天津大学化工学院大三小学期换热器设计

设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计设计者：班级：化学工程与工艺一班姓名：黄菲〔同组成员：母晓群，林振川〕日期：2011/8/29指导教师：〔签名〕设计成绩：日期：目录前言…………………3综述列管式换热器的简介换热器设计任务书…………………3设计工程任务及要求………………3设计任务流程附图…………………4设计方案的选定……………………5控制条件和设备类型的选择………5带控制点的工艺流程简图及其说明………………5设计结果概要………6换热器的结构根本参数表………6换热器主要部件的工艺计算………6相关的物性数据表…………………6设计任务相关换算…………………7换热器的热负荷计算………………7主体设备的结构设计各主要接管尺寸确实定及其附属配件的选择辅助设备的选择设计评述以及设计经济分析讨论设计评述设计经济分析文献参考符号说明前言综述换热器的类型多种多样，尺寸以及工艺也大相径庭，在设计的过程中，除了依照工艺计算结果对换热器的各部件以及附加工艺进行选择之外，我们还主要参照了以下几点：合理的实现所规定的工艺条件。传热量、流体的热力学参数和物理化学性质是工艺过程所规定的条件。根据这些条件进行热力学和流体力学的计算，经反复比拟，使所设计的换热器具有尽可能小的传热面积，在单位时间内传递尽可能多的热量。平安可靠。换热器是压力容器，在进行强度、刚度、温差应力以及疲劳寿命计算时，应遵照我国《钢制石油化工压力容器设计规定》以及《钢制管壳式换热器设计规定》等有关规定与标准，对这保证设备的平安起着重要作用。有利于安装、操作以及维修。直立设备的安装费往往低于水平或者倾斜的设备。设备与部件应便于运输与装拆，在厂房移动时不会受到楼梯、梁、柱的阻碍，根据余姚可添置气、液排放口，检查孔与敷设保温层。经济合理。评价换热器的最终指标是：在一定的时间内，固定费用与操作费用的总和为最小。在设计或选型时，如果有几种换热器都能完成生产任务的需要，这一指标尤为重要。固定管板式换热器简介这类换热器的结构比拟简单、紧凑、造价廉价，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为平安起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置〔膨胀节〕只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、顶盖〔又称封头〕等部件构成。在圆形外壳内，装入平行管束，管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两块管板与外管直接焊接，装有进口或出口管的顶盖用螺栓与外壳两端法兰相连。它的特点是结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。任务设计书设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计蒸发系统流程及有关条件见附图。系统生产能力：30万吨/年。有效生产时间：300天/年。设计内容：3效预热器〔组〕第1台预热器的设计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。卤水为易结垢工质，卤水流速不得低于0.5m/s。换热管直径选为Φ38×3mm。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。设计完成后应缴交的文件：设计说明书换热器剖面图一张〔A2图纸〕。设计的完成期限：小学期结束前。