化工原理课程设计报告真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计.docx

化工原理课程设计报告真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计 学院天津大学化工学院专业化学工程与工艺班级化学工程与工艺2班学 号3012207040姓 名胡志敏小组成员边人洲(组长)陈伊婧 张涛崔志华 吕思尧 冯秉安指导教师马红钦 化工流体传热课程设计任务书专业 化学工程与工艺 班级 化工2班 姓名 边人洲 陈伊婧 崔志华 冯秉安 胡志敏 吕思尧 张涛 学号（编号） 3012207032 3012207034 3012207036 3012207038 3012207040 3012207048 3012207061（一）设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计（二）设计任务及条件1、蒸发系统流程及有关条件见附图。2、系统生产能力： 60 万吨/年。3、有效生产时间：300天/年。4、设计内容： 效预热器（组）第 二 台预热器的设计。5、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。6、卤水为易结垢工质，卤水流速不得低于0.5m/s。7、换热管直径选为383mm。8、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。（三）设计项目1、由物料衡算确定卤水流量；2、假设k计算传热面积；3、确定预热器的台数及工艺结构尺寸；4、核算总传热系数；5、核算压降；6、初步经济衡算；7、确定预热器附件；8、设计评述。（四）设计要求1、根据设计任务要求编制详细设计说明书。2、按机械制图标准和规范，绘制预热器的工艺条件图（2#），注意工艺尺寸和结构的清晰表达。目 录化工流体传热课程设计任务书- 1 -一.设计简介- 1 -1.1设计背景- 1 -1.2设计目的- 1 -1.3设计意义- 1 -1.4设计分工- 2 -二.设计项目:- 2 -2.1流径的选择- 2 -2.2物料衡算- 2 -2.3假设k计算传热面积- 4 -2.3.1基本物性的查取- 4 -2.3.2计算平均温度差- 4 -2.3.3假设传热系数k计算换热面积- 5 -2.4确定预热器的台数及工艺结构尺寸- 5 -2.4.1预热器的台数- 5 -2.4.2壳体尺寸的确定- 6 -2.4.3壳程数的确定- 6 -2.5核算总传热系数- 6 -2.5.1对传热系数的初步计算- 6 -2.5.2对出口温度的初步估算- 7 -2.5.3管内对流传热系数的计算- 7 -2.5.4管外对流传热系数的计算- 8 -2.5.5核算壁温- 9 -2.5.6核算传热系数k- 9 -2.5.7核算出口温度- 9 -2.6核算压降- 10 -2.6.1换热器管程压降的核算- 10 -2.6.2壳程压降的核算- 10 -2.7确定预热器附件。- 11 -2.7.1支撑板与折流挡板- 11 -2.7.2法兰- 11 -2.7.3管板- 12 -2.7.4垫片- 13 -2.7.5封头- 13 -2.7.6缓冲挡板- 13 -2.7.7接管- 14 -2.7.8管箱- 15 -2.7.9排气孔和排液孔- 16 -2.8设计结果一览表- 16 -三、设计评述- 17 -3.1换热器评述- 17 -3.2设计过程评述- 17 -四、符号说明- 18 -五、附计算程序- 18 -六、参考文献- 20 - 3 -天津大学2012级本科生化工原理课程设计报告一.设计简介1.1设计背景制盐工业在国民经济中占有重要的经济地位，是国民经济的重要组成部分。盐是人类生活的必需品，是化学工业的基本原料，在其他工业部门和农牧渔业中也有广泛用途。生产原盐、加工盐及综合利用盐卤资源的工业部门。生产范畴包括：纳取海水、盐湖卤水或地下卤水，在盐田内日晒成盐；钻井汲取地下天然卤水或注水溶解地下岩盐得到的卤水，用圆锅、平锅加热煎煮或用真空、热压蒸发、浓缩成盐；钻井水溶开采地下岩盐，生产直接用作制碱原料的卤水；直接采出地下岩盐和盐湖中天然结晶的石盐；按用途对原盐进行加工；从制盐母液中提取其他化工产品。