Теплообменная аппаратура

Содержание

Содержание

Введение

.Материальные и тепловые расчеты

. Расчет изоляции

.Гидравлический расчет

. Механический расчет

.1 Выбор материала.

.2 Расчет обечайки аппарата.

.3 Расчет теплообменника на прочность.

.3.1 Вспомогательные величины.

.3.2 Толщина трубной решетки

.3.3 Упрощенный расчет

.3.4 Уточненный расчет

.3.5 Проверка прочности, устойчивости и крепления труб

.4 Расчет укрепления отверстий.

.5 Расчет фланцевых соединений.

.5.1 Выбор фланцев

. Строповые устройства и опоры

.1 Расчет массы аппарата

.2 Выбор стропового устройства

.3 Расчет опор аппарата

Заключение

Литература

Введение

Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты.

Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Удельный вес на предприятиях химической промышленности теплообменного оборудования составляет в среднем 15-18 %, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностях 50 %. Значительный объем теплообменного оборудования на химических предприятиях объясняется тем, что почти все основные процессы химической технологии (выпаривание, ректификация, сушка и др.) связаны с необходимостью подвода или отвода теплоты.

Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим признакам:

по конструкции - аппараты, изготовленные из труб (кожухотрубчатые, «труба в трубе», оросительные, погружные змеевиковые, воздушного охлаждения); аппараты, поверхностность теплообмена которых изготовлена из листового материала (пластинчатые, спиральные, сотовые); аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и др.);

по назначению - холодильники, подогреватели, испарители, конденсаторы;

по направлению движения теплоносителей - прямоточные, противоточные, перекрестного тока и др.

В общем выпуске теплообменных аппаратов для химической и смежных отраслей промышленности в РФ около 80 % занимают кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и в то же время достаточно универсальны, т. е. могут быть использованы для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и в широком диапазоне их давлений и температур.

Теплообменники типа «труба в трубе» и змеевиковые стальные в общем объеме теплообменной аппаратуры составляют около 8 %, а оросительные из чугуна - около 2 %.

Доля спиральных и пластинчатых теплообменников и аппаратов воздушного охлаждения пока невелика, но на вновь строящихся технологических линиях аппараты этого типа занимают все большее место.

Условия проведения процессов теплообмена в промышленных аппаратах чрезвычайно разнообразны. Эти аппараты применяют для рабочих сред с различным агрегатным состоянием и. структурой (газ, пар, капельная жидкость, эмульсия и др.) в широком диапазоне температур, давлений и физико-химических свойств.

Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена (от нескольких до нескольких тысяч квадратных метров в одном аппарате). В размерном ряду теплообменники различаются по допускаемым давлениям и температурам рабочей среды, а также по материалам, из которых изготовлен аппарат.

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам. Выбор конструкции аппарата для определенных условий теплообменного процесса зависит в основном от эрудиции и интуиции конструктора. Однако существуют рекомендации общего характера, которыми можно руководствоваться при выборе конструкции теплообменника и схемы движения в нем теплоносителей:

при высоком давлении теплоносителей предпочтительнее трубчатые теплообменники; в этом случае в трубное пространство желательно направить теплоноситель с более высоким давлением, поскольку из-за малого диаметра трубы могут выдержать большее давление, чем корпус;

коррозионный теплоноситель в трубчатых теплообменниках целесообразно направлять по трубам, так как в этом случае при коррозионном изнашивании не требуется замена корпуса теплообменника;

при использовании коррозионных теплоносителей предпочтительнее теплообменные аппараты из полимерных материалов, например фторопласта и его сополимеров, обладающих уникальной коррозионной стойкостью;

если один из теплоносителей загрязнен или дает отложения, то целесообразно направлять его с той стороны теплообмена, которая более доступна для очистки (в змеевиковых теплообменниках - это наружная поверхность труб, в кожухотрубчатых - внутренняя);

для улучшения теплообмена не всегда требуется увеличение скорости теплоносителя (так, например, при конденсации паров для улучшения теплообмена необходимо обеспечить хороший отвод конденсата с теплообменной поверхности, для чего следует подобрать аппарат соответствующей конструкции).

