天津大學本科生《化工原理》課程設計報告

1、天津大學2011級本科生化工原理課程設計報告設計題目：真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預熱器設計班級： 姓名:學號：指導教師：日期： 任務設計書1、 設計題目：真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預熱器設計2、 蒸發(fā)系統(tǒng)流程及有關條件見附圖。3、 系統(tǒng)生產能力： 80 萬噸/年。4、 有效生產時間：300天/年。5、 設計內容： 3 效預熱器（組）第 3 臺預熱器的設計6、 鹵水分效預熱器采用單管程固定管板式列管換熱器，試根據附圖中鹵水預熱的溫度要求對預熱器（組）進行設計。7、 鹵水為易結垢工質，鹵水流速不得低于0.5m/s。附圖接真空泵鹽漿去脫水干燥系統(tǒng)板式換熱器循環(huán)下水來自熱電站的生蒸汽389kPa冷凝水循環(huán)

2、上水冷凝水冷凝水冷凝水鹽漿鹽漿鹽漿28%V26%V24%V22%V556183105精制鹵水V198.6kPa84.5kPa30.0kPa9.6kPaIIIIIIIV鹵水分效預熱系統(tǒng)35I效預熱器（組）II效預熱器（組）III效預熱器（組）目錄前言 5設計簡介列管式換熱器的簡介設計條件說明6設計結果概要 7換熱器主要部件的工藝計算 8相關的物性數據表 8設計任務相關換算 8換熱器的熱負荷計算 9換熱器主要構件尺寸與接管尺寸的確定19換熱器主要結構尺寸和設計結果26設計評述26符號說明27文獻參考29前言一、設計簡介：目前全國的食鹽里面，海鹽占的比例在逐年下降，大家平時吃的大部分都是井礦鹽，我國

3、和世界大多數氯化鈉的生產都采用水采工藝制得人工鹵水，所謂人工鹵水，乃是人為地將水加入固體鹽或地下固體鹽礦床中，使其溶解為含氯化鈉較高的鹵水，稱為人工鹵水。鹵水經預處理后再用真空蒸發(fā)制成鹽。真空蒸發(fā)制鹽：根據鹵水沸點隨壓力減低而下降的規(guī)律，在壓力遞減的多效蒸發(fā)罐組中，用生蒸汽（新鮮蒸汽）加熱一效罐的鹵水，使之沸騰蒸發(fā)，產生二次蒸汽用作次效罐的熱源，并按所設效數依次傳遞，多次利用二次蒸汽，使各效罐的鹵水蒸發(fā)析鹽。蒸發(fā)操作的節(jié)能方法有一種就是分效預熱。于是我們想用換熱器來對每一效的鹵水進行預熱。通過換熱器的分效預熱，可以大大降低工廠的能耗。固定管板式換熱器簡介這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜

4、，但管外不能機械清洗。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內管外是兩種不同溫度的流體。因此，當管壁與殼壁溫差較大時，由于兩者的熱膨脹不同，產生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。為了克服溫差應力必須有溫差補償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時，為安全起見，換熱器應有溫差補償裝置。但補償裝置（膨脹節(jié)）只能用在殼壁與管壁溫差低于6070和殼程流體壓強不高的情況。一般殼程壓強超過0.6Mpa時由于補償圈過厚，難以伸縮，失

5、去溫差補償的作用，就應考慮其他結構。固定管板式換熱器主要有外殼、管板、管束、頂蓋（又稱封頭）等部件構成。在圓形外殼內，裝入平行管束，管束兩端用焊接或脹接的方法固定在管板上，兩塊管板與外管直接焊接，裝有進口或出口管的頂蓋用螺栓與外殼兩端法蘭相連。它的特點是結構簡單，沒有殼側密封連接，相同的殼體內徑排管最多，在有折流板的流動中旁路最小，管程可以分成任何管程數，因兩個管板由管子互相支撐，故在各種管殼式換熱器中它的管板最薄，造價最低，因而得到廣泛應用。這種換熱器的缺點是：殼程清洗困難，有溫差應力存在。當冷熱兩種流體的平均溫差較大，或殼體和傳熱管材料膨脹系數相差較大，熱應力超過材料的許用應力時，在殼體上

6、需設膨脹節(jié)，由于膨脹節(jié)強度的限制，殼程壓力不能太高。這種換熱器適用于兩種介質溫差不大，或溫差較大但殼程壓力不高，及殼程介質清潔，不易結垢的場合。二、設計條件說明1、我們小組設計第三效，分三個換熱器完成任務，每個換熱器的溫度差為2°C。2、換熱器類型選擇：(1)由于鹵水為高粘度流體，臥式換熱器的阻力太大，所以選用立式換熱器。(2)由于殼程的加熱介質為水蒸氣，選用立式換熱器有利于蒸汽與冷凝液的分離，換熱效果更好。(3)從安裝以及經濟角度來說，立式的比臥式的安裝更加簡單，經濟性更加優(yōu)越。3、操作條件： 管程流體為鹵水，殼程流體為30Mpa下的飽和水蒸氣。4、鹵水的物性參數表鹵水典型組成/（

