化工流體傳熱課程設(shè)計(jì)——真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預(yù)熱器設(shè)計(jì)姓名：×××學(xué)院：××××班級(jí)：××××學(xué)號(hào)：×××指導(dǎo)老師：××化工流體傳熱課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)化工班級(jí)高班姓名×××學(xué)號(hào)（編號(hào)）×××（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：100萬噸/年。3、有效生產(chǎn)時(shí)間：300天/年。4、設(shè)計(jì)內(nèi)容：II效預(yù)熱器（組）第3臺(tái)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(duì)預(yù)熱器（組）進(jìn)行設(shè)計(jì)。6、鹵水為易結(jié)垢工質(zhì)，鹵水流速不得低于0.5m/s。7、換熱管直徑選為Φ38×3mm。8、鹵水物性參數(shù)隨溫度的變化，當(dāng)手冊(cè)查不到時(shí)，可按水的變化規(guī)律推算。一下附上蒸發(fā)系統(tǒng)流程及有關(guān)條件圖1：蒸發(fā)系統(tǒng)流程及有關(guān)條件目錄：1.設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 ………………………42.計(jì)算過程……………42.1初選換熱器型號(hào)………4=1\*GB3①基本物性數(shù)據(jù)的查取=1\*GB3①…………………4=2\*GB3②鹵水流量與熱負(fù)荷計(jì)算………………4=3\*GB3③確定流體的流徑…………4=4\*GB3④計(jì)算平均溫差……………4=5\*GB3⑤估算傳熱面積………………5=6\*GB3⑥初選換熱器型號(hào)…………52.2核算總傳熱系數(shù)……………………5=1\*GB3①管程對(duì)流傳熱系數(shù)……………………5eq\o\ac(○,2)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)……………………6eq\o\ac(○,3)總傳熱系數(shù)衡算…………62.3設(shè)計(jì)項(xiàng)目分析與重新衡算…………62.4核算壓降……………7eq\o\ac(○,1)管程壓降……………………7eq\o\ac(○,2)殼程壓降…………………82.5確定預(yù)熱器附件……………………8eq\o\ac(○,1)折流擋板……………8eq\o\ac(○,2)進(jìn)出口接管………………………9eq\o\ac(○,3)壁厚………………92.6初步經(jīng)濟(jì)衡算………………………9、eq\o\ac(○,1)設(shè)備費(fèi)用…………………9eq\o\ac(○,2)操作費(fèi)用…………………102.7設(shè)計(jì)結(jié)果概要或設(shè)計(jì)一覽表2.8設(shè)計(jì)評(píng)述；3.主要符號(hào)說明……………………11；4.參考文獻(xiàn)…………125.預(yù)熱器設(shè)計(jì)條件圖 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介鹽是人民生活的必需品，也是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原料，廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)屬資源性產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。換熱器的應(yīng)用貫徹化工生產(chǎn)過程的始終，換熱器換熱效果的好壞直接影響化工生產(chǎn)的質(zhì)量和生產(chǎn)效益?，F(xiàn)在的大多數(shù)反應(yīng)都不是在常溫下進(jìn)行的，很多原料需要預(yù)熱，同時(shí)，鹵水里面含有相當(dāng)大量的NaCl，適宜用于制鹽。而制鹽過程需要在較高的溫度下蒸發(fā)濃縮?？