天津大學(xué)本科生《化工原理》課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、天津大學(xué)2011級(jí)本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預(yù)熱器設(shè)計(jì)班級(jí)： 姓名:學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：日期： 任務(wù)設(shè)計(jì)書1、 設(shè)計(jì)題目：真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預(yù)熱器設(shè)計(jì)2、 蒸發(fā)系統(tǒng)流程及有關(guān)條件見附圖。3、 系統(tǒng)生產(chǎn)能力： 80 萬噸/年。4、 有效生產(chǎn)時(shí)間：300天/年。5、 設(shè)計(jì)內(nèi)容： 3 效預(yù)熱器（組）第 3 臺(tái)預(yù)熱器的設(shè)計(jì)6、 鹵水分效預(yù)熱器采用單管程固定管板式列管換熱器，試根據(jù)附圖中鹵水預(yù)熱的溫度要求對預(yù)熱器（組）進(jìn)行設(shè)計(jì)。7、 鹵水為易結(jié)垢工質(zhì)，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(yù)熱系統(tǒng)35I效預(yù)熱器（組）II效預(yù)熱器（組）III效預(yù)熱器（組）目錄前言 5設(shè)計(jì)簡介列管式換熱器的簡介設(shè)計(jì)條件說明6設(shè)計(jì)結(jié)果概要 7換熱器主要部件的工藝計(jì)算 8相關(guān)的物性數(shù)據(jù)表 8設(shè)計(jì)任務(wù)相關(guān)換算 8換熱器的熱負(fù)荷計(jì)算 9換熱器主要構(gòu)件尺寸與接管尺寸的確定19換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)結(jié)果26設(shè)計(jì)評(píng)述26符號(hào)說明27文獻(xiàn)參考29前言一、設(shè)計(jì)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(shí)吃的大部分都是井礦鹽，我國

3、和世界大多數(shù)氯化鈉的生產(chǎn)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(jīng)預(yù)處理后再用真空蒸發(fā)制成鹽。真空蒸發(fā)制鹽：根據(jù)鹵水沸點(diǎn)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(chǎn)生二次蒸汽用作次效罐的熱源，并按所設(shè)效數(shù)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(yù)熱。于是我們想用換熱器來對每一效的鹵水進(jìn)行預(yù)熱。通過換熱器的分效預(yù)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(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊、造價(jià)便宜

4、，但管外不能機(jī)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(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)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(yīng)力必須有溫差補(bǔ)償裝置，一般在管壁與殼壁溫度相差50以上時(shí)，為安全起見，換熱器應(yīng)有溫差補(bǔ)償裝置。但補(bǔ)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(qiáng)不高的情況。一般殼程壓強(qiáng)超過0.6Mpa時(shí)由于補(bǔ)償圈過厚，難以伸縮，失

5、去溫差補(bǔ)償?shù)淖饔?，就?yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)。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(gòu)成。在圓形外殼內(nèi)，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(jìn)口或出口管的頂蓋用螺栓與外殼兩端法蘭相連。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，沒有殼側(cè)密封連接，相同的殼體內(nèi)徑排管最多，在有折流板的流動(dòng)中旁路最小，管程可以分成任何管程數(shù)，因兩個(gè)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(jià)最低，因而得到廣泛應(yīng)用。這種換熱器的缺點(diǎn)是：殼程清洗困難，有溫差應(yīng)力存在。當(dāng)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(shù)相差較大，熱應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力時(shí)，在殼體上

6、需設(shè)膨脹節(jié)，由于膨脹節(jié)強(qiáng)度的限制，殼程壓力不能太高。這種換熱器適用于兩種介質(zhì)溫差不大，或溫差較大但殼程壓力不高，及殼程介質(zhì)清潔，不易結(jié)垢的場合。二、設(shè)計(jì)條件說明1、我們小組設(shè)計(jì)第三效，分三個(gè)換熱器完成任務(wù)，每個(gè)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(zhì)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(jīng)濟(jì)角度來說，立式的比臥式的安裝更加簡單，經(jīng)濟(jì)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(shù)表鹵水典型組成/（

7、g/L）Ca2+Mg2+SO42-Cl-NaCl1.620.153.31178.20293.7635時(shí)鹵水的物性參數(shù)密度/(kg/m3)1180恒壓比熱容/kJ/(kg. )3.39黏度/(mPa.s)2.3導(dǎo)熱系數(shù)/W/(m. )0.57固體氯化鈉晶體的密度：2200kg/m3鹽漿能順暢流動(dòng)時(shí)的固相體積分率：0.605、附圖：具有分效預(yù)熱的鹵水真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)（平流進(jìn)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(yù)熱系統(tǒng)35I效預(yù)熱器（組）II效預(yù)熱器（組）III效預(yù)熱器（組）6、設(shè)計(jì)方案的選定控制條件和設(shè)備類型的選擇：1） 設(shè)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(zhì)介質(zhì)性質(zhì)工作溫度進(jìn)/出工作壓力KPa設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)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(jié)垢55/57101.3251501.0三、設(shè)計(jì)結(jié)果概要換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)結(jié)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(shù)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(shù)/1059.40導(dǎo)熱系數(shù)/0.6033750.02146傳熱系數(shù)/2665.557115.47污垢系數(shù)/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(nèi)徑/mm800四、換熱器主要部件的工藝計(jì)算（一） 相關(guān)的物性數(shù)據(jù)1、鹵水定性溫度：t=56根據(jù)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(shù)據(jù)為：密度定壓比熱容導(dǎo)熱系數(shù)黏度2、 循環(huán)水蒸氣定性溫度T=66.5根據(jù)定性溫度，查的6