По данным: производительность аппарата: 12 т/ч. Нагреваемая среда: водный раствор CH3OH. Раствор нагревается от 16 оС до температуры кипения при атмосферном давлении. Обогрев осуществляется насыщенным водным паром при давлении в межтрубном пространстве: 3 ата. Температура окружающей среды: 20 оС. Потери в окружающею среду 5% от полной тепловой нагрузки. Подобрать теплообменник подходящий под эти условия.

1. Материальные и тепловые расчеты

Определим расход теплоты и расход воды.

Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (греющий пар), индекс «2» - для холодного теплоносителя (Метанол).

Температура конденсации водяного пара tконд=104,2 оС

Температурная схема:

+104,2104,2 С;

+16  64,7 С;

        ;

 = 60,9 оС;

Средняя температура метанола

= 104,2 - 60,9 = 43,3 оС;

где - средняя разность температур.

Расход Метанола:

G2= 12000/3600 = 3,33 кг/с

Раcход теплоты на нагрев метанола:

 Вт;

где =2249Дж/(кг К) - удельная теплоемкость метанола при 60,9 оС.

Расход сухого греющего пара с учетом 5 % потерь теплоты:

 кг/с;

где r = 2249 103 Дж/кг - удельная теплота конденсации водяного пара.

Ориентировочно определяем максимальное значение площади поверхности теплообмена, полагая Кmax = 340  по:

;

Для обеспечения турбулентного течения метанола при Re2 > 15000 скорость в трубах Æ21х2должна быть:

где  - вязкость метанола при 60,9 оС; [1, с. 516].

Число труб, обеспечивающих такой режим, должно быть:

;

По площади поверхности и числу труб берём теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79)

D = 400; d = 25х2; z = 2; n/z = 50; SВ.П. = 0,013 ; F =21,2 ; L = 2 м;

Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 1.1).

Насыщены пар    метанол

                   

                    

               

     

Рис. 1.1

;

;

;

;

где =0,178 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности метанола [2, с. 337].

Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентного течения:

;

где  примем равному 1[1, с. 153], а соотношение =1,05 с дальнейшей поправкой.

Коэффициент теплоотдачи метанола к стенке:

;

Коэффициент теплоотдачи насыщенного пара к стенке:

;

где Вt= 1022 [1, с. 162], при nв=10 коэффициент  = 0,6 [1, с. 162].

Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений:

;

;

Коэффициент теплопередачи:

;

Поверхностная плотность потока:

;

Определим ориентировочно значения и , исходя из того, что

;

Найдем:

;

;

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

;

Коэффициент теплоотдачи  поэтому расчетным диаметром при определенной поверхности труб следует принять d2=0,021м.

Аппарат с L=3м имеет площадь поверхности теплообмена:

;

запас ;

Запас площади поверхности теплообмена достаточен.

2. Расчет изоляции

 

,

где разность температуры изготовления 40 оС и температурой окружающей среды 20 оС;

=40-20=20 оС;

;

;

Изоляционный материал берём Савелит ().

Толщина изоляции;

Толщину изоляции следует принимать равную 3,1 см

3. Гидравлический расчет

Скорость движения едкого натра в трубном пространстве при Re2=15962

;

Коэффициент трения рассчитываем по формуле

;

;

где  - высота выступов шероховатости на поверхности, d - диаметр трубы.

Диаметр штуцеров в распределительной камере  - трубного пространства,  - межтрубного пространства [2, с.55].

;

Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле:

;

Потери давления на трение

Рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле

Высота всасывания:

.

