天津大學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)講解

1、化工原理課程設(shè)計(jì)報告真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預(yù)熱器設(shè)計(jì)學(xué)院天津大學(xué)化工學(xué)院專業(yè)化學(xué)工程與工藝班級學(xué)號姓名指導(dǎo)教師天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告化工流體傳熱課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班級 姓名 學(xué)號（編號）（一）設(shè)計(jì)題目：真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預(yù)熱器設(shè)計(jì)（二）設(shè)計(jì)任務(wù)及條件1、蒸發(fā)系統(tǒng)流程及有關(guān)條件見附圖。2、系統(tǒng)生產(chǎn)能力： 40 萬噸 /年。3、有效生產(chǎn)時間： 300 天/年。4、設(shè)計(jì)內(nèi)容： 效預(yù)熱器（組）第 3 臺預(yù)熱器的設(shè)計(jì)。5、鹵水分效預(yù)熱器采用單管程固定管板式列管換熱器，試根據(jù)附圖中鹵水預(yù)熱 的溫度要求對預(yù)熱器（組）進(jìn)行設(shè)計(jì)。6、鹵水為易結(jié)垢工質(zhì)，鹵水流速

2、不得低于 0.5m/s。7、換熱管直徑選為 383mm。（三）設(shè)計(jì)項(xiàng)目1、由物料衡算確定鹵水流量。2、假設(shè) K 計(jì)算傳熱面積。3、確定預(yù)熱器的臺數(shù)及工藝結(jié)構(gòu)尺寸。4、核算總傳熱系數(shù)。5、核算壓降。6、確定預(yù)熱器附件。7、設(shè)計(jì)評述。（四）設(shè)計(jì)要求1、根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求編制詳細(xì)設(shè)計(jì)說明書。2、按機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，繪制預(yù)熱器的工藝條件圖（ 2#），注意工藝尺寸和結(jié) 構(gòu)的清晰表達(dá)。天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告設(shè)計(jì)說明書的編制按下列條目編制并裝訂： （統(tǒng)一采用 A4 紙，左裝訂）（1）標(biāo)題頁，參閱文獻(xiàn) 1 附錄一。（2）設(shè)計(jì)任務(wù)書。（3）目錄。（4）說明書正文 設(shè)計(jì)簡介：設(shè)計(jì)背景，目

3、的，意義。 由物料衡算確定鹵水流量。 假設(shè) K 計(jì)算傳熱面積。 確定預(yù)熱器的臺數(shù)及工藝結(jié)構(gòu)尺寸。 核算總傳熱系數(shù)。核算壓降。 確定預(yù)熱器附件。設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表。 設(shè)計(jì)評述。（5）主要符號說明。（6）參考文獻(xiàn)。（7）預(yù)熱器設(shè)計(jì)條件圖。主要參考文獻(xiàn)1. 賈紹義，柴誠敬 . 化工原理課程設(shè)計(jì) . 天津: 天津大學(xué)出版社 , 20022. 柴誠敬，張國亮 . 化工流體流動和傳熱 . 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社 , 20073. 黃璐，王保國 . 化工設(shè)計(jì) . 北京 : 化學(xué)工業(yè)出版社 , 20014. 機(jī)械制圖自學(xué)內(nèi)容：參考文獻(xiàn) 1，第一章、第三章及附錄一、三；參考文獻(xiàn) 2，第五 七章；參考文獻(xiàn)

4、3，第 1、3、4、5、11 部分。天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告具有分效預(yù)熱的鹵水真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)（平流進(jìn)料，IIIIII鹽鹽鹽漿漿漿來自熱電站的生蒸汽 97.3kPa 16.8kPa 71.3kPa287.7kPa順流排鹽）91.7kPaIV22%V22%V接真空泵板式換熱器鹽漿去脫水干燥系統(tǒng)精制鹵水 V循環(huán)下水35循環(huán)上鹵水分效預(yù)熱系冷凝水冷凝水冷凝水24%V552+ 2+ Ca MgSO42-Cl - NaCl1.62 0.153.31178.20 293.7635時鹵水的物性參數(shù)密度 /(kg/m 3)1180恒壓比熱容 /kJ/（kg.)3.39黏度 /(mPa.

