【《氯碱工业中电解工序湿氯气的工艺处理主要设备的设计及选型分析》2300字】

毕业设计PAGE23氯碱工业中电解工序湿氯气的工艺处理主要设备的设计及选型分析目录TOC\o"1-3"\h\u8321氯碱工业中电解工序湿氯气的工艺处理主要设备的设计及选型分析 1142021.1第一段钛冷却器 1315711.1.1确定设计方案 122791.1.2确定物性数据 2149771.1.3设计计算 296301.1.4第一段钛冷却器的核算 3306461.2第二段钛冷却器 7198581.2.1第二段钛冷却器的核算 751891.3换热器附件 985221.3.1管板 10268951.3.2壳程接管法兰 10201501.3.3管程接管法兰 1027041.3.4管箱 10259861.3.5封头 111.1第一段钛冷却器1.1.1确定设计方案从电解装置出来的氯气一般温度较高，并伴有大量的杂质，如水蒸气和盐雾等。这种液态氯对钢铁及大多数金属都有强烈的腐蚀作用。只有某些金属或非金属材料在特定条件下能抵御湿氯气的腐蚀。故而决定使用钛钢材料作为换热管，冷却水从壳程走，湿氯气从管程走，并采用逆流流动方向。氯气进口温度80℃，出口温度46℃；冷却水进口温度20℃，出口温度30℃。1.1.2确定物性数据1.湿氯气和冷却水的平均温度T湿氯气＝（Ti＋To）/2＝（80＋46）/2＝63℃T冷却水＝（ti＋to）/2＝（20＋30）/2＝25℃2.平均温度下的物性数据见下表表5-1物性数据物料项目单位数据物料项目单位数据水密度g/cm30.99708氯气密度kg/m357.84粘度Pa•s0.0008937粘度Pa.s1516.8×10-8导热系数W/(m•℃)0.60825导热系数kcal/(m•h•℃)0.00819比热容J/(g•℃)4.1796比热容kcal/(kg•℃)0.591水蒸气密度kg/m30.1506不凝气体密度kg/m31.016粘度Pa.s1.055×10-5粘度Pa.s2.02×10-5导热系数kcal/(m•h•℃)0.01895导热系数kcal/(m•h•℃)0.02425比热容kcal/(kg•℃)0.459比热容kcal/(kg•℃)0.243μ平＝1516.8×10-8×81.53％+1.055×10-5×17.54％+2.02×10-5×0.93％＝14.4×10－6Pa•sρ平＝57.84×81.53％+0.1506×17.54％+1.016×0.93％＝47.193kg/m3λ平＝0.819×10－2×81.53％+1.895×10－2×17.54％+2.425×10－2×0.93％＝1.02×10－2kcal/(m•h•℃)＝1.186×10－2w/(m•℃)Cp平＝0.591×81.53％+0.459×17.54％+0.243×0.93％＝0.565kcal/(kg•℃)=2.365J/(g•℃)1.1.3设计计算1.热负荷QQ=(532899-117150)×8000/7992=416165kJ/h=111.6kw2.由《氯碱工业理化常熟手册》中查知，第一段钛冷却器的总传热系数范围在407—640w/(m2•℃)，假设K=520w/(m2•℃)则估算的传热面积为A=Q/KΔtm(5-1)其中，Q——换热器热负荷，WK——总传热系数，W/(m2•℃)Δtm——对数平均温差，℃.Δtm=＝＝36.7℃则由式（5-1）得A=111.6×103/(520×36.7)=6.06m2考虑10％的面积裕度，则所需传热面积为：A0=1.1A=1.1×6.066.7m23.选用Φ19×2mm，4.5m长的Ti－0.3Mo－0.8Ni钛钢管，则所需管数N=(5-2)其中，A0——传热面积，m2d——换热管外径，ml——换热管长度，mN==25根参考碳钢Φ19排管图，管子按照三角形排列，从而确定要排30根管，管子中心间距为25mm.1.1.4第一段钛冷却器的核算1.壳程流体传热膜系数αo用克恩法计算αo＝0.36（）Re0.55Pr1/3（）0.14(5-3)其中，λ——导热系数，W/(m2·℃)，de——当量直径/m，是指管子的外径，Re——雷诺数Pr——普兰特准数，表明温度边界层和流动边界层的关系，反映流体物理性质对对流传热过程的影响。(1)当量直径de＝(5-4)＝＝0.017m其中，t——管子中心间距，m，do——换热管外径，m(2)壳程流通截面积So＝BD(1-)(5-5)＝0.48×0.6（1－0.019/0.025）＝0.07m2其中，D——壳体公称直径，m，折流板间距取B=0.8D=0.8×0.6=0.48m，(3)壳程流体流速uo＝Vs/So(5-6)＝＝0.04m/s其中，Vs——流体在壳体的体积流量，m3/h。