附图接真空泵接真空泵盐浆去脱水枯燥系统板式换热器循环下水来自热电站的生蒸汽389kPa冷凝水循环上水冷凝水冷凝水冷凝水盐浆盐浆盐浆28%V26%V24%V22%V556183105精制卤水V198.6kPa84.5kPa30.0kPa9.6kPaIII卤水分效预热系统35I效预热器〔组〕II效预热器〔组〕III效预热器〔组〕设计方案的选定控制条件和设备类型的选择设备类型的选择换热器类型：立式固定管板式换热器管程壳程：单管程单壳程操作条件：介质介质性质工作温度进/出℃工作压力KPa设计温度℃设计压力MPa壳程饱和水蒸气无毒无害66.5/66.5301501.0管程卤水易结垢55/57101.3251501.0带控制点的工艺流程简图及其说明一、工艺流程简图接真空泵接真空泵盐浆去脱水枯燥系统板式换热器循环下水来自热电站的生蒸汽389kPa冷凝水循环上水冷凝水冷凝水冷凝水盐浆盐浆盐浆28%V26%V24%V22%V556183105精制卤水V198.6kPa84.5kPa30.0kPa9.6kPaIII卤水分效预热系统35I效预热器〔组〕II效预热器〔组〕III效预热器〔组〕设计条件说明1.trueman小组设计第三效，分三个换热器完成任务，每个换热器的温度差为2°2.换热器类型选择：(1)由于卤水为高粘度流体，卧式换热器的阻力太大，所以选用立式换热器。(2)由于壳程的加热介质为水蒸气，选用立式换热器有利于蒸汽与冷凝液的别离，换热效果更好。(3)从安装以及经济角度来说，立式的比卧式的安装更加简单，经济性更加优越。3.操作条件：管程流体为卤水，壳程流体为30Mpa下的饱和水蒸气。卤水典型组成/〔卤水典型组成/〔g/L〕Ca2+Mg2+SO42-Cl-NaCl1.620.153.31178.20293.7635℃密度/(kg/m3)1180恒压比热容/[kJ/(kg.℃)]3.39黏度/(mPa.s)2.3导热系数/[W/(m.℃)0.57固体氯化钠晶体的密度：2200kg/m3盐浆能顺畅流动时的固相体积分率：0.60设计结果概要换热器主要结构尺寸和设计结果：换热器形式：单管程固定管板式列管换热器管口表换热面积/28.39工艺参数名称物料名称操作压力/kPa操作温度/流量/()管程卤水59/6135.9309壳程水蒸气30.066.50.1090流体密度/1169.1760.19093附图流速/〔m/s)0.6261.124传热量/KW254.48总传热系数/935.55导热系数/0.6033750.02146传热系数/2040.507135.82污垢系数/阻力降/Pa2570.88推荐使用材料碳钢碳钢管子规格/mm管数61根管长4000mm管子排列方式正三角形壳体内径/mm500换热器主要部件的工艺计算一、相关的物性数据表①卤水定性温度：t=56℃根据定性温度，通过类比水的变化规律得到56℃下卤水的物性数据为：密度定压比热容导热系数黏度②．循环水蒸气定性温度T=66.5℃根据定性温度，查的66.5℃下水蒸气的物性数据为：密度定压比热容导热系数黏度潜热二、设计任务相关换算1、由物料衡算确定卤水流量；Nacl生产力W=30万吨/年=11574.07g/s卤水的消耗量:故进入第三效预热器的卤水流量卤水的质量流量三、换热器的热负荷计算〔取换热器热负荷的4%〕1.热流量：2.热流体流量：3.平均传热温差：四、估算传热面积1.参照书中表格，按照经验数值初选总总传热系数K值，选取：2.初算出所需的传热面积：3.主要工艺以及结构根本参数的计算：〔1〕换热管规格以及材质的选定。选用的碳钢管。〔2〕选取管内流体流速：〔3〕管子的排列方式采用正三角形，管子与管板之间的连接采用焊接法。〔4〕管子数目和管长：管数：根〔取48根〕计算单程管束的长度：〔取4.5m〕〔5〕按照公式初步估算外壳内直径。