5、s)2.3導(dǎo)熱系數(shù) /W/（m.)0.57鹵水典型組成 /（g/L ）固體氯化鈉晶體的密度： 2200kg/m 3 鹽漿能順暢流動時的固相體積分率： 0.60 當(dāng)?shù)卮髿鈮海?101.3kPaI 效預(yù)熱器（組）II 效預(yù)熱器（組）III 效預(yù)熱器 （組）目錄一、設(shè)計(jì)簡介 11.1 設(shè)計(jì)背景 11.2 設(shè)計(jì)目的 11.3 設(shè)計(jì)意義 1二、項(xiàng)目設(shè)計(jì) 12.1 流徑選擇 12.2 物料衡算 22.3 假設(shè) K 計(jì)算傳熱面積 22.4 確定預(yù)熱器臺數(shù)及計(jì)算工藝結(jié)構(gòu)尺寸 32.5 核算總傳熱系數(shù) 42.6 核算壓降 52.7 確定預(yù)熱器附件 5三、設(shè)計(jì)總結(jié) 1 13.1 設(shè)計(jì)概況一覽表 1 13.2 設(shè)計(jì)

6、評述 1 3四、符號說明 1 3五、參考文獻(xiàn) 1 4天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告一、設(shè)計(jì)簡介1.1 設(shè)計(jì)背景鹽，既是生活必需品，又是化工業(yè)的基本原料，被稱為“工業(yè)之母”。以其為主要原料 制成的“兩堿”（純堿和燒堿）被廣泛應(yīng)用于紡織、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、有色金屬、冶金、電力、 軍工等多種行業(yè)。在中國，根據(jù)來源和生產(chǎn)方法可將原鹽分為三類：以海水為原料曬制而得的海鹽；開采 現(xiàn)代鹽湖礦制得的湖鹽；開采地下天然鹵水或古代巖鹽礦床制得的井礦鹽又稱巖鹽。 其中以 巖鹽分布最為廣泛，開采也最為成熟，因此，在我國內(nèi)陸普遍鹽工業(yè)所使用的為巖鹽。1.2 設(shè)計(jì)目的本次給全班分配的任務(wù)為制鹽年產(chǎn)量40 萬噸

7、，該過程通過一套真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)來滿足生產(chǎn)需要。在該鹵水真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)中添加了預(yù)熱器，通過三臺以蒸發(fā)二次蒸汽作為熱 源的預(yù)熱器來回收利用各效蒸發(fā)器的二次蒸汽，達(dá)到能量多級回收利用，提高能量利用率。 我組負(fù)責(zé)第二效第三臺換熱器的設(shè)計(jì)，第二效換熱器目的是將54%的鹵水由 61提升到83，其中第三臺換熱目標(biāo)為將鹵水由78提升到 83。1.3 設(shè)計(jì)意義通過本次設(shè)計(jì)，來鞏固化工流體與傳熱和化工設(shè)計(jì)中關(guān)于流體流動、傳熱，換熱器設(shè)計(jì) 的相關(guān)內(nèi)容， 自學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)中部分內(nèi)容， 練習(xí)查閱相關(guān)的資料與行業(yè)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、 化工標(biāo)準(zhǔn)與推薦標(biāo)準(zhǔn)。了解換熱器的構(gòu)成、運(yùn)行原理以及裝配要求，掌握 office 軟件

8、Word 的格式編輯等應(yīng)用，重新熟練機(jī)械制圖關(guān)于繪圖的標(biāo)準(zhǔn)要求，熟練 AutoCAD 制圖操作。二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)2.1 流徑選擇在本次設(shè)計(jì)中，鹵水作為冷流體，為易結(jié)垢物質(zhì)，不易清洗，而且對設(shè)備腐蝕性較大， 因此選擇鹵水走管程。二次蒸汽作為熱流體，較為清潔，傳熱系數(shù)也較大，因此走殼程。天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告2.2 物料衡算出口鹵水為 45，飽和氯化鈉溶解度36.9g，換算為質(zhì)量濃度為 313.2g/L .則單位體積鹵水產(chǎn)鹽量為：293.7622000.6022000.60+313.20.40= 268.30g / L則第二效換熱器的流量為：=4 108= 268.30300

