化工原理课程设计硝酸钠浓缩的换热器的设计

中南民族大学化工原理课程设计题目碳酸钠溶液蒸发浓缩的换热器设计学院化学与材料科学学院专业化学工程与工艺学生姓名学号指导教师完成日期：2015年6月1日

课程设计任务书课程名称化工原理课程设计课程代码01042010设计时间2015.5.25-2015.6.14指导教师专业化学工程与工艺班级1201一、课程设计任务（题目）及要求（_）设计任务：碳酸钠溶液蒸发浓缩的换热器设计浓缩用料为碳酸钠溶液，进料浓度为15%，最后浓缩至35%，进料量为5000kg/h，加热蒸汽的品质为500kPa，设备总数65套，使用列管式换热器，并且采用三效并流加料蒸发流程。设计条件如下：操作压力kPa（塔顶表压）生蒸汽压力500kPa进料热状况100°C气候条件忽略试根据上述工艺条件作出蒸馏塔的设计计算。设计基本资料见主要参考资料。（二）设计要求1、学生应在老师指导下独立完成，题目不可更换。2、查阅相关资料，自学具体课题中涉及到的新知识。3、最后提交的课程设计成果包括：a）课程设计说明书纸质文件及电子文件。b）课程设计相关设计图纸质文件及电子文件。二、对课程设计成果的要求（包括课程设计说明书、图纸、图表、实物等软硬件要求）1、分析课程设计题目的要求；2、写出详细设计说明；3、写出详细计算过程、经验值的取舍依据；4、设计完成后提交课程设计说明书及相关设计图；5、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。6、计算过程使用的符号符合参考资料中的要求，设计内容按参考资料设计示例执行。理论塔板数的求取用逐板计算法。Af和吧的求取按自己推导的公式进行。三、主要参考资料[1]涂伟萍，陈佩珍，程达芳.化工过程及设备设计.化学工业出版社,2000.6.指导教师签字:TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"课程设计任务书2\o"CurrentDocument"摘要4AbstractTheimportanceofthedesign,thedesignoftheprocessflowandtheselectionoftheequipmentareintroduced4\o"CurrentDocument"前言5第1章一号换热器61.1计算和选用换热器的规格61.2计算总传热系数71.2.1计算传热面积7}7}8第2章二号换热器112.1计算初选换热器的规格112.2计算总传热系数122.2.1计算传热面积12}13}13第三章三号换热器173.1、确定物性数据173.2计算总传热系数173.2.1热流量173.2.2、平均温差热173.2.3总传热系数K183.3计算传热面积183.4工艺结构尺寸183.5、三号换热器热量核算183.5.1壳程表面传热系数：183.5.2当量直径：183.5.3壳程流通截面积：19}：193.5.5管程流体流通截面积：193.5.6管程流体流速：193.6换热器内流体的流动阻力203.6.1管内203.6.2壳程阻力20\o"CurrentDocument"参考文献21\o"CurrentDocument"致谢22

