化工流体传热设计

1、化工流体传热课程设计 班级： 化学工程与工艺5班学号： 3009207136姓名: 吴 尧 目录一：设计背景3二：设计目的及意义.3三：设计内容1. 确定流体的流径42. 由物料衡算确定卤水流量4-53. 假设K值计算传热面积.5-84. 确定换热器的台数及工艺结构尺寸85. 核算第一台换热器的总传热系数8-116. 核算压降127. 确定预热器附件12-138. 设计结果一览表149. 设计评述14-1510. 主要符号及说明1511. 参考文献16一、设计背景 随着现代工业的飞速发展，能源问题愈发严重，人们更多的关心如何能有效地利用有限的资源。而盐作为我们生活中必不可缺的物质，也面临着比较

2、严重的能源问题。所以，我们应该想方设法的更加有效的使用以减少盐的消耗量，使子孙后代能有更多的资源可利用。 我国虽然是能源大国，地大物博，但那也是能源总量，而人均能源量则是少得可怜。而在盐的问题上则显得比较明显，部分省市缺盐情况十分的严重。由此可见，我国的能源问题还是值得重视的。 而制盐过程的能源消耗比较大，成本比较高，所以我们应该更多的考虑能耗问题，以减小制盐过程的成本，而达到以最小的成本获得最大的收益，响应“节能减排”的号召，使制盐过程更加的节能，更加的科学有效。二、设计目的及意义 企业，都是以盈利为根本目的。为了能获取更大的利润，就要使其生产过程所耗的成本最小化。企业要想提高经济效益和社会

3、效益，就必须尽其一切可能的减少能源的消耗，而使生产过程更加的科学有效。 而在当今物质匮乏的年代，节能减排已经不知不觉的成为了一种强有力的号召，这种号召已经深入人心。作为耗能较大的企业，必须以身作则，响应这历史的号召。 制盐企业，要响应节能减排的号召，提高其社会竞争力。就必须提高其制盐装置的科学有效性，必须提高生产过程中的能源利用率。而蒸汽消耗是制盐过程的主要能源消耗，所以，制盐行业应该考虑如何提高蒸汽的使用效率，降低单位产品的能耗等问题。 经过分析，发现在制盐系统中设置卤水分效预热器系统，可以有效地提高制盐过程中二次蒸气的利用率，实现能源的节约。利用二次蒸汽预热卤水，热能前移，减轻末效蒸发强度

4、，同时，提高进入蒸发结晶器的卤水温度，减少热损失。在四效真空蒸发工艺制盐中设置3个二次蒸汽预热，逐效的提高进入蒸发罐的卤水温度，减少温差引起的热损失，以提高蒸发系统的热效率。同时选用管壳式换热器做预热器，因为其结构简单、紧凑、布管多，管内便于清洗、更换，而且造价低，并且将管程设计成单管程，可以降低管程压降，便于清洗。三、设计内容1.确定流体的流径该设计任务的热流体为饱和蒸汽，冷流体为卤水，卤水为不洁净流体，且其中含有钙离子和硫酸根，易形成微溶于水的硫酸钙而结垢，为便于清洗，选择走管程，饱和蒸汽走壳程，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，一般不需要清洗。2.由物料衡算确定卤水流量60万吨固相Na

5、Cl 体积为V1=60104103kg2200kgm-3=272727.3m3由于盐浆能顺畅流动时的固相体积分率为0.6则盐浆中液相体积为V2=V10.60.4=181818.2m3设液相为饱和NaCl溶液因为NaCl的溶解度随温度的变化而改变不大，取20为盐浆温度，该温度下NaCl溶解度为36.0g，溶液的密度=1.12gm3则液相质量为m1=181818.21.12103kg=203636384kg液相中NaCl质量为m2=20363638413636=5.39107kg则精制卤水中NaCl质量为60+5.39107=65.39107kg卤水流量V总=65.39107293.7630024

6、3600=0.0859m3s35.0下，卤水的质量流量为W总=V=11800.085=101.362kgs进入第三效的预热器的卤水体积流量为Vs=78%V总=0.085978%=0.067m3s质量流量为Ws=78%W总=101.36278%=79.06kgs3.假设K计算传热面积（1）基本物性数据的查取 卤水的定性温度为55+612=58以水的变化规律推算卤水物性参数随温度的变化，得卤水在定性温度下物性数据为密度 /(kgm3)比热容/kJkg热导率/Wm黏度/mPas11683.390.61.5设计蒸气在降温过程中由饱和气体变为同温度下饱和液体由教材附录九查得30kPa时饱和水蒸汽对应温度