9、 2430.54= 111.82m3 / h鹵水組成表如下：Ca2+2+Mg 2+2-SO42-ClNaCl1.620.153.31178.20293.76固體氯化鈉的密度： 2200kg/m 3 最終鹵水固相體積分率： 0.602.3 假設(shè) K 計(jì)算傳熱面積第二效預(yù)熱器中鹵水的升溫區(qū)間為61 至 83 攝氏度，故鹵水的定性溫度為：tm(83+ 61)2=72C由定性溫度經(jīng)水的變化規(guī)律推算出72時，鹵水的物性參數(shù)如下：溫度 t恒壓熱容 C pJ/(kg )表 2： 72下鹵水的物性參數(shù)表密度 熱導(dǎo)率 k粘度3 W/（ m）PaSkg/m72 3405 1162.6 0.612 0.002計(jì)算傳

10、熱量 Q：111.821180340522Q =V2 r CP (T2 - T1)= 2745.61kW2 P 2 1 3600對數(shù)平均溫度為：t1 95 83 12t2 95 61 34tmltn2 t2t1 21.1t1又假設(shè) K = 660W /C，則S= K QDtm =32745.6 1032=197m 66021.12天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告2.4 確定預(yù)熱器臺數(shù)及計(jì)算工藝結(jié)構(gòu)尺寸由公式 Cp V (T2 - T1) = KS0Dtm 可迭代計(jì)算得二效換熱器分為三臺，其溫度區(qū)間分別為 6171、 7178、7883 ，本組將設(shè)計(jì)第二效第三臺換熱器。換熱器選用

11、383mm 不銹鋼換熱管， 按照正三角形排列將管數(shù)定為 61 根， 管間距 0.048m，考慮到鹵水 為易結(jié)垢工質(zhì)，為便于清洗，采取立式固定管板式列管換熱器。第二效第三臺預(yù)熱器中鹵水的升溫區(qū)間為 78至 83攝氏度，故鹵水的定性溫度為：tm =(83 + 78)2= 80.5C由定性溫度經(jīng)水的變化規(guī)律推算出80.5時，鹵水的物性參數(shù)如下：80.5下鹵水的物性參數(shù)表溫度 tC 恒壓熱容 C pJ/(kg )密度熱導(dǎo)率 k粘度80.53411kg/m31157.5W/( m)PaS0.6170.0019計(jì)算傳熱量 Q：Q=V對數(shù)平均溫度為：CP (T2 - T1) = 111.8211803411

12、5 = 625.101kW P 2 1 3600Dt1 =95- 83 =12CDt2 =95- 78 = 17CDtmDt2 - Dt1ln( Dt2 / Dt1)=14.4C又假設(shè) K =700W /2(m2則S=Q = 625.101103 =62m2K Dtm700 14.4換熱管長度確定為：S62L = 8.52mnpdo613.140.038所以選定長度為 9 米的換熱管。天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告2.5 核算總傳熱系數(shù)4111.82首先計(jì)算流速：4Vub = npdi2 = 613.140.0322 3600 = 0.63m / s管內(nèi)對流傳熱系數(shù)：nk d

13、iubr 0.8 hi = 0.023 ( i b )0.8 dim管外對流傳熱系數(shù)：to - tw1+Rso hotw - ti1+Rsi hiho =1.13r (r - rv)gl k ? mL (tsat - tw)3?溫度 t密度 v密度 熱導(dǎo)率 k粘度 kg/m3kg/m3W/( m)PaS92.850.4460963.3050.6810.00030567壁溫和管外對流傳熱系數(shù)兩個式子迭代計(jì)算得壁溫為90.7，則水的定性溫度為 92.85。92.85下水的物性參數(shù)表95下水的汽化潛熱為 2270900J/(kg ) 管外對流傳熱系數(shù)：ho =1.13963.305(963.305-

14、 0.446) 9.8122709000.6813 ?0.000305679 (95- 90.7)4=5476.4W/(m2C)根據(jù)書后附錄污垢熱阻 Rso=0.8598 10-4W/(m2)；Rsi=1.7197 10-4W/( m2)所以由總傳熱系數(shù) :Ko=1dodobdo1+Rsi +Rso +dihi dikdmhohi = 0.0230.032 ( 壁溫的確定：0.00190.617 0.0320.631157.5)0.8 (34110.0019)0.4 = 2122.31W / (m2 C)0.617天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為 17.4W/

15、 ( m2 )；對數(shù)平均直徑 dm = do - di = 38- 32 = 34.9C m ln(do /di) ln(38 / 32)Ko =38 38+32 2122.31 321.719710-4 + 0.00338 + 0.859810- 4 +17.434.915476.42= 819.6W / (m2 C)將結(jié)果進(jìn)行比較：Ko /K = 819.6/ 700=1.17? 1.15,1.25 故該結(jié)果可靠。2.6 核算壓降管程總壓降為：? Dpi =(Dp1 +Dp2)FtNsNp 其中 Ns取 3；Np取 1；Ft 取 1.3。Dp1 =l2 L rub d2= 0.0349 1

