化工流体传热设计

1 化化 工工 流流 体体 传传 热热 课课 程程 设设 计计 班级 化学工程与工艺 5 班 学号 3009207136 姓名 吴 尧 2 目录目录 一 设计背景设计背景 3 二 设计目的及意义设计目的及意义 3 三 设计内容设计内容 1 确定流体的流径 4 2 由物料衡算确定卤水流量 4 5 3 假设 K 值计算传热面积 5 8 4 确定换热器的台数及工艺结构尺寸 8 5 核算第一台换热器的总传热系数 8 11 6 核算压降 12 7 确定预热器附件 12 13 8 设计结果一览表 14 9 设计评述 14 15 10 主要符号及说明 15 11 参考文献 16 3 一 设计背景一 设计背景 随着现代工业的飞速发展 能源问题愈发严重 人们更多的关心如何能有效地利用 有限的资源 而盐作为我们生活中必不可缺的物质 也面临着比较严重的能源问题 所 以 我们应该想方设法的更加有效的使用以减少盐的消耗量 使子孙后代能有更多的资 源可利用 我国虽然是能源大国 地大物博 但那也是能源总量 而人均能源量则是少得可怜 而在盐的问题上则显得比较明显 部分省市缺盐情况十分的严重 由此可见 我国的能 源问题还是值得重视的 而制盐过程的能源消耗比较大 成本比较高 所以我们应该更多的考虑能耗问题 以减小制盐过程的成本 而达到以最小的成本获得最大的收益 响应 节能减排 的号 召 使制盐过程更加的节能 更加的科学有效 二 设计目的及意义二 设计目的及意义 企业 都是以盈利为根本目的 为了能获取更大的利润 就要使其生产过程所耗的 成本最小化 企业要想提高经济效益和社会效益 就必须尽其一切可能的减少能源的消 耗 而使生产过程更加的科学有效 而在当今物质匮乏的年代 节能减排已经不知不觉的成为了一种强有力的号召 这 种号召已经深入人心 作为耗能较大的企业 必须以身作则 响应这历史的号召 制盐企业 要响应节能减排的号召 提高其社会竞争力 就必须提高其制盐装置的 科学有效性 必须提高生产过程中的能源利用率 而蒸汽消耗是制盐过程的主要能源消 耗 所以 制盐行业应该考虑如何提高蒸汽的使用效率 降低单位产品的能耗等问题 经过分析 发现在制盐系统中设置卤水分效预热器系统 可以有效地提高制盐过程 中二次蒸气的利用率 实现能源的节约 利用二次蒸汽预热卤水 热能前移 减轻末效 蒸发强度 同时 提高进入蒸发结晶器的卤水温度 减少热损失 在四效真空蒸发工艺 制盐中设置 3 个二次蒸汽预热 逐效的提高进入蒸发罐的卤水温度 减少温差引起的热损 失 以提高蒸发系统的热效率 同时选用管壳式换热器做预热器 因为其结构简单 紧 凑 布管多 管内便于清洗 更换 而且造价低 并且将管程设计成单管程 可以降低 管程压降 便于清洗 4 三 设计内容三 设计内容 1 1 确定流体的流径确定流体的流径 该设计任务的热流体为饱和蒸汽 冷流体为卤水 卤水为不洁净流体 且其中含有钙 离子和硫酸根 易形成微溶于水的硫酸钙而结垢 为便于清洗 选择走管程 饱和蒸汽 走壳程 以便于及时排除冷凝液 且蒸气较洁净 一般不需要清洗 2 2 由物料衡算确定卤水流量由物料衡算确定卤水流量 60 万吨固相 NaCl 体积为 1 60 104 103 2200 3 272727 3 3 由于盐浆能顺畅流动时的固相体积分率为 0 6 则盐浆中液相体积为 2 1 0 6 0 4 181818 2m3 设液相为饱和 NaCl 溶液 因为 NaCl 的溶解度随温度的变化而改变不大 取 20为盐浆温度 该温度下 NaCl 溶解 度为 36 0g 溶液的密度 1 12 3 则液相质量为 1 181818 2 1 12 103kg 203636384kg 液相中 NaCl 质量为 2 203636384 136 36 5 39 107 则精制卤水中 NaCl 质量为 60 5 39 107 65 39 107 卤水流量 总 65 39 107 293 76 300 24 3600 0 0859 3 35 0下 卤水的质量流量为 5 总 1180 0 085 101 362kg s 进入第三效的预热器的卤水体积流量为 78 总 0 0859 78 0 067 3 质量流量为 78 总 101 362 78 79 06 3 3 假设假设 K K 计算传热面积计算传热面积 1 基本物性数据的查取 卤水的定性温度为 55 61 2 58 以水的变化规律推算卤水物性参数随温度的变化 得卤水在定性温度下物性数据为 密度 3 比热容 热导率 黏度 11683 390 61 5 设计蒸气在降温过程中由饱和气体变为同温度下饱和液体 由教材附录九查得 30kPa 时饱和水蒸汽对应温度 66 5 由于壳程压降存在 根据经验 蒸气进入预热器时 降低 1 变为 65 5 由物性手册查得 饱和蒸汽在 65 5下物性数据为 密度 3 汽化热 热导率 黏度 0 181512415 130 022160 106 2 热负荷的计算 