真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預熱器設計

1、【畢業(yè)論文】真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預熱器設計 真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預熱器設計目錄 3綜述列管式換熱器的簡介換熱器設計任務書 3設計項目任務及要求 3設計任務流程附圖 4設計方案的選定 5控制條件和設備類型的選擇 5帶控制點的工藝流程簡圖及其說明 5設計結果概要 6換熱器的結構基本參數(shù)表6換熱器主要部件的工藝計算 6相關的物性數(shù)據(jù)表 6設計任務相關換算 7換熱器的熱負荷計算 7主體設備的結構設計各主要接管尺寸的確定及其附屬配件的選擇輔助設備的選擇設計評述以及設計經(jīng)濟分析討論設計評述設計經(jīng)濟分析文獻參考符號說明前言綜述換熱器的類型多種多樣，尺寸以及工藝也大相徑庭，在設計的過程中，除了依照工藝

2、計算結果對換熱器的各部件以及附加工藝進行選擇之外，我們還主要參照了以下幾點：合理的實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件。傳熱量、流體的熱力學參數(shù)和物理化學性質(zhì)是工藝過程所規(guī)定的條件。根據(jù)這些條件進行熱力學和流體力學的計算，經(jīng)反復比較，使所設計的換熱器具有盡可能小的傳熱面積，在單位時間內(nèi)傳遞盡可能多的熱量。安全可靠。換熱器是壓力容器，在進行強度、剛度、溫差應力以及疲勞壽命計算時，應遵照我國鋼制石油化工壓力容器設計規(guī)定以及鋼制管殼式換熱器設計規(guī)定等有關規(guī)定與標準，對這保證設備的安全起著重要作用。有利于安裝、操作以及維修。直立設備的安裝費往往低于水平或者傾斜的設備。設備與部件應便于運輸與裝拆，在廠房移動時不會受到樓

3、梯、梁、柱的妨礙，根據(jù)余姚可添置氣、液排放口，檢查孔與敷設保溫層。經(jīng)濟合理。評價換熱器的最終指標是：在一定的時間內(nèi)，固定費用與操作費用的總和為最小。在設計或選型時，如果有幾種換熱器都能完成生產(chǎn)任務的需要，這一指標尤為重要。固定管板式換熱器這類換熱器的結構比較簡單、緊湊、造價便宜，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(nèi)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(chǎn)生了很大的溫差應力，以至管子扭彎或使管

4、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，失去溫差補償?shù)淖饔?，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(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(nèi)徑排管最多，在有折流板的流動

5、中旁路最小，管程可以分成任何管程數(shù)，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(shù)相差較大，熱應力超過材料的許用應力時，在殼體上需設膨脹節(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(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，不易結垢的場合。設計題目：真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預熱器設計蒸發(fā)系統(tǒng)流程及有關條件見附圖。系統(tǒng)生產(chǎn)能力： 萬噸/年有效生產(chǎn)時間：300天/年設計內(nèi)容： 效預熱器（組）第 臺預熱器的設計鹵水為易結

6、垢工質(zhì)，鹵水流速不得低于0.5m/s。換熱管直徑選為38×3mm。鹵水物性參數(shù)隨溫度的變化，當手冊查不到時，可按水的變化規(guī)律推算。設計完成后應繳交的文件：設計說明書換熱器剖面圖一張（A2圖紙）。設計的完成期限：小學期結束前。附圖設計方案的選定控制條件和設備類型的選擇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：單管程單殼程操作條件：介質(zhì)介質(zhì)性質(zhì)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帶控制點的工藝流程簡圖及其說明一、工藝流程簡圖設計條件說明1.true man

7、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(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)濟角度來說，立式的比臥式的安裝更加簡單，經(jīng)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(shù)表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管口表換熱面積/ 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59/6135

8、.9309殼程水蒸氣30.066.50.1090流體密度/1169.1760.19093附圖流速/（m/s 0.6261.124傳熱量/KW254.48總傳熱系數(shù)/935.55導熱系數(shù)/0.6033750.02146傳熱系數(shù)/2040.507135.82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管數(shù)61根管長4000mm管子排列方式正三角形殼體內(nèi)徑/mm500換熱器主要部件的工藝計算一、相關的物性數(shù)據(jù)表鹵水定性溫度：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：密度定壓比熱容導熱系數(shù)黏度循環(huán)水蒸氣定性溫度T 66.5根據(jù)定性溫度，查的66.5