16、157.5 0.6320.032 2= 2.197kPa其中 由 Re和 e/d 共同查圖確定。 對于不銹鋼粗糙度 e取 0.0001，計(jì)算得雷諾數(shù) Re=12281.7, 由書中附圖確定 =0.034 。2 r ub Dp2 =3(2)=3(21157.50.6322) = 0.689kPa則總壓降為：? Dpi =(0.689+2.197)131.3=11.26kPa? 10kPa,100kPa 故管程壓降合理。殼程為蒸汽冷凝不允許有過大的壓降，故暫時不進(jìn)行核算。10mm。2.7 確定預(yù)熱器附件2.7.1 殼程管心距由化工流體流動與傳熱表 6-4 確定為 48mm 。所以殼體內(nèi)徑：D =

17、t(1.1 n-1)+(2 3)do = 500mm殼體厚度根據(jù)化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)中建議取殼體壁厚天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告2.7.2 封頭根據(jù) GB/T25198-2010 對封頭的要求，選取以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的橢圓形EHA封頭，公稱直徑D N=500mm 。選取公稱直徑為 500mm的 EHA封頭總深度 H=150mm,于是 h=25mm。封頭名義厚度與殼程厚度 一致取 10mm，封頭質(zhì)量為 24.7kg。2.7.3 接管2.7.3.1 管程接管d=3.140.6336004111.82=25mm故選取 313mm 的管程接管。2.7.3.2 殼程接管 殼程蒸汽冷凝

18、蒸汽流量為VG =Qlr V625100360022709000.4463= 0.617m3 /s根據(jù)課本中經(jīng)驗(yàn)，蒸汽流速取故入口接管直徑為：40m/s。VL =VG r V = r0.617 0.446 = 2.910- 4 m3 / s963.305天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告4V4 0.617d= = = 140mmpub3.1440冷凝水流量為冷凝水流速取 1.0m/s故出口接管直徑為：d=4 2.910- 43.141.0= 19.2mm出于配合法蘭尺寸以及換熱效果的考慮，選擇1594.5mm 和 252.5mm 殼程接管。2.7.3.3 排氣、排液管根據(jù) GB1

19、51-1999 排氣、排液管口徑不小于20mm 的要求選取 252.5mm 的排氣、排液管。2.7.4 法蘭2.7.4.1 壓力容器法蘭根據(jù) JB47004707-2000 要求，封頭法蘭選取公稱直徑 DN=500mm 的甲型平焊法蘭。與兼作 法蘭的管板對接，密封面選取凹凸面密封。天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告其中 D =615mm; D 1=580mm; D 2=550mm; D 3=540mm; D 4=357mm; =30mm; d=18mm ；螺柱型號 M16 ，數(shù)量 20 個。零件圖如下。2.7.4.2 管法蘭根據(jù) HG/T20592-2009 相關(guān)要求，對管程接管

20、法蘭、殼程接管法蘭和排氣、排液管法蘭型號 分別為 DN25B 、D N150B 和 DN20B。其尺寸符合公制管標(biāo)準(zhǔn)。8天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告2.7.5 管板選取管板兼作法蘭的管板。根據(jù) GB151-1999 要求，換熱管直徑 25do 50，所以最小厚度 =30mm ，管孔直徑 =38.4mm 。min0.7do=26.6mm，配合法蘭尺寸，選其厚度2.7.6 墊片根據(jù) JB4720-1992 要求，按其溫度壓力要求選取石棉橡膠墊片。尺寸 D =539mm ， d=503mm ， =3mm 。2.7.7 拉桿定距管天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告根據(jù)

21、 GB151-1999 相關(guān)要求，選定 4 根直徑 16mm 的拉桿定距管。排布位置見附圖。2.7.8 支持板、防沖板、折流擋板 根據(jù) GB151-1999 相關(guān)要求，383mm 換熱管最大無支撐跨距為 2500mm ，所以選用 3 塊支持板。管程流速小于 3m/s， 故不需要防沖板，殼程蒸汽冷凝 ub2713.6 2230，故不需要防沖板，同時也不安裝折流擋 板。2.7.9 連接方式設(shè)計(jì)壓力 4Mpa; t300，所以換熱管和管板之間選取強(qiáng)度脹接的連接方式。換熱管伸出 長度選取最小值 4mm。管板厚度 12mm，公稱壓力 1Mpa ，所以管板與殼體之間焊接方式見下圖10天津大學(xué) 2013 級

