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1、化工原理课程设计报告真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计学院天津大学化工学院专业化学工程与工艺班级学号姓名指导教师天津大学 2022 级本科生化工原理课程设计报告化工流体传热课程设计任务书专业 化学工程与工艺 班级姓名学号编号一设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计二设计任务及条件1、蒸发系统流程及有关条件见附图。2、系统生产力量： 40万吨/年。3、有效生产时间：300 天/年。4、设计内容： 效预热器组第3台预热器的设计。5、卤水分效预热器承受单管程固定管板式列管换热器，试依据附图中卤水预热 的温度要求对预热器组进展设计。6、卤水为易结垢工质，卤水流速不得低于 0.5m/s。7、换热管
2、直径选为383mm。三设计工程1、由物料衡算确定卤水流量。2、假设 K 计算传热面积。3、确定预热器的台数及工艺构造尺寸。4、核算总传热系数。5、核算压降。6、确定预热器附件。7、设计评述。四设计要求1、依据设计任务要求编制具体设计说明书。2、按机械制图标准和标准，绘制预热器的工艺条件图2#，留意工艺尺寸和构造的清楚表达。2设计说明书的编制按以下条目编制并装订：统一承受 A4 纸，左装订（1） 标题页，参阅文献 1 附录一。（2） 设计任务书。（3） 名目。（4） 说明书正文设计简介：设计背景，目的，意义。由物料衡算确定卤水流量。假设 K 计算传热面积。确定预热器的台数及工艺构造尺寸。核算总传
3、热系数。核算压降。确定预热器附件。设计结果概要或设计一览表。设计评述。（5） 主要符号说明。（6） 参考文献。（7） 预热器设计条件图。主 要 参 考 文 献1. 贾绍义，柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津: 天津大学出版社, 20222. 柴诚敬，张国亮. 化工流体流淌和传热. 北京: 化学工业出版社, 20223. 黄璐，王保国. 化工设计. 北京: 化学工业出版社, 20224. 机械制图自学内容：参考文献 1，第一章、第三章及附录一、三； 参考文献 2，第五七章；参考文献 3，第 1、3、4、5、11 局部。天津大学 2022 级本科生化工原理课程设计报告来自热电站的生蒸汽287.7k
4、Pa97.3kPa16.8kPa71.3kPa91.7kPaIIIIIIIV盐浆盐浆冷凝水盐浆盐浆去脱水枯燥系统22%V板式换热器精制卤水典型组成/28%V26%V24%V卤水分效预热系统Ca2+1.62M010583615535时卤水的物冷凝水冷凝水冷凝水密度/(kg恒压比热容/k黏度/(m导热系数/WI 效预热器组II 效预热器组 III 效预热器组固体氯化钠晶体盐浆能顺畅流淌具有分效预热的卤水真空蒸发制盐系统平流进料，顺流排盐当地大气压：4名目一、设计简介11.1 设计背景11.2 设计目的11.3 设计意义1二、工程设计12.1 流径选择12.2 物料衡算22.3 假设K 计算传热面积
5、22.4 确定预热器台数及计算工艺构造尺寸32.5 核算总传热系数42.6 核算压降52.7 确定预热器附件5三、设计总结113.1 设计概况一览表113.2 设计评述13四、符号说明13五、参考文献14天津大学 2022 级本科生化工原理课程设计报告一、设计简介1.1 设计背景盐，既是生活必需品，又是化工业的根本原料，被称为“工业之母”。以其为主要原料制成的“两碱”纯碱和烧碱被广泛应用于纺织、农业、医药、有色金属、冶金、电力、军工等多种行业。在中国，依据来源和生产方法可将原盐分为三类：以海水为原料晒制而得的海盐；开采现代盐湖矿制得的湖盐；开采地下自然卤水或古代岩盐矿床制得的井矿盐又称岩盐。其
6、中以 岩盐分布最为广泛，开采也最为成熟，因此，在我国内陆普遍盐工业所使用的为岩盐。1.2 设计目的本次给全班安排的任务为制盐年产量40 万吨，该过程通过一套真空蒸发制盐系统来满足生产需要。在该卤水真空蒸发制盐系统中添加了预热器，通过三台以蒸发二次蒸汽作为热源的预热器来回收利用各效蒸发器的二次蒸汽，到达能量多级回收利用，提高能量利用率。我组负责其次效第三台换热器的设计，其次效换热器目的是将54%的卤水由 61提升到83，其中第三台换热目标为将卤水由78提升到 83。1.3 设计意义通过本次设计，来稳固化工流体与传热和化工设计中关于流体流淌、传热，换热器设计 的相关内容，自学化工原理课程设计中局部