9、下水蒸氣的物性數(shù)據(jù)為：密度定壓比熱容導熱系數(shù)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(chǎn)力W 30萬噸/年 11574.07g/s鹵水的消耗量:故進入第三效預熱器的鹵水流量鹵水的質(zhì)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 1.參照書中表格，按照經(jīng)驗數(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.主要工藝以及結構基本參數(shù)的計算：（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

10、長： 管數(shù)：根 （取48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(nèi)直徑。由于管中心距： 橫過管束中心線的管子數(shù)： （取整8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 按照殼體直徑標準系列尺寸圓整，取。 因為，管長徑比合適。（6）畫出排管圖。根據(jù)殼體內(nèi)徑、管中心距、橫過管束中心線的管數(shù)及其排列方式，繪出排管圖。 由圖可知，以上述布局，按照預先設定的t和e，可以排下48根管子。（7）計算實際傳熱面積以及過程的總傳熱系數(shù)。實際傳熱面積：考慮面積裕度10%，可得： 過程的總傳熱系數(shù)：五、管殼程壓強降的校驗 （1）管程壓強降： 根據(jù)上述結果可知：管程數(shù)串聯(lián)殼程數(shù)；對

11、于的換熱管，結構校正系數(shù)。 摩擦阻力引起的壓降： 由于：（湍流）設管壁粗糙度，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： 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，結垢校正系數(shù)。 則殼程壓降： 由于本次設計無折流擋板，殼程壓降已經(jīng)非常小，一定會在工程設計要求范圍內(nèi)，并且數(shù)據(jù)有限，則壓降可忽略不計。 由于管程壓降超過要求，所以重新設流速：六、調(diào)整流速后重新核算壓降 按照步驟五，重新核算壓強，可得： 管數(shù)：根 （取6

12、4根）管長： （取3m） （取整9根）管程流體流速：殼內(nèi)徑：按照殼體直徑標準系列尺寸圓整，取。畫出排管圖：如圖所示，500mm直徑的殼可排下61根管。即取根。管長： （取4m） （取整9根） 實際換熱面積以及過程的總傳熱系數(shù)實際傳熱面積： 過程的總傳熱系數(shù)：管程流體流速：殼體流體流速：雷諾數(shù)：管程壓降：殼程壓降忽略不計。經(jīng)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(shù)的計算和校核 總傳熱系數(shù)由下式計算：其中，管內(nèi)流體的對流傳熱系數(shù)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(shù)：參考附錄，根據(jù)經(jīng)驗值?。河捎冢簩?/p>

13、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(nèi)，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(shù)： 故： 所以：符合設計要求。四、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。殼體，管箱的系列尺寸確定筒體（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(shù)（單面焊），腐蝕裕度，所以 根據(jù)上表所列出的鋼板厚度標準，確定鋼板的材料為ICr18Ni9T

14、i，厚度為4mm。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計者根據(jù)設計參數(shù)確定。筒體的質(zhì)量計算可參照下表。封頭的尺寸和質(zhì)量按照JB/T 473795選取。進出口設計在換熱器的殼體和管箱上一般均裝有接管或接口以及進出口管。在殼體和大多數(shù)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

15、直徑計算。 管程：變換進、出口接管，參照常用化工單元設備設計 第二版書中的表1-20，管程流體鹵水可視為低粘度流體。 取，那么根據(jù)書后附錄，查得輸送流體的標準管徑，選取無縫熱軋鋼管。根據(jù)所選取的鋼管規(guī)格，重新計算實際流速： 所計算出的實際流速基本符合表1-20的要求。 殼程：冷凝氣進、出口接管，參照表1-20，殼程流體為飽和蒸汽， 那么：根據(jù)書后附錄，查得輸送流體的標準管徑，選取無縫熱軋鋼管。根據(jù)所選取的鋼管規(guī)格，重新計算實際流速：所計算出的實際流速符合表1-20的要求。（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，

16、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(nèi)壁平齊。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/mm222532參考表1-11， 脹接管板的最小厚度，選取管板厚度為25mm。表1-12 固定管板式換熱器的管板主要尺寸公稱直徑Db螺栓孔數(shù)質(zhì)量（不包括襯環(huán)）/Kg單程二程四程六程再沸器500630590490500402458.559.661.5-參考表1-12，固定管板式換熱器的管板主要尺寸，公稱直徑為500mm。管箱和封頭上下兩封頭均選用標準橢圓形封頭，根據(jù)JB/T4737-1995標準，封頭為：。如圖所示

