化工原理課程設(shè)計碳酸鈉溶液蒸發(fā)濃縮的換熱器設(shè)計

1、中南民族大學(xué)化工原理課程設(shè)計題目碳酸鈉溶液蒸發(fā)濃縮的換熱器設(shè)計學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 專業(yè) 化學(xué)工程與工藝 學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 完成日期： 2015年 6 月 1 日課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱化工原理課程設(shè)計課程代碼01042010設(shè)計時間2015.5.25-2015.6.14指導(dǎo)教師專 業(yè)化學(xué)工程與工藝班 級1201一、課程設(shè)計任務(wù)（題目）及要求（1） 設(shè)計任務(wù)： 碳酸鈉溶液蒸發(fā)濃縮的換熱器設(shè)計 濃縮用料為碳酸鈉溶液，進(jìn)料濃度為15%，最后濃縮至35%，進(jìn)料量為5000kg/h，加熱蒸汽的品質(zhì)為500kpa，設(shè)備總數(shù)65套，使用列管式換熱器，并且采用三效并流加料蒸發(fā)流程。設(shè)計條件如下：操

2、作壓力 kpa(塔頂表壓)生蒸汽壓力 500kpa進(jìn)料熱狀況 100氣候條件 忽略試根據(jù)上述工藝條件作出蒸餾塔的設(shè)計計算。設(shè)計基本資料見主要參考資料。（二）設(shè)計要求1、學(xué)生應(yīng)在老師指導(dǎo)下獨立完成，題目不可更換。2、查閱相關(guān)資料，自學(xué)具體課題中涉及到的新知識。3、最后提交的課程設(shè)計成果包括：a)課程設(shè)計說明書紙質(zhì)文件及電子文件。b)課程設(shè)計相關(guān)設(shè)計圖紙質(zhì)文件及電子文件。二、對課程設(shè)計成果的要求（包括課程設(shè)計說明書、圖紙、圖表、實物等軟硬件要求）1、分析課程設(shè)計題目的要求；2、寫出詳細(xì)設(shè)計說明；3、寫出詳細(xì)計算過程、經(jīng)驗值的取舍依據(jù)；4、設(shè)計完成后提交課程設(shè)計說明書及相關(guān)設(shè)計圖；5、設(shè)計說明書應(yīng)內(nèi)

3、容充實、寫作規(guī)范、項目填寫正確完整、書面整潔、版面編排、圖表繪制符合要求。6、計算過程使用的符號符合參考資料中的要求，設(shè)計內(nèi)容按參考資料設(shè)計示例執(zhí)行。理論塔板數(shù)的求取用逐板計算法。af和wd的求取按自己推導(dǎo)的公式進(jìn)行。三、主要參考資料1 涂偉萍，陳佩珍，程達(dá)芳.化工過程及設(shè)備設(shè)計.化學(xué)工業(yè)出版社,2000.6. 指導(dǎo)教師簽字：目 錄課程設(shè)計任務(wù)書2摘要4abstract the importance of the design, the design of the process flow and the selection of the equipment are introduced.4前

4、言5第1章 一號換熱器61.1計算和選用換熱器的規(guī)格61.2計算總傳熱系數(shù)61.2.1計算傳熱面積61.2.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸71.2.3換熱器核核算8第2章 二號換熱器112.1計算初選換熱器的規(guī)格112.2計算總傳熱系數(shù)122.2.1計算傳熱面積122.2.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸122.2.3換熱器核核算13第三章 三號換熱器173.1、確定物性數(shù)據(jù)173.2計算總傳熱系數(shù)173.2.1熱流量173.2.2、平均溫差熱173.2.3總傳熱系數(shù)k173.3計算傳熱面積173.4工藝結(jié)構(gòu)尺寸173.5、三號換熱器熱量核算183.5.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：183.5.2當(dāng)量直徑：183.5.3殼程流通截面積：

5、183.5.4管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：193.5.5管程流體流通截面積：193.5.6管程流體流速：193.6換熱器內(nèi)流體的流動阻力193.6.1管內(nèi)193.6.2殼程阻力20參考文獻(xiàn)21致謝22附錄23摘要概要介紹本設(shè)計的重要性，完成了工藝流程的設(shè)計和設(shè)備選型的任務(wù)通過原液和成品液的濃度要求及各種設(shè)備的工作條件的限制影響總結(jié)我們的生產(chǎn)指揮，主要對換熱器選型計算指導(dǎo)我們完成對換熱器的選型選擇，對蒸發(fā)器選型計算指導(dǎo)我們完成對蒸發(fā)器的選型選擇以及對設(shè)備和管路的排布和布局及其說明，同時對管道的清洗和出現(xiàn)情況作出應(yīng)對處理，本論文主要負(fù)責(zé)了對換熱器選型計算。關(guān)鍵詞換熱器 蒸發(fā)濃縮 硝酸鈉 設(shè)備選型 abstr