梢岳蒙弦恍д舭l(fā)所得的副產(chǎn)物水蒸氣預(yù)熱鹵水，達(dá)到節(jié)能提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。這次的傳熱器設(shè)計(jì)就是在這種情況下設(shè)計(jì)制作的。2.計(jì)算過程（1）估算傳熱面積，初選換熱器型號(hào)=1\*GB3①基本物性數(shù)據(jù)的查取=1\*GB3①鹵水的定性溫度：t=76+832由于鹵水中的主要成分是NaCl，且含量很高，故用NaCl的物性數(shù)據(jù)近似鹵水的物性數(shù)據(jù)且在0.5℃下物性差別不大，故用鹵水中NaCl含量293.76g/L=0.294g/mL=0.294密度為：24.9-由于溫度范圍不全，鹵水的物性只能暫按水推算分別是：cp=3.41kJ/(kg?K),k=0.62W/(m?℃),μ=1.9mPa?s.加熱蒸汽是飽和蒸汽冷凝成飽和液體，壓力為84.5kPa,查表可以得到此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為ts=94.76℃由此可以查到飽和蒸汽和飽和液體的物性：r=40848J/mol=2269.3kJ/kg.k’=0.023W/(m?℃),ρv=2\*GB3②鹵水流量與熱負(fù)荷計(jì)算：工廠的生產(chǎn)能力是100萬噸/年，換算后是：V=100×107/300/24/3600/293.76×0.54=0.07092(m3/s)Wc=0.07092×1.1536×103kg/s=81.8熱量傳遞速率：Q=Wccp,c(t2-t1)=81.8×3.41×(83-76)=1952.57(kW)蒸汽消耗量為：Wh=Q/r=1952.57/2269.3=0.860kg/s=3\*GB3③確定流體的流徑：設(shè)計(jì)任務(wù)是用飽和水蒸氣加熱鹵水制鹽，鹵水鹽分含量較大，易結(jié)晶，適宜走管程；飽和蒸汽適宜走殼程，以便于排出冷凝液，且蒸汽潔凈一般不用清洗；且蒸汽冷凝對(duì)流系數(shù)大，走殼程可以減小管壁與殼壁溫差，減小溫差應(yīng)力。綜上，鹵水走管程，水蒸氣走殼程。=4\*GB3④計(jì)算平均溫差：由于使用飽和水蒸氣在飽和溫度下冷凝加熱，殼程數(shù)無影響：=(94.76-76)-=5\*GB3⑤選取K值，估算傳熱面積：查表[二十六]=2\*GB3②取K=1250W/(m2·℃)則=(1952.57×10^3)/(1250×14.99)=104.21m2=6\*GB3⑥初選換熱器型號(hào)A．選取管徑和管內(nèi)流速：按要求管徑選取Φ38mm×3mm,鹽水中含有大量的無機(jī)鹽，易結(jié)晶，在管內(nèi)的流速定為u=1.0m/s。dm=B.管子數(shù)及長(zhǎng)度：n=Vuπ兩流體溫差<50℃,選用固定管板式列管換熱器，管長(zhǎng)L=Sn×π×取L=6m，于是n=SL×π×do=則ui=Vn×πC.管子的排列方式及管子與管板的連接方式的選定：管子采用正三角形排列；管子與管板的連接，采用焊接法。D.計(jì)算外殼內(nèi)徑DiDi=t(nc-1)+2b’管中心距t=1.25do=1.25×0.038=0.048m橫過管束中心線的管數(shù)nc=1.1n=1.1取整nc=13管數(shù)中心線上最外層管得中心至殼體內(nèi)壁的距離b’=1.5do=1.5×0.038=0.057mDi=t(nc-1)+2b’=0.048×(13-1)+2×0.057=考慮標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整取Di=700mm此時(shí)LD=F.計(jì)算實(shí)際傳熱面積So及過程的總傳熱系數(shù)Ko（選）：So=nπ×do(L-0.1)=145×π0.038×(6-0.1)=102.13m2Ko（選）=QSoΔtm'=(2)核算總傳熱系數(shù)=1\*GB3①管程對(duì)流傳熱系數(shù)αiReiPri=(Cp×μ)/k=(3410×1.9)/(0.62×1000)=10.45αi=0.023×kdeq\o\ac(○,2)殼程對(duì)流傳熱系數(shù)αo潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度P=nπRef=4w冷凝水物性：定性溫度t2=(ts+tw)/2利用書后數(shù)據(jù)擬合得（70-100℃下）ρ2=1007.345+-0.2645t2-0.00225tK=0.55113+0.00247t2-1.15E-5t