10、6.5下水蒸氣的物性數(shù)據(jù)為：密度定壓比熱容導(dǎo)熱系數(shù)黏度潛熱（二）設(shè)計(jì)任務(wù)相關(guān)換算1、由物料衡算確定鹵水流量；Nacl生產(chǎn)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(dòng)時(shí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，溶液密度所以液相中NaCl的質(zhì)量流率所以系統(tǒng)中總的NaCl質(zhì)量流率鹵水中的NaCl的組成為鹵水的體積流率故進(jìn)入第三效預(yù)熱器的鹵水流量鹵水的質(zhì)量流量（三）換熱器的熱負(fù)荷計(jì)算（取換熱器熱負(fù)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(jīng)驗(yàn)數(shù)值初選總總傳熱系數(shù)K值，選取： 2.初算出所需的傳熱面積：3.主要工藝以及結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計(jì)算：（1）換熱管規(guī)格以及材質(zhì)的選定。選用的碳鋼管。 （2）選取管內(nèi)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(shù)目和管長： 管數(shù)：根 （取140根） 計(jì)算單程管束的長度：（取4.5m）（5）按照公式初步估算外殼內(nèi)直徑，并確定殼體尺寸參數(shù)。換熱器外徑為38mm，則管心距應(yīng)取t = 48mm。橫過管束中心線的管子數(shù)： （取整14根）管束中心線上最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離： 所以 按照殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整，取。 因?yàn)椋荛L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(qiáng)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(jīng)濟(jì)性也較好。換熱器立式放置，鹵水自上端管內(nèi)流下，可減小阻力，水蒸汽自下端殼程進(jìn)入，有利于減小液膜厚度，增強(qiáng)冷凝傳熱。在換熱器上端設(shè)置排氣孔，以排除可能進(jìn)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(shè)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(kuò)張，產(chǎn)生顯著的塑形變形，靠管子與管板間的擠壓力達(dá)到密封目的。由碳鋼殼體的最低厚度表/mm選取殼體材質(zhì)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(dòng)截面積Ao=D22-ndo22=×0.8m22-140××0.038m22=0.3437m2熱負(fù)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(nèi)，殼體內(nèi)徑的選取是合理的。殼程接管采用插入式焊接結(jié)構(gòu)，因?yàn)闉榱⑹綋Q熱器，管板較厚，殼程介質(zhì)腐蝕性小，殼體材料為碳鋼，選用結(jié)構(gòu)如下圖(尺寸根據(jù)實(shí)際需要改變)：因?yàn)?/p>

14、蒸汽從殼程接管出來時(shí)流速較大，要在殼程進(jìn)口接管處安裝防沖擋板。因?yàn)槭橇⑹綋Q熱器，其頂部結(jié)構(gòu)如右圖，方便其安裝于拆卸作業(yè)。因?yàn)楣茏娱L度較大，且為豎直放置，為防止其因蒸汽而振動(dòng)，還應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的支撐板。（6）計(jì)算實(shí)際傳熱面積以及過程的總傳熱系數(shù)。實(shí)際傳熱面積：考慮面積裕度10%，可得： 過程的總傳熱系數(shù)： （五）管殼程壓強(qiáng)降的校驗(yàn) （1）管程壓強(qiáng)降： 根據(jù)上述結(jié)果可知：管程數(shù)串聯(lián)殼程數(shù)；對于的換熱管，結(jié)構(gòu)校正系數(shù) 摩擦阻力引起的壓降： 由于： 可知管程內(nèi)流體流動(dòng)式湍流。對于碳鋼管，取管壁粗糙度，則由關(guān)系圖可得： 局部阻力引起的壓強(qiáng)降： 取為1.3，則： （2）殼程壓強(qiáng)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(shù)。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(jié)垢校正系數(shù)。 則殼程壓降： 由于本次設(shè)計(jì)無折流擋板，殼程壓降已經(jīng)非常小，一定會(huì)在工程設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，并且數(shù)據(jù)有限，則壓降可忽略不計(jì)。 由于管程壓降超過要求，所以重新設(shè)定K值： （六）調(diào)整K值后重新核算壓降調(diào)整K值后換熱面積為假設(shè)管長為6m， 則管數(shù)：根 （取117根） （取整12根）管程流體流速： 殼內(nèi)徑： 按照殼體直徑標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整，取。 實(shí)際換熱面積以及過程的總傳熱系數(shù)實(shí)際傳熱面積： 過程的總傳熱系數(shù)： 殼體流體流速

