天津大学本科生《化工原理》课程设计报告

1、天津大学2011级本科生化工原理课程设计报告设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计班级： 姓名:学号：指导教师：日期： 任务设计书1、 设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计2、 蒸发系统流程及有关条件见附图。3、 系统生产能力： 80 万吨/年。4、 有效生产时间：300天/年。5、 设计内容： 3 效预热器（组）第 3 台预热器的设计6、 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。7、 卤水为易结垢工质，卤水流速不得低于0.5m/s。附图接真空泵盐浆去脱水干燥系统板式换热器循环下水来自热电站的生蒸汽389kPa冷凝水循环

2、上水冷凝水冷凝水冷凝水盐浆盐浆盐浆28%V26%V24%V22%V556183105精制卤水V198.6kPa84.5kPa30.0kPa9.6kPaIIIIIIIV卤水分效预热系统35I效预热器（组）II效预热器（组）III效预热器（组）目录前言 5设计简介列管式换热器的简介设计条件说明6设计结果概要 7换热器主要部件的工艺计算 8相关的物性数据表 8设计任务相关换算 8换热器的热负荷计算 9换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定19换热器主要结构尺寸和设计结果26设计评述26符号说明27文献参考29前言一、设计简介：目前全国的食盐里面，海盐占的比例在逐年下降，大家平时吃的大部分都是井矿盐，我国

3、和世界大多数氯化钠的生产都采用水采工艺制得人工卤水，所谓人工卤水，乃是人为地将水加入固体盐或地下固体盐矿床中，使其溶解为含氯化钠较高的卤水，称为人工卤水。卤水经预处理后再用真空蒸发制成盐。真空蒸发制盐：根据卤水沸点随压力减低而下降的规律，在压力递减的多效蒸发罐组中，用生蒸汽（新鲜蒸汽）加热一效罐的卤水，使之沸腾蒸发，产生二次蒸汽用作次效罐的热源，并按所设效数依次传递，多次利用二次蒸汽，使各效罐的卤水蒸发析盐。蒸发操作的节能方法有一种就是分效预热。于是我们想用换热器来对每一效的卤水进行预热。通过换热器的分效预热，可以大大降低工厂的能耗。固定管板式换热器简介这类换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜

4、，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于6070和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失

5、去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、顶盖（又称封头）等部件构成。在圆形外壳内，装入平行管束，管束两端用焊接或胀接的方法固定在管板上，两块管板与外管直接焊接，装有进口或出口管的顶盖用螺栓与外壳两端法兰相连。它的特点是结构简单，没有壳侧密封连接，相同的壳体内径排管最多，在有折流板的流动中旁路最小，管程可以分成任何管程数，因两个管板由管子互相支撑，故在各种管壳式换热器中它的管板最薄，造价最低，因而得到广泛应用。这种换热器的缺点是：壳程清洗困难，有温差应力存在。当冷热两种流体的平均温差较大，或壳体和传热管材料膨胀系数相差较大，热应力超过材料的许用应力时，在壳体上

6、需设膨胀节，由于膨胀节强度的限制，壳程压力不能太高。这种换热器适用于两种介质温差不大，或温差较大但壳程压力不高，及壳程介质清洁，不易结垢的场合。二、设计条件说明1、我们小组设计第三效，分三个换热器完成任务，每个换热器的温度差为2C。2、换热器类型选择：(1)由于卤水为高粘度流体，卧式换热器的阻力太大，所以选用立式换热器。(2)由于壳程的加热介质为水蒸气，选用立式换热器有利于蒸汽与冷凝液的分离，换热效果更好。(3)从安装以及经济角度来说，立式的比卧式的安装更加简单，经济性更加优越。3、操作条件： 管程流体为卤水，壳程流体为30Mpa下的饱和水蒸气。4、卤水的物性参数表卤水典型组成/（g/L）Ca

7、2+Mg2+SO42-Cl-NaCl1.620.153.31178.20293.7635时卤水的物性参数密度/(kg/m3)1180恒压比热容/kJ/(kg. )3.39黏度/(mPa.s)2.3导热系数/W/(m. )0.57固体氯化钠晶体的密度：2200kg/m3盐浆能顺畅流动时的固相体积分率：0.605、附图：具有分效预热的卤水真空蒸发制盐系统（平流进料，顺流排盐）接真空泵盐浆去脱水干燥系统板式换热器循环下水来自热电站的生蒸汽389kPa冷凝水循环上水冷凝水冷凝水冷凝水盐浆盐浆盐浆28%V26%V24%V22%V556183105精制卤水V198.6kPa84.5kPa30.0kPa9.