制盐工业既是采掘工业，又是加工工业。盐的生产常集中在部分地区，销售遍及各地。为了达到节约能量的目的，这套制盐系统采取用二次蒸汽多效预热，因此需要以三组换热器将卤水分三效进行加热。本次设计针对的是第三效。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也不断加强。为此，设计换热器时应满足以下要求：合理实现所规定的工艺条件；结构安全可靠；方便制造、安装、操作和维修；经济上合理。1.2设计目的某制盐工厂拥有分效预热卤水真空蒸发制盐系统，生产能力为60万吨/年，本小组将对其中第3效的2台预热器进行详细地选型与设计。本人主要负责第二台预热器的设计，使卤水温度从第一台换热器的出口温度加热到61，在使其达到61基础上，且在合理设计换热器的范围内超出预计温度不多。在设计时尽量考虑到安装方便，生产操作安全与节能的需要。1.3设计意义1. 通过本次设计，加强对之前所学的巩固以及深化学习，熟悉换热器各部分结构特点以及工作原理，把所学的知识应用到实践中。2. 掌握autocad的基本绘图功能，熟练使用office软件。3. 掌握常规固定管板式换热器的设计过程以及具体计算，更深刻的了解换热器设计过程中应该考虑的实际生产上的问题。4. 加强了小组间的合作交流，提高团队合作能力。5. 加强了对化工相关手册以及数据的查找运用能力。1.4设计分工计算:胡志敏,崔志华。结构:边人洲绘图:冯秉安，张涛。文字:吕思尧,陈依婧。二.设计项目:2.1流径的选择换热器设计中，首先确定管壳程流体的走向以及何种流体走管程何种流体走壳程。本次设计中，卤水为易结垢物质，对设备腐蚀性较二次蒸汽大，且不易清洗应该走管程。而二次蒸汽作为热流体，其传热方式为冷凝传热，传热系数比一般的对流传热大，因此蒸汽走壳程，能够使壁面与蒸汽的温度接近，减小管程与壳壁的温差，减小温差应力，且二次蒸汽走壳程能够解决排不凝气的问题。综上：取卤水走管程，蒸汽走壳程。2.2物料衡算本次设计是卤水真空蒸发制盐系统的预热器部分，采用平流进料，顺流排盐的进料产出方式，在物料衡算中已知数据如下：表2-1物料衡算数据表生产能力/万吨工作时间/天卤水中nacl含量（g/l）第三效体积分率(%)固体氯化钠晶体的密度（kg/m3）盐浆的固相体积分率60300293.767822000.6物料衡算图如下：图2-1 蒸发系统物料衡算示意图 物料衡算计算过程如下：60万吨/年的产量计算晶体的质量流量：1=60107300243600=23.148kgs故体积流量为： v1=1=23.1482200=0.01052m3/s由于盐浆能顺畅流动时的固相体积分率：0.60，则盐浆中卤水的体积流量： v2= v10.60.4=0.010520.60.4=0.007013m3/s根据蒸汽的绝压为9.6 kpa，查相关数据知此时温度为45，由于在蒸发器中液柱静压头的影响、流体流过加热管的阻力损失以及由于液体中含有溶质以及杂质，导致存在温度差损失，根据杜林规则以及相关数据粗略估算温度差为：8。由53下卤水物性查得卤水中氯化钠的溶解度为：37.1g，卤水的密度为：1=1.12gm-3 则岩浆中卤水的质量流量: s=v2=0.0070131120=7.8546kgs根据卤水盐浆中的卤水中的nacl含量： 2= s137.137.1=7.8546137.137.1=2.1255kgs则总盐浆中nacl总质量流量： z=1+2=23.148+2.1255=25.273kgs精制卤水的体积流量： vz=z293.76=25.273293.76=0.0860m3/s由于进入第三效换热器的卤水质量流量为总质量流量的22%，则进入第三效换热器的卤水质量流量为： =vz(1-22%)=0.08601180(1-22%)=79.154kgs2.3假设k计算传热面积2.3.1基本物性的查取在第三效的预热器中卤水起始温度：55；终止温度：61，故卤水的定性温度为：(55+61)/2=58查表得卤水在58下的物性参数为：表2-2卤水在58下的物性参数表1 唐是雯.