由于管中心距：横过管束中心线的管子数：〔取整8根〕管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离：所以按照壳体直径标准系列尺寸圆整，取。因为，管长径比适宜。〔6〕画出排管图。根据壳体内径、管中心距、横过管束中心线的管数及其排列方式，绘出排管图。由图可知，以上述布局，按照预先设定的t和e，可以排下48根管子。〔7〕计算实际传热面积以及过程的总传热系数。实际传热面积：考虑面积裕度10%，可得：过程的总传热系数：五、管壳程压强降的校验〔1〕管程压强降：根据上述结果可知：管程数串联壳程数；对于的换热管，结构校正系数。摩擦阻力引起的压降：由于：〔湍流〕设管壁粗糙度，那么由关系图可得：局部阻力引起的压强降：取为1.3，那么：〔2〕壳程压强降：流体流过管束的压力降：其中：F为管子排列方式对压力降的校正系数。正三角形排列：F=0.5.那么：流体通过折流板缺口的压力降：由于没有折流板，所以该局部的压力降为0.对于气体或者是可凝蒸汽，结垢校正系数。那么壳程压降：由于本次设计无折流挡板，壳程压降已经非常小，一定会在工程设计要求范围内，并且数据有限，那么压降可忽略不计。由于管程压降超过要求，所以重新设流速：六、调整流速后重新核算压降按照步骤五，重新核算压强，可得：管数：根〔取64根〕管长：〔取3m〕〔取整9根〕管程流体流速：壳内径：按照壳体直径标准系列尺寸圆整，取。画出排管图：如下图，500mm直径的壳可排下61根管。即取根。管长：〔取4m〕〔取整9根〕实际换热面积以及过程的总传热系数实际传热面积：过程的总传热系数：管程流体流速：壳体流体流速：雷诺数：管程压降：壳程压降忽略不计。经过重新核算结果说明，管程、壳程压降均能满足设计条件。七、总传热系数的计算和校核总传热系数由下式计算：其中，管内流体的对流传热系数的计算：其中：符合公式的适用范围。因此：估算壁温，按下述公式：其中污垢热阻和管壁热阻：查附录，可得碳钢的导热系数：参考附录，根据经验值取：由于：将上述数据带入公式：解得：管间水蒸气对流传热系数：定性温度下：因此：将上述结果再次带入壁温估算方程，得：。迭代两次，得：此时两次迭代误差在1%以内，故可停止迭代取最后一次迭代值。取两侧的污垢热阻及碳钢材料的导热系数：故：所以：符合设计要求。四、换热器主要构件尺寸与接管尺寸确实定换热器主要构件有封头，筒体法兰，管板，筒体，折流板，支座等。主要接管有：流体进出口接管，排气管，排液管等。壳体，管箱的系列尺寸确定筒体〔壳体〕壁厚确实定。选取设计压力，壳体材料为Q235，查得其相应的许用应力；焊缝系数〔单面焊〕，腐蚀裕度，所以根据上表所列出的钢板厚度标准，确定钢板的材料为ICr18Ni9Ti，厚度为4mm。壳体、管箱壳体和封头的尺寸及质量壳体、管箱壳体和封头的尺寸由设计者根据设计参数确定。筒体的质量计算可参照下表。封头的尺寸和质量按照JB/T4737—95选取。进出口设计在换热器的壳体和管箱上一般均装有接管或接口以及进出口管。在壳体和大多数管箱的底部装有排液管，上部设有排气管，壳侧也常设有平安阀接口以及其他诸如温度计，压力表，液位计和取样管接口。对于立式管壳式换热器，必要时还需要设置溢流口。由于在壳体、管箱壳体上开孔，必然会对壳体局部位置的强度造成削弱。因此，壳体、管箱壳体上的接管设置，除了考虑其对传热和压降的影响外，还应考虑壳体的强度以及安装、外观等因素。〔1〕流体进出口接管直径计算。管程：变换进、出口接管，参照《常用化工单元设备设计第二版》书中的表1-20，管程流体卤水可视为低粘度流体。取，那么根据书后附录，查得输送流体的标准管径，选取无缝热轧钢管。根据所选取的钢管规格，重新计算实际流速：所计算出的实际流速根本符合表1-20的要求。