8、6kPaIIIIIIIV卤水分效预热系统35I效预热器（组）II效预热器（组）III效预热器（组）6、设计方案的选定控制条件和设备类型的选择：1） 设备类型的选择换热器类型：立式固定管板式换热器管程壳程：单管程单壳程2） 操作条件：介质介质性质工作温度进/出工作压力KPa设计温度设计压力MPa壳程饱和水蒸气无毒无害66.5/66.5301501.0管程卤水易结垢55/57101.3251501.0三、设计结果概要换热器主要结构尺寸和设计结果：换热器形式：单管程固定管板式列管换热器换热面积/ 28.39工艺参数名称物料名称操作压力/kPa操作温度/流量/()管程卤水55/57104.872壳程水

9、蒸气30.066.50.3179流体密度/1168.10.19092流速/（m/s)0.8874.503传热量/KW741.88总传热系数/1059.40导热系数/0.6033750.02146传热系数/2665.557115.47污垢系数/阻力降/Pa2570.88推荐使用材料碳钢碳钢管子规格/mm管117根管长6000mm管子排列方式正三角形壳体内径/mm800四、换热器主要部件的工艺计算（一） 相关的物性数据1、卤水定性温度：t=56根据定性温度，通过类比水的变化规律得到56下卤水的物性数据为：密度定压比热容导热系数黏度2、 循环水蒸气定性温度T=66.5根据定性温度，查的66.5下水蒸

10、气的物性数据为：密度定压比热容导热系数黏度潜热（二）设计任务相关换算1、由物料衡算确定卤水流量；Nacl生产力W=80万吨/年，即得盐浆中的固相体积流率NaCl晶体密度盐浆中固相体积流率又盐浆能顺利流动时的固相体积分率x=0.60故盐浆中液相体积流率液相可看做饱和NaCl溶液，其中取NaCl占质量分数，溶液密度所以液相中NaCl的质量流率所以系统中总的NaCl质量流率卤水中的NaCl的组成为卤水的体积流率故进入第三效预热器的卤水流量卤水的质量流量（三）换热器的热负荷计算（取换热器热负荷的4%）1.热流量： 2.热流体流量：3.平均传热温差：（四）估算传热面积，确定换热器部件尺寸 1.参照书中表

11、格，按照经验数值初选总总传热系数K值，选取： 2.初算出所需的传热面积：3.主要工艺以及结构基本参数的计算：（1）换热管规格以及材质的选定。选用的碳钢管。 （2）选取管内流体流速：（3）管子的排列方式采用正三角形，管子与管板之间的连接采用焊接法。（4）管子数目和管长： 管数：根 （取140根） 计算单程管束的长度：（取4.5m）（5）按照公式初步估算外壳内直径，并确定壳体尺寸参数。换热器外径为38mm，则管心距应取t = 48mm。横过管束中心线的管子数： （取整14根）管束中心线上最外层管的中心至壳体内壁的距离： 所以 按照壳体直径标准系列尺寸圆整，取。 因为，管长径比合适。取换热管规格38

12、3mm，长6m，共140根是符合要求的。因卤水与水蒸汽均非强腐蚀性，工作压力与温度也不大，采用碳钢管材即可，既满足工艺条件的需求，经济性也较好。换热器立式放置，卤水自上端管内流下，可减小阻力，水蒸汽自下端壳程进入，有利于减小液膜厚度，增强冷凝传热。在换热器上端设置排气孔，以排除可能进入换热器的不凝气体，防止其危害冷凝传热，在换热器下端设置排液口，以排除冷凝水。换热管在管板上的固定，采用胀接法，利用胀管器将管子扩张，产生显著的塑形变形，靠管子与管板间的挤压力达到密封目的。由碳钢壳体的最低厚度表/mm选取壳体材质为碳钢，厚10mm。换热器管箱封头采用椭圆封头，因壳程水蒸汽为蒸汽冷凝，不需要折流挡板