4. Механический расчет

 

.1 Выбор материала

Исходя из того что в теплообменнике происходит теплообмен между насыщенным водяным паром и водным раствором NaOH (15 % масс.). То материал выбираем так чтобы, он был устойчив к данному раствору. Из справочника [6 с. 286] берем сталь Х18Н10Т. Из этой стали будет изготовлен корпус аппарата и его трубные решётки.

Механические свойства стали Х18Н10Т [6 с. 95]:

ρ = 7900 кг/м3

α_t = 16,60 * 10^{-6 o}C^-1;

λ = 16,4 ;

E = 2 * 105 МПа.

 

.2 Расчет обечайки аппарата

Пробное давление при гидравлическом испытании [7 с. 23]:

Коэффициент прочности продольных сварных швов обечайки  = 1, так как принято, что швы с двусторонним сплошным проваром выполняются автоматической сваркой.

Расчетная толщина стенки [7, с. 24]:

Исполнительная толщина стенки:

sи = sp+ c + co=0,52+1,5 + 0,71 = 3 мм.

где с прибавка на коррозию.

Рекомендуемая толщина стенки для данного диаметра составляет 4 мм. [6, с. 411]. Учитывая рекомендации конструктивно принимаем исполнительную толщину стенки 4 мм.

 

.3 Расчет теплообменника на прочность

Расчет теплообменника с неподвижными трубными решетками проводится по ОСТ 26 - 1185 - 81

 

.3.1 Вспомогательные величины

Основные параметры трубной решетки

Относительная характеристика без трубного края

.

Коэффициенты влияния давления на трубную решетку

,

.

Коэффициент ослабления трубной решетки

.

Коэффициент жесткости перфорированной плиты  определяется по табл. 1 [8] в зависимости от :

()= 0,9

Основные характеристики жесткости элементов теплообменного аппарата

Модуль упругости основания (системы труб), Н/мм2:

теплообменный аппарат прочность фланцевый

Приведенное отношение жесткости труб к жесткости кожуха:

.

Коэффициенты жесткости системы труба-кожух:

Для аппаратов с неподвижными трубными решетками:

Kp1 = 1; Kp2 = 1.

Приведенное давление,

Р₀= [a_K×(t_K - t₀) - a_Т×(t_T - t₀)  ] ×K_y×I + [- 1 + m_cp+ m_n×( m_n + 0,5×b× K_p1)] ×P_T - d_sa

где b = D/D₁=1;  m_cp=0,317;

d_sa= [- 1 + m_cp + m_n ×( m_n + 0,3× × K_p2)] ×P_М ;

d_sa= [0,604 - 1 + 0,201 + 1,079(1,079 + 0,12×8,108×1 )] ×0,12 = 1,078.

Р₀= 10,41МПа. 

 

.3.2 Толщина трубной решетки

Толщина трубной решетки назначается конструктивно.

Принятая толщина трубной решетки должна обеспечивать возможность крепления труб в решетке и во всех случаях быть не менее, мм:

2 мм,

т.к. решетка выполнена заодно с фланцем то конструктивно принимаем равной 36 мм.

 

.3.3 Упрощенный расчет

Условия применимости расчета

Упрощенный расчет элементов теплообменных аппаратов производится для конструкций, имеющих K2<1,7 (черт.9) [8], предназначенных для работы под давлением не более 6,4 МПа, при перепаде температур труб и кожуха не более 40 ^oС.

Расчет применим при: (a - a1)/sp < 3 и отсутствии дополнительных требований к жесткости решетки (п.1.6.)

0,667 < 3

Толщина трубной решетки, мм:

где  определяется по черт. 10 [8]

.

[sa]- определяется по п. 4.3.4.12

;

по черт. нашли f1=0,14

мм,

Усилие, распределенное по периметру кожуха, H:

.

Осевое усилие в кожухе, H:

Т.к. Fк < 0 то кожух проверяется на устойчивость по ГОСТ 14249-89.

