Расчет конденсатора-холодильника паров бинарной смеси метанол-вода

Курсовой проект

На тему: РАСЧЕТ КОНДЕНСАТОРА-ХОЛОДИЛЬНИКА ПАРОВ БИНАРНОЙ СМЕСИ МЕТАНОЛ-ВОДА





























2010


Содержание



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

2 КОНСТРУКТИВНО – МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

2.1 Расчет толщины обечайки

2.2 Расчет трубной решётки

2.3 Подбор крышки и днища

2.4 Подбор штуцеров

2.5 Расчёт опор

3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

4 РАСЧЁТ ИЗОЛЯЦИИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ




Введение



Теплопередача – это наука о процессах распространения теплоты. Различают три различных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В реальных установках теплота передаётся комбинированным путём, однако вклад этих трёх составляющих в общий перенос теплоты неодинаков и определяется многими условиями: природой теплоносителя, агрегатным состоянием, температурным и гидродинамическим условиям и т.д.

В промышленности теплообмен между рабочими телами (теплоносителями) происходит в специально сконструированных аппаратах, которые называются теплообменниками. Они должны отвечать определённым общим требованиям: обладать высокой тепловой производительностью и экономичностью, обеспечивать заданные технологические условия процесса, быть просты по конструкции, компактны, обладать современным техническим и эстетическим дизайном, иметь длительный срок службы, соответствовать требованиям СНИП и ведомственным правилам Госгортехнадзора. Особые требования предъявляются к обеспечению надёжности работы аппаратов, возможности автоматического регулирования режимно-технологических параметров и аварийного отклонения.

В химической технологии теплообменные аппараты довольно широко распространены, применяются в различных производствах легкой и тяжелой промышленности. Для обеспечения того или иного технологического процесса применяются различные типы теплообменных аппаратов. Основную группу теплообменных аппаратов, применяемых в промышленности, составляют поверхностные теплообменники, в которых теплота от горячего теплоносителя передается холодному теплоносителю через разделяющую их стенку. Другую группу составляют теплообменники смешения, в которых теплота передается при непосредственном соприкосновении горячего и холодного теплоносителей.

Теплообменные аппараты классифицируются: 

1.По назначению:

а) холодильники; 

б) подогреватели; 

в) испарители; 

г) конденсаторы;

2.По конструкции:

-изготовленные из труб:

а) теплообменники «труба в трубе»;

б) оросительные теплообменники;

в) погружные змеевиковые;

г) теплообменники воздушного охлаждения;

д) из оребренных труб;

е) кожухотрубчатые теплообменники;

-с неподвижной трубной решеткой;

-с линзовым компенсатором;

-с плавающей головкой; 

-с U-образными трубами;

3.По направлению движения теплоносителя:

а) прямоточные;

б) противоточные;

в) с перекрестным движением.

4.По принципу действия теплообменные 

а) рекуперативне; 

б) регенеративне;

в) смесительные.

Наибольшее распространение в химической промышленности получили теплообменные аппараты рекуперативного типа. В аппаратах этого типа теплообмен между горячим и холодным теплоносителями осуществляется через разделяющую их перегородку (стенку).

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты используются для практической реализации таких процессов, как нагревание (охлаждение), конденсация и испарение. Соответственно аппараты называются теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями.

Теплообменники предназначены для проведения процесса теплообмена между теплоносителями, которые не изменяют своего агрегатного состояния в процессе теплообмена: это газо-жидкостные и жидкостно-жидкостные аппараты для проведения процессов охлаждения и нагревания.

Холодильники предназначены для охлаждения водой или другими нетоксичными, не пожаро- и не взрывоопасными хладагентами жидких и газообразных сред. Работают, как правило, в области минусовых температур.

В соответствии с ГОСТ 1512019 и 15122-79 кожухотрубчатые теплообменники и холодильники изготавливают двух типов «Н» - с неподвижными трубными решётками и «К» - с компенсатором температурных напряжений на кожухе. Необходимость использования компенсатора определяется предельно-допустимой разностью температур стенок труб и кожуха, равной 50єС или сравнительно большой длиной теплообменных труб (более 6м).

Конденсаторы предназначены для конденсации насыщенных паров. Обычно конденсацию осуществляют на наружной поверхности пучка труб в межтрубном пространстве. В химической промышленности для нагревания жидкостей и газов за счёт теплоты конденсации насыщенных паров чаще всего используется насыщенный водяной пар.

Испарители предназначены для проведения процессов испарения жидкости при кипении. При этом жидкость кипит в трубах, а в межтрубное пространство подаётся греющий агент. В соответствии со стандартом, кожухотрубчатые испарители в этом случае могут быть только одноходовыми и вертикального исполнения.

Теплообменники типа «труба в трубе». При сравнительно небольших тепловых нагрузках (малых производительностях по теплоносителям), когда требуемая величина теплопередающей поверхности незначительна (до 20 ч 40 м2), на практике рекомендуется использовать наиболее простые по устройству, изготовлению, монтажу и эксплуатации теплообменники. Они изготавливаются в следующих исполнениях:

- неразборные однопоточные малогабаритные;

- разборные одно- и двухпоточные моногабаритные;

- разборные однопоточные;

- неразборные двухпоточные;

- разборные многопоточные;

В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образуется набором тонких штампованных гофрированных пластин, которые собраны в пакеты и разделены между собой специальной формы и профиля уплотнительной термостойкой резиной. Они могут быть разборными и полуразборными.

Спиральные теплообменники. В них поверхность теплопередачи образуется двумя листами (лентами) из углеродистой или легированной стали, свёрнутыми в виде спирали вокруг центральной перегородки.