22μ2=98.6565+-1.12515t2+0.00423t22預(yù)估tw=89.24℃則定性溫度t2=ts+tw2在此溫度下液體水的物性為平均管排數(shù)nm=(dm=38-Tm=0.4T1+0.6T2=94.76℃tm=0.4t2+0.6t1=78.80管外污垢熱阻Ro=0.8598×10-4(m2?k)/W管內(nèi)污垢熱阻Ri=1.7197×10-4(m2?k)/Wαotm=0.4t2+0.6t1=0.4tw=利用mathematica迭代取誤差0.01℃得tweq\o\ac(○,3)總傳熱系數(shù)衡算碳鋼λ=49.15W/(m·總傳熱系數(shù)K=1（3）設(shè)計(jì)項(xiàng)目分析與重新衡算分析可知當(dāng)n變?yōu)樵瓉淼?/2時(shí)由ui=Vn×π×(di?2)2知ui變?yōu)?倍，同時(shí)由So=n×π×do×(L-0.1)知So變?yōu)樵瓉淼?/2，由Ko=QSoΔtm知Ko變?yōu)?倍。而此時(shí)αi=0.023×kdi×Rei0.8×Pr0.4知αi變?yōu)?0.8倍，αo=0.725ρ2然后嘗試將自己的溫度升高任務(wù)改小到78-83℃此時(shí)可以達(dá)到的最好狀態(tài)時(shí)安全系數(shù)是1.13，然后核算改后張棟的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)也打不到要求。于是放棄此嘗試，不得已選用更長(zhǎng)管長(zhǎng)9m。如果實(shí)際生產(chǎn)許可，可以用兩臺(tái)換熱器串聯(lián)，一臺(tái)6m一臺(tái)3m，算法基本相同，這里不贅述。以下按L=9m計(jì)算。K值得具體衡算過程見附頁“總傳熱系數(shù)K的重新”。安全系數(shù)K/Ko=897.14/752.132-1=0.19計(jì)算外殼內(nèi)徑DiDi=t(nc-1)+2b’管中心距t=1.25do=1.25×0.038=0.048m橫過管束中心線的管數(shù)nc=1.1n=1.1取整切實(shí)左右對(duì)稱nc=15管數(shù)中心線上最外層管得中心至殼體內(nèi)壁的距離b’=1.5do=1.5×0.038=0.057mDi=t(nc-1)+2b’=0.048×(15-1)+2×0.057=考慮標(biāo)準(zhǔn)系列尺寸圓整取Di=800mm此時(shí)LD=（4）核算壓降eq\o\ac(○,1)管程壓降?式中Ft為結(jié)垢校正系數(shù)，難以查到管徑為Φ38×3mm時(shí)的數(shù)據(jù)，但管徑為Φ19×2mm時(shí)，F(xiàn)t=1.5，管徑為Φ25×2.5mm時(shí)，F(xiàn)t=1.4，估算管徑為Φ換熱器為單管程單殼程換熱器，故Ns管程流體Rei=對(duì)于碳鋼管，去管壁粗糙度e=0.1mmε=edi=0.1由書中λ-Re關(guān)系圖中查得λ=0.035?p1=λLdρu?p2=3（ρu22）=3（?pi=（1655.67+504.58）×1.3=eq\o\ac(○,2)殼程壓降因假設(shè)殼程蒸汽在換熱過程中飽和溫度冷凝且殼內(nèi)壓強(qiáng)不變，則殼程壓降為零。（5）確定預(yù)熱器附件eq\o\ac(○,1)折流擋板雖然蒸汽冷凝不用折流擋板增加傳熱系數(shù)，但折流擋板可以用于固定管束。選取折流擋板與殼體的間隙為3.5mm，因此，折流板的直徑Dc=800-2×3.5=793mm切去拱形高度h=0.25×800=200mm取折流擋板間距ho=300mm，折流擋板數(shù)量NB=L-0.1ho=取整為45根取整得實(shí)際折流擋板間距h=L-0.1NB第一塊擋板到換熱器口的距離為?由于后續(xù)計(jì)算蒸汽入口管直徑為500mm>254mm所以不要第一個(gè)折流擋板，從第三個(gè)開始，其距換熱器口的距離為254+193×2折流擋板取6mm，如下表示。eq\o\ac(○,2)進(jìn)出口接管鹵水進(jìn)出口取u=1.5m/sd=4×VSπu=0.245m實(shí)際u=4VS蒸汽進(jìn)出口低壓蒸汽流速建議不要大于10m/s，取蒸汽進(jìn)口取u=8m/sd2=4×wπ×u×ρ=實(shí)際u=4wdi考慮到蒸汽可能不完全冷凝，進(jìn)口流速設(shè)為9.67×1.1=10.6m/s蒸汽出口管徑為500×0.1=50查表取Φ68×4.5mmeq\o\ac(○,3)壁厚經(jīng)查壁厚取8mm（6）初步經(jīng)濟(jì)衡算eq\o\ac(○,1)設(shè)備費(fèi)用設(shè)備費(fèi)用主要為換熱器和泵的費(fèi)用，兩者的市場(chǎng)價(jià)值均難以查出，以所學(xué)知識(shí)也無法估算。