Содержание
Введение
Постановка задачи
Описание технологической схемы
Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора
Технологический расчет
Гидравлический расчет
Элементы механического расчета
Заключение
Список литературы
Введение
Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.
По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:
— поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки;
— регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;
— смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.
В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубчатые, оросительные, погруженные и «труба в трубе».
Одним из самых распространенных типов теплообменников являются кожухотрубчатые теплообменники. Они представляют из себя пучек труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой — в пространстве между кожухом и трубами.
Кожухотрубчатые теплообменники могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменники могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.
Достоинствами кожухотрубчатых теплообменников являются: компактность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри, а недостатками — трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями; трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.
Кожухотрубчатые теплообменники могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения.
В качестве греющего агента в теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар имеющий целый ряд достоинств:
— высокий коэффициент теплоотдачи;
— большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;
— равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре;
— легкое регулирование обогрева.
1. Постановка задачи
В курсовой работе необходимо:
1. Выполнить технологический расчет выбранной конструкции аппарата (рассчитать тепловой поток и расход хладоагента);
2. Рассчитать коэффициент теплопередачи; определить площадь поверхности теплообмена;
3. Выполнить гидравлический расчет контактных устройств;
4. Произвести механический расчет элементов аппарата;
2. Описание технологической схемы
Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 2.1. Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.
Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в холодильнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.
Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в холодильнике 10 и направляется в емкость 11.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.
/>
Рис. 2.1. Принципиальная схема ректификационной установки:
1– емкость для исходной смеси; 2, 9 – насосы; 3– теплообменник подогреватель; 4– кипятильник; 5– ректификационная колонна; 6– дефлегматор; 7– холодильник дистиллята; 8– емкость для сбора дистиллята; 10– холодильник кубовой жидкости; 11– емкость для кубовой жидкости
3. Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора
Кожухотрубчатые теплообменники – наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.
Конструктивное оформление машин и аппаратов, применяемых в химической и пищевой промышленности, неразрывно связано с их функциональным назначением и полностью определяется характером и технологическими параметрами протекающих в них процессов. При этом конструкция химического и пищевого оборудования должна не только отвечать требованиям самых совершенных технологий, но и обладать также прочностью, высокой надежностью, быть легкой, эстетичной и требовать как можно меньшего расхода дорогостоящих и дефицитных материалов. Для обеспечения сочетания прочности и надежности пищевой и химической аппаратуры с ее экономичностью и малой материалоемкостью на стадии проектирования необходимо провести подробный механический (прочностной) расчет каждого узла и детали вновь создаваемого оборудования.
Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой – в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители.
Четырехходовой горизонтальный теплообменник типа Н состоит из цилиндрического сварного кожуха 3, распределительной камеры 2 и двух крышек 1 и 6. Трубный пучок образован трубами 4, закрепленными в двух трубных решетках 7. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 8 ) и межтрубного пространств (штуцера 9). Перегородки 10 в распределительной камере образуют ходы теплоносителя по трубам. Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены поперечные перегородки 11, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве.
4. Технологический расчет
Теплотехнические свойства креплёного вина (при 60С):
Плотность: />
Теплоёмкость: />
Теплопроводность: />
Вязкость: />
Определение средней разности температур и средних температур потоков.
Заданием предусмотрено использование кожухотрубчатых теплообменников. Обычно в качестве холодильников используются многоходовые аппараты по трубному и межтрубному пространству, в которых движение теплоносителей соответствует схеме смешанного тока. Поэтому определяем поправку εΔtдля четырехходового теплообменника по трубному пространству и имеющего поперечные перегородки в межтрубном пространстве, предполагая, что именно такой конструкции теплообменник подойдет для охлаждения смеси.
Средняя разность температур противотоков:
/>
/>
/>/>
/>; (1) />.
Рассчитаем коэффициенты Rи P:
/>; (2)–PAGE_BREAK–
/>.
/>; (3)
/>.
По графику определили значение поправочного коэффициента />
Находим среднюю температуру потоков:
/>; (4)
/>.
Поступающее в аппарат сырьё (креплёноё вино) меняет свою температуру на />, а вода – на />. Следовательно, в соответствии с правилом, средняя температура сырья составит:
/>;
а средняя температура воды:
/>.
Определение свойств индивидуальных веществ при средних температурах.
Таблица № 1
Свойства индивидуальных веществ при средних температурах
Свойство
Креплёное вино
Вода
Средняя температура, />
41
14
Плотность, />
994
999
Теплоёмкость, />
3730
4190
Вязкость, />
1,3/>10-3
1,155/>10-3
Теплопроводность, />
0,418
0,587
/>
Определение тепловой нагрузки, расхода хладагента, расчёт ориентировочной поверхности теплообмена, выбор типа и конструкции теплообменника. Так как в начале расчёта коэффициент теплопередачи К не известен, то для нахождения поверхности теплопередачи F принимаем его ориентировочное значение />, которое выбирается на основе опыта эксплуатации теплообменного оборудования.