2 1 79 06 3 39 103 61 55 1 608 106 3 计算平均温度差 由单壳程 单管程考虑 蒸气 65 5 65 5 卤水 61 55 6 t 4 5 10 5 2 1 ln 2 1 10 5 4 5 ln 10 5 4 5 7 08 选 900 2 则换热面积为 1 608 106 900 7 08 252 35 2 设 0 64 管子数 4 2 0 067 3 14 4 0 0322 0 64 130 23 管长 0 252 35 130 23 3 14 0 038 16 27 取 18 135根 则换热器面积为 135 3 14 0 038 18 290 0 2 传热系数为 1 608 106 290 7 08 783 2 4 核算总传热系数 管程对流传热系数 hi 4 2 0 067 135 3 14 4 0 0322 0 62 7 R 0 032 1168 0 62 1 5 10 3 14176 3 39 103 1 5 10 3 0 6 8 48 0 023 R 0 8 0 4 0 023 0 6 0 032 141760 8 8 480 4 2124 9 2 壳程冷凝传热系数 假设管外壁温度为 65 1 则定性温度为 2 65 5 65 1 2 65 3 由教材附录六查得 65 3时水的物性数据为 密度 3 热导率 黏度 980 50 660 44 由物性手册查得 65 5时饱和蒸汽的物性数据为 2415 13 0 18151 3 1 608 106 292 0 65 5 65 1 13762 4 2 冷凝液的质量流率为 1 608 106 2415 13 103 0 6658 单位长度润湿周边上的凝液质量流率为 0 6658 3 14 0 038 5 58 R 4 4 5 58 0 44 10 3 50727 1800 湍流 传热系数计算得 0 0076 2 1 3R 0 4 8 0 0076 0 66 10 2 980 5 980 5 0 18151 9 81 0 44 10 3 2 1 3 507270 4 13963 2 污垢热阻及管壁导热系数 参考附录二十 管外侧污垢热阻为 设管内侧热阻为 0 8598 10 4 2 2 2527 10 4 2 参考附录十二 碳钢的热导率为 50 09 总传热系数 K 1 1 1 1 13963 0 8598 10 4 2 2527 10 40 038 0 032 0 003 0 038 50 09 0 035 0 038 2124 9 0 032 970 2 计 选 970 783 1 24 故所设计的换热器是合适的 4 4 确定预热器的台数及工艺结构尺寸确定预热器的台数及工艺结构尺寸 将第三效预热器设计成相同的三台换热器 管子数为 135 根 管长 6m 由教材表 6 4 知 管中心距为 t 0 048m 管子按正三角形排列 1 1 1 5 则壳径 1 2 0 048 1 1 135 1 2 1 5 0 038 0 680 取 800 换热器的主要参数如下 外壳直径 mm 800 管子数 根 135 管长 mm 6000 管子尺寸 38mm 3mm 9 管程数 1 管子排列方式 管中心距 mm 48 管程流通面积 m2 0 109 5 5 核算第一台换热器的总传热系数核算第一台换热器的总传热系数 选择 K 值 对于第一台换热器 设 850 2 换热面积 0 1 135 3 14 0 038 6 0 1 95 0 2 设出口温度为 2 蒸气 65 5 65 5 卤水 55 2 t 10 5 65 5 2 2 1 ln 2 1 2 55 ln 10 5 65 5 2 10 由得 2 1 850 95 0 2 55 ln 10 5 65 5 2 79 06 3 39 103 2 55 解得 2 57 73 平均温度差为 57 73 55 ln 10 5 65 5 57 73 9 07 传热速率为 2 1 79 06 3 39 103 57 73 55 731 68 103 传热系数为 731 68 103 95 9 11 849 2 管内对流传热系数 定性温度为 57 73 55 2 56 37 卤水在定性温度下物性数据为 密度 3 比热容 热导率 黏度 1169 43 390 6 1 57 管内流速 0 62 R 0 032 1169 4 0 62 1 57 10 3 14777 6 3 39 103 1 57 10 3 0 6 8 87 0 023 R 0 8 0 4 0 023 0 6 0 032 14777 60 8 8 870 4 2237 2 11 壳程冷凝传热系数 假设管外壁温度为 64 6 则定性温度为 2 65 5 64 6 2 65 05 由教材附录六查得 65 05时水的物性数据为 密度 3 热导率 黏度 980 50 66350 4371 由物性手册查得 65 05时饱和蒸汽的物性数据为 