16、： 雷諾數(shù)： 管程壓降： 殼程壓降忽略不計(jì)。經(jīng)過重新核算結(jié)果表明，管程、殼程壓降均能滿足設(shè)計(jì)條件。（七）總傳熱系數(shù)的計(jì)算和校核 總傳熱系數(shù)由下式計(jì)算： 其中，管內(nèi)流體的對流傳熱系數(shù)的計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)： 參考附錄，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取：由于：將上述數(shù)據(jù)帶入公式： 解得： 管間水蒸氣對流傳熱系數(shù)： 定性溫度下： 因此： 將上述結(jié)果再次帶入壁溫估算方程，得： 。 迭代兩次，得： 此時(shí)兩次迭代誤差在1%以內(nèi)，故可停止迭代取最后一次迭代值。取兩側(cè)的污垢熱阻及碳鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)： 故： 所以： 符合設(shè)計(jì)要求。五

17、、換熱器主要構(gòu)件尺寸與接管尺寸的確定換熱器主要構(gòu)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(jìn)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(shè)計(jì)壓力，殼體材料為Q235，查得其相應(yīng)的許用應(yīng)力；焊縫系數(shù)（單面焊），腐蝕裕度，所以 根據(jù)上表所列出的鋼板厚度標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)量殼體、管箱殼體和封頭的尺寸由設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)確定。筒體的質(zhì)量計(jì)算可參照下表。封頭的尺寸和質(zhì)量按照J(rèn)B/T 473795選取。2. 進(jìn)出口設(shè)計(jì)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(jìn)出口管。在殼體和大多數(shù)管箱的底部裝有排液管，上部設(shè)有排氣管，殼側(cè)也常設(shè)有安全閥接口以及其他諸如溫度計(jì)，壓力表，液位計(jì)和取樣管接口。對于立式管殼式換熱器，必要時(shí)還需要設(shè)置溢流口。由于在殼體、管箱殼體上開孔，必然會(huì)對殼體局部位置的強(qiáng)度造成削弱。因此，殼體、管箱殼體上的接管設(shè)置，除了考慮其對傳熱和壓降的影響外，還應(yīng)考慮殼體的強(qiáng)度以及安裝、外觀等因素。（1）流體進(jìn)出口接管直徑計(jì)算。 管程：變換進(jìn)、出口接管，管程流體鹵水可視為低粘度流體。 取，那么 根據(jù)書后附錄，查得輸送流體的標(biāo)準(zhǔn)管徑，選取無縫熱軋鋼管。根據(jù)所選取的鋼管規(guī)格，重新計(jì)算實(shí)際流速： 所計(jì)算出的實(shí)際流速基本符合要求。 殼程：冷凝氣進(jìn)

19、、出口接管，殼程流體為飽和蒸汽， 那么： 根據(jù)書后附錄，查得輸送流體的標(biāo)準(zhǔn)管徑，選取無縫熱軋鋼管。根據(jù)所選取的鋼管規(guī)格，重新計(jì)算實(shí)際流速： 所計(jì)算出的實(shí)際流速符合設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(yīng)在其殼程和管程的最高點(diǎn)、最低點(diǎn)分別設(shè)置排氣、排液接管，接管的端部必須與殼體或管箱內(nèi)壁平齊。（3）管板的確定管板結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，根據(jù)JB/T4337-95標(biāo)準(zhǔn)，封頭為：。如圖所示，材料選用碳素鋼。(5)溫度補(bǔ)償圈的選用。 由于溫度差，所以不需要考慮補(bǔ)償圈。(6)折流板和支撐板通過本次的設(shè)計(jì)計(jì)算可知，殼側(cè)流體的流速已經(jīng)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(huì)過大，容易發(fā)生震動(dòng)或者繞度過大! Z9。對于本換熱器中38mm外徑的換熱管，經(jīng)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(yīng)添加支撐板來放置換熱管產(chǎn)生過大的撓度。此時(shí)在換熱器的中間添加一塊支撐板即可滿足需要。同時(shí)通過查閱換熱器

21、設(shè)計(jì)手冊，對于800mm的殼體內(nèi)徑和2500mm的換熱管最大無支撐跨距，應(yīng)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(shè)定：管程設(shè)置防沖板的條件：當(dāng)管程采用軸向入口或換熱管內(nèi)流體流速超過3m/s時(shí)，應(yīng)設(shè)防沖板，以減少流體不均勻分布和對換熱管端的沖蝕。本設(shè)計(jì)采用橫向入口，且換熱管內(nèi)流速小于3m/s。故管程不需設(shè)置防沖板。殼程設(shè)置防沖板或?qū)Я魍驳臈l件：對蒸汽應(yīng)設(shè)置防沖板。故此處應(yīng)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(jié)構(gòu)型式為拉桿定距管結(jié)構(gòu)。根據(jù)下表，確定拉桿數(shù)量為6根和拉桿直徑為1

22、6mm：拉桿的布置：拉桿應(yīng)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(shí)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(gè)耳式支座。根據(jù)JB/T4725-92選定 3.換熱器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)結(jié)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(shù)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(shù)/1059.40導(dǎo)熱系數(shù)/0.6033750.02146傳熱系數(shù)/2665.557115.47污垢系數(shù)/阻力降/Pa2570.88推薦使用材料碳