Блочные графитовые теплообменники. Для осуществления процесса теплообмена между агрессивными химически активными теплоносителями пользуются теплообменниками, изготовленными из графита. Наибольшее распространение получили блочные графитовые теплообменники.

В нашем случае по заданию необходимо провести расчёт кожухотрубчатого теплообменника.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к рекуперативным поверхностным аппаратам непрерывного действия. По конструкции они представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, закрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами с крышками, снабженнвми патрубками входа и выхода теплоносителя. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены. Теплообменники такого типа предназначены для теплообмена между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостями и газом.

Основным недостатком аппаратов такого типа является большое сечение трубного и межтрубного пространства, что обуславливает невысокие скорости движения теплоносителей и, как следствие, невысокие значения коэффициентов теплоотдачи. Для увеличения скорости движения теплоносителей, теплоносителей, теплообменники часто выполняются многоходовыми, устанавливая перегородки в трубном или межтрубном пространстве.

Основное достоинство кожухотрубчатых теплообменников – большая удельная поверхность теплообмена, то есть поверхность, приходящаяся на единицу массы аппарата, благодаря чему эти теплообменники находят самое широкое применение.


1 Тепловой РАСЧЕТ



Исходные данные:

Бинарная смесь метанол-вода

Производительность 160т/сутки

Пары поступают в аппарат при температуре конденсации, конденсат отводится при 18°C

Содержание нк в парах 65%(масс.)

Температура охлаждающей воды:

-на входе 12°C

-на выходе 17°C

Мольная доля смеси:







Построим t-x диаграмму из которой найдем tкип.см = 78°C



Таблица 1. – Расчет содержания низкокипящего компонента при различных давлениях и температуре.



, мм. рт. ст.

, мм. рт. ст.

, мм. рт. ст.



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




Рисунок 1. t-x диаграмма.





Т1

Т2

Т3

t1

t2

t3

I

II



Уравнения теплового баланса

Тепло, отданное смесью метанол-вода при конденсации:











- по правилу аддитивности.



Тепло, отданное при охлаждении конденсата смеси этанол-вода:









и а также  и  берем при температуре кипения смеси 78°C

Общее тепло, отданное смесью метанол-вода:









Определение промежуточной температуры 

Температура смеси между зонами конденсации и охлаждения определяется:



 или .



Расчет зоны конденсации.

Средний температурный напор в зоне конденсации, в случае смешанного тока, определяем по уравнению:







78

78

17

12,6





 





Так как  и 





Наметим вариант теплообменного аппарата.

Ориентировочно определим значение площади поверхности теплообмена, полагая Кор=300 Вт/(м2*К).



.



Расчет зоны охлаждения конденсата.



18

78

12,6

12















Ориентировочно определим значение площади поверхности теплообмена, полагая Кор=800 Вт/(м2*К).







Определим количество труб на один ход.







где, Re=15000, так как предполагаем, что режим движения жидкости турбулентный 

По табл. XXXIV [стр.533,1] примем двухходовой кожухотрубчатый теплообменник КН (ГОСТ 15119-79) с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом ходов равным 2, числом труб на один ход 377 ( общее число труб n=754), высотой труб l=3 м.

Уточняем значение коэффициента Рейнольдса:







Следовательно, в трубном пространстве будет обеспеченно турбулентное движение теплоносителя.

Расчет I зоны конденсации.

Определим поверхность теплообмена зоны конденсации.





Определим коэффициент теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи:







Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений.

Считаем, что со стороны органической смеси накипь не образуется. Коэффициент теплопроводности стали =16,4 Вт/(м К), коэффициент теплопроводности накипи =2 Вт/(м К).



Значение физических величин, входящих в это уравнение выбираются из таблиц при температуре плёнки конденсата:







где 



 

Определение коэффициента теплоотдачи от конденсирующего пара к изотермической стенке.





 при 74,8°C

















для турбулентного режима.

(пренебрегаем 





Тогда 





Коэффициент теплопередачи:



Определим поверхность теплообмена зоны конденсации.



Расчет II зоны охлаждения.

Определим поверхность теплообмена зоны охлаждения.






Определение коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воде в зоне охлаждения

Поскольку охлаждающая вода в процессе теплопередачи не изменяет своего агрегатного состояния и движется с той же скоростью, что и в зоне конденсации, то логично принять, что:



.



Коэффициент теплопередачи:



.









Определение коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воде.













Примем , .












2 Конструктивно – механический расчёт



В задачу конструктивно – механического расчета входит определение необходимых геометрических размеров отдельных деталей и узлов, которые определяют конструкцию теплообменного аппарата, его механическую прочность и размеры.



2.1 Расчет толщины обечайки



Обечайка – цилиндрический корпус аппарата, который работает, как правило, под избыточным внутренним и внешним давлением. 

Принимаем материал сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632-61.

Толщина стенки обечаек, работающих под внутренним давлением, рассчитывается по уравнению:







где PR- расчетное давление в аппарате, МПа; - предельно–допустимое напряжение для стали Х18Н10Т ГОСТ 5632-61,=145МН/м2 ; D- диаметр обечайки, мм; - прибавка на округление, - прибавка на коррозию.

Проверим условие:



условие выполняется



Допускаемое избыточное давление в обечайке:






2.2 Расчет трубных решёток



Толщину трубных решёток можно принять: 







Теплообменные трубы в трубной решётке располагаются по вершинам равносторонних треугольников (шахматное расположение труб).

Это обусловлено тем, что этот