Проверка на устойчивость проводится по формуле Fk/[F]+Pp/[P]<1:

где

коэффициент сварного шва  = 1.

Условие устойчивости выполнено.

где

 =

определили f2 = 0,4 из графика 11,[8].

.3.4 Уточненный расчет

Уточненный расчет элементов теплообменных аппаратов должен производиться для конструкций, не отвечающих требованиям п. 1.3.

Коэффициенты системы решетки-трубы, кожух-решетка и обечайка-фланец камеры, 1/мм:

,    

,            

.            

Жесткость фланцевого соединения при изгибе, H:

,

где:

,

.

К_ф1= 2,538*1010;

К_ф2= 7,091*107;

К_ф= 2,538*1010;

Коэффициенты влияния давления на изгиб фланцев, мм2

;  .

Приведенное отношение жесткости труб к жесткости фланцевого соединения:

Коэффициенты рассчитанные для стандартных фланцев по ОСТ 26-427-80 и по ОСТ 26-428-80 приведены в табл.1 приложения 3.

Коэффициенты Ф1, Ф2, Ф3, учитывающие влияние бес трубного края решетки и поддерживающее влияние труб определяются по табл. 2 [8] в зависимости от

Ф1 = 6,19; Ф2 = 4,13; Ф3 = 5,03.

Значения Т1, Т2, Т3, определяются по табл. 3 [8] в зависимости от w и mN.

T1 = 9,335; Т2 = 5,8246; Т3 = 6,4461.

Расчет прочности трубной решетки производится по п. 1.4.12 при следующих значениях изгибающих моментов и перерезывающих сил:

 

М0= -7,414 + (300 - 278) * Q = - 4,84  103 H.

0 = 1,163 * 75 = 87,953 Н/мм.

Осевая сила в трубе

Усилия в кожухе

= 200/2 * 0,1 - 87,9 = - 63 H/мм

При FК< 0 проводится проверка на устойчивость по ГОСТ 14249-80.

Fk = 3,14 * 400 * (-63,5) = - 7,99  104 H

.3.4.9. Напряжение в кожухе в месте присоединения к решетке

Для конструкций данного теплообменника Kc=1,7.

Где ,

Т.к. >то берем  для дальнейших расчетов.

Н/мм2

Напряжение в перфорированной части трубной решетки

  при

  при

А -определяется по табл.4[8],В -определяется по табл.5[8] которые зависят от m и ω

 = 0,5068 * 126,261/0,024 = 4488;

Mmax = 0,902 * 4840 = 4364.

Н/мм2.

Напряжение в трубной решетке в месте соединения с кожухом

 Н/мм2.

Расчет на прочность решетки и кожуха.

Условие прочности рассчитываемого элемента

где

,04<480

 

.3.5 Проверка прочности, устойчивости и крепления труб

Условие прочности труб:

 Н/мм2.

Условие устойчивости труб

Условие прочности крепления труб в решетке:

,

где  - допускаемые нагрузки на соединение трубы с решеткой:

для случая развальцовки

где  - глубина развальцовки труб,

[q] = 39,2 МПа для труб завальцованных с отбортовкой;

< 25 * 28 * 39,2 H;

< 27440 H.

4.4 Расчет укрепления отверстий

Отверстие не требует укрепления, т.к. отношение диаметров dш/D < 1,0 (120/400 = 0,3 < 0,5) и отношение толщины стенки обечайки и эллиптической крышки s/D < 0,1 (6/400 = 0,0015 < 0,1).

 

.5 Расчет фланцевых соединений

 

.5.1 Выбор фланцев

Фланцы для теплообменника выбраны исходя из максимального давления в аппарате и габаритных размеров самого аппарата. Для соединения обечайки с крышкой и днищем фланцы взяты плоские приварные, как и для штуцеров. Тип уплотнительной поверхности фланцевого соединения шип - паз. Размеры фланцев корпуса взяты из справочника [6, с. 556].