7、g/L）Ca2+Mg2+SO42-Cl-NaCl1.620.153.31178.20293.7635時鹵水的物性參數密度/(kg/m3)1180恒壓比熱容/kJ/(kg. )3.39黏度/(mPa.s)2.3導熱系數/W/(m. )0.57固體氯化鈉晶體的密度：2200kg/m3鹽漿能順暢流動時的固相體積分率：0.605、附圖：具有分效預熱的鹵水真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)（平流進料，順流排鹽）接真空泵鹽漿去脫水干燥系統(tǒng)板式換熱器循環(huán)下水來自熱電站的生蒸汽389kPa冷凝水循環(huán)上水冷凝水冷凝水冷凝水鹽漿鹽漿鹽漿28%V26%V24%V22%V556183105精制鹵水V198.6kPa84.5kPa30.

8、0kPa9.6kPaIIIIIIIV鹵水分效預熱系統(tǒng)35I效預熱器（組）II效預熱器（組）III效預熱器（組）6、設計方案的選定控制條件和設備類型的選擇：1） 設備類型的選擇換熱器類型：立式固定管板式換熱器管程殼程：單管程單殼程2） 操作條件：介質介質性質工作溫度進/出工作壓力KPa設計溫度設計壓力MPa殼程飽和水蒸氣無毒無害66.5/66.5301501.0管程鹵水易結垢55/57101.3251501.0三、設計結果概要換熱器主要結構尺寸和設計結果：換熱器形式：單管程固定管板式列管換熱器換熱面積/ 28.39工藝參數名稱物料名稱操作壓力/kPa操作溫度/流量/()管程鹵水55/57104.

9、872殼程水蒸氣30.066.50.3179流體密度/1168.10.19092流速/（m/s)0.8874.503傳熱量/KW741.88總傳熱系數/1059.40導熱系數/0.6033750.02146傳熱系數/2665.557115.47污垢系數/阻力降/Pa2570.88推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格/mm管117根管長6000mm管子排列方式正三角形殼體內徑/mm800四、換熱器主要部件的工藝計算（一） 相關的物性數據1、鹵水定性溫度：t=56根據定性溫度，通過類比水的變化規(guī)律得到56下鹵水的物性數據為：密度定壓比熱容導熱系數黏度2、 循環(huán)水蒸氣定性溫度T=66.5根據定性溫度，查的6

10、6.5下水蒸氣的物性數據為：密度定壓比熱容導熱系數黏度潛熱（二）設計任務相關換算1、由物料衡算確定鹵水流量；Nacl生產力W=80萬噸/年，即得鹽漿中的固相體積流率NaCl晶體密度鹽漿中固相體積流率又鹽漿能順利流動時的固相體積分率x=0.60故鹽漿中液相體積流率液相可看做飽和NaCl溶液，其中取NaCl占質量分數，溶液密度所以液相中NaCl的質量流率所以系統(tǒng)中總的NaCl質量流率鹵水中的NaCl的組成為鹵水的體積流率故進入第三效預熱器的鹵水流量鹵水的質量流量（三）換熱器的熱負荷計算（取換熱器熱負荷的4%）1.熱流量： 2.熱流體流量：3.平均傳熱溫差：（四）估算傳熱面積，確定換熱器部件尺寸 1

11、.參照書中表格，按照經驗數值初選總總傳熱系數K值，選取： 2.初算出所需的傳熱面積：3.主要工藝以及結構基本參數的計算：（1）換熱管規(guī)格以及材質的選定。選用的碳鋼管。 （2）選取管內流體流速：（3）管子的排列方式采用正三角形，管子與管板之間的連接采用焊接法。（4）管子數目和管長： 管數：根 （取140根） 計算單程管束的長度：（取4.5m）（5）按照公式初步估算外殼內直徑，并確定殼體尺寸參數。換熱器外徑為38mm，則管心距應取t = 48mm。橫過管束中心線的管子數： （取整14根）管束中心線上最外層管的中心至殼體內壁的距離： 所以 按照殼體直徑標準系列尺寸圓整，取。 因為，管長徑比合適。取換