7、66.5，由于壳程压降存在，根据经验，蒸气进入预热器时，降低1，变为65.5。由物性手册查得，饱和蒸汽在65.5下物性数据为密度 /(kgm3)汽化热/kJkg热导率/Wm黏度/mPas0.181512415.130.022160.106（2）热负荷的计算Q=Wccpct2-t1=79.063.3910361-55=1.608106W（3）计算平均温度差 由单壳程、单管程考虑 蒸气 65.5 65.5 卤水 61 55 _ t 4.5 10.5tm=t2-t1lnt2t1=10.5-4.5ln10.54.5=7.08选K=900W(m2)则换热面积为S=QKtm=1.6081069007.08

8、=252.35m2设ui=0.64ms管子数n=VsA=Vs4di2ui=0.0673.1440.03220.64=130.23管长L=Snd0=252.35130.233.140.038=16.27m取L=18m n=135根则换热器面积为S=ndL=1353.140.03818=290.0m2传热系数为K=QStm=1.6081062907.08=783W(m2)（4）核算总传热系数 .管程对流传热系数hiui=Vsn4di2=0.0671353.1440.0322=0.62msRei=diui=0.03211680.621.510-3=14176Pri=cpk=3.391031.510-

9、30.6=8.48hi=0.023kdiRei0.8Pri0.4=0.0230.60.032141760.88.480.4=2124.9W(m2)壳程冷凝传热系数m假设管外壁温度为65.1则定性温度为tsat+tw2=65.5 +65.12=65.3由教材附录六查得65.3时水的物性数据为密度 /(kgm3)热导率/Wm黏度/mPas980.50.660.44由物性手册查得65.5时饱和蒸汽的物性数据为=2415.13kJkg v=0.18151gm3m=QS(tsat-tw)=1.608106292.0(65.5-65.1)=13762.4 W(m2)冷凝液的质量流率为w=Q=1.60810

10、62415.13103=0.6658kgs单位长度润湿周边上的凝液质量流率为=wP=wdo=0.66583.140.038=5.58 kg(ms)Ref=4=45.580.4410-3=507271800（湍流）传热系数计算得 m=0.0076k-vg213Ref0.4 =0.00760.6610-2980.5980.5-0.181519.810.4410-3213507270.4 =13963 W(m2)污垢热阻及管壁导热系数参考附录二十，管外侧污垢热阻为Rsi=0.859810-4 (m2)W 设管内侧热阻为Rso=2.252710-4 (m2)W 参考附录十二，碳钢的热导率为50.09

11、W(m)总传热系数K K=11m+Rso+Rsidodi+bdokdm+dohidiK =1113963+0.859810-4+2.252710-40.0380.032+0.0030.03850.090.035+0.0382124.90.032=970W(m2)K计K选=970783=1.24故所设计的换热器是合适的。4.确定预热器的台数及工艺结构尺寸将第三效预热器设计成相同的三台换热器，管子数为135根，管长6m由教材表6-4知，管中心距为t=0.048m 管子按正三角形排列 nc=1.1n b=1.5do则壳径D=tnc-1+2b=0.0481.1135-1+21.50.038=0.680

12、m取D=800mm换热器的主要参数如下：外壳直径，mm800管子数，根135管长，mm6000管子尺寸38mm3mm管程数1管子排列方式管中心距，mm48管程流通面积，m20.1095.核算第一台换热器的总传热系数选择K值对于第一台换热器，设K=850 W(m2)换热面积S= ndoL-0.1=1353.140.0386-0.1=95.0m2设出口温度为t2蒸气 65.5 65.5 卤水 t2 55 _ t 65.5-t2 10.5tm=t2-t1lnt2t1= t2-55ln10.5 65.5-t2 由Q=KStm=Wccpct2-t1得85095.0 t2-55ln10.5 65.5-t2

13、 =79.063.39103t2-55解得t2=57.73平均温度差为tm= 57.73-55ln10.5 65.5-57.73 =9.07传热速率为Q=Wccpct2-t1=79.063.3910357.73-55=731.68103W传热系数为K=QStm=731.68103959.11=849W(m2)管内对流传热系数hi定性温度为57.73 +552=56.37卤水在定性温度下物性数据为密度 /(kgm3)比热容/kJkg热导率/Wm黏度/mPas1169.43.390.61.57管内流速ui=0.62msRei=diui=0.0321169.40.621.5710-3=14777.6

14、Pri=cpk=3.391031.5710-30.6=8.87hi=0.023kdiRei0.8Pri0.4=0.0230.60.03214777.60.88.870.4=2237W(m2)壳程冷凝传热系数m假设管外壁温度为64.6则定性温度为tsat+tw2=65.5+64.62=65.05由教材附录六查得65.05时水的物性数据为 密度 /(kgm3)热导率/Wm黏度/mPas980.50.66350.4371由物性手册查得65.05时饱和蒸汽的物性数据为=2415.13kJkg v=0.18151gm3假定冷凝液膜为层流则冷凝传热系数为 m=1.13-vgk3Ltsat-tw14=1.1

