天津大学化工原理课程设计

1.2
本次给全班分配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，达到能量多级回收利用，提高能量利用率。我组负责第二效第三台换热器的设计，第二效换热器目的是将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℃。
hi=2122.3 W/(m2·℃)
管外污垢热阻
Rso=0.8598×10-4W/(m2·℃)
管内污垢热阻
Rsi=1.7197×10-4W/(m2·℃)
换热管对数平均直径
34.9mm
总压降
11.26kPa
相关物性参数
72℃下卤水的物性参数表
温度t
℃
恒压热容
J/(kg·℃)
密度
热导率
W/（m·℃）
粘度
2.7.3.3排气、排液管
根据GB151-1999排气、排液管口径不小于20mm的要求选取Φ25×2.5mm的排气、排液管。
2.7.4法兰
2.7.4.1压力容器法兰
根据JB4700~4707-2000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。
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编撰报告书等知识，在计算开始前，将化工流体流动与传热，化工设计进行了重新阅读、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，化工设备设计基础等书，对于不懂和有疑惑的地方在学习群中与老师和同学互相交流，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，又各自阅读了许多参考文献，加上自己的理解与看法，通过互相交流，便得到了更多的数据和经验。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出现了很多问题，例如在求取管外对流传热系数中设计壁温的确定，需要联系不同的物性参数进行迭代求解，而我们在最初的计算中则忽略的物性的变化，得到了错误的结果，但随后及时的更正了，并且由于计算过程复的迭代运算程序来进行壁温与管外对流传热系数的计算，但由于小数位保留问题，存在约0.3度的误差，所以只能用来确定大概范围以减少运算次数，并不能应用于准确的计算，但这仍然给了我一种解决问题新思路，在计算机编程能力比较强的情况下，运用计算机进行辅助，可以给设计过程带来很大的方便，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，这次的设计依旧只是一个经过简化的理论上的设计练习，在未来的正式设计中，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，更多附件的确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继续学习与钻研。
（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,2002
2.柴诚敬，张国亮.化工流体流动和传热.北京:化学工业出版社, 2007
3.黄璐，王保国.化工设计.北京:化学工业出版社, 2001
4.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；
二、
2.1
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。
2.2
卤水组成表如下：
Ca2+
Mg2+
SO42-
Cl－
NaCl
1.62
0.15
3.31
178.20
293.76
固体氯化钠的密度：2200kg/m3
2.7.5管板
选取管板兼作法兰的管板。根据GB151-1999要求，
换热管直径25＜do＜50，所以最小厚度δmin≧0.7do=26.6mm，配合法兰尺寸，选其厚度δ=30mm，管孔直径Φ=38.4mm。
2.7.6垫片
根据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，δ=3mm。
2.7
2.7.1壳程
管心距由化工流体流动与传热表6-4确定为48mm。
所以壳体内径：
壳体厚度根据化工单元过程及设备课程设计中建议取壳体壁厚10mm。
2.7.2封头
根据GB/T25198-2010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一致取10mm，封头质量为24.7kg。
0.617m3/h
卤水定性温度
80.5℃
传热量
625.101kW
换热面积
65.5m2
总传热系数（选）
700W/(m2·℃)
总传热系数（计）
819.6 W/(m2·℃)
安全系数
1.17
对数平均温度
14.4℃
壁温
90.7℃
水定性温度
92.85℃
管外对流传热系数
ho=5476.4 W/(m2·℃)
管内对流传热系数
Pa·S
72
3405
1162.6
0.612
0.002
80.5℃下卤水的物性参数表
温度t
℃
恒压热容
J/(kg·℃)
密度
热导率
W/（m·℃）
粘度
Pa·S
80.5
3411
1157.5
0.617
0.0019
92.85℃下水的物性参数表
温度t
℃
密度ρv
kg/m3
密度ρ
kg/m3
热导率k
W/（m·℃）
粘度μ
Pa·S
粘度μ
Pa·S
92.85
0.4460
963.305
0.681
0.00030567
95℃下水的汽化潜热为2270900J/(kg·℃)
管外对流传热系数：
根据书后附录污垢热阻Rso=0.8598×10-4W/(m2·℃)；Rsi=1.7197×10-4W/( m2·℃)
所以由总传热系数:
不锈钢的导热系数为17.4W/（m2·℃）；
温度t
℃
恒压热容
J/(kg·℃)
密度
热导率
W/（m·℃）
粘度
Pa·S
72
3405
1162.6
0.612
0.002
计算传热量Q：
对数平均温度为：
又假设 ，则
2.4
由公式 可迭代计算得二效换热器分为三台，其温度区间分别为61℃~71℃、71℃~78℃、78℃~83℃ ，本组将设计第二效第三台换热器。换热器选用Φ38×3mm不锈钢换热管，按照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，采取立式固定管板式列管换热器。
2.7.9连接方式
设计压力≦4Mpa; t≦300℃，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下图
三、
3.1
卤水温度要求
78℃～83℃
流径选择
卤水走管程，蒸汽走壳程
卤水流量
111.82m3/h
蒸汽流量
2.7.7拉杆定距管
根据GB151-1999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、防冲板、折流挡板
根据GB151-1999相关要求，
Φ38×3mm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ρub2＝713.6＜2230，故不需要防冲板，同时也不安装折流挡板。
第二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：
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t
℃
恒压热容
J/(kg·℃)
密度
热导率
W/（m·℃）
粘度
Pa·S
80.5
3411
1157.5
0.617
0.0019
计算传热量Q：
对数平均温度为：
参考文献3，第1、3、4、5、11部分。
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）
一、
1.1
盐，既是生活必需品，又是化工业的基本原料，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，根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；开采地下天然卤水或古代岩盐矿床制得的井矿盐又称岩盐。其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。
又假设 ，则
换热管长度确定为：
所以选定长度为9米的换热管。
2.5
首先计算流速：
管内对流传热系数：
壁温的确定：
管外对流传热系数：
壁温和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t
℃
密度ρv
kg/m3
密度ρ
kg/m3
热导率k
W/（m·℃）