6、act the importance of the design, the design of the process flow and the selection of the equipment are introduced.summary of our production command through the bulk and finished products in liquid concentration and various equipment working conditions to limit the impact, the selection of main heat

7、 exchanger calculation guided us to complete the selection of heat exchanger selection, of evaporator selection calculation guide our selection of evaporator and the completion of the equipment and piping arrangement and layout and its explanation and also on the pipeline cleaning and scenarios to r

8、espond to the treatment, this paper is mainly responsible for the calculation of the selection of heat exchanger.keywords heat exchanger evaporation concentration sodium carbonate equipment selection前言識運用到實際生產(chǎn)的一次嘗試。課程設(shè)計這一平臺給了我們獨立思考的空間和自由發(fā)揮所學(xué)知識的機(jī)會，這對加深我們所學(xué)知識的理解有著很大的幫助。在這次課程設(shè)計中我們自己操作，驗證自己所學(xué)的理論知識，并在此基礎(chǔ)

9、上靈活設(shè)計出自己的一套生產(chǎn)方案，這一過程培養(yǎng)了我們嚴(yán)謹(jǐn)思考的習(xí)慣和在實際工作中靈活應(yīng)變的能力?？傊?，此次課程計是理論聯(lián)系實際的橋梁，讓我體會到了工程實際問題的復(fù)雜性，了解到了課程設(shè)計的基本內(nèi)容，掌握了課程設(shè)計的主要程序和方法，培養(yǎng)了我解決化工原理課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生化工設(shè)計能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。通過課程設(shè)計使我們初步掌握化工設(shè)計的基礎(chǔ)知識、設(shè)計原則及方法；學(xué)會各種手冊的使用方法及物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的查找方法和技巧；掌握各種結(jié)果的校核，能畫出工藝流程、帶控制點的流程圖等圖形。在設(shè)計過程中不僅要考慮理論上的可行性，還要考慮生產(chǎn)上的安全性、經(jīng)濟(jì)合理性。本次化工原理課程設(shè)計實際的生產(chǎn)任務(wù)是將10%的硝酸鈉

10、溶液通過蒸發(fā)濃縮至30%的硝酸鈉的溶液，年產(chǎn)100萬噸。這次設(shè)計的任務(wù)包括管路的設(shè)計、換熱器的設(shè)計和蒸發(fā)器的設(shè)計,而我的任務(wù)換熱器的設(shè)計。在這次課程設(shè)計中，一方面提高了自己的思維能力和自己解決實際問題的能力，另一方面讓我熟悉了化工廠在實際生產(chǎn)中使用的專用設(shè)備和相關(guān)零件以及實際生產(chǎn)環(huán)境和流程。本次課程設(shè)計是以我們學(xué)生自己設(shè)計為主,老師負(fù)責(zé)解答我們所遇到的困難并指導(dǎo)我們的設(shè)計方向，所以在整個設(shè)計過程中，各個環(huán)節(jié)和任務(wù)都要靠我們自己從相關(guān)書籍和資料中尋找和查閱相關(guān)數(shù)據(jù)和公式，而我們也從這一過程中學(xué)習(xí)和熟悉了這些專業(yè)工具書的使用方法。而這一技巧對以后的工作有著非常巨大的幫助。所以說，這次課程設(shè)計對我們

11、在以后的工作中能夠有出色表現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)，也加強(qiáng)了我們自己的鉆研精神和解決問題的能力。 這次課程設(shè)計是我們將課堂理論知實際問題的能力，也讓我養(yǎng)成實事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度負(fù)責(zé)的工作態(tài)度。第1章 一號換熱器1.1計算和選用換熱器的規(guī)格使10%nano3由20 ºc升至40 ºc，令， nano3的定性溫度tw=0.5(20+40)=30ºc.10%nacl相關(guān)物性參數(shù)如下：物性/流體密度/kg/ m3/mpa.scp/kj/kg. ºc/w/mºc10%nano3溶液11020.64熱水出口溫度設(shè)為t2 則q=wccpc（t2-t1)

