Курсовий проект
На тему: РОЗРАХУНОК Конденсатори-ХОЛОДИЛЬНИКА ПАРІВ бінарні суміші МЕТАНОЛ-ВОДА
2010
Зміст
ЗМІСТ
ВСТУП
1ТЕПЛОВОЙ РОЗРАХУНОК
2 КОНСТРУКТИВНО - МЕХАНІЧНИЙ РОЗРАХУНОК
2.1 Розрахунок товщини обичайки
2.2 Розрахунок трубної решітки
2.3 Підбір кришки і днища
2.4 Підбір штуцерів
2.5 Розрахунок опор
3 ГІДРАВЛІЧНИЙ РОЗРАХУНОК
4 РОЗРАХУНОК ІЗОЛЯЦІЇ
ВИСНОВОК
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
Введення
Теплопередача - це наука про процеси розповсюдження теплоти. Розрізняють три різні способи перенесення теплоти: теплопровідність, конвекцію і теплове випромінювання. У реальних установках теплота передається комбінованим шляхом, проте внесок цих трьох складових у загальний перенос теплоти неоднаковий і визначається багатьма умовами: природою теплоносія, агрегатним станом, температурним і гідродинамічним умовами і т.д.
У промисловості теплообмін між робочими тілами (теплоносіями) відбувається у спеціально сконструйованих апаратах, які називаються теплообмінниками. Вони повинні відповідати певним загальним вимогам: мати високу тепловою продуктивністю і економічністю, забезпечувати задані технологічні умови процесу, бути прості по конструкції, компактні, володіти сучасним технічним і естетичним дизайном, мати тривалий термін служби, відповідати вимогам СНІП і відомчим правилами технагляду. Особливі вимоги пред'являються до забезпечення надійності роботи апаратів, можливості автоматичного регулювання режимно-технологічних параметрів і аварійного відхилення.
У хімічній технології теплообмінні апарати досить широко поширені, застосовуються в різних виробництвах легкої та важкої промисловості. Для забезпечення того чи іншого технологічного процесу застосовуються різні типи теплообмінних апаратів. Основну групу теплообмінних апаратів, застосовуваних у промисловості, складають поверхневі теплообмінники, в яких теплота від гарячого теплоносія передається холодного теплоносія через розділяє їх стінку. Іншу групу складають теплообмінники змішування, в яких теплота передається при безпосередньому зіткненні гарячого та холодного теплоносіїв.
Теплообмінні апарати класифікуються:
1.По призначенням:
а) холодильники;
б) підігрівачі;
в) випарники;
г) конденсатори;
2.По конструкції:
-Виготовлені з труб:
а) теплообмінники «труба в трубі»;
б) зрошувальні теплообмінники;
в) заглибні змієвикові;
г) теплообмінники повітряного охолодження;
д) з оребрених труб;
е) кожухотрубчасті теплообмінники;
-З нерухомою трубної гратами;
-З лінзовим компенсатором;
-З плаваючою головкою;
-З U-подібними трубами;
3.По напрямку руху теплоносія:
а) прямоточні;
б) протитечійні;
в) з перехресним рухом.
4.По принципом дії теплообмінні
а) рекуперативні;
б) регенеративні;
в) змішувальні.
Найбільшого поширення в хімічній промисловості отримали теплообмінні апарати рекуперативного типу. В апаратах цього типу теплообмін між гарячим і холодним теплоносіями здійснюється через розділяє їх перегородку (стінку).
Кожухотрубчасті теплообмінні апарати використовуються для практичної реалізації таких процесів, як нагрівання (охолодження), конденсація і випаровування. Відповідно апарати називаються теплообмінниками, холодильниками, конденсаторами і випарниками.
Теплообмінники призначені для проведення процесу теплообміну між теплоносіями, які не змінюють свого агрегатного стану в процесі теплообміну: це газо-рідинні і рідинно-рідинні апарати для проведення процесів охолодження і нагрівання.
Холодильники призначені для охолодження водою або іншими нетоксичними, не пожежо-і не вибухонебезпечними холодоагентами рідких та газоподібних середовищ. Працюють, як правило, в області мінусових температур.
Відповідно до ГОСТ 15122-79 1512019 і кожухотрубчасті теплообмінники та холодильники виготовляють двох типів «Н» - з нерухомими трубними гратами і «К» - з компенсатором температурних напружень на кожусі. Необхідність використання компенсатора визначається гранично-допустимої різницею температур стінок труб і кожуха, рівної 50єС або порівняно великою довжиною теплообмінних труб (більше 6).
Конденсатори призначені для конденсації насичених парів. Зазвичай конденсацію здійснюють на зовнішній поверхні пучка труб в міжтрубному просторі. У хімічній промисловості для нагрівання рідин і газів за рахунок теплоти конденсації насичених парів найчастіше використовується насичений водяний пар.
Випарники призначені для проведення процесів випаровування рідини при кипінні. При цьому рідина кипить в трубах, а в Міжтрубний простір подається гріючий агент. Відповідно до стандарту, кожухотрубчасті випарники в цьому випадку можуть бути тільки одноходових і вертикального виконання.
Теплообмінники типу «труба в трубі». При порівняно невеликих теплових навантаженнях (малих продуктивності за теплоносія), коли необхідна величина теплопередающей поверхні незначна (до 20 год 40 м 2), на практиці рекомендується використовувати найбільш прості по пристрою, виготовлення, монтажу та експлуатації теплообмінники. Вони виготовляються в наступних виконаннях:
- Нерозбірні однопоточні малогабаритні;
- Розбірні одно-і двухпоточном моногабарітние;
- Розбірні однопоточні;
- Нерозбірні двухпоточном;
- Розбірні багатопотокові;
У пластинчастих теплообмінниках поверхню теплообміну утворюється набором тонких штампованих гофрованих пластин, які зібрані в пакети і розділені між собою спеціальної форми і профілю ущільнювальної термостійкої гумою. Вони можуть бути розбірними і полуразборнимі.
Спіральні теплообмінники. У них поверхню теплопередачі утворюється двома листами (стрічками) з вуглецевої або легованої сталі, згорнутими у вигляді спіралі навколо центральної перегородки.
Блокові графітові теплообмінники. Для здійснення процесу теплообміну між агресивними хімічно активними теплоносіями користуються теплообмінниками, виготовленими з графіту. Найбільшого поширення набули блокові графітові теплообмінники.
У нашому випадку за завданням необхідно провести розрахунок кожухотрубчатого теплообмінника.
Кожухотрубчасті теплообмінники відносяться до рекуперативним поверхневим апаратів безперервної дії. По конструкції вони являють собою апарати, виконані з пучків труб, закріплених за допомогою трубних решіток (дощок) і обмежених кожухами з кришками, снабженнвмі патрубками входу та виходу теплоносія. Трубне і межтрубное простору в апараті роз'єднані. Теплообмінники такого типу призначені для теплообміну між різними рідинами, між рідинами і парою, між рідинами і газом.
Основним недоліком апаратів такого типу є великий перетин трубного і міжтрубному простору, що зумовлює невисокі швидкості руху теплоносіїв і, як наслідок, невисокі значення коефіцієнтів тепловіддачі. Для збільшення швидкості руху теплоносіїв, теплоносіїв, теплообмінники часто виконуються багатоходових, встановлюючи перегородки в трубному або міжтрубному просторі.
Основна перевага кожухотрубчасті теплообмінників - велика питома поверхня теплообміну, тобто поверхня, яка припадає на одиницю маси апарату, завдяки чому ці теплообмінники знаходять саме широке застосування.
1 Теплова РОЗРАХУНОК
Вихідні дані:
Бінарна суміш метанол-вода
Продуктивність 160т/суткі
Пари надходять в апарат при температурі конденсації, конденсат відводиться при 18 ° C
Зміст нк в парах 65% (мас.)
Температура охолоджуючої води:
-На вході 12 ° C
-На виході 17 ° C
Мольна частка суміші:
Побудуємо tx діаграму з якої знайдемо t кіп.см = 78 ° C
Таблиця 1. - Розрахунок змісту низкокипящей компонента при різних тисках і температурі.
|
|
| ||
64 | 760 | 180 | 760 | 1 |
68 | 850 | 215 | 0,85 | |
72 | 950 | 240 | 0,73 | |
76 | 1150 | 310 | 0,54 | |
80 | 1200 | 340 | 0,49 | |
84 | 1400 | 400 | 0,36 | |
88 | 1600 | 510 | 0,23 | |
92 | 1700 | 525 | 0,20 | |
96 | 1830 | 610 | 0,12 | |
100 | 2090 | 760 | 0 |
Малюнок 1. tx діаграма.
Рівняння теплового балансу
Тепло, віддане сумішшю метанол-вода при конденсації:
- За правилом адитивності.
Тепло, віддане при охолодженні конденсату суміші етанол-вода:
і
а також
і
беремо при температурі кипіння суміші 78 ° C
Загальна тепло, віддане сумішшю метанол-вода:
Визначення проміжної температури
Температура суміші між зонами конденсації і охолодження визначається:
або
.
Розрахунок зони конденсації.
Середній температурний напір у зоні конденсації, у разі змішаного струму, визначаємо за рівнянням:
Так як і
Намітимо варіант теплообмінного апарату.
Орієнтовно визначимо значення площі поверхні теплообміну, вважаючи До ор = 300 Вт / (м 2 * К).
.
Розрахунок зони охолодження конденсату.
Орієнтовно визначимо значення площі поверхні теплообміну, вважаючи До ор = 800 Вт / (м 2 * К).
Визначимо кількість труб на один хід.
де, Re = 15000, оскільки припускаємо, що режим руху рідини турбулентний
За табл. XXXIV [стр.533, 1] приймемо двоходовий кожухотрубчасті теплообмінник КН (ГОСТ 15119-79) з внутрішнім діаметром кожуха D = 1000 мм, числом ходів рівним 2, числом труб на один хід 377 (загальна кількість труб n = 754), висотою труб l = 3 м.
Уточнюємо значення коефіцієнта Рейнольдса:
Отже, в трубному просторі буде забезпечено турбулентний рух теплоносія.
Розрахунок I зони конденсації.
Визначимо поверхню теплообміну зони конденсації.
Визначимо коефіцієнт теплопередачі.
Коефіцієнт теплопередачі:
Розрахуємо термічний опір стінки і забруднень.
Вважаємо, що з боку органічної суміші накип не утворюється. Коефіцієнт теплопровідності стали = 16,4 Вт / (м К), коефіцієнт теплопровідності накипу
= 2 Вт / (м К).
Значення фізичних величин, що входять в це рівняння вибираються з таблиць при температурі плівки конденсату:
де
Визначення коефіцієнта тепловіддачі від конденсується пара до ізотермічної стінці.
при 74,8 ° C
для турбулентного режиму.
(Нехтуємо
Тоді
Коефіцієнт теплопередачі:
Визначимо поверхню теплообміну зони конденсації.
Розрахунок II зони охолодження.
Визначимо поверхню теплообміну зони охолодження.
Визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки труби до води в зоні охолодження
Оскільки охолоджуюча вода в процесі теплопередачі не змінює свого агрегатного стану і рухається з тією ж швидкістю, що і в зоні конденсації, то логічно прийняти, що:
.
Коефіцієнт теплопередачі:
.
Визначення коефіцієнта тепловіддачі від стінки труби до води.
Приймемо ,
.
2 Конструктивно - механічний розрахунок
У завдання конструктивно - механічного розрахунку входить визначення необхідних геометричних розмірів окремих деталей і вузлів, які визначають конструкцію теплообмінного апарату, його механічну міцність і розміри.
2.1 Розрахунок товщини обичайки
Обичайка - циліндричний корпус апарату, який працює, як правило, під надлишковим внутрішнім і зовнішнім тиском.
Приймаються матеріал сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-61.
Товщина стінки обичайок, що працюють під внутрішнім тиском, розраховується за рівнянням:
де P R - розрахунковий тиск в апараті, МПа; - Гранично-допустима напруга для сталі Х18Н10Т ГОСТ 5632-61,
= 145МН / м 2; D-діаметр обичайки, мм;
- Надбавка на округлення,
- Надбавка на корозію.
Перевіримо умову:
умова виконується
Допустиме надлишковий тиск в обичайці:
2.2 Розрахунок трубних решіток
Товщину трубних решіток можна прийняти:
Теплообмінні труби в трубній решітці розташовуються по вершинах рівностороннього трикутника (шахове розташування труб).
Це обумовлено тим, що цей спосіб розташування забезпечує найбільш компактне розміщення необхідної поверхні теплообміну усередині апарату.
2.3 Підбір кришки і днища
Складовими елементами корпусів хімічних апаратів є кришки і днища, які зазвичай виготовляються з того ж матеріал, що й обичайки, і приварюються до неї. Форма кришок і днища може бути еліптичної, сферичної, конічної і плоскою. Найбільш раціональною формою для циліндричних апаратів є еліптична. Еліптичні днища і кришки виготовляються з листового прокату штампуванням і можуть використовуватися в апаратах з надлишковим тиском до 10 МПа. Кришки і днища підбирають стандартними за таблицями з довідкової літератури.
Вибираємо еліптичне відбортований днище СТХ18Н10Т
У днищі є отвори d = 0,2 м, ц м = 0,8
Коефіцієнт ослаблення днища отворами:
Товщина стінки днища з урахуванням надбавки
Перевіримо умову:
умова виконується
Допустиме надлишковий тиск в днище:
За табл. 16.1 [3, стр.440] підбираємо стандартні сталеві відбортовані днище і кришку з розмірами (Днище 1000 6-25-Х18Н10Т ГОСТ 6533-68):
D в = 1000 мм;
h в = 250 мм;
s = 6 мм;
h = 25 мм;
2.4 Підбір штуцерів
Штуцери повинні відповідати за конструкцією і міцності робочому тиску всередині апарату, при цьому повинні забезпечувати високу герметичність.
Штуцери виготовляють із сталевих труб необхідного розміру. Залежно від робочого тиску всередині апарату вибирають розміри фланців. Товщина стінок штуцерів повинна визначатися розрахунком на щільність по робочому тиску в апараті та навантажень, що виникають від приєднаних деталей трубопроводів та арматури, проте вона не повинна бути менше половини товщини стінки апарату, до якого вони приварюються. При виборі висоти штуцерів необхідно виходити з умов закладки болтів у фланці з боку посудини, а також з урахуванням товщини шару ізоляції, що закріплюється на поверхні апарату.
Діаметр умовного проходу (внутрішній діаметр) штуцерів для підведення та відведення теплоносіїв розраховується на основі рівняння масової витрати:
;
звідки
;
тут щ шт - швидкість течії теплоносія в штуцері, м / с.
Для пар суміші приймаємо щ шт = 30 м / с, для рідини приймаємо щ шт = 1 м / с і для води приймаємо щ шт = 4 м / с
Приймаються D y = 200 мм.
Вибираємо штуцер з плоским фланцем і тонкостінних патрубком (по I типу [табл.27.1, 3]).
d 3, d 4 = 0,2 мм
Приймаються D у = 200 мм
d н = 219 мм;
D у = 200 мм;
Н = 180 мм;
l = 230 мм
s = 10
m = 16,8 кг.
Матеріал: сталь Х18Н10Т
d 2 = 0,07 мм
Приймаються D = 100 мм
Вибираємо штуцер з плоским фланцем і тонкостінних патрубком (по I типу [табл.27.1, 3]).
d н = 121 мм;
D у = 100 мм;
Н = 190 мм;
l = 190 мм
s = 8
m = 6,72 кг.
Матеріал: сталь Х18Н10Т
d 1 = 0,3 мм
Приймаються D y = 300 мм.
Вибираємо штуцер з плоским фланцем і тонкостінних патрубком (по I типу [табл.27.1, 3]).
Приймаються D у = 300 мм
d н = 325 мм;
D у = 300 мм;
Н = 200 мм;
l = 270 мм
s = 10
m = 31,6 кг.
Матеріал: сталь Х18Н10Т
Приєднувальні розміри фланців
Для штуцерів з D y = 100 мм
D у = 100 мм
d н = 108 мм
D ф = 205 мм;
D б = 170 мм;
D 1 = 148 мм;
h = 11мм
Болти М16, z = 4
Тип фланця I ГОСТ 1255-67
2. Для штуцерів з D y = 200 мм
D у = 200 мм
d н = 219 мм
D ф = 315 мм;
D б = 280 мм;
D 1 = 258 мм;
h = 15мм
Болти М16, z = 8
Тип фланця I ГОСТ 1255-67
3. Для штуцерів з D y = 300 мм
D у = 300 мм
d н = 325 мм
D ф = 435 мм;
D б = 395 мм;
D 1 = 365 мм;
h = 18мм
Болти М20, z = 12
Тип фланця I ГОСТ 1255-67
2.5 Розрахунок опор
Установка хімічних апаратів на фундаменти або спеціальні несучі конструкції здійснюється здебільшого за допомогою опор.
Для установки нашого вертикального апарату будемо використовувати опори типу II по ОН 26-01-69-68.
Для того, щоб вибрати опору, необхідно розрахувати вагу всього апарату в робочому стані.
Вага апарата
кришка + днище + фланець
обичайка
трубні решітки
труби
штуцера
м 3
Вага всього апарату:
Опори лапи типу VIII [3, ріс.29.1]
Теплообмінник підвішені на 4-х лапах.
Число ребер в лапі z = 2
Валет опори l = 0,25
Навантаження на одну опору = 9091,2
L = 100 | b = 22 | a 1 = 50 |
L 1 = 120 | b = 70 | a 2 = 105 |
L 2 = 90 | H = 235 | R = 12 |
B = 195 | h = 14 | D = 24 |
B 1 = 85 | S = 6 | M = 16 |
B 2 = 90 | a = 25 |
Подкладной лист
3 Гідравлічний розрахунок
Основною метою гідравлічного розрахунку теплообмінних апаратів є визначення витрат енергії на переміщення рідини (пара) через теплообмінник і підбір насоса або вентилятора. Підбір насоса здійснюється за такими основними параметрами: властивостями теплоносія, необхідної об'ємної продуктивності, що розвивається напору і потужності двигуна. У всіх випадках при підборі насосів або вентиляторів, їх паспортні характеристики повинні бути не нижче необхідних за розрахунком.
В загальному випадку потужність N (кВт), споживана двигуном насоса розраховується за рівнянням:
;
V В = ;
Де, S = рЧd 2 Чn в одн.х / 4 = 3,14 ч0, 021 2 Ч377 / 4 = 0,13 м 2;
Па
по рис.1.5 при Re = 19319,5
Визначимо втрати тиску на подолання місцевих опорів теплообмінника.
Вид опору | про | Σ про |
Вхідна і вихідна камери | 1,5 | 1,5 Ч2 = 3 |
Вхід в труби і вихід з них | 1 | 1Ч4 = 4 |
Поворот на 180є з однієї секції в іншу | 2,5 | 2,5 Ч2 = 5 |
Розрахуємо швидкість в штуцерах за формулою:
м / с
Швидкісне тиск в штуцерах:
Др ск '= щ ш 2 Чс / 2 = 1000 4,5 2 / 2 = 10262,7 Па
Швидкість в штуцері більше швидкості в трубах, тому втрати тиску для вхідний і вихідний камер знаходимо за швидкістю в штуцерах, а втрати при вході і виході з труб і при повороті з однієї секції в іншу - по швидкості в трубах:
ŋ = 0,65
Вибираємо насос з табл.15 [3, стор 28]: заданим подачі і напору відповідає відцентровий насос марки Х500/25, для якого
Q = 1,5 · 10 -1 м 3 / с; Н = 19м; n = 16с -1; ŋ н = 0,80.
Насос забезпечений електродвигуном типу АО2-91-6, номінальною потужністю N н = 55 кВт.
4 Розрахунок ізоляції
t ст. = t конд. = 76 о С; t з = 40 о С; t окр = 20 о С.
Товщину теплової ізоляції знаходимо з рівності питомих теплових потоків через шар ізоляції від поверхні ізоляції до навколишнього середовища.
Вт / (м · К);
У якості ізоляційного матеріалу візьмемо совеліт (85% магнезит + 15% азбесту), що має коефіцієнт теплопровідності л = 0,09 Вт / (м · К).
Товщина ізоляції:
д н = л (t ст. - t з) / б н (t з - t окр) = 0,09 (76 - 40) / 11,62 (40 - 20) = 0,014 м.
Товщину ізоляції приймаємо що дорівнює 14 мм.
Висновок
Був проведений розрахунок теплової апарату, в результаті був обраний стандартний вертикальний Кожухотрубний теплообмінник з нерухомою трубної гратами (ГОСТ 15119-79) поверхня теплообміну . Діаметр кожуха 1000 мм, довжина труб 3 м, загальна кількість труб 754, діаметр труби 0,025 x2 м, число ходів 2, запас площі поверхні теплообміну 15%. Розрахована теплова ізоляція її товщина складає 14 мм. А також проведено гідравлічний розрахунок.
Труби виготовлені із сталі марки Х18Н10Т, розташовані в шаховому порядку і закріплені в трубній решітці розвальцюванням.
Для подачі води в теплообмінник використовуємо відцентровий насос марки Х500/25.
Теплообмінник встановлений на чотири стандартних опори типу ОВ-II-Б-10000-20 ОН 26-01-69-68.
Список літератури
1. Павлов К.Ф., Романків П.Г., Носков А.А. Приклади і задачі по курсу процесів і апаратів хімічної технології .- 9-е вид .- Л.: Хімія, 1981.-560С.
2. Основні процеси та апарати хімічної технології: посібник з проектування .- 2-е вид. / За ред. Ю.І. Дитнерского .- М.: Хімія, 1991. - 496с.
3. Лащинський А.А. Конструювання зварних хімічних апаратів: Довідник. - Спб.: Машинобудування. 1981. - 382с.
4. Кожухотрубний теплообмінник. Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи для студентів всіх спеціальностей ХТФ - Томськ: Изд. ТПУ, 2006 - 20с.
5. Процеси та апарати хімічної технології. Проектування теплообмінних апаратів. Частина 1.Тепловой розрахунок. Методичні вказівки до курсового проектування для студентів хіміко-технологічного факультету. Томськ: Изд. ТПУ, 2004.-47с.
6. Процеси та апарати хімічної технології. Проектування теплообмінних апаратів. Частина 2. Гідравлічний і конструктивно - механічний розрахунки. Методичні вказівки до курсового проектування для студентів хіміко-технологічного факультету. Томськ: Изд. ТПУ, 2004.-42с.