壳程：冷凝气进、出口接管，参照表1-20，壳程流体为饱和蒸汽，那么：根据书后附录，查得输送流体的标准管径，选取无缝热轧钢管。根据所选取的钢管规格，重新计算实际流速：所计算出的实际流速符合表1-20的要求。〔2〕排气口与排液管本小组选用的换热器为立式换热器，排气口与排液管的结构如下列图所示：为提高传热效率，排除或回收工作残液，换热器应在其壳程和管程的最高点、最低点分别设置排气、排液接管，接管的端部必须与壳体或管箱内壁平齐。管板确实定管板结构如下：表1-11胀接管板的最小厚度换热器外径323857管板厚度/mm222532参考表1-11，胀接管板的最小厚度，，选取管板厚度为25mm。表1-12固定管板式换热器的管板主要尺寸公称直径Db螺栓孔数质量〔不包括衬环〕/Kg单程二程四程六程再沸器500630590490500402458.559.661.5-----参考表1-12，固定管板式换热器的管板主要尺寸，，公称直径为500mm。管箱和封头上下两封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4737-1995标准，封头为：。如下图，材料选用碳素钢。〔2〕温度补偿圈的选用。由于温度差，所以不需要考虑补偿圈。〔3〕折流板和支撑板通过本次的设计计算可知，壳侧流体的流速已经满足换热要求,所以此换热器无需添加折流挡板。但是这样换热管的无支撑跨距会过大，容易发生震动或者绕度过大。对于本换热器中38mm外径的换热管，经查换热器手册可知其最大无支撑跨距为2500mm。而本换热器选用的是4m的碳钢管，超过了其最大无支撑跨距。故此处应添加支撑板来放置换热管产生过大的挠度。此时在换热器的中间添加一块支撑板即可满足需要。同时通过查阅换热器设计手册，对于500mm的壳体内径和2500mm的换热管最大无支撑跨距，应选择厚度为12mm的支撑板。防冲板防冲板的设定：管程设置防冲板的条件：当管程采用轴向入口或换热管内流体流速超过3m/s时，应设防冲板，以减少流体不均匀分布和对换热管端的冲蚀。本设计采用横向入口，且换热管内流速小于3m/s。故管程不需设置防冲板。壳程设置防冲板或导流筒的条件：对蒸汽应设置防冲板。故此处应在壳程添加防冲板。本换热器接管为直管，选择将防冲板焊接在壳体上。拉杆与定距管对于换热管外径的管束，拉杆常用的结构型式为拉杆定距管结构。根据下表，确定拉杆数量为6根和拉杆直径为16mm：拉杆的布置：拉杆应尽量布置在管束的外边缘定距管尺寸：定距管的尺寸，一般与所在换热器的换热管规格相同。此时即选用的碳钢管作为定距管。立式支座公称直径的立式换热器，采用两个耳式支座。根据JB/T4725-92选定3.换热器结构之间的连接〔1〕传热管与管板的连接胀接前后示意图胀接前胀接后，公称压力。采用图1-24〔a〕。〔2〕拉杆与管板的连接采用将拉杆拧入管板的可拆螺纹连接泵的选用1．泵的扬程：.流动前后流速差通过计算，本换热器采用立式结构，总高度其他组员计算的第一个换热器高度第二个换热器高度选取最大的高度，即.由泵到换热器接管高度选取由换热器到蒸发器水平高度选取故③．静压头④．通过上述计算可得知，本换热器管程由于阻力引起的压力降：其他组员计算的第一个换热器的管程压降：第三个换热器的管程压降：故泵压流体——卤水的流量根据计算得到的泵的工作点，,，以及所输送流体的类型为卤水，且本次输送的流体黏度比水大，故拟选用IS125-100-200单级单吸离心泵。