Определим тепловую нагрузку необходимую для охлаждения сырья до необходимой температуры. Так как в заданном нам процессе не происходит изменение агрегатного состояния ни вещества теплоносителя, ни вещества хладоагента, то тепловая нагрузка находится по формуле:
/>; (5)
Определим расход хладагента (воды):
/>; (6)
/>.
Вычислим ориентировочное значение требуемой поверхности теплопередачи Fор:
/>; (7)
/>.
Так как нам выгодно снижение температуры креплёного вина, направим горячий поток в межтрубное пространство, а хладагент – в трубное. В этом случае будут потери теплоты в окружающую среду через кожух теплообменника.
Примем размер труб трубного пучка />мм. Зададимся величиной критерия Рейнольдса для трубного пространства Reтр=10000. Найдём число труб n, которое обеспечит развитое турбулентное движение хладагента.
/>; (8)
/>.
Теперь, ориентируясь на величину поверхности теплопередачи Fори количеством труб, выбираем нормализованный кожухотрубчатый теплообменник.
Таблица № 2
Характеристики нормализованного кожухотрубчатого теплообменника
Параметр
Значение
Поверхность теплопередачи Fт, м2
209
Диаметр кожуха внутренний D, мм
1000
Общее число труб n, шт
666
Длина труб L, м
4,0
Площадь трубного пространства Sтр, м2
0,055
Площадь межтрубного пространства Sмтр, м2
0,106
Число рядов труб по вертикали nр
26
Число ходов z
4
Расчёт коэффициентов теплоотдачи для трубного и межтрубного пространств. Расчёт коэффициента теплоотдачи для межтрубного пространства. Определяем объёмный расход креплёного вина:
/>; (9)
/>.
Находим скорость потока в межтрубном пространстве:
/>; (10)
/>.
Находим значение критерия Рейнольдса Re1для межтрубного пространства:
/>; (11)
/>.
Вычисляем критерий Прандтля:
/>; (12)
/>.
Определяем критерий Нуссельта. Примем />, а значение скобки
/>.
/>; (13)
/>.
Теперь находим коэффициент теплоотдачи для межтрубного пространства:
/>; (14)
/>.
Расчёт коэффициента теплоотдачи для трубного пространства.
Определяем объёмный расход воды:
/>; (15)
/>.
Находим скорость потока в межтрубном пространстве:
/>; (16)
/>.
Находим значение критерия Рейнольдса Re1для трубного пространства:
/>; (17)
/>.
Вычисляем критерий Прандтля:
/>; (18) продолжение
–PAGE_BREAK–
/>.
Определяем критерий Нуссельта. Примем />, а значение скобки
/>.
/>; (19)
/>.
Теперь находим коэффициент теплоотдачи для трубного пространства:
/>; (20)
/>.
Определяем расчётное значение коэффициента теплоотдачи Кр
Теплообменник будет изготовлен из обычной углеродистой стали с коэффициентом теплопроводности λст=46,5 Вт/(м∙К). Учтем также появление в процессе эксплуатации аппарата загрязнений как со стороны дистиллята rзаг.1 = 1/5800 Вт/(м2∙К), так и со стороны охлаждающей воды rзаг.2 = 1/1500 Вт/(м2∙К).
Тогда коэффициент теплопередачи будет равен:
/>; (21)
/>.
Определение температур стенок.
Определение температуры стенки для горячего потока tст1:
/>; (22)
/>.
Определение температуры стенки для холодного потока tст2:
/>; (23)
/>.
Расчёт критерия Прандтля для горячего и холодного потоков с использованием физико-химических свойств, взятых при температурах стенки tст1 и tст2.
Таблица № 3
Свойства индивидуальных веществ при температурах стенки tст1 и tст2
Свойство
Креплёное вино
Вода
Средняя температура, />
28
19
Плотность, />
1017
998
Теплоёмкость, />
3730
4180
Вязкость, />
1,8/>10-3
1,0/>10-3
Теплопроводность, />
0,410
0,599
Критерий Прандтля для горячего потока (креплёного вина):
/>; (24)
/>.
Критерий Прандтля для холодного потока (воды):
/>; (25)
/>.
Вычислим значение скобок в формулах (13) и (19).
Для горячего потока: />.
Для холодного потока: />.
Определение расчётной поверхности теплопередачи и её запаса
Определим расчётную поверхность теплопередачи
/>; (26)
/>.
Теперь определим запас поверхности теплопередачи
/>; (27)
/>.