12、熱管規(guī)格38×3mm，長6m，共140根是符合要求的。因鹵水與水蒸汽均非強腐蝕性，工作壓力與溫度也不大，采用碳鋼管材即可，既滿足工藝條件的需求，經濟性也較好。換熱器立式放置，鹵水自上端管內流下，可減小阻力，水蒸汽自下端殼程進入，有利于減小液膜厚度，增強冷凝傳熱。在換熱器上端設置排氣孔，以排除可能進入換熱器的不凝氣體，防止其危害冷凝傳熱，在換熱器下端設置排液口，以排除冷凝水。換熱管在管板上的固定，采用脹接法，利用脹管器將管子擴張，產生顯著的塑形變形，靠管子與管板間的擠壓力達到密封目的。由碳鋼殼體的最低厚度表/mm選取殼體材質為碳鋼，厚10mm。換熱器管箱封頭采用橢圓封頭，因殼程水蒸汽為

13、蒸汽冷凝，不需要折流擋板。殼程流體的流動截面積Ao=D22-ndo22=×0.8m22-140××0.038m22=0.3437m2熱負荷 Q=oVo，可得，水蒸汽的體積流率Vo=Qo=741.58kW0.19092kg/m3×2333.7kJ/kg=1.6651m3/s所以水蒸汽的流速uo=VoAo=1.6651m3/s0.3437m2=4.845m/s在殼程氣體常用流速范圍315m/s的范圍內，殼體內徑的選取是合理的。殼程接管采用插入式焊接結構，因為為立式換熱器，管板較厚，殼程介質腐蝕性小，殼體材料為碳鋼，選用結構如下圖(尺寸根據實際需要改變)：因為

14、蒸汽從殼程接管出來時流速較大，要在殼程進口接管處安裝防沖擋板。因為是立式換熱器，其頂部結構如右圖，方便其安裝于拆卸作業(yè)。因為管子長度較大，且為豎直放置，為防止其因蒸汽而振動，還應設置一定數量的支撐板。（6）計算實際傳熱面積以及過程的總傳熱系數。實際傳熱面積：考慮面積裕度10%，可得： 過程的總傳熱系數： （五）管殼程壓強降的校驗 （1）管程壓強降： 根據上述結果可知：管程數串聯殼程數；對于的換熱管，結構校正系數 摩擦阻力引起的壓降： 由于： 可知管程內流體流動式湍流。對于碳鋼管，取管壁粗糙度，則由關系圖可得： 局部阻力引起的壓強降： 取為1.3，則： （2）殼程壓強降： 流體流過管束的壓力降：

15、 其中： F為管子排列方式對壓力降的校正系數。正三角形排列：F=0.5.則： 流體通過折流板缺口的壓力降：由于沒有折流板，所以該部分的壓力降為0. 對于氣體或者是可凝蒸汽，結垢校正系數。 則殼程壓降： 由于本次設計無折流擋板，殼程壓降已經非常小，一定會在工程設計要求范圍內，并且數據有限，則壓降可忽略不計。 由于管程壓降超過要求，所以重新設定K值： （六）調整K值后重新核算壓降調整K值后換熱面積為假設管長為6m， 則管數：根 （取117根） （取整12根）管程流體流速： 殼內徑： 按照殼體直徑標準系列尺寸圓整，取。 實際換熱面積以及過程的總傳熱系數實際傳熱面積： 過程的總傳熱系數： 殼體流體流速

16、： 雷諾數： 管程壓降： 殼程壓降忽略不計。經過重新核算結果表明，管程、殼程壓降均能滿足設計條件。（七）總傳熱系數的計算和校核 總傳熱系數由下式計算： 其中，管內流體的對流傳熱系數的計算： 其中： 符合公式的適用范圍。因此： 估算壁溫，按下述公式： 其中污垢熱阻和管壁熱阻： 查附錄，可得碳鋼的導熱系數： 參考附錄，根據經驗值取：由于：將上述數據帶入公式： 解得： 管間水蒸氣對流傳熱系數： 定性溫度下： 因此： 將上述結果再次帶入壁溫估算方程，得： 。 迭代兩次，得： 此時兩次迭代誤差在1%以內，故可停止迭代取最后一次迭代值。取兩側的污垢熱阻及碳鋼材料的導熱系數： 故： 所以： 符合設計要求。五

17、、換熱器主要構件尺寸與接管尺寸的確定換熱器主要構件有封頭、筒體法蘭、管板、筒體、折流板、支座等。主要接管有：流體進出口接管、排氣管、排液管等。1. 殼體，管箱的系列尺寸確定（1） 筒體（殼體）壁厚的確定。 選取設計壓力，殼體材料為Q235，查得其相應的許用應力；焊縫系數（單面焊），腐蝕裕度，所以 根據上表所列出的鋼板厚度標準，確定鋼板的材料為ICr18Ni9Ti，厚度為4mm。（2） 殼體、管箱殼體和封頭的尺寸及質量殼體、管箱殼體和封頭的尺寸由設計者根據設計參數確定。筒體的質量計算可參照下表。封頭的尺寸和質量按照JB/T 473795選取。2. 進出口設計在換熱器的殼體和管箱上一般均裝有接管或