制盐工业手册m.北京：中国轻工业出版社，1994温度/ 密度1/kgm-3恒压比热容cp1/(kjkg-1k-1)粘度1/(10-5pas)导热系数1/(wm-2k-1)58.01168.2503.3241200.611在本任务中只发生相变，即蒸气在降温过程中由饱和蒸汽变为同温度下饱和液体，由教材附录九查得在绝压30kpa时饱和水蒸汽对应温度69.2，由于二次蒸汽在输送过程的压降损失，设其中压降损失降低1，故饱和蒸汽在68.2下的物性数据为：表2-3饱和蒸汽在68.2下的物性数据表2 柴诚敬，张国亮.化工流体流动与传热m.北京：化学工业出版社，2007温度/密度o/kgm-3冷凝热焓/(kj/kg)粘度o/(10-5pas)68.20.19092333.71.12卤水热负荷的计算：q=cpt=79.153.324103（61-55）=1578.56kw根据热量衡算得： q=h 所以二次蒸汽的质量流量为： h=q/ = 1578.56/2333.7 = 0.676kgs2.3.2计算平均温度差按单管程单壳程考虑，且水蒸气侧发生相变恒温，则冷热流体流向对结果无影响。设流向为逆流： 水蒸气 68.2 68.2 卤水 55 61 t 13.2 7.2图2-2：管壳程流体流向图故依图对对数平均温度的计算为： tm = t1-t2ln(t1/t2) = 13.2-7.2 ln(13.27.2)=9.8992.3.3假设传热系数k计算换热面积假设k值为1000 w/(m2k)，由q=kstm得：s =qktm=1578.5610310009.899=159.47m22.4确定预热器的台数及工艺结构尺寸2.4.1预热器的台数卤水的体积流量： v=79.1541168.25=0.0678m3/s由于卤水流速应高于0.5 m/s，否则容易堵塞管道，且流速过大压降过大经济不合理，故假设u=0.68m/s。根据v=n(di2)2u得：n=v(di/2)2u=0.067753.14(0.032/2)20.68=123.95由于管子根数需为整数，且为合理排布，故取n=124，按正六边形（即正三角形）排列，从内至外排为六层，并对称的抽取最外层的三根换热管，具体排布见autocad图，故对换热管长度的计算为：由sz=nld0得：l=szndo=159.471243.140.038=10.78由于卤水容易结垢，故管长不易过长，并参照标准换热器的长度，将管长定为6m，换热器台数为两台。2.4.2壳体尺寸的确定二次蒸汽有可能除沫不彻底，带有卤水，使结构壳体。故管间距取值较大管间距dj=1.4do=0.053mm，最外面管的管壁到中心管的轴线的距离38+0.05362=674mm,由于最外面管的管壁与壳体内壁之间的距离必须大于10mm,故本换热器取壳体直径为700mm，壳体厚度依据gb1501998查得壳体厚度为8mm。由于壳程流体为水蒸汽，腐蚀性不大且壳体较大兼虑到经济性问题壳程材质选用作常温(20)冲击韧性试验的q235b级。表2-4：壳体碳钢材质圆筒壁厚表3 gb150-1998钢制压力容器，s公称直径4007007001000100015001500200020002600浮头式，u形管式810121416固定管板式681012142.4.3壳程数的确定p=t2-t1t1-t1=61-5568.2-55=0.455r=(t1-t2)1t2-t1=68.2-68.261-55=0温差矫正系数t根据p,r依据化工单元操作设计图3-7查得t=1，故可以确定完全按并流设计即可，即壳程数为1。