(4)雷诺数Re＝(5-7)＝＝759其中，uo——流体在壳程的流速，m/s，ρ——流体密度，kg/m3，μ——流体粘度，pa·s。(5)普兰特准数Pr＝(5-8)＝＝6.14其中，Cp——流体比热，kJ/(kg·℃)。粘度校正（）1.05，则由式（5-3）得：αo＝0.36×0.60825/0.017×7590.55×6.141/3×1.050.14＝911W/(m2·℃)2.管内传热膜系数αiαi＝0.023Re0.8Pr0.3(5-9)(1)管程流体流通截面积Si＝＝0.785×0.0152×30/6＝0.00089m2(2)管程流体流速ui=Vs/Si=＝7.1m/s(3)雷诺数Rei＝＝＝350195(4)普兰特准数Pr＝＝＝2.872则由式（5-9）得：αi＝0.023×0.01186/0.01505×3501950.8×2.8720.3＝678W/(m2·℃)3.污垢热阻和管壁热阻管外侧污垢热阻：Rso＝1.7197×104m2·℃/W管内侧污垢热阻：Rsi＝0.0002m2·℃/WTi－0.3Mo－0.8Ni在该条件下的导热系数为0.046kcal/（s·cm2·℃），即λw＝0.046×4.1868×102＝19.26W/(m2·℃)4.总传热系数＝+Rso++Rsi+(5-10)＝+0.00017197++0.0002×+＝0.0035求得K1=281.7W/(m2•℃)1.校核有效平均温差R1=＝＝3.4P1=＝＝0.167因为φΔt1＝×(5-11)=×=0.96所以Δtm1＝φΔt1Δtm(5-12)=0.96×36.7=31.23℃其中，Δtm——按逆流计算的对数平均温度差，℃φΔt——温度差校正系数。Δt=Tm1－tm1＝63－25＝38℃<50℃该温差较小，不需设温度补偿装置，因此选用固定管板式换热器。1.2第二段钛冷却器第一段冷却器出来的氯气进入第二段冷却器从而进一步冷却。考虑到车间布置、设备维修等一些因素，第二段钛冷却器与第一段钛冷却器应选同一型号，再进行核算。氯气进口温度46℃，出口温度18℃；冷却水进口温度4℃，出口温度8℃。1.2.1第二段钛冷却器的核算1.热负荷QQ2=(86014-21690)×7200/（7200×3600）=17.88kw2.氯气和冷却水的平均温度T氯气=（46+18）/2=32℃t冷却水=（4+8）/2=6℃3.平均温度下的物性数据见下表表5-2物性数据物料项目单位数据物料项目单位数据冷却水密度kg/m3999.97氯气密度kg/m328.922粘度Pa.s0.0014728粘度Pa•s1376.2×10-8导热系数W/(m•℃)0.56522导热系数W/(m•℃)0.007406比热容J/(g•℃)4.1999比热容J/(g•℃)0.4864.壳程传热膜系数αode=0.017m，So=0.07m2，uo＝Vs/So＝＝0.015m/sReo＝＝＝173Pr＝＝＝10.94粘度校正（）0.141，则由式（5-3）得：αo＝0.36×0.56522/0.017×1730.55×10.941/3×1=452W/(m2·℃)1.管内传热膜系数αiSi＝＝0.785×0.015052×30/6＝0.00089m2ui=Vs/Si＝＝9.95m/sRei＝＝＝309963Pr＝＝＝0.903则由式（5-9）得：αi＝0.023×0.007406/0.01505×3099630.8×0.9030.3＝271W/(m2·℃)6.管壁热阻和污垢热阻管外侧污垢热阻：Rso＝1.7197×106m2·℃/W管内侧污垢热阻：Rsi＝0.0002m2·℃/WTi－0.3Mo－0.8Ni在该条件下的导热系数为0.046kcal/（s·cm2·℃），即λw＝0.046×4.1868×102＝19.26W/(m2·℃)7.总传热系数由式（5-10）得：=+Rso++Rsi+=+0.00017197++0.0002×+=0.00739求得K2=135W/(m2•℃)8.校核有效平均温差R2=＝＝7P2=＝＝0.095由式（5-11）得：φΔt2＝×=0.97对数平均温差Δtm0=＝＝24℃由式（5-12）得：Δtm2＝φΔt2Δtm0=0.97×24=23.28℃1.3换热器附件选用Dg600的标准作为设计参考1.3.1管板表5-3管板公称直径DD1D2D3D5=D6D7螺栓孔数800930890790793800850321023321.3.2壳程接管法兰表5-4接管法兰螺栓