泵的性能参数如下：型号流量/扬程/转速功率/效率气蚀余量质量〔泵/底座〕/kg轴电机IS125-100-2001201114504.797.5753.0108/66换热器主要结构尺寸和设计结果：换热器形式：单管程固定管板式列管换热器管口表换热面积/28.39工艺参数名称物料名称操作压力/kPa操作温度/流量/()管程卤水1000.0〔设计压力〕59/6135.9309壳程水蒸气30.066.50.1090流体密度/1169.1760.19093附图流速/〔m/s)0.6261.124传热量/KW254.48总传热系数/935.55导热系数/0.6033750.02146传热系数/1508.279130.83污垢系数/阻力降/Pa---推荐使用材料碳钢碳钢管子规格/mm管数61根管长4000mm拉杆数6拉杆直径12mm壳体内径/mm500管子排列方式正三角形设计评述以及工程经济分析讨论设计评述本次设计历经3个星期，无数次的合作讨论，终于在这一天完成了设计任务。这次小学期的设计任务，内容是丰富的，任务是艰巨的，而意义也是重大的。我们通过这次设计，不仅稳固了上个学期传热的知识，将其学以致用，更重要的是，我们学会了怎样分工合作，利用各种资源途径，以最高的效率完成设计任务。这对今后我们的工作生涯也是十分有利的。设计的可靠性本次设计我们考虑了众多方面的因素，请教了很多有实际生产经验的工程师和老师。比方说选择换热器的种类，应该用立式而不是卧式。以前在学习的过程中并不是很了解其中的原因所在。但利用这次小学期认识实习的时机，我问了大港中石油的工程师，这个问题便在他那里得到了充分的解释。设计中的新发现在本次设计中，我们发现。很多书本上的知识是十分局限的。在实际生产的过程中，还是有很多的变化的。就比方说换热管长度的选择。书本上教给我们的是换热管的标准长度仅是1.5m，2m，3m，4m和6m，但是在较新的书籍资料中，以及在咨询了有关换热器生产厂家后，我们发现，4.5m，9m以及12m的换热管是确实存在的。设计中存在的缺乏由于本次设计资料以及时间有限，数据的准确性需要进一步确实定，比方说卤水的物性我们就是拿水的变化趋势来拟合的，这样的做法是不精准的。设计的收获工程经济分析工程概况本工程为卤水真空蒸发制盐系统，生产国内市场必需的无机盐产品，生产规模为年产30万吨，生产期按10年计，计算期10年。计算期计算期包括建设期和生产经营期，根据工程实施方案建设期确定为0.5年，生产运营期确定为10年，工程计算期为10.5年。目标市场及产品售价本工程生产产品为国内市场必需的无机盐产品，生产规模为年产30万吨。产品销售价格根据财务评价的定价原那么，预测判生产期初的市场价格，每吨出厂价〔不含税〕为450元〔按Nacl99.3%的纯度选定〕。产销方案产品产销率按100%考虑。费用与效益估算总本钱费用原材料化工料及辅助料本工程的原料为入口温度35℃的精制卤水。辅助料为来自热电站的生蒸汽。燃料及动力动力费，包含打压卤水的离心泵动力费用以及制造负压状态的真空泵动力费用。制造费用制造费在本设计任务书中即为换热器的制造费用。包括壳体、换热管、管板、封头等主要部件，以及防冲板，支撑板，支座等附件的购置加工费用。④生产员工的工资及相应的附加费⑤固定资产折旧费及大修基金化工企业的大修，指对化工厂全厂或某些车间进行大规模的修理或改造。通常分两种情况：1.对重要问题随时进行不停产大修。2.对重要问题，集中时间进行全面停产大修。对于本次设计中的预热器，由于通过管程的卤水易结垢，故需定期进行管程清理。同时，由于盐水的腐蚀和磨损，也会进行不定期的换热管更换。此外，⑥车间经费费用⑦企业管理费用⑧销售费用销售收入和税金市场分析近几年，我国涤纶工业长丝的产能突飞猛进，2023年世界涤纶工业长丝的总产能为130万吨，中国的涤纶工业长丝已经占世界总产能的32%份额而位于榜首，近几年来中国的涤纶工业丝产能仍然呈现良好的上升态势，市场空间极大。再者，根据国务院开展研究中心统计，在未来的8-10年内，我国将成为世界最大的汽车消费国和生产国，平安气囊的需求量必将随之迅速增大。而涤纶工业丝就是平安气囊的所需的生产原料。这种产品有严格的法律