23附录23摘要概要介绍本设计的重要性，完成了工艺流程的设计和设备选型的任务通过原液和成品液的浓度要求及各种设备的工作条件的限制影响总结我们的生产指挥，主要对换热器选型计算指导我们完成对换热器的选型选择，对蒸发器选型计算指导我们完成对蒸发器的选型选择以及对设备和管路的排布和布局及其说明，同时对管道的清洗和出现情况作出应对处理，本论文主要负责了对换热器选型计算。关键词Abstract换热器蒸发浓缩硝酸钠设备选型Theimportanceofthedesign,thedesignoftheprocessflowandtheselectionoftheAbstractequipmentareintroduced.Summaryofourproductioncommandthroughthebulkandfinishedproductsinliquidconcentrationandvariousequipmentworkingconditionstolimittheimpact,theselectionofmainheatexchangercalculationguidedustocompletetheselectionofheatexchangerselection,ofevaporatorselectioncalculationguideourselectionofevaporatorandthecompletionoftheequipmentandpipingarrangementandlayoutanditsexplanationandalsoonthepipelinecleaningandscenariostorespondtothetreatment,thispaperismainlyresponsibleforthecalculationoftheselectionofheatexchanger.KeywordsHeatexchangerEvaporationconcentrationSodiumcarbonateEquipmentselection前言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%的硝酸钠溶液通过蒸发浓缩至30%的硝酸钠的溶液，年产100万吨。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,而我的任务换热器的设计。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，各个环节和任务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。号换热器1.1计算和选用换热器的规格使10%NaNO3由20°C升至40°C，令t1=20°C,12=40。CNaNO3的定性温度tw=0.5（20+40）=30°C.10%N；Cl相关物性参数如下：物性/流体密度/Kg/m3p/mPa.sCp/KJ/Kg.°C入/W/m°C10%NaNO3溶液311021.45x10-33.796x1030.64热水出口温度设为T2则Q=WC(t-t)=6000x3.796x103x(40-20)=127kwCPC213600第三效换热器的冷凝水全部进入第一号换热器中作为热水加热NaCl，则第一号换热器中热水流量W=Wch则WhCPh（T1-T2）=Q则CPh（95-T2）=253.06用试差法有：Ph2T2(oC)3035333434.5C—Ph3.89324.21774.08164.14854.1828T(oC)62.5656464.564.75理论上T=65°C时CPh=故取T「34.5°Ct「40°Ct「20°CT「95°C_Az-_Az-Atm一[Atln—At2(95-34.5)-(40-20)—I95-34.5=36.6°Cln40-20P=(t2-t1)/(T1-T2)=R=(T1-T2)/(t2-tP=(t2-t1)/(T1-T2)=R=(T1-T2)/(t2-t1)=由P、R值查图=0.83则^t^=30.4°C由于^™=0.83>0.8二可以选用单壳程传热器根据流体的物性及相关数据，管径和管内流速｛TC"管径和管内流速〃\fC\l"2"|｝选用④25X2.5较高级冷拔传热管（碳钢），取管内流速u=0.5m/s。

1.2计算总传热系数1计算传热面积求传热面积需要先知道K值，根据资料查得NaCl和水之间的传热系数在77.4W/(tf-r)左右，先取K值为77.4W/(tf.r)计算由Q=KA△tm得“°=K金m127000叫。=44.8m277.4x36.61.2.2工艺结构尺寸｛TC"工艺结构尺寸'\fC\l"1"|｝1.2.2.1.管径和管内流速｛TC"管径和管内流速"\fC\l"2"|｝选用中25X2.5较高级冷拔传热管(碳钢)，取管内流速u=0.5m/s。1.2.2.2管程数和传热管数｛TC"管程数和传热管数"\fC\l"2"|｝可依据传热管内径和流速确定单程传热管数V_6000/(1102%3600)_10S=兀—0.785x0.022x0.5一—d2u4i51.6按单程管计算，所需的传热管长度为L=—p—=x65.7m兀dn3.14x0.025x3379按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为Np=*二安x11l651.6传热管总根数Nt=10X12=1201.2.2.3传热管排列和分程方法｛TC〃传热管排列和分程方法〃\fC\l"2"|｝采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列。取管心距a=1.25d。a=1.25X25=31.25e32mm横过管中心线管数b=1.1*N=1.1X\T2°=13.0取13壳体内径采用多管程结构，壳体内径应等于或稍大于关闭的直径:D=a(b-1)+2e式中D壳体内径,mm；a管心距，mm；b——最外层的六角形对角线上的管数;

六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取e=(1~1.5)d,取29mm。D=a(b-1)+2e=0.032x(13-1)+2x0.029=0.442m1.2.2.4折流板采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为:h=0.25X500=0.125m，故可取h=0.125m取折流板间距B=0.3D，则B=0.3X500=0.150m46000折流板数目Nb=-1=150-1=39块1.2.3换热器核核算{TC"换热器核算"\fC\l"1"|}1.2.3.1热流量核算{TC〃热流量核算〃\fC\l〃2〃|}1.2.3.1.1壳程表面传热系数：气=0.36^-Re00.55Pr13(—)0.14TOC\o"1-5"\h\zew当量直径：4[,乎12-：d2]d=一2土二=0.02mendo壳程流通截面积：s=BD(1-do-)=0.15x0.5(1-癸)=0.0164^