2.5核算总传热系数2.5.1对传热系数的初步计算确定换热管长度、管数以及预热器台数后，此时换热器总面积为： sz=nld0=124123.140.038=177.55m2为方便安装以及降低成本两台预热器取相同结构，故每一台换热器的换热面积s=sz2=177.552=88.78m2由于换热器管数与计算相比略有增大，故为达到生产目标，对流速重新核算：u= vn(di/2)2=0.067751243.14(0.032/2)2=0.68(m/s)由 q=szktm得：k=qsztm=897.7wk-1m-22.5.2对出口温度的初步估算初步估算出口温度：水蒸气 68.2 68.2卤水 58.9 t2 t 9.3 68-t2图2-3：本台换热器管壳程流体进出口温度图由q=sk t1-t2ln(t1/t2)得：cp1t=sk t1-t2lnt1t2=sk tlnt1t2所以： t2=68.2-9.3/(e(sk/cp1)=68.2-9.3/(e88.78897.779.1553.3241000)=61.322.5.3管内对流传热系数的计算故本设计将t2=61.32计为出口温度迭代的初始温度，则定性温度：tl= t2+58.92=58.9+61.322=60.285表2-5卤水在60.285下的物性参数表1温度/密度1/kgm-3恒压比热容cp1/(kjkg-1k-1)粘度1/(10-5pas)导热系数1/(wm-2k-156.751167.5373.326122.1650.613根据表2-5的物性数据，计算管内对流传热雷诺数以及普兰特数为：rei=di1u1=0.0380.681167.5371122.165105= 2.685104pri=cp111=3.326103122.16510-30.613= 6.086由于rei10000;120pri120;ldi=157.8960;所以无需考虑传热进口段对i的影响，故采用下式进行计算：i=0.0231dorei0.8prin管内卤水被加热所以n=0.4根据卤水物性计算管内对流传热系数为：i=0.0231dorei0.8pri0.4 =0.0230.6180.0382.6851040.86.0860.4 =2668.658wm-2-12.5.4管外对流传热系数的计算根据经验手册假设第一台预热器平均壁温 tw=65.78；30kpa下水蒸汽的 tsat=68.2;根据表2-3知： =2333.7kjkg-1;此时则定性温度为：ts=65.78+68.22=66.99查得此时水的具体物性如表2-6:表2-6：水在66.99下的物性参数表2温度/密度2/kgm-3恒压比热容cp2/(kjkg-1k-1)粘度2/(10-5pas)导热系数2/(wm-2k-1)66.99979.4784.18442.3690.666设定换热器垂直放置，假定液膜做层流流动，而考虑到冷凝液膜内非线性的温度分布，并且不排除冷凝液冷却到饱和温度以下的可能，引入,为矫正项。矫正公式为:,=+0.68tsat-tw=2333.7+0.684.18468.2-65.78=2340.585kjkg-1则平均对流传热系数为：0=1.1322g232l tsat- tw14= 6440.702wm-2-1核算流型：q1=cp1t=3.32610361.67-58.979.154=729.247kww=q1,=729.2471032340.585103=0.312kgs单位长度润湿周边上的凝液质量流率为：=wndo=0.3841243.140.038=0.026 kg(ms)ref=42=40.026 0.42610-3=244.131500时，fo=5reo0.228，其中reo=uodooo；nb为折流挡板数，因为没有设计折流挡板，故nb=0。前面已经计算出w=0.312kg. s-1；uo为按壳程流通截面积计算的流速下估算的平均流速，计算过程如下：so=40.70.7-1240.0380.038=0.244m2uo=woso=0.3120.19090.244=6.698m. s-1由于第三效真空度较高，故uo=6.698m. s-1流速过小，流速可选较大对压降影响较小，根据经验假设平均流速为uo=23m. s-1reo=uodooo=230.0380.19091.12100000=14897.018500fo=5reo0.228=0.559p1=ffoncnb+1ouo22=0.5120.5590.190923232=169.354paps=p1fsns=p1=169.354pa查得：ps=169.354pa时温度差小于1，故壳程压降符合要求。2.7确定预热器附件。2.7.1支撑板与折流挡板从传热的角度考虑，由于壳程流体为饱和蒸汽，不需要设置折流板，但为了增加换热器的刚度、防止管子振动，仍然需要设计一定数量的支撑板，但这里设置支撑板将导致壳程压降增大，弊大于利，故不需设计支撑板。