换热器不需要使用膨胀节。（2） 折流挡

12、板 折流板直径与壳体直径之间的间隙取3.5mm，折流板厚度取10mm，因为冷热流股均为常见物质，因此折流挡板选用普通类型即可，即切去弓星高度25%的弓形折流挡板。因为折流挡板间距一般为0.21.0倍的壳层直径且常见距离为150mm、300mm、600mm三种，考虑到本设计中外层为蒸汽冷凝，冷凝传热系数很大并且与蒸汽流速关系很小，因此折流挡板作用不大，所以采用间距为600mm，共用9块挡板即可。（3） 外壳壁厚 壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳，管壳式换热器的壳体通常是由管材或板材卷制而成的，当直径不小于400mm时，采用板材卷制壳体和管箱壳体。其直径系列应与封头、连接法兰的系列

13、匹配，以便于法兰和封头的选型。一般情况下，当直径小于1000mm时，直径相差100mm为一个系列。本设计采用碳素钢q235-b钢材，在实际设计中，为了保证壳体具有足够的刚度，外壳壁厚取8mm。（4） 封头设计 管箱上下封头均采用标准椭圆封头，椭圆形封头是由长短半轴分别由a，b的半椭圆和高度为ho的短圆筒（通称为直边）两部分构成的。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受到边缘应力的作用。根据jb4737-95，选用公称直径800mm，曲面高度200mm，直边高度25mm，壁厚8mm的封头。封头质量为47.13kg。（5） 管板 管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与

14、管子和壳体等连接外，还是换热器中的一个主要受压元件。对于管板的设计，除满足强度要求外，同时应合理考虑其结构设计。管板厚度除满足计算要求外，当管板和管热管采用焊接时，应满足结构式就和制造的要求，且不小于12mm。（6） 法兰及裙座设计 壳层的封头和主体链接采用法兰连接，选用标准尺寸为800的法兰连接。卤水进出口的接管法兰选用标准尺寸为200的法兰连接。水蒸气入口接管的法兰选用标准尺寸为300的法兰连接。冷却水出口接管法兰选用标准尺寸为50的法兰连接。 对于高为6m的换热器，可以按照经验选用0.5m高的裙座作为支撑。（7） 换热器接管设计 其中因为管道中水溶液的流速一般为1.53m/s，此处选用3

15、m/s，所以卤水的进出口管径为：因为饱和蒸汽流速一般为2040m/s，因此此处选用30m/s。因此代入公式计算出饱和蒸汽入口接管管径为：因冷凝水的流速一般为0.5 m/s，所以冷凝水的出水口管径为： （8） 主要连接形式 对于此换热器，主要连接有壳体与管板的连接、换热管与管板的连接和拉杆与管板的连接。 壳体与管板的连接采用直接焊接的形式，见图5-1所示。该形式焊接质量容易保证。图5-1 壳体与管板连接形式换热管与管板的连接采用焊接方式固定，焊接口形式如图5-2所示。图5-2 换热管与管板连接焊接口形式 拉杆与管板的连接采用将拉杆拧入管板的可拆螺纹连接，拉杆是一根两端均带有螺纹的长杆，一端拧入管

16、板，折流挡板穿在拉杆上，各板之间则以套在拉杆上的定距管来保证间距，最后一块折流挡板用螺母拧在拉杆上予以固紧。2.4初步经济衡算 根据大量网上资料，查阅20平方米（20000rmb）、60平方米（65000rmb）的列管式换热器价格以及部分公司的销售规律即1000元/m2（碳钢），因此根据换热器换热面积为120.4m2，进行经济预估得出每台换热器大约120400元，2.5换热器主要结构尺寸和计算结果换热器型式：固定管板式换热器换热器面积（）：120.4工艺参数名称管程壳程物料名称卤水水蒸气操作温度，59/6166.5/66.5流量，kg/s1070.3流体密度，kg/11100.1610流速，m

17、/s0.712.3传热量，kw664总传热系数，w/·k980.6对流传热系数，w/·k1820.610000污垢系数，·k/w0.0001720.000086阻力降，pa3518563.8程数11使用材料碳钢碳钢管子规格，mm管数 171管长，mm6000管间距，mm48排列方式正三角形折流挡板型式上下间距，mm600切口高度25%壳体内径，mm800中心管数15第三章 设计评述 本次化工课程设计是对列管式换热器的设计，通过查阅有关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本列管式换热器的设计可以说基本完成了。下面就是对本次设计的一些评述。 固定管板式换热器的两端

18、和壳体连为一体，管子则固定于管板上，结构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑，本设计由于换热任务较大，故管数较多。由于这种结构使壳侧清洗困难，所以壳程走不易结垢的混合气体。 在设计过程中应尽量做到：1、增大传热系数。在综合考虑流体阻力及不发生流体诱发振动的情况下，尽量选择较高的流速。2、提高平均温差。对于无相变的流体，采用逆流的传热方式，不仅可提高平均温差，还有助于减少结构中的温差应力。3、妥善布置传热面。本设计采用合适的管间距和排列方式，不仅可以加大单位空间内的传热面积，还可以改善流体的流动特性。并且错列管束的传热方式比并列的好。 通过本次设计，我学会了如何根据工艺过程的条件查找相关

19、资料，并从各种资料中筛选出较适合的资料，根据资料确定主要工艺流程，主要设备，及计算出主要设备及辅助设备的各项参数及数据。了解到了工艺设计计算过程中要进行工艺参数的计算。通过设计不但巩固了对主体设备图的了解，还学习到了工艺流程图的制法。通过本次设计不但熟悉了化工原理课程设计的流程，加深了对冷却器设备的了解，而且学会了更深入的利用图书馆及网上资源，对前面所学课程有了更深的了解。但由于本课程设计属我第一次设计，而且时间比较短，查阅的文献有限，本课程设计还有较多地方不够完善，不能够进行有效可靠的计算。 第四章 主要符号说明17英文字母 z折流板间距，m；c系数，无量纲；d管径，m；% n/ q" q2 j% ad换热器外壳内径，m；f摩擦系数；f系数；h圆缺高度，m；k总传热系数，w/(m2·)；l管长，m； m+ i6 0 f3 y* o4 p dm程数；# n2 $ e p' j0 pn指数；管数；程数；n管数；程数；nb折流板数；nu努塞尔特准数；p压力，pa；% k+ _4 % 7 d9 k; k8 g2 u- g% kpr普兰特