Фланец плоский приварной с гладкой уплотнительной поверхностью

Условие герметичности фланцевого соединения, орпеделяемое через угол поворота

5. Строповые устройства и опоры

 

.1 Расчет массы аппарата

Масса обечайки аппарата изготовленной из стали Х18Н10Т:

где

= 7900 кг/м3 - плотность стали;

L = 3 м - длинна обечайки.

Масса днища ГОСТ 12625 - 67:

m2 = 13,9 кг

Масса плоской крышки:

Масса распределительной камеры:

Масса трубной решётки:

Масса трубного пучка:

где hp - высота решётки.

Массы стандартных фланцев ГОСТ 1255 - 67:

m6= 20,8 кг и m7 = 23,2 кг по 2 шт.

m8= 3,43 кг и m9 = 4,39 кг по 2 шт.

Масса всего аппараты:

 

.2 Выбор стропового устройства

Строповое устройство выбираем по массе аппарата. Исходя из того, что масса аппарата более 1 тонны (1097,34 кг) то строповое устройство типа 3 (Ушки приварные стальные). Количество ушек две штуки.

Ушко 3 - 1 ГОСТ 13716 - 68

Масса 0,51 кг.

 

.3 Расчет опор аппарата

Расчет корпуса аппарата на изгиб от все указанных нагрузок.

На рисунке показана расчетная схема для горизонтального аппарата.

Реакции опор:

РА = РБ = 0,5 G = 0,5 * 1097,34 = 548,67 кг

Расчетный изгибающий момент:

Мu = 0,0215 G LПР = 0,0215  1097,37  4,3 = 101,52 кг  м

где G - общая сила тяжести аппарата с содержанием в ней средой и вертикальные внешние нагрузки.

LПР = Lк + 2 Lд = 4 + 2  0,150 = 4,3 - приведенная длина аппарата.

Напряжение на изгиб в корпусе от силы тяжести:

.

Напряжение ничтожно мало поэтому на устойчивость корпус не проверяем

Выбираем ширину опоры:

b = 0,2 * DB = 0,2  0,6 = 0,12 м.

Момент сопротивления расчетного сечения стенки корпуса над опорой:

Напряжение на изгиб в стенке корпуса от действия реакции опоры:

.

Не требуется усиление опоры накладкой.

Выбираем опору типа ОГ с наружным диаметром от 325 до 720мм. Количество опор две штуки.

Опора ОГ - 630 - 20 МН 5131 - 63

Масса опоры 25,1 кг.

Заключение

При выполнении курсовой работы был произведен полный расчет теплообменника, вследствие чего подобран стандартный «кожухотрубчатый» теплообменник (ГОСТ 15120-79). Выбрана и рассчитана изоляция теплообменника. Произведен гидравлический расчет данного теплообменника, подобран центробежный насос для подачи едкого натра в аппарат. Выполнен полный механический расчет аппарата. Подобраны строповые устройства, а так же опоры.

Литература

1 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л.: Химия, 1983.

2 Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и другие, «Основные процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, 1991

3 «Справочник химика» под ред. Никольского т.3, Л.: Химия, 1971

4 Авербух Я.Д., Заостровский Ф.П., Матусевич Л.Н., «Процессы и аппараты химической технологии: курс лекций» Ч.2: «Теплообменные и массообменные процессы». Свердловск: изд. УПИ, 1973

5 Локотанов Н.С. «Процессы и аппараты химической технологии: Методические указания к курсовому проектированию». Свердловск: изд. УПИ, 1985.

6 Лащинский А.А., Толчинский А.Р. «Основы конструирования и расчета в химической аппаратуре», Л.: Машиностроение, 1970 г.

7 Михалев М.Ф. «Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств», Л.: Машиностроение, 1984 г.

8 ОСТ 26 - 1185 - 81.

9 ГОСТ 14249 - 89.