2.7.2法兰法兰是使管子与管子及和阀门相互连接的零件，连接于管端。本换热器将管板兼作法兰，为固定管板式换热器。由于换热器dn=700mm,故法兰直径采用860mm，法兰厚度为40mm,内径采用724mm标准法兰。具体尺寸如表2-8。表2-7：法兰尺寸标准表（单位：mm）dn法兰直径螺栓孔中心直径螺栓孔径螺栓数量螺纹规格法兰厚度法兰内径密封面d密封面f7008608102624m244072472252.7.3管板管板，就是在圆形钢板上钻出比管子外径一样略大一些的孔，管程卤水具有腐蚀性且立式换热器易震动，管板与法兰之间也采用先焊后胀的形式。由于本换热管中流体为卤水，腐蚀性较强，故采用16mnr不锈钢管板。本设计中管板兼做法兰，根据法兰外径860mm,故管板d=860mm示意图如下：图2-4：管板示意图查询换热器手册知适用于不锈钢换热管管板管孔直径当换热管外径为：38mm,管孔直径为38.4mm,允许偏差为+0.2mm,再根据法兰外径查得图2-2中相关管板尺寸如下：表2-8：管板尺寸表dd1d3d4d5b管孔直径8608106987727002338.4+0.2管程卤水具有腐蚀性且立式换热器易震动，管板与法兰之间也采用先焊后胀的形式。其连接结构如图2-5所示：图2-5：管板与换热管连接图2.7.4垫片 垫片是一种能产生塑性变形、并具有一定强度的材料制成的圆环。大多数垫片是从非金属板裁下来的，或由专业工厂按规定尺寸制作。本次设计中采用普通橡胶垫片。垫片厚度，本设计确定为3mm，隔板槽部分垫片厚度取10mm，圆角尺寸取r=8mm，d和d按jb1160-82压力容器法兰用垫片标准选取。2.7.5封头封头有方形和圆形两种，方形用于小直径（0.001 %确定计算精度 z=z1; %对出口温度赋值 x=(z+58.9)/2; %计算定性温度 %卤水24.9%下物性插值计算 lmidu=1.1771*(x-50)*(x-60)/(-10)/(-20)+1.1714*(x-40)*(x-60)/(-100)+1.1657*(x-40)*(x-50)/(200); lbirerong=3.3217125*(x-58)*(x-61)/(55-58)/(55-61)+3.32406*(x-55)*(x-61)/(58-55)/(58-61)+3.32639*(x-55)*(x-58)/(61-55)/(61-58); lniandu=1.25*(x-58)*(x-61)/(55-58)/(55-61)+1.2*(x-55)*(x-61)/(58-55)/(58-61)+1.09*(x-55)*(x-58)/(61-55)/(61-58); ldaore=0.607625*(x-58)*(x-61)/(55-58)/(55-61)+0.61*(x-55)*(x-61)/(58-55)/(58-61)+0.614045*(x-55)*(x-58)/(61-55)/(61-58); %管内对流传热系数的计算 re=0.038*sudu*lmidu*1000*1000/lniandu; pr=lbirerong*lniandu/ldaore; ali=0.023*ldaore/0.038*(re)0.8*(pr)0.4; y1=(68.2*(1/ali+rsi)+x*(1/ao+rso)/(1/ali+rsi+1/ao+rso); %在修改了出口温度后对壁温的核算 while abs(y-y1)0.001 %确认计算精度 y=y1; %对壁温赋初值 sx=(y+68.2)/2; %计算定性温度 namuda=2333.7; %饱和蒸汽的蒸发焓 %定性温度下水的物性插值计算 smidu=988.1*(sx-60)*(sx-70)/(50-60)/(50-70)+983.2*(sx-50)*(sx-70)/(60-50)/(60-70)+977.8*(sx-50)*(sx-60)/20/10; sdaore=0.648*(sx-60)*(sx-70)/(50-60)/(50-70)+0.659*(sx-50)*