17、，材料選用碳素鋼。（2） 溫度補償圈的選用。 由于溫度差，所以不需要考慮補償圈。（3） 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(jīng)滿足換熱要求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設計手冊，對于500mm的殼體內(nèi)徑和2500mm的換熱管最大無支撐跨距，應選擇厚度為12mm的支撐板。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(nèi)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(nèi)流速小于3m/s。故管程不需設置防沖

18、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。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(jù)下表，確定拉桿數(shù)量為6根和拉桿直徑為16mm：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。立式支座 公稱直徑的立式換熱器，采用兩個耳式支座。根據(jù)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

19、用將拉桿擰入管板的可拆螺紋連接泵的選用1泵的揚程：.流動前后流速差 通過計算，本換熱器采用立式結構，總高度其他組員計算的第一個換熱器高度 第二個換熱器高度選取最大的高度，即.由泵到換熱器接管高度選取由換熱器到蒸發(fā)器水平高度選取故靜壓頭通過上述計算可得知，本換熱器管程由于阻力引起的壓力降： 其他組員計算的第一個換熱器的管程壓降：第三個換熱器的管程壓降：故泵壓流體鹵水的流量根據(jù)計算得到的泵的工作點 ，, ，以及所輸送流體的類型為鹵水，且本次輸送的流體黏度比水大，故擬選用IS125-100-200單級單吸離心泵。泵的性能參數(shù)如下：型號流量/揚程/轉速功率/效率氣蝕余量質(zhì)量（泵/底座）/kg軸電機IS

20、125-100-200 1201114504.797.5753.0108/66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管口表換熱面積/ 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1000.0（設計壓力）59/6135.9309殼程水蒸氣30.066.50.1090流體密度/1169.1760.19093附圖流速/（m/s 0.6261.124傳熱量/KW254.48總傳熱系數(shù)/935.55導熱系數(shù)/0.6033750.02146傳熱系數(shù)/1508.279130.83污垢系數(shù)/阻力降/Pa-推薦使用材料碳鋼碳鋼管子規(guī)格/mm管數(shù)61根管長

21、4000mm拉桿數(shù)6拉桿直徑12mm殼體內(nèi)徑/mm500管子排列方式正三角形設計評述以及項目經(jīng)濟分析討論設計評述本次設計歷經(jīng)3個星期，無數(shù)次的合作討論，終于在天完成了設計任務。這次小學期的設計任務，內(nèi)容是豐富的，任務是艱巨的，而意義也是重大的。我們通過這次設計，不僅鞏固了上個學期傳熱的知識，將其學以致用，更重要的是，我們學會了怎樣分工合作，利用各種資源途徑，以最高的效率完成設計任務。這對今后我們的工作生涯也是十分有利的。設計的可靠性本次設計我們考慮了眾多方面的因素，請教了很多有實際生產(chǎn)經(jīng)驗的工程師和老師。比如說選擇換熱器的種類，應該用立式而不是臥式。以前在學習的過程中并不是很了解其中的原因所在

22、。但利用這次小學期認識實習的機會，我問了大港中石油的工程師，這個問題便在他那里得到了充分的解釋。設計中的新發(fā)現(xiàn)在本次設計中，我們發(fā)現(xiàn)。很多書本上的知識是十分局限的。在實際生產(chǎn)的過程中，還是有很多的變化的。就比如說換熱管長度的選擇。書本上教給我們的是換熱管的標準長度僅是1.5m，2m，3m，4m和6m，但是在較新的書籍資料中，以及在咨詢了有關換熱器生產(chǎn)廠家后，我們發(fā)現(xiàn)，4.5m，9m以及12m的換熱管是確實存在的。設計中存在的不足由于本次設計資料以及時間有限，數(shù)據(jù)的準確性需要進一步的確定，比如說鹵水的物性我們就是拿水的變化趨勢來擬合的，這樣的做法是不精準的。設計的收獲項目經(jīng)濟分析項目概況本項目為