2415 13 0 18151 3 假定冷凝液膜为层流 则冷凝传热系数为 1 13 3 1 4 1 13 980 5 980 5 0 18151 9 81 2415 13 0 6635 3 0 4371 10 3 6 65 5 64 6 1 4 8233 3 2 8233 3 95 7 65 5 64 6 709 11 103 与 相近 则温度假设正确 2 1 710 24 103 65 05 64 6 0 45 则不需要设置热补偿装置 核算冷凝液流型 709 11 103 2415 13 103 0 2936 单位长度润湿周边上的凝液质量流率为 0 2936 135 3 14 0 038 0 0182 12 R 4 4 0 0182 0 4371 10 3 166 55 1800 故假设冷凝液膜为层流是正确的 8233 3 2 污垢热阻及管壁导热系数 参考附录二十 管外侧污垢热阻为 设管内侧热阻为 0 8598 10 4 2 1 7927 10 4 2 参考附录十二 碳钢的热导率为 50 09 1 1 1 1 8233 3 0 8598 10 4 1 7927 10 40 038 0 032 0 003 0 038 50 09 0 035 0 038 2219 0 032 979 9 2 计 选 979 9 849 1 15 6 6 核算压降核算压降 管程压降为 1 其中 1 4 1 1 管内流速 0 62 R 14495 6 对于碳钢管 取管壁粗糙度 0 1 0 1 32 0 003 由教材第一章 Re 关系图查得 0 031 1 2 2 0 031 6 0 032 1169 0 622 2 1306 1 1306 1 4 1 1 1828 4 13 壳程压降 由于壳程内饱和蒸汽没有降温 因此没有壳程压降 计算结果表明 管程和壳程的压降均能满足设计条件 故所设计的换热器是合适的 安全系数为 979 9 849 849 100 15 42 7 7 确定预热器附件确定预热器附件 主要附件有支撑板 拉杆 定距管 垫片 拦液板 法兰 管板 封头 缓冲挡板 接管 放气孔 排液孔 管箱和支座 支撑板 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 实际仍然需要设计一定数量的支撑板 支撑板厚度一般不应小于表 1 左 中所列数据 支撑板允许不支撑的最大间距可参 考表 1 右 所列数据 表 1 支撑板厚度以及支撑板允许不支撑的最大间距 壳体直 径 mm 400400 800900 1200 管子外 径 mm 19253857 支撑板 厚度 mm 6810 最大间 距 mm 1500180025003400 由于 D 800mm 查得支撑板厚度为 8mm 设置 2 块支撑板 拉杆和定距管 在保证大于或者等于所给的总截面积的前提下 拉杆的直径和数量可以变动 但是 其直径不得小于 10mm 数量不得小于 4 根 拉杆的数量定为 4 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 封头 封头有方形和圆形两种 方形用于小直径 400mm 的壳体 圆形用于大直径的壳 体 本设计选用圆形封头 缓冲挡板 为防止壳程流体进入换热器时对管束的冲击 可在进料管口装设缓冲挡板 14 接管 壳程流体进出口接管 取接管内饱和蒸汽流速为 则接管内径为 25 1 4 4 4 0 2936 0 18151 3 14 25 0 287 取标准管径为 299mm 6mm 管程流体进出口接管 取接管内卤水流速 25 1 4 4 0 067 3 14 1 2 0 267 取 273mm 6mm 无缝钢管 放气孔和排液孔 换热器的壳体上安有放气孔和排气孔 以排除不凝气体和冷凝液等 8 8 设计结果一览表设计结果一览表 换热器主要结构尺寸和计算结果表 参数管程壳程 进 出口温度 55 57 7365 5 65 5 流量 kg s 79 060 2936 物性温度 56 3765 5 密度 kg m3 1169 40 18151 定压比热容 kJ kg 3 39 黏度 mPa s 1 57 物 性 热导率 W m 0 6 形式管板式换热器壳程数 1 壳体内径 mm 800 台数 1 管径 mm 38 管心距 mm 48 管长 mm 6000 管子排列 管数 根 135 折流板数 个 0 传热面积 m2 95 0 折流板间距 mm 结 构 参 数 管程数 1 材质碳钢 主要计算结果管程壳程 流速 m s 0 62 污垢热阻 m2 W 1 7927 10 4 0 8598 10 4 热流量 kW 710 24 103 传热系数 W m2 979 9 15 9 9 设计评述设计评述 刚从老师那儿接收到设计任务的时候就觉得这次设计简单不了 刚开始着手设计时就 发现还真不简单 主要是因为平时学习不够刻苦 知识掌握的不够牢固 在计算的过程 中