18、接口以及進出口管。在殼體和大多數管箱的底部裝有排液管，上部設有排氣管，殼側也常設有安全閥接口以及其他諸如溫度計，壓力表，液位計和取樣管接口。對于立式管殼式換熱器，必要時還需要設置溢流口。由于在殼體、管箱殼體上開孔，必然會對殼體局部位置的強度造成削弱。因此，殼體、管箱殼體上的接管設置，除了考慮其對傳熱和壓降的影響外，還應考慮殼體的強度以及安裝、外觀等因素。（1）流體進出口接管直徑計算。 管程：變換進、出口接管，管程流體鹵水可視為低粘度流體。 取，那么 根據書后附錄，查得輸送流體的標準管徑，選取無縫熱軋鋼管。根據所選取的鋼管規(guī)格，重新計算實際流速： 所計算出的實際流速基本符合要求。 殼程：冷凝氣進

19、、出口接管，殼程流體為飽和蒸汽， 那么： 根據書后附錄，查得輸送流體的標準管徑，選取無縫熱軋鋼管。根據所選取的鋼管規(guī)格，重新計算實際流速： 所計算出的實際流速符合設計要求。（2）排氣口與排液管本小組選用的換熱器為立式換熱器，排氣口與排液管的結構如下圖所示：為提高傳熱效率，排除或回收工作殘液，換熱器應在其殼程和管程的最高點、最低點分別設置排氣、排液接管，接管的端部必須與殼體或管箱內壁平齊。（3）管板的確定管板結構如下： 表1-11 脹接管板的最小厚度換熱器外徑323857管板厚度/mm222532脹接管板的最小厚度，選取管板厚度為25mm。固定管板式換熱器的管板主要尺寸，公稱直徑為800mm。(

20、4)管箱和封頭上下兩封頭均選用標準橢圓形封頭，根據JB/T4337-95標準，封頭為：。如圖所示，材料選用碳素鋼。(5)溫度補償圈的選用。 由于溫度差，所以不需要考慮補償圈。(6)折流板和支撐板通過本次的設計計算可知，殼側流體的流速已經滿足換熱要求,所以此換熱器無需添加折流擋板。但是這樣換熱管的無支撐跨距會過大，容易發(fā)生震動或者繞度過大! Z9。對于本換熱器中38mm外徑的換熱管，經查換熱器手冊可知其最大無支撐跨距為2500mm。而本換熱器選用的是4m的碳鋼管，超過了其最大無支撐跨距。故此處應添加支撐板來放置換熱管產生過大的撓度。此時在換熱器的中間添加一塊支撐板即可滿足需要。同時通過查閱換熱器

21、設計手冊，對于800mm的殼體內徑和2500mm的換熱管最大無支撐跨距，應選擇JB/T4725-92耳座A3，尺寸為280mm的支撐板。(7)防沖板防沖板的設定：管程設置防沖板的條件：當管程采用軸向入口或換熱管內流體流速超過3m/s時，應設防沖板，以減少流體不均勻分布和對換熱管端的沖蝕。本設計采用橫向入口，且換熱管內流速小于3m/s。故管程不需設置防沖板。殼程設置防沖板或導流筒的條件：對蒸汽應設置防沖板。故此處應在殼程添加防沖板。本換熱器接管為直管，選擇將防沖板焊接在殼體上。（3） 拉桿與定距管對于換熱管外徑的管束，拉桿常用的結構型式為拉桿定距管結構。根據下表，確定拉桿數量為6根和拉桿直徑為1

22、6mm：拉桿的布置：拉桿應盡量布置在管束的外邊緣定距管尺寸：定距管的尺寸，一般與所在換熱器的換熱管規(guī)格相同。此時即選用的碳鋼管作為定距管。（4） 立式支座 公稱直徑的立式換熱器，采用兩個耳式支座。根據JB/T4725-92選定 3.換熱器結構之間的連接（1） 傳熱管與管板的連接脹接前后示意圖 脹接前 脹接后，公稱壓力。采用圖1-24（a）。（2） 拉桿與管板的連接 采用將拉桿擰入管板的可拆螺紋連接六、換熱器主要結構尺寸和設計結果換熱器形式：單管程固定管板式列管換熱器換熱面積/ 28.39工藝參數名稱物料名稱操作壓力/kPa操作溫度/流量/()管程鹵水55/57104.872殼程水蒸氣30.066.50.3179流體密度/1168.10.19092流速/（m/s)0.8874.503傳熱量/KW741.88總傳熱系數/1059.40導熱系數/0.6033750.02146傳熱系數/2665.557115.47污垢系數/阻力降/Pa2570.88推薦使用材料碳