7、内容，练习查阅相关的资料与行业相关国家标准、化工标准与推举标准。了解换热器的构成、运行原理以及装配要求，把握office 软件 Word 的格式编辑等应用，重娴熟机械制图关于绘图的标准要求，娴熟AutoCAD 制图操作。二、工程设计2.1 流径选择在本次设计中，卤水作为冷流体，为易结垢物质，不易清洗，而且对设备腐蚀性较大， 因此选择卤水走管程。二次蒸汽作为热流体，较为清洁，传热系数也较大，因此走壳程。12.2 物料衡算Ca2+1.62Mg2+0.15SO42-Cl3.31178.20NaCl293.76卤水组成表如下：固体氯化钠的密度：2200kg/m3 最终卤水固相体积分率：0.60出口卤水
8、为 45，饱和氯化钠溶解度 36.9g，换算为质量浓度为 313.2g/L.则单位体积卤水产盐量为： 293.7622000.60= 268.30g / L22000.60 + 313.20.404108则其次效换热器的流量为：V2=0.54 = 111.82m3 / h 268.30300242.3 假设 K 计算传热面积其次效预热器中卤水的升温区间为 61 至 83 摄氏度，故卤水的定性温度为：t= (83+ 61) = 72Cm2由定性温度经水的变化规律推算出 72时，卤水的物性参数如下：表 2：72下卤水的物性参数表温度 tC恒压热容 p密度r热导率k粘度mJ/(kg)kg / m3W
9、/mPaS72计算传热量 Q：34051162.60.6120.002Q = V2r C(TP2- T ) =1111.8211803405223600= 2745.61kW对数平均温度为：Dt = 95 - 83 = 121Dt= 95 - 61 = 342Dt =mDt- Dt2 Dt1 = 21.1又假设 K = 660W / (m2 C)，则ln Dt21Q2745.6103S = 197m2K Dtm660 21.12.4 确定预热器台数及计算工艺构造尺寸C V (T- T ) = KS D t由公式 p210m 可迭代计算得二效换热器分为三台，其温度区间分别为 6171、7178、
10、7883 ，本组将设计其次效第三台换热器。换热器选用383mm 不锈钢换热管，依据正三角形排列将管数定为 61 根，管间距 0.048m，考虑到卤水为易结垢工质，为便于清洗，实行立式固定管板式列管换热器。其次效第三台预热器中卤水的升温区间为78 至 83 摄氏度，故卤水的定性温度为：t= (83+ 78) = 80.5Cm2由定性温度经水的变化规律推算出 80.5时，卤水的物性参数如下：80.5下卤水的物性参数表温度 tC恒压热容 p密度r热导率k粘度mJ/(kg)kg / m3W/mPaS80.5计算传热量Q：34111157.50.6170.0019Q = VrCP(T - T ) =21
11、111.821180341153600= 625.101kW对数平均温度为：D t = 95 - 83 = 12C1D t = 95 - 78 = 17C2D t=D t - D t21= 14.4Cm又假设 K = 700W / (m2 C)，则ln(D t2/ D t )1Q625.101103S = 62m2换热管长度确定为：K Dtm700 14.4L = Snp do所以选定长度为 9 米的换热管。=62613.140.038= 8.52m2.5 核算总传热系数首先计算流速：ub管内对流传热系数：= 4V=np d2i4111.82613.140.03223600= 0.63m /
12、skd u rc mh = 0.023( i b)0.8 ( p)nidmkih = 0.0230.6170.0320.63 1157.5()0.834110.0019()0.4 = 2122.31W / (m2 C)i0.0320.00190.617壁温确实定：管外对流传热系数：1 + Rhsoo=t - towt- twi1 + Rhsiihr(r - r)glk3 = 1.13om L(tv- t )satw壁温存管外对流传热系数两个式子迭代计算得壁温为90.7，则水的定性温度为 92.85。92.85下水的物性参数表温度 t92.85密度 vkg/m30.4460密度 kg/m3963
13、.305热导率 kW/m0.681粘度 PaS0.0003056795下水的汽化潜热为 2270900J/(kg)管外对流传热系数：963.305(963.305- 0.446)9.8122709000.6813 1h = 1.13o0.000305679(95 - 90.7)4 = 5476.4W / (m2 C)依据书后附录污垢热阻Rso=0.859810-4W/(m2)；Rsi=1.719710-4W/( m2)所以由总传热系数:K =1oddo+ od hdbdR +o sikd+ R+ 1sohi iimo不锈钢的导热系数为 17.4W/m2；对数平均直径 d=d - doi= 38