23、鹵水真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)，生產(chǎn)國內(nèi)市場必需的無機鹽產(chǎn)品，生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)30萬噸，生產(chǎn)期按10年計，計算期10年。計算期計算期包括建設期和生產(chǎn)經(jīng)營期，根據(jù)項目實施計劃建設期確定為0.5年，生產(chǎn)運營期確定為10年，項目計算期為10.5年。目標市場及產(chǎn)品售價本項目生產(chǎn)產(chǎn)品為國內(nèi)市場必需的無機鹽產(chǎn)品，生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)30萬噸。產(chǎn)品銷售價格根據(jù)財務評價的定價原則，預測判生產(chǎn)期初的市場價格，每噸出廠價（不含稅）為450元（按Nacl99.3%的純度選定）。產(chǎn)銷計劃產(chǎn)品產(chǎn)銷率按100%考慮。費用與效益估算總成本費用原材料化工料及輔助料本項目的原料為入口溫度35的精制鹵水。輔助料為來自熱電站的生蒸汽。燃料及動力動力

24、費，包含打壓鹵水的離心泵動力費用以及制造負壓狀態(tài)的真空泵動力費用。制造費用制造費在本設計任務書中即為換熱器的制造費用。包括殼體、換熱管、管板、封頭等主要部件，以及防沖板，支撐板，支座等附件的購買加工費用。生產(chǎn)員工的工資及相應的附加費固定資產(chǎn)折舊費及大修基金化工企業(yè)的大修，指對化工廠全廠或某些車間進行大規(guī)模的修理或改造。通常分兩種情況：1. 對重要問題隨時進行不停產(chǎn)大修。2. 對重要問題，集中時間進行全面停產(chǎn)大修。對于本次設計中的預熱器，由于通過管程的鹵水易結垢，故需定期進行管程清理。同時，由于鹽水的腐蝕和磨損，也會進行不定期的換熱管更換。此外，車間經(jīng)費費用企業(yè)管理費用銷售費用銷售收入和稅金市場

25、分析近幾年，我國滌綸工業(yè)長絲的產(chǎn)能突飛猛進，200年世界滌綸工業(yè)長絲的總產(chǎn)能為130萬噸，中國的滌綸工業(yè)長絲已經(jīng)占世界總產(chǎn)能的32%份額而位于榜首，中國的滌綸工業(yè)絲產(chǎn)能仍然呈現(xiàn)良好的上升態(tài)勢市場空間極大。再者，根據(jù)國務院發(fā)展研究中心統(tǒng)計，在未來的8-10年內(nèi)，我國將成為世界最大的汽車消費國和生產(chǎn)國，安全氣囊的需求量必將隨之迅速增大。這種產(chǎn)品有嚴格的法律責任以及復雜和精準的技術要求，但其具有豐厚的利潤空間和巨大的市場容量，使得該領域市場前景廣闊。滌綸工業(yè)絲未來發(fā)展前景十分廣闊隨著經(jīng)濟的持續(xù)增長，中國現(xiàn)已成為亞洲乃至全球經(jīng)濟發(fā)展前景最被看好的國家之一。由于近年來工業(yè)的高速發(fā)展，中國國內(nèi)市場滌綸工業(yè)

26、絲的市場需求量一直居高不下。預計今后一段時期，中國國內(nèi)滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)量將會進一步增長。根據(jù)產(chǎn)品方案，項目投產(chǎn)第一年，即第4年纖維產(chǎn)量為1.75萬噸，第5年纖維產(chǎn)量為2.25萬噸，第六年及以后為2.5萬噸。產(chǎn)品銷售價格根據(jù)財務評價的定價原則，預測判生產(chǎn)期初的市場價格，每噸出廠價（不含稅）為15800元。第4年銷售收入為27650萬元，第5年纖維產(chǎn)量為35550萬元，第六年及以后為39500萬元。稅金增值稅按國家規(guī)定計取，產(chǎn)品增值稅稅率為17。城市維護建設稅城市維護建設稅取增值稅的5教育費附加教育費附加按增值稅的3計取。文獻參考柴誠敬，張國亮. 化工流體流動與傳熱. 第二版. 北京：化學工業(yè)出版社，2008.柴誠敬，夏清，陳常貴，王軍，姚玉英. 化工原理（上冊）.修訂版. 天津：天津大學出版社，2005.馬沛生，李永紅. 化工熱力學. 第二版.