15、3980.5980.5-0.181519.812415.130.663530.437110-3665.5-64.614 =8233.3 W(m2)Q=mStsat-tw=8233.395.765.5-64.6=709.11103W与Q=Wccpct2-t1=710.24103W 相近，则温度假设正确t=65.05-64.6=0.45则不需要设置热补偿装置。核算冷凝液流型w=Q=709.111032415.13103=0.2936kgs单位长度润湿周边上的凝液质量流率为=wP=wndo=0.29361353.140.038=0.0182 kg(ms)Ref=4=40.0182 0.437110-

16、3=166.551800故假设冷凝液膜为层流是正确的，m=8233.3W(m2)污垢热阻及管壁导热系数 参考附录二十，管外侧污垢热阻为Rsi=0.859810-4 (m2)W 设管内侧热阻为Rso=1.792710-4 (m2)W 参考附录十二，碳钢的热导率为50.09 W(m)K=11m+Rso+Rsidodi+bdokdm+dohidiK=118233.3+0.859810-4+1.792710-40.0380.032+0.0030.03850.090.035+0.03822190.032=979.9W(m2)K计K选=979.9849=1.156.核算压降 管程压降为p1FtNsNp其中

17、 Ft=1.4 Ns=1 Np=1管内流速ui=0.62ms Rei=14495.6对于碳钢管，取管壁粗糙度=0.1mmdi=0.132=0.003由教材第一章- Re关系图查得=0.031p1=Ldiui220.03160.03211690.6222=1306Pap1FtNsNp=13061.411=1828.4Pa壳程压降 由于壳程内饱和蒸汽没有降温，因此没有壳程压降计算结果表明，管程和壳程的压降均能满足设计条件。故所设计的换热器是合适的，安全系数为979.9-849849100%=15.42%7.确定预热器附件主要附件有支撑板、拉杆、定距管、垫片、拦液板、 法兰、管板、封头、缓冲挡板、接

18、管、放气孔、排液孔、管箱和支座。支撑板 从传热的角度考虑，由于壳程流体为饱和蒸汽，不需要设置折流板，但为了增加换热器的刚度、防止管子振动，实际仍然需要设计一定数量的支撑板。支撑板厚度一般不应小于表1（左）中所列数据，支撑板允许不支撑的最大间距可参考表1（右）所列数据。表1 支撑板厚度以及支撑板允许不支撑的最大间距壳体直径/mm4004008009001200管子外径/mm19253857支撑板厚度/mm6810最大间距/mm1500180025003400由于D=800mm，查得支撑板厚度为8mm，设置2块支撑板。拉杆和定距管在保证大于或者等于所给的总截面积的前提下，拉杆的直径和数量可以变动，

19、但是其直径不得小于10mm，数量不得小于4根。拉杆的数量定为4。垫片 垫片厚度，本设计确定为3mm，隔板槽部分垫片厚度取10mm，圆角尺寸取R=8mm，D和d按JB1160-82压力容器法兰用垫片标准选取。封头封头有方形和圆形两种，方形用于小直径（400mm）的壳体，圆形用于大直径的壳体。本设计选用圆形封头。缓冲挡板为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击，可在进料管口装设缓冲挡板。接管壳程流体进出口接管：取接管内饱和蒸汽流速为u=25ms，则接管内径为d1=4Vu=4wu=40.29360.181513.1425=0.287m取标准管径为299mm6mm。管程流体进出口接管：取接管内卤水流速u

20、=25msd1=4Vu=40.0673.141.2=0.267m取273mm6mm无缝钢管放气孔和排液孔换热器的壳体上安有放气孔和排气孔，以排除不凝气体和冷凝液等。8.设计结果一览表换热器主要结构尺寸和计算结果表参数管程壳程进、出口温度，55/57.7365.5/65.5流量，kg/s79.060.2936物性物性温度，56.3765.5密度，kg/m31169.40.18151定压比热容，kJ/(kg)3.39黏度，mPas1.57热导率，W/（m）0.6结构参数形式管板式换热器壳程数1壳体内径，mm800台数1管径，mm38管心距，mm48管长，mm6000管子排列管数，根135折流板数，个0传热面积，m295.0折流板间距，mm管程数1材质碳钢主要计算结果管程壳程流速，m/s0.62污垢热阻，(m2)/W1.792710-40.859810-4热流量，kW710.24103传热系数，W/（m2）979.99.设计评述 刚从老师那儿接收到设计任务的时候就觉得这次设计简单不了，刚开始着手设计时就发现还真不简单。主要是因为平时学习不够刻苦，知识掌握的不够牢固。在计算的过程中还要时不时的翻阅相关书籍及查阅先关数据及公式等。 在前期的计算过程中还费了比较大的功夫，甚至还经历了两次重算的过程，