14、 - 32= 34.9Cmln(do/ d )ln(38 / 32)iK =1o38380.003381+1.719710-4 + 0.859810-4 +322122.313217.434.95476.4= 819.6W / (m2 C)将结果进展比较：故该结果牢靠。2.6 核算压降管程总压降为：K / K = 819.6/ 700 = 1.171.15,1.25oDp = (Dp + Dp )F N Ni12tspN其中s取 3；Np取 1；Ft取 1.3。l L ru291157.50.632D p =b = 0.034= 2.197kPa1d20.0322其中 由 Re 和 e/d 共
15、同查图确定。对于不锈钢粗糙度 e 取 0.0001，计算得雷诺数 Re=12281.7,由书中附图确定 =0.034。ru21157.50.632D p = 3(2b ) = 3() = 0.689kPa22则总压降为：Dp =(0.689+ 2.197) 131.3= 11.26kPa10kPa,100kPai故管程压降合理。壳程为蒸汽冷凝不允许有过大的压降，故临时不进展核算。2.7 确定预热器附件2.7.1 壳程管心距由化工流体流淌与传热表 6-4 确定为 48mm。所以壳体内径： D = t(1.1 n -1)+ (2 3)do= 500mm壳体厚度依据化工单元过程及设备课程设计中建议取
16、壳体壁厚10mm。天津大学 2022 级本科生化工原理课程设计报告2.7.2 封头依据GB/T25198-2022 对封头的要求，选取以内径为基准的椭圆形EHA 封头，公称直径DN=500mm。选取公称直径为 500mm 的EHA 封头总深度 H=150mm,于是 h=25mm。封头名义厚度与壳程厚度全都取 10mm，封头质量为 24.7kg。2.7.3 接收2.7.3.1 管程接收d = 4V =p ub4111.823.140.633600= 25mm应选取 313mm 的管程接收。2.7.3.2 壳程接收壳程蒸汽冷凝蒸汽流量为Q625100V =GlrV= 360022709000.44
17、6= 0.617m3 / s依据课本中阅历，蒸汽流速取 40m/s。故入口接收直径为：6天津大学 2022 级本科生化工原理课程设计报告冷凝水流量为d = 4V =p ubr40.6173.14400.446= 140mmV = VV = 0.617= 2.910-4 m3 / sLGr963.305冷凝水流速取 1.0m/s故出口接收直径为：d = 4V =p ub42.910-43.141.0= 19.2mm出于协作法兰尺寸以及换热效果的考虑，选择1594.5mm 和 252.5mm 壳程接收。2.7.3.3 排气、排液管依据GB151-2022 排气、排液管口径不小于 20mm 的要求选
18、取252.5mm 的排气、排液管。2.7.4 法兰2.7.4.1 压力容器法兰依据JB47004707-2022 要求，封头法兰选取公称直径 DN=500mm 的甲型平焊法兰。与兼作法兰的管板对接，密封面选取凹凸面密封。7天津大学 2022 级本科生化工原理课程设计报告其中 D=615mm;D1=580mm;D2=550mm;D3=540mm;D4=357mm;=30mm;d=18mm；螺柱型号M16，数量 20 个。零件图如下。2.7.4.2 管法兰NNN依据HG/T20592-2022 相关要求，对管程接收法兰、壳程接收法兰和排气、排液管法兰型号分别为D 25B、D 150B 和 D 20
19、B。其尺寸符合公制管标准。8天津大学 2022 级本科生化工原理课程设计报告2.7.5 管板选取管板兼作法兰的管板。依据GB151-2022 要求，omino换热管直径 25d 50，所以最小厚度 0.7d =26.6mm，协作法兰尺寸，选其厚度=30mm，管孔直径 =38.4mm。2.7.6 垫片依据JB4720-1992 要求，按其温度压力要求选取石棉橡胶垫片。尺寸 D=539mm，d=503mm，=3mm。2.7.7 拉杆定距管9天津大学 2022 级本科生化工原理课程设计报告依据GB151-2022 相关要求，选定 4 根直径 16mm 的拉杆定距管。排布位置见附图。2.7.8 支持板
20、、防冲板、折流挡板依据GB151-2022 相关要求，383mm 换热管最大无支撑跨距为 2500mm，所以选用 3 块支持板。管程流速小于 3m/s， 故不需要防冲板，壳程蒸汽冷凝u2713.62230，故不需要防冲板，同时也担忧装折流挡b板。2.7.9 连接方式设计压力4Mpa; t300，所以换热管和管板之间选取强度胀接的连接方式。换热管伸出长度选取最小值 4mm。管板厚度12mm，公称压力1Mpa，所以管板与壳体之间焊接方式见以下图10天津大学 2022 级本科生化工原理课程设计报告三、设计总结3.1 设计概况一览表卤水温度要求流径选择卤水流量蒸汽流量卤水定性温度传热量换热面积总传热系