13、。壳程流体的流动截面积Ao=D22-ndo22=0.8m22-1400.038m22=0.3437m2热负荷 Q=oVo，可得，水蒸汽的体积流率Vo=Qo=741.58kW0.19092kg/m32333.7kJ/kg=1.6651m3/s所以水蒸汽的流速uo=VoAo=1.6651m3/s0.3437m2=4.845m/s在壳程气体常用流速范围315m/s的范围内，壳体内径的选取是合理的。壳程接管采用插入式焊接结构，因为为立式换热器，管板较厚，壳程介质腐蚀性小，壳体材料为碳钢，选用结构如下图(尺寸根据实际需要改变)：因为蒸汽从壳程接管出来时流速较大，要在壳程进口接管处安装防冲挡板。因为是立式

14、换热器，其顶部结构如右图，方便其安装于拆卸作业。因为管子长度较大，且为竖直放置，为防止其因蒸汽而振动，还应设置一定数量的支撑板。（6）计算实际传热面积以及过程的总传热系数。实际传热面积：考虑面积裕度10%，可得： 过程的总传热系数： （五）管壳程压强降的校验 （1）管程压强降： 根据上述结果可知：管程数串联壳程数；对于的换热管，结构校正系数 摩擦阻力引起的压降： 由于： 可知管程内流体流动式湍流。对于碳钢管，取管壁粗糙度，则由关系图可得： 局部阻力引起的压强降： 取为1.3，则： （2）壳程压强降： 流体流过管束的压力降： 其中： F为管子排列方式对压力降的校正系数。正三角形排列：F=0.5.

15、则： 流体通过折流板缺口的压力降：由于没有折流板，所以该部分的压力降为0. 对于气体或者是可凝蒸汽，结垢校正系数。 则壳程压降： 由于本次设计无折流挡板，壳程压降已经非常小，一定会在工程设计要求范围内，并且数据有限，则压降可忽略不计。 由于管程压降超过要求，所以重新设定K值： （六）调整K值后重新核算压降调整K值后换热面积为假设管长为6m， 则管数：根 （取117根） （取整12根）管程流体流速： 壳内径： 按照壳体直径标准系列尺寸圆整，取。 实际换热面积以及过程的总传热系数实际传热面积： 过程的总传热系数： 壳体流体流速： 雷诺数： 管程压降： 壳程压降忽略不计。经过重新核算结果表明，管程、

16、壳程压降均能满足设计条件。（七）总传热系数的计算和校核 总传热系数由下式计算： 其中，管内流体的对流传热系数的计算： 其中： 符合公式的适用范围。因此： 估算壁温，按下述公式： 其中污垢热阻和管壁热阻： 查附录，可得碳钢的导热系数： 参考附录，根据经验值取：由于：将上述数据带入公式： 解得： 管间水蒸气对流传热系数： 定性温度下： 因此： 将上述结果再次带入壁温估算方程，得： 。 迭代两次，得： 此时两次迭代误差在1%以内，故可停止迭代取最后一次迭代值。取两侧的污垢热阻及碳钢材料的导热系数： 故： 所以： 符合设计要求。五、换热器主要构件尺寸与接管尺寸的确定换热器主要构件有封头、筒体法兰、管板

17、、筒体、折流板、支座等。主要接管有：流体进出口接管、排气管、排液管等。1. 壳体，管箱的系列尺寸确定（1） 筒体（壳体）壁厚的确定。 选取设计压力，壳体材料为Q235，查得其相应的许用应力；焊缝系数（单面焊），腐蚀裕度，所以 根据上表所列出的钢板厚度标准，确定钢板的材料为ICr18Ni9Ti，厚度为4mm。（2） 壳体、管箱壳体和封头的尺寸及质量壳体、管箱壳体和封头的尺寸由设计者根据设计参数确定。筒体的质量计算可参照下表。封头的尺寸和质量按照JB/T 473795选取。2. 进出口设计在换热器的壳体和管箱上一般均装有接管或接口以及进出口管。在壳体和大多数管箱的底部装有排液管，上部设有排气管，壳