ot32壳程流体流速及其雷诺数分别为:1800/(3600x90)u==0.031m/so0.016410.02x0.031x90Re==2240o1.5x10-5普朗特数:TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"4230x0.2714x10-340.6839Pr==1.680.6839粘度校正：(^-)0.14机1Pwa=0.36x0.6839x22400.55x1.68%=1018.6w/m2・°Co0.021.2.3.1.2管内表面传热系数｛TC-（2）管内表面传热系数〃\fC\l"3"|｝：入a=0.023/Re0.8Pr0.4i管程流体流通截面积:=0.785x0.02286x=0.00675tf4管程流体流速:6000/(3600X1102)八”/=0.22m/s0.00675Re=0.02x0.24x1102/(1.45x10-3)=3648普朗特数:3820x1.45x10-3Pr==8.650.64=0.023x064x3648x8.65=1234.0w/m2.°C0.021.2.3.1.3污垢热阻和管壁热阻：｛TC"（3）污垢热阻和管壁热阻"\fC\l"3"|｝管外侧污垢热阻R=0.00021m2-k/w管内侧污垢热阻R=0.00053m2.k/wi管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为45w/（m-K）0.0025=0.00005556m2-k/w451.2.3.1.4传热系数｛TC"（4）传热系数"\fC\l"3"|}K:

eRdRd——i——o+——w——o+RRdRd——i——o+——w——o+Rddao（5）传热面积裕度"\fC\l"3"|｝1.2.3.1.5传热面积裕度（5）传热面积裕度"\fC\l"3"|｝A=上=127000=12.4m2cKAt337.3x30.4换热器的实际传热面积为ApA=兀dINt=3.14x0.025x6x(50-13)=17.4m2该换热器的面积裕度为:17.4-12.4124=40.3%结论：传热面积裕度合适，该换热器能够完成生产任务。1.2.4.2换热器内流体的流动阻力{TC〃换热器内流体的流动阻力"\fC\l"2"|}1.2.4.2.1管程流体阻力换热器压降的计算△p=(△p1+Ap2)FNNAp「Ap2——为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降;F——结垢校正因数，量纲为1,对①二25mmx2.5mm的管子，取1.4；NP一管程数N串联的壳程数查表得七=0.044△p=XP"2=0.04461102X(0.24)2=418.9儿20.022△p2=3些=3x1102x(0.24)2=95.2Pa2Ap=(Ap1+Ap2)FNN=(418.9+95.2)X1.4X1X4=3084.6Pa<10kPa1.2.4.2.2壳程压降£Ap=(Ap'+Ap')FNAp'——流体横过管束的压强降(Pa);1Ap'——流体通过折流板缺口的压强降(Pa);2F——壳程压强降的结垢结垢校正因数，量纲为1,液体可取1.15。Ap'=Ffn(N+1)呸10cB2F——管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5f0——壳程流体的摩擦系数,当Re>500时，f0=基。-。228;b——横过管束中心线的管子数；NB折流挡板数;h折流挡板间距(m);按壳程流通截面积计算的流速(m/s);而A而A0=h(D-bd0)A0=h(D-bd0)=1.06x(2.758-91x0.025)=0.5328m2w356000(90x3600)八八〜/0.5328u=—h==2.062m/s00.5328.一pu2△p'=Ff0b(nb+D导=0.5x5x(206400)-0.228x91x(3+1)x90x(2.062)2=781.6Pa2hpu2Ap2=NB(3.5-节)亍“〜2x0.1、1105x(0.07)2=59x(3.5—)0.4=507.0PaZ△p=(Ap'+Ap')FN==1481.9Pa<10kPa结论:△p'结论:壳程流动阻力也比较适宜。第2章二号换热器2.1计算初选换热器的规格使10%NaN03由4。°C升至57.5",令匕=20°C,t2=57.5°CNaN03的定性温度tw=0.5(40+57.5)=48.8°C.Cp=3.835x10310%NaN03相关物性参数如下：物性/流体密度/Kg/m3p/mPa.sCp/J/Kg.°C入/W/m°C温度°C10%NaN03溶液310940.963.835x1030.6748.8热水971.80.364.195x1030.6778热水出口温度设为T2则Q=WC(t-t)=6000x3.835x103x(57.5-40)=111854wCPC2，3600第二效换热器的冷凝水全部进入第二号换热器中作为热水加热NaNO3，则第一号换热器中热水流量W=Wch则WhCph(T1-T2)=Q用试差法有：T2=46°C故热水进口温度为110°C,定性温度T=0.5(t1+t2)=78°CAz—At暂设换热器为单壳程换热器，多管路，则流动时Atm=1At2=29°cln―1At2P=(t2-t1)/(T1-T2)=(57.5-40)/(110-40)=0.25R=(T1-T2)/(t2-t1)=(110-46)/(57.5-40)=3.7由P、R值查图=0.82则Atm=23.8°C由于^"=0.82>0.8二可以选用单壳程传热器根据流体的物性及相关数据，管径和管内流速｛TC"管径和管内流速〃\fC\l"2"|｝选用④25X2.5较高级冷拔传热管(碳钢)，取管内流速u=0.5m/s。2.2计算总传热系数1计算传热面积求传热面积需要先知道K值，取管壁传热系数入=45W/m°C，根据资料查得NaCl和水之间的传热系数在86.96W/(tf-T)左右，先取K值为86.96W/(tf«T)计算由Q=KA△tm得KAt11185486.96x23.8