用碳鋼的單價(jià)乘以質(zhì)量顯然沒有實(shí)際意義，因?yàn)閾Q熱器又不是廢鐵，價(jià)格不能按重量計(jì)量。eq\o\ac(○,2)操作費(fèi)用操作費(fèi)用包括設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中消耗的電費(fèi)，水費(fèi)，水蒸汽費(fèi)，油費(fèi)，維修費(fèi)以及一線人員的工資和管理層的管理費(fèi)用。設(shè)備折舊費(fèi)也暫列其中。這里可以估算的是泵的耗電量。三臺(tái)換熱器管程，由壓降估算得所需泵提供的最小揚(yáng)程ΣΔPf’/(ρg)=37×（7）設(shè)計(jì)一覽表參數(shù)管程殼程冷凝水（依最終衡算壁溫）蒸汽進(jìn)/出口溫度/℃76/8395壓力/KPa/84.5物性定性溫度/℃79.591.0795密度/（kg/m3）1153.6963.30.5039定壓比熱容/[kj/（kg?k）]3.41不需要/粘度/（mPa?s.）1.90.306/熱導(dǎo)率（W/m?k）0.620.6810.023蒸發(fā)潛熱kJ/kg/2269.3設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)形式列管式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/㎜800臺(tái)數(shù)1管徑/㎜Φ38×3管心距/㎜48管長(zhǎng)/㎜9000管子排列正三角形管數(shù)目/根169折流板數(shù)/個(gè)30傳熱面積/㎡173.185折流板間距/㎜287管程數(shù)1材質(zhì)碳鋼主要計(jì)算結(jié)果管程殼程流速/（m/s）0.54/對(duì)流傳熱系數(shù)/[W/（㎡?k）]1879.017900污垢熱阻*104/（㎡?k/W）1.71970.8598壓降/Pa2808.33/熱流量/KW1952.57平均溫度差/℃14.99需要的總傳熱系數(shù)Ks/[W/（㎡?K）]752.132總傳熱系數(shù)K/[W/（㎡?K）]897.143裕度/%19%（8）設(shè)計(jì)評(píng)述eq\o\ac(○,1).事實(shí)上題目要求的鹵水的物性難以直接查出，至少有兩種辦法。若用《化工流體傳熱》附錄十五查，79.5℃μ=0.9mPa?s.而用水的物性推算則為μ=1.9mPa?s，兩者有一倍的差距。附錄表格顯示，35℃時(shí)μ=1.8mPa?s與設(shè)計(jì)系統(tǒng)μ=2.3mPa?s差別過大，雖然用表格查得的數(shù)據(jù)非常容易設(shè)計(jì)出合乎要求的換熱器，但感覺不安全，不合理，故放棄。同時(shí)，就本次設(shè)計(jì)的79.5℃定性溫度而言，兩種數(shù)據(jù)比值為1.9mPa?s0.9mPa?s=2.11，差距很大。由αi=0.023×kdi×（di×ρi×u1μ）0.8×eq\o\ac(○,2).設(shè)計(jì)的換熱器管子長(zhǎng)度為9m，不很合理，因?yàn)楣茏娱L(zhǎng)度大于6m后如果沒有合適穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，管束很容易震蕩，不太安全?？紤]到本次設(shè)計(jì)中水蒸氣冷凝并不需要折流擋板，它的存在主要是起到固定作用。同時(shí)限于時(shí)間和水平所限，本次設(shè)計(jì)并沒有詳細(xì)考慮管長(zhǎng)過大引起的問題和解決辦法。如文中所述，如果用于實(shí)際生產(chǎn)，我建議設(shè)計(jì)兩臺(tái)換熱器，一臺(tái)6嗎，一臺(tái)3m，方法與9m的核算類似，初步估算顯示，管束仍取169-6根，管間距不變，殼體內(nèi)外徑不變，鹵水流速不變，管束仍取Φ38×3mm，水蒸氣進(jìn)出口按流量比例縮小即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。未盡事項(xiàng)按原設(shè)計(jì)程序即可輸出結(jié)果。eq\o\ac(