21、数选 总传热系数计 安全系数对数平均温度壁温水定性温度管外对流传热系数管内对流传热系数管外污垢热阻7883卤水走管程，蒸汽走壳程111.82m3/h0.617m3/h80.5625.101kW65.5m2700W/(m2)819.6 W/(m2) 1.1714.490.792.85ho=5476.4 W/(m2) hi=2122.3 W/(m2) Rso=0.859810-4 W/(m2)11天津大学 2022 级本科生化工原理课程设计报告12管内污垢热阻换热管对数平均直径总压降相关物性参数Rsi=1.719710-4 W/(m2)34.9mm 11.26kPa温度 tC恒压热容 p72下卤水
22、的物性参数表密度r热导率k粘度mJ/(kg)723405kg / m31162.6W/m0.612PaS 0.002温度 tC恒压热容 p80.5下卤水的物性参数表密度r热导率k粘度mJ/(kg)kg / m3W/mPaS80.534111157.50.6170.001992.85下水的物性参数表温度 t密度 v密度 热导率 k粘度 92.85kg/m3 0.4460kg/m3 963.305W/m 0.681PaS 0.00030567换热管数 管长度 壳体封头容器法兰管板拉杆定距管 排气、液管619mDN500EHA DN500DN500DN50016 4 根252.5mm管程接收313m
23、m壳程接收1594.5mm钢管法兰DN20B D 25B D 150BNN3.2 设计评述在此次课程设计中，综合的运用了物料衡算，热量衡算，对流传热系数的计算与确定， 附件尺寸的计算与确定，对于附件标准相关查询，利用AutoCAD 画图，利用Word 编撰报告书等学问，在计算开头前，将化工流体流淌与传热，化工设计进展了重阅读、复习，并自学了化工原理课程设计一书中相关内容，参考化工单元过程及设备课程设计，化工设备设计根底等书，对于不懂和有疑心的地方在学习群中与教师和同学相互沟通，在计算与确认过程中分组合作，分别计算，共同校对结果，改正不完善的过程，又各自阅读了很多参考文献， 加上自己的理解与看法
24、，通过相互沟通，便得到了更多的数据和阅历。由于在此前的学习过程中从未系统而完整的运用过整本书的内容，只是在各个章节中练习已经经过简化的题目， 在正式的计算过程中消灭了很多问题，例如在求取管外对流传热系数中设计壁温确实定，需要联系不同的物性参数进展迭代求解，而我们在最初的计算中则无视的物性的变化，得到了错误的结果，但随后准时的更正了，并且由于计算过程简单，又需要重复屡次，出于简便的考虑，套用百度中水的物性参数表为参数库，编写了一个简洁的迭代运算程序来进展壁温与管外对流传热系数的计算，但由于小数位保存问题，存在约0.3 度的误差，所以只能用来确定或许范围以削减运算次数，并不能应用于准确的计算，但这
25、仍旧给了我一种解决问题思路，在计算机编程力量比较强的状况下，运用计算机进展关心，可以给设计过程带来很大的便利，这次的设计让我们走出课本，站在更高的角度去实践，去感受，开拓了视野，对于工程这一名词有了更立体，更完整，更深刻的了解，这次的设计照旧只是一个经过简化的理论上的设计练习，在将来的正式设计中，还有更多的问题需要考虑，还涉及更多我们还未学过的内容，在更加深入的学习后，对于从物理、化学等不同角度分析选材，更多附件确实定的问题会有更加严谨准确的解决方案，而这一切都等待着我们的连续学习与钻研。四、符号说明b管壁厚度L管长Cp比热容黏度do管外直径NS串联壳程数di管内直径NP管程数dm对数平均直径
26、n管数D壳程内径pi总压降DN公称直径p1直管压降板厚度p2回弯阻力压降eFt相对摩擦系数管程结垢校正系数QRsi换热量管内壁污垢热阻直径Rso管外壁污垢热阻ho管外对流传热系数S换热面积hi管内对流传热系数tm对数平均温度k热导率T温度K假设对流传热系数ub卤水流速Ko计算对流传热系数V2其次效卤水流量摩擦系数汽化潜热V计算用卤水流量五、参考文献1. 贾绍义，柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津: 天津大学出版社, 20222. 柴诚敬，张国亮. 化工流体流淌和传热. 北京: 化学工业出版社, 20223. 黄璐，王保国. 化工设计. 北京: 化学工业出版社, 20224. 机械制图.天津：天津大学出版社5. 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社6. 谭蔚，化工设备设计根底.天津：天津大学出版社7. 相关标准GB150-2022 GB151-2022 JB4720-1992GB/T25198-2022 HG/T20592-2022 JB47004707-2022.