2.2.2工艺结构尺寸｛TC"工艺结构尺寸"\fC\l"1"|｝2.2.2.1.管径和管内流速｛TC"管径和管内流速"\fC\l"2"|｝选用中25X2.5较高级冷拔传热管(碳钢)，取管内流速u=0.5m/s。2.2.2.2管程数和传热管数｛TC"管程数和传热管数"\fC\l"2"|｝可依据传热管内径和流速确定单程传热管数V_6000/(1094%3600)_10S=兀—0.785x0.022x0.5一4d2u82.2按单程管计算，所需的传热管长度为L=p——=52.4m兀dn3.14x0.025x10按单程管设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用非标设计，现取传热管长l=6m，则该换热器的管程数为1=—Np=申-字，10l6传热管总根数Nt=10X10=1002.2.2.3传热管排列和分程方法｛TC〃传热管排列和分程方法〃\fC\l"2"|｝采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列。82.21=—取管心距a=1.25d0a=1.25X25=31.25^32mmD=a(b—1)+2e横过管中心线管数b=1.17‘N=1.1X500=11取11壳体内径采用多管程结构，壳体内径应等于或稍大于关闭的直径:式中D壳体内径,mm；a管心距，mm；b——最外层的六角形对角线上的管数；e——六角形最外层管中心到壳体内壁距离，一般取e=(1~1.5)d，取29mm。D=a(b-1)+2e=0.032x(11-1)+2x0.029=0.402m2.2.2.4折流板采用弓形折流板，去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为:h=0.25X400=0.100m，故可取h=0.100m取折流板间距B=0.3D，则B=0.3X400=0.120m,心…“[6000折流板数目NB=—1=120—1=49块2.2.3换热器核核算｛TC"换热器核算"\fC\l"1"|｝2.2.3.1热流量核算｛TC"热流量核算"\fC\l"2"|｝

2.2.3.1.1壳程表面传热系数:=0.36^-Re00.55Pr13(口)0.14TOC\o"1-5"\h\zew当量直径:4[f12—：d2]d=一2土二=0.02mendo壳程流通截面积:\o"CurrentDocument"s=BD(1—L)=0.15X0.5(1—癸)=0.0164^ot32壳程流体流速及其雷诺数分别为：1500/(3600x971.8)u==0.054m/so0.008n0.02X0.054X9971.8Re==2623o0.00036普朗特数:n4195X0.36X10-30.67Pr==2.25粘度校正：0.67(-^)0.14机1w0.67.a=0.36x—0-x26230.55x2.25%=1332.7w/m2-°C2.2.3.1.2管内表面传热系数｛TC"（2）管内表面传热系数〃\fC\l"3"|｝：a=0.023才Re0.8Pr0.4i管程流体流通截面积:86S=0.785X0.022X3=0.00675tf管程流体流速:u=6000心600对102)=0.22m/si0.00675Re=0.02x0.24x1102/(1.45x10-3)=3648普朗特数:1196.6x1.45x10-3.睥0.64Pr==4.84

0.02a=0.023x0.67x1196.6x4.84=1732.4w/m2.°C2.2.3.1.3污垢热阻和管壁热阻：｛TC-(3)污垢热阻和管壁热阻"\fC\l"3"|｝0.640.02管外侧污垢热阻R=0.00021m2-k/w管内侧污垢热阻R=0.00053m2-k/wi管壁热阻按碳钢在该条件下的热导率为45w/(m-K)R=螺25=0.00005556m2-k/w2.2.3.1.4传热系数｛TC"(4)传热系数"\fC2.2.3.1.4传热系数｛TC"(4)传热系数"\fC\l"3"|}K:

eRdRd——i——o+——w——o+R

ddo1=212.3w/m2-k+—)ao2.2.3.1.5传热面积裕度｛TC"传热面积Ac为：(5)传热面积裕度"\fC\l"3"|}A=Q1=111854=22.1m2cK&212.3x23.8换热器的实际传热面积为ApA=兀dINt=3.14x0.025x6x(86-11)=35.3m2该换热器的面积裕度为：35.3-22.135.3-22.1221=59.7%2.2.4.2换热器内流体的流动阻力｛TC"换热器内流体的流动阻力"\fC\l"2"|｝2.2.4.2.1管程流体阻力换热器压降的计算询=(Ap1+Ap2)FNN叫,Ap2——为直管及回管中因摩擦阻力引起的压强降；Ft结垢校正因数，量纲为1，对①二25mmx2.5mm的管子，取1.4；np——管程数N,串联的壳程数查表得\=0.044△…1pu261094X(0.24)2Hi=0.044()=382.8Pa20.02△p2=3里I=3x1094x(0.24)2=94.5Pa2△p=(△p1+Ap2)FNN=(382.8+94.5)X1.4X1X4=2673Pa<10kPa2.2.4.2.2壳程压降Z△p=(△p'+Ap')FN

012△P1一流体横过管束的压强降啊)；△P2一流体通过折流板缺口的压强降啊)；壳程压强降的结垢结垢校正因数，量纲为1,液体可取1.15。△p'=Ffn(N+1)衅1‘0cB2F——管子排列方法对压强降的校正因数，对正三角形排列F=0.5f一壳程流体的摩擦系数,当幽＞500时U=弭％-0.228；b——横过管束中心线的管子数;NB折流挡板数;h折流挡板间距(m);U0—按壳程流通截面积计算的流速(m/s);A=h(D-bd)而00A0=h(D-bd)=1.06x(2.758-91x0.025)=0.5328m2=⑴泌例X3600)=0.071m/s0.5328△p;=Ff0b(NB+1)昏971.8x(0.071)2=0.5x5x0.745x11x(59+1)x=602.2Pa2hpu2△p2=NB(3.5-—)*“2x0.1、971.8x(0.07)2=59x(3.5—)0.4=429.0PaZ△p=(Ap'+Ap')FN=1096Pa<10kPa结论：壳程流动阻力也比较适宜。第三章三号换热器一效冷凝水进入三号换热器，由于水的流量为Wh=2093kg/h，则根据要求用阀门调至1800kg/h，进出口温度为130°C。3.1、确定物性数据此由57.5C升至100C，则t=1/2(57.5+100)e79C10%的NaNO3Cpc=3847.29呻0.55X10-3Q=WCCpc(t2-t1)=WhCPh(T1-T2)=6000/3600X3847.29(100-58)+(20X103/1060)=*比(120-二)由T2=74C,CPh=4.182X103J/kg・C理论上TW(120+74)97C,CP=4.21X103J/Kg.C所以取T2=74C合理97C的水p=950.0kg/m3CP=4.214入=68.40p=27.0X10-53.2计算总传热系数3.2、1热流量Q=WcCpc(t2-t1)=6000/3600X3847.29X(100-58)=269310.3W3.2.2、平均温差热A_At—Atm—,AtIn1At

3.2.3总传热系数KRe=diuipi=0.02x0.5x1085.5=14669ui0.74x10A3ai=0.023澎o.8［誓］0.4=3012W/m2°C假设壳程传热系数a0=400W/m2・C污垢热阻RSi=0.00034m2・C/W,RS「0.0017m2・C/W管壁的热导系人=45W/m2CK=~T~d0—.d0bd0m=279.4W/m2C+Rsi一+——+Rso+——

yaididiAdma0)3.3计算传热面积c,Q96182.25S===11.7m2kAtm279.4x29.3考虑到15%的面积溶度S=1.15S'=1.15X11.7=13.5im3.4工艺结构尺寸管内流速u=0.5m/s管程数和传热管数6000AS=V/-di2u=1085.5x3600=9.8=1040.785x0.022x0.5TOC\o"1-5"\h\z,S13.5L=—=-〜<八/tt77-=17.2m兀d0as3.14x0.025x10按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构，现取L0=6mNp=—~3L06N=3X10=30根'取At=p-At=0.86x29.3=25.2C隔极的侧采用正方形排传热管排列和分析方法采用组合排列法，即壳程内均按正方形排列，列。隔极的侧采用正方形排3.5、三号换热器热量核算3.5.1壳程表面传热系数：a=0.36^i_Reo^Pr'C^^