22、本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告三、設(shè)計(jì)總結(jié)3.1 設(shè)計(jì)概況一覽表鹵水溫度要求78 83流徑選擇鹵水走管程，蒸汽走殼程鹵水流量111.82m3/h蒸汽流量0.617m 3/h鹵水定性溫度80.5傳熱量625.101kW換熱面積265.5m2總傳熱系數(shù)（選）2700W/(m 2)總傳熱系數(shù)（計(jì)）819.6 W/(m 2 )安全系數(shù)1.17對數(shù)平均溫度14.4壁溫90.7水定性溫度92.85管外對流傳熱系數(shù)2ho=5476.4 W/(m 2 )管內(nèi)對流傳熱系數(shù)2hi=2122.3 W/(m 2 )管外污垢熱阻Rso=0.8598 10-4 W/(m 2 )11天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)

23、報告管內(nèi)污垢熱阻-4 2Rsi=1.7197 10-4 W/(m 2)換熱管對數(shù)平均直徑34.9mm總壓降11.26kPa相關(guān)物性參數(shù)72下鹵水的物性參數(shù)表溫度 tC 恒壓熱容 C pJ/(kg )密度kg/m3熱導(dǎo)率 kW/（ m）粘度PaS7234051162.60.6120.00280.5下鹵水的物性參數(shù)表溫度 t恒壓熱容 C p密度熱導(dǎo)率 k粘度J/(kg )kg/m3W/( m)PaS80.534111157.50.6170.001992.85下水的物性參數(shù)表溫度 t密度 v密度 熱導(dǎo)率 k粘度 kg/m3kg/m3W/( m)PaS92.850.4460963.3050.6810.

24、00030567換熱管數(shù)管長度殼體封頭容器法蘭管板拉桿定距管排氣、液管619mDN500EHA DN500DN500DN50016 4 根252.5mm12天津大學(xué) 2013 級本科生化工原理課程設(shè)計(jì)報告管程接管殼程接管鋼管法蘭 313mm 159 4m.5mDN20B DN25B D N150B3.2 設(shè)計(jì)評述在此次課程設(shè)計(jì)中，綜合的運(yùn)用了物料衡算，熱量衡算，對流傳熱系數(shù)的計(jì)算與確定， 附件尺寸的計(jì)算與確定，對于附件標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)查詢，利用AutoCAD畫圖，利用 Word 編撰報告書等知識，在計(jì)算開始前，將化工流體流動與傳熱，化工設(shè)計(jì)進(jìn)行了重新閱讀、復(fù)習(xí)，并自 學(xué)了化工原理課程設(shè)計(jì)一書中相關(guān)內(nèi)容

25、，參考化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)，化工設(shè)備設(shè)計(jì) 基礎(chǔ)等書，對于不懂和有疑惑的地方在學(xué)習(xí)群中與老師和同學(xué)互相交流，在計(jì)算與確認(rèn)過程 中分組合作，分別計(jì)算，共同校對結(jié)果，改正不完善的過程，又各自閱讀了許多參考文獻(xiàn)， 加上自己的理解與看法，通過互相交流，便得到了更多的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。由于在此前的學(xué)習(xí)過 程中從未系統(tǒng)而完整的運(yùn)用過整本書的內(nèi)容，只是在各個章節(jié)中練習(xí)已經(jīng)經(jīng)過簡化的題目， 在正式的計(jì)算過程中出現(xiàn)了很多問題，例如在求取管外對流傳熱系數(shù)中設(shè)計(jì)壁溫的確定，需 要聯(lián)系不同的物性參數(shù)進(jìn)行迭代求解，而我們在最初的計(jì)算中則忽略的物性的變化，得到了 錯誤的結(jié)果，但隨后及時的更正了，并且由于計(jì)算過程復(fù)雜，又需要重復(fù)多次，出于簡便的 考慮，套用百度中水的物性參數(shù)表為參數(shù)庫，編寫了一個簡單的迭代運(yùn)算程序來進(jìn)行壁溫與 管外對流傳熱系數(shù)的計(jì)算，但由于小數(shù)位保留問題，存在約 0.