12、= 第三效換熱器的冷凝水全部進(jìn)入第一號換熱器中作為熱水加熱nacl，則第一號換熱器中熱水流量wh=wc 則whcph（t1-t2）=q 則cph （95-t2）=253.06   用試差法有：t2（oc）3035333434.5cph3.89324.21774.08164.14854.1828t（oc）62.5656464.564.75   理論上t=65ºc時 cph=故取t2=34.5ºc t2=40ºc t1=20ºc t1=95º

13、;c  暫設(shè)換熱器為單殼程換熱器，多管路，則流動時 ºc  p=(t2-t1)/(t1-t2)= (40-20)/(95-20)=0.27r=(t1-t2）/(t2-t1)= (95-34.5）/(40-20)=3.03由p、r值查圖0.83   則=30.4 ºc由于= 0.83>0.8  可以選用單殼程傳熱器根據(jù)流體的物性及相關(guān)數(shù)據(jù)，管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u=0.5m/s。   &#

14、160;   1.2計算總傳熱系數(shù)1.2.1計算傳熱面積求傳熱面積需要先知道k值，根據(jù)資料查得nacl和水之間的傳熱系數(shù)在77.4 w/(·)左右，先取k值為77.4w/(·)計算由q=katm得 1.2.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸1.2.2.1管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u=0.5m/s。1.2.2.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) ns=按單程管計算，所需的傳熱管長度為 l=按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用非標(biāo)設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長l=6m，則該換

15、熱器的管程數(shù)為 np=傳熱管總根數(shù) nt=10×12=1201.2.2.3傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列。 取管心距a=1.25d0 a=1.25×25=31.2532mm橫過管中心線管數(shù) b=1.1=1.1×=13.0 取13殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于關(guān)閉的直徑：式中 d殼體內(nèi)徑,mm； a 管心距，mm；b最外層的六角形對角線上的管數(shù)；e六角形最外層管中心到殼體內(nèi)壁距離，一般取e=(11.5)d，取29mm。1.2.2.4折流板采用弓形折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為： h

16、=0.25×500=0.125m，故可取h=0.125m取折流板間距b=0.3d，則 b=0.3×500=0.150m折流板數(shù)目nb=塊1.2.3換熱器核核算1.2.3.1熱流量核算1.2.3.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 當(dāng)量直徑： =殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： 普朗特數(shù)： 粘度校正： 1.2.3.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 管程流體流通截面積： 管程流體流速： 普朗特數(shù)： 1.2.3.1.3污垢熱阻和管壁熱阻：管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為45w/(m·k)1.2.3.1.4傳熱系數(shù)： 1.2.3.1.5傳熱

17、面積裕度 傳熱面積ac為： 換熱器的實際傳熱面積為ap 該換熱器的面積裕度為： 結(jié)論：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。1.2.4.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力1.2.4.2.1管程流體阻力換熱器壓降的計算 為直管及回管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降；結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，對的管子，取1.4；管程數(shù)串聯(lián)的殼程數(shù)查表得 =（418.9+95.2）×1.4×1×4=3084.6pa10kpa1.2.4.2.2殼程壓降流體橫過管束的壓強(qiáng)降(pa);流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降(pa); 殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，液體可取1.15。管子排列方法對壓強(qiáng)降的校正

18、因數(shù)，對正三角形排列f=0.5殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)re>500時,;橫過管束中心線的管子數(shù);折流擋板數(shù);折流擋板間距(m);按殼程流通截面積計算的流速(m/s);而 = 結(jié)論：殼程流動阻力也比較適宜。第2章 二號換熱器2.1計算初選換熱器的規(guī)格使10%nano3由40 ºc升至57.5 ºc，令，t2=57.5 ºcnano3的定性溫度tw=0.5(40+57.5)=48.8ºc. cp=10%nano3相關(guān)物性參數(shù)如下：物性/流體密度/kg/ m3/mpa.scp/j/kg. ºc/w/mºc溫度ºc10%nano

19、3溶液10940.960.6748.8熱水971.80.360.6778熱水出口溫度設(shè)為t2 則q=wccpc（t2-t1)= 第二效換熱器的冷凝水全部進(jìn)入第二號換熱器中作為熱水加熱nano3，則第一號換熱器中熱水流量wh=wc 則whcph（t1-t2）=q    用試差法有：   t2=46ºc 故熱水進(jìn)口溫度為110 ºc，定性溫度t=0.5（t1+t2）=78 ºc暫設(shè)換熱器為單殼程換熱器，多管路，則流動時 ºc  p=(t2-t1)/(