18、侧也常设有安全阀接口以及其他诸如温度计，压力表，液位计和取样管接口。对于立式管壳式换热器，必要时还需要设置溢流口。由于在壳体、管箱壳体上开孔，必然会对壳体局部位置的强度造成削弱。因此，壳体、管箱壳体上的接管设置，除了考虑其对传热和压降的影响外，还应考虑壳体的强度以及安装、外观等因素。（1）流体进出口接管直径计算。 管程：变换进、出口接管，管程流体卤水可视为低粘度流体。 取，那么 根据书后附录，查得输送流体的标准管径，选取无缝热轧钢管。根据所选取的钢管规格，重新计算实际流速： 所计算出的实际流速基本符合要求。 壳程：冷凝气进、出口接管，壳程流体为饱和蒸汽， 那么： 根据书后附录，查得输送流体的标

19、准管径，选取无缝热轧钢管。根据所选取的钢管规格，重新计算实际流速： 所计算出的实际流速符合设计要求。（2）排气口与排液管本小组选用的换热器为立式换热器，排气口与排液管的结构如下图所示：为提高传热效率，排除或回收工作残液，换热器应在其壳程和管程的最高点、最低点分别设置排气、排液接管，接管的端部必须与壳体或管箱内壁平齐。（3）管板的确定管板结构如下： 表1-11 胀接管板的最小厚度换热器外径323857管板厚度/mm222532胀接管板的最小厚度，选取管板厚度为25mm。固定管板式换热器的管板主要尺寸，公称直径为800mm。(4)管箱和封头上下两封头均选用标准椭圆形封头，根据JB/T4337-95

20、标准，封头为：。如图所示，材料选用碳素钢。(5)温度补偿圈的选用。 由于温度差，所以不需要考虑补偿圈。(6)折流板和支撑板通过本次的设计计算可知，壳侧流体的流速已经满足换热要求,所以此换热器无需添加折流挡板。但是这样换热管的无支撑跨距会过大，容易发生震动或者绕度过大! Z9。对于本换热器中38mm外径的换热管，经查换热器手册可知其最大无支撑跨距为2500mm。而本换热器选用的是4m的碳钢管，超过了其最大无支撑跨距。故此处应添加支撑板来放置换热管产生过大的挠度。此时在换热器的中间添加一块支撑板即可满足需要。同时通过查阅换热器设计手册，对于800mm的壳体内径和2500mm的换热管最大无支撑跨距，

21、应选择JB/T4725-92耳座A3，尺寸为280mm的支撑板。(7)防冲板防冲板的设定：管程设置防冲板的条件：当管程采用轴向入口或换热管内流体流速超过3m/s时，应设防冲板，以减少流体不均匀分布和对换热管端的冲蚀。本设计采用横向入口，且换热管内流速小于3m/s。故管程不需设置防冲板。壳程设置防冲板或导流筒的条件：对蒸汽应设置防冲板。故此处应在壳程添加防冲板。本换热器接管为直管，选择将防冲板焊接在壳体上。（3） 拉杆与定距管对于换热管外径的管束，拉杆常用的结构型式为拉杆定距管结构。根据下表，确定拉杆数量为6根和拉杆直径为16mm：拉杆的布置：拉杆应尽量布置在管束的外边缘定距管尺寸：定距管的尺寸

22、，一般与所在换热器的换热管规格相同。此时即选用的碳钢管作为定距管。（4） 立式支座 公称直径的立式换热器，采用两个耳式支座。根据JB/T4725-92选定 3.换热器结构之间的连接（1） 传热管与管板的连接胀接前后示意图 胀接前 胀接后，公称压力。采用图1-24（a）。（2） 拉杆与管板的连接 采用将拉杆拧入管板的可拆螺纹连接六、换热器主要结构尺寸和设计结果换热器形式：单管程固定管板式列管换热器换热面积/ 28.39工艺参数名称物料名称操作压力/kPa操作温度/流量/()管程卤水55/57104.872壳程水蒸气30.066.50.3179流体密度/1168.10.19092流速/（m/s)0.8874.503传热量/KW741.88总传热系数/1059.40导热系数/0.6033750.02146传热系数/2665.557115.47污垢系数/阻力