5. Гидравлический расчет
Выбор диаметра штуцеров для трубного и межтрубного пространств
Для расчета диаметров штуцеров необходимо принять значение допустимой скорости в штуцерах, которая зависит от того, является трубопровод напорным или самотечным. Уходящий с верха колонны пар конденсируется и самотеком поступает в емкость. Из этой емкости жидкость насосом по одному трубопроводу направляется на верх колонны для создания орошения, а по второму (нашему) прокачивается через холодильник и далее на склад. Таким образом, скорость во всех штуцерах берем как для напорных трубопроводов wдоп = 1,5 м/с.
Диаметр штуцеров для трубного пространства
/>; (28)
/>.
Диаметр штуцеров для межтрубного пространства
/>; (29)
/>.
По ГОСТу выбираем стандартный условный диаметр />:
/>/>;
/>; />.
Перед проведением гидравлического расчёта уточняем скорость потока в штуцере.
Скорость потока для трубного пространства
/>; (30)
/>.
Скорость потока для межтрубного пространства
/>; (31)
/>.
Определим коэффициент трения />для шероховатых труб:
/>; (32)
/>.
Отсюда получаем:
/>
Вычислим гидравлическое сопротивление трубного пространства.
Под термином «гидравлическое сопротивление» принято понимать величину разности статических давлений на входе потока в рассматриваемый аппарат и на выходе из него в зависимости от средней скорости потока, свойств веществ потока, геометрических размеров и конфигурации аппарата, через который протекает поток.
/>; (33)
/>.
Вычислим гидравлическое сопротивление межтрубного пространства:
/>; (34)
/>
6. Элементы механического расчета
Расчет толщины кожуха
Главным составным элементом корпуса большинства химических аппаратов является кожух (обечайка). Наибольшее распространение получили цилиндрические кожухи, которые отличаются простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.
Цилиндрические кожухи из стали при избыточном давлении среды в аппарате р следует рассчитывать по формуле:
δ = D∙ p/ (2 ∙ σд ∙ φ) + Ск+ Сокр, продолжение
–PAGE_BREAK–
где D – внутренний диаметр кожуха, м;
σд – допускаемое напряжение на растяжение для материала кожуха, МН/м2 (σд = 140 МН/м2).
Коэффициент φ учитывает ослабление кожуха из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий, φ = φш = 0,95.
Прибавка толщины с учетом коррозии Ск определяется формулой: Ск= П∙τа ,
П = 0,1 мм/год; τа = 10 лет, а суммарное значение толщины округляется до ближайшего нормализованного значения добавлением Сокр.
Cк= П .τа= 0,1 .10 = 0,001 м.
Границей применимости формулы для расчета кожуха является условие:
(δ — Ск) / D≤ 0,1.
Толщина кожуха с учетом запаса на коррозию и округления равна:
δ = 0,8 ∙ 0,392 / (2 ∙ 140 ∙ 0,95) + 0,001 = 0,0022 м = 2,2 мм.
Условие (0,0022 — 0,001) / 1
На основании данных практического использования кожухотрубчатых теплообменных аппаратов принимаем толщину стенки кожуха равной 4мм.=0,004м.
Допускаемое избыточное давление в обечайке можно определить из формулы:
рд= 2 ∙ σд ∙ φ∙(δ — Ск) / (D+ (δ — Ск)) =
= 2 ∙ 140 ∙ 0,95 ∙ (0,0022 — 0,001) / (0,8 + (0,0022 — 0,001))= 0,39 МПа.
Расчет толщины днища
Составным элементами корпусов химических аппаратов являются днища, которые обычно изготавливаются из того же материала, что и кожуха, и привариваются к ней. Днище неразъемно ограничивает корпус горизонтального аппарата с боков. Форма днища может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой днищ для цилиндрических аппаратов является эллиптическая. Днища такой формы изготавливаются из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до 10 МПа. Толщину стандартных эллиптических днищ, работающих под внутренним избыточным давлением р, рассчитывают по формуле, которая справедлива при условии: (δ — Ск) / D ≤ 0,125.
Примем, что днище у аппарата стандартное отбортованное эллиптическое сварное и в нем нет неукрепленных отверстий.
Примем φ = φш = 0,95.
Толщина днища:
δ = D ∙ p / (2 ∙ σд ∙ φ) + Ск + Сокр = 0,8∙ 0,3924 / (2 ∙ 140 ∙ 0,95) + 0,001= 0,0022 м = 2,2 мм.
Требуемое условие (0,0022 — 0,001) / 1
Расчет фланцевых соединений
Подсоединение трубопроводов к сосудам и аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Штуцерные соединения могут быть разъемными и неразъемными. Наиболее употребительны разъемные соединения с помощью фланцевых штуцеров. Стальные фланцевые штуцера представляют собой короткие куски труб с приваренными к ним фланцами либо с фланцами, удерживающимися на отбортовке, либо с фланцами, откованными заодно со штуцером. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров могут быть тонко- или толстостенными. Штуцера не рассчитывают на прочность, а выбирают. Типы штуцеров определены действующими стандартами, сводную таблицу которых можно найти в справочнике.
По назначению все фланцевые соединения в химическом аппаратостроении подразделяются на фланцы для трубной арматуры и труб и фланцы для аппаратов. Фланцевое соединение состоит из двух симметрично расположенных фланцев, уплотнительного устройства и крепежных элементов.
Конструкцию фланцевого соединения принимают в зависимости от рабочих параметров аппарата: при р ≤ 2,5 МПа и t≤ 300˚С применяют плоские приварные фланцы (рис. 6.2).
/>
Рис. 6.2. Конструкция плоского приварного фланцевого соединения
Во фланцевых соединениях при р ≤ 2,5 МПа и t≤ 300˚С применяют болты.
Опоры служат для установки аппаратов на фундамент. Опора имеет обечайку цилиндрической или конической формы и фундаментное кольцо из полосовой стали, приваренное к кожуху. Опору приваривают к корпусу аппарата сплошным швом.
При установке аппарата внутри помещения на полу применяются отдельные опорные лапы обычно 4. Выбирают лапы по нормали в зависимости от нагрузки. Подвесные опорные лапы рекомендуется располагать выше центра масс аппарата.
Выбор конструкции опор аппарата
Опоры служат для установки аппаратов на фундамент. Опора имеет обечайку цилиндрической или конической формы и фундаментное кольцо из полосовой стали, приваренное к кожуху. Опору приваривают к корпусу аппарата сплошным швом.
При установке аппарата внутри помещения на полу применяются отдельные опорные лапы обычно 4. Выбирают лапы по нормали в зависимости от нагрузки. Подвесные опорные лапы рекомендуется располагать выше центра масс аппарата.
Выбор типа опоры аппарата зависит от ряда условий: места установки аппарата, соотношения высоты и диаметра аппарата, его массы и т.д. При установке колонных аппаратов на открытой площадке, когда отношение высоты опоры к диаметру аппарата меньше или равно 5, то рекомендуют использовать опоры в виде ножек. Для горизонтальных аппаратов, устанавливаемых в помещениях, рекомендуют применять седловые опоры. Руководствуясь этими рекомендациями, мы выбираем седловые опоры.
Расчет трубных решеток
Одним из основных элементов кожухотрубчатых теплообменников являются трубные решетки. Они представляют собой перегородки, в которых закрепляются трубы и которыми трубное пространство отделяется от межтрубного.
Для большинства типов неподвижно закрепленных решеток их высоту рассчитывают по формуле:
h= K∙ D√ p/ φσи.д+ Ск+ Сокр,
где К= 0,45;
D= Dп– средний диаметр цилиндрической обечайки кожуха аппарата:
/>м;
р= 0,392 МПа – рабочее давление;
σи.д= 140 МН/м2– допускаемое напряжение на изгиб материала решетки;
Ск= 0,001 м;
φ– коэффициент ослаблений решетки отверстиями:
φ= (Dп– zр∙ dн) / Dп= (0,805 -10 ∙ 0,02) / 0,805= 0,75,
где zр– число труб на диаметре решетки;
dн– наружный диаметр труб.
h= 0,45 ∙ 0,805 ∙ √0,392 / (0,75 ∙ 140) + 0,001 = 0,023 м = 23 мм.
Высоту решетки снаружи определяют по формуле:
h1= K1 ∙ Dп √ p/ σи.д+ Ск+ Сокр,
h1 = 0,36 ∙ 0,805 ∙ √0,392 / 140 + 0,001 = 0,016 м = 16 мм.
где K1= 0,36; Dп = 0,805 м; р = 0,392 МПа.
Минимальный шаг между трубами t рекомендуется принимать соответственно диаметру труб: dн = 25 мм, t= 1,3 ∙ dн
t= 1,3 ∙ 25 = 32,5 мм.
Высоту трубной решетки принимаем 32 мм
Заключение
В данном курсовом проекте я произвел подбор и расчет теплообменной установки, предназначенной для использования в производстве крепленого вина. Мной был произведен технологический, гидравлический расчет, а также элементы механического расчета. Исходя из полученных данных был подобран по каталогу нормализованный четырехходовой кожухотрубчатый теплообменник. Кроме того была подробна рассмотрена технологическая схема теплообмена.
Список литературы
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1991. 496с.
Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов/ К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков//Под ред. Чл-корр. АН СССР П.Г. Романкова.- 10-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1987. 576с.
Расчет теплообменных аппаратов: Учеб. пособ./ В.Д. Измайлов, В.В. Филиппов; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2006. 108с.