20、t1-t2)= (57.5-40)/(110-40)=0.25r=(t1-t2）/(t2-t1)= (110-46）/(57.5-40)=3.7由p、r值查圖0.82   則=23.8 ºc由于= 0.82>0.8  可以選用單殼程傳熱器根據(jù)流體的物性及相關(guān)數(shù)據(jù)，管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u=0.5m/s。       2.2計算總傳熱系數(shù)2.2.1計算傳熱面積求傳熱面積需要先知道k值，取管壁傳熱系數(shù)

21、=45w/mºc，根據(jù)資料查得nacl和水之間的傳熱系數(shù)在86.96 w/(·)左右，先取k值為86.96w/(·)計算由q=katm得 2.2.2工藝結(jié)構(gòu)尺寸2.2.2.1管徑和管內(nèi)流速選用25×2.5較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速u=0.5m/s。2.2.2.2管程數(shù)和傳熱管數(shù) 可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù) ns=按單程管計算，所需的傳熱管長度為 l=按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)本設(shè)計實際情況，采用非標(biāo)設(shè)計，現(xiàn)取傳熱管長l=6m，則該換熱器的管程數(shù)為 np=傳熱管總根數(shù) nt=10×10=1002.2.2

22、.3傳熱管排列和分程方法 采用組合排列法,即每程內(nèi)均按正三角形排列。 取管心距a=1.25d0 a=1.25×25=31.2532mm橫過管中心線管數(shù) b=1.1=1.1×=11 取11殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑應(yīng)等于或稍大于關(guān)閉的直徑：式中 d殼體內(nèi)徑,mm； a 管心距，mm；b最外層的六角形對角線上的管數(shù)；e六角形最外層管中心到殼體內(nèi)壁距離，一般取e=(11.5)d，取29mm。2.2.2.4折流板采用弓形折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為： h=0.25×400=0.100m，故可取h=0.100m取折流板間距b=0

23、.3d，則 b=0.3×400=0.120m折流板數(shù)目nb=塊2.2.3換熱器核核算2.2.3.1熱流量核算2.2.3.1.1殼程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 當(dāng)量直徑： =殼程流通截面積： 殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為： 普朗特數(shù)： 粘度校正： 2.2.3.1.2管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 管程流體流通截面積： 管程流體流速： 普朗特數(shù)： 2.2.3.1.3污垢熱阻和管壁熱阻：管外側(cè)污垢熱阻 管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 管壁熱阻按碳鋼在該條件下的熱導(dǎo)率為45w/(m·k)2.2.3.1.4傳熱系數(shù)： 2.2.3.1.5傳熱面積裕度 傳熱面積ac為： 換熱器的實際傳熱面積為ap 該換熱器的面積裕度為： 結(jié)論

24、：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2.2.4.2換熱器內(nèi)流體的流動阻力2.2.4.2.1管程流體阻力換熱器壓降的計算 為直管及回管中因摩擦阻力引起的壓強(qiáng)降；結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，對的管子，取1.4；管程數(shù)串聯(lián)的殼程數(shù)查表得 =（382.8+94.5）×1.4×1×4=2673pa10kpa2.2.4.2.2殼程壓降流體橫過管束的壓強(qiáng)降(pa);流體通過折流板缺口的壓強(qiáng)降(pa); 殼程壓強(qiáng)降的結(jié)垢結(jié)垢校正因數(shù)，量綱為1，液體可取1.15。管子排列方法對壓強(qiáng)降的校正因數(shù)，對正三角形排列f=0.5殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)re>500時,;橫過管束中心

25、線的管子數(shù);折流擋板數(shù);折流擋板間距(m);按殼程流通截面積計算的流速(m/s);而 結(jié)論：殼程流動阻力也比較適宜。第三章 三號換熱器一效冷凝水進(jìn)入三號換熱器，由于水的流量為wh=2093kg/h,則根據(jù)要求用閥門調(diào)至1800kg/h，進(jìn)出口溫度為130。3.1、確定物性數(shù)據(jù)此由57.5升至100，則t=1/2(57.5+100)7910%的nano3 cpc=3847.29 µ=0.55×10-3q=wccpc(t2-t1)=whcph(t1-t2)=6000/3600×3847.29(100-58)+(20×103/1060)=½cph(120-t2)由t2=74，cph=4.182×103j/kg理論上t=½(120+74)97，cp=4.21×103j/kg.所以取t2=74合理97的水 p=950.0kg/m3 cp=4.214 入=68.40 =27.0×10-53.2計算總傳熱系數(shù)3.2.1熱流量q=wccpc(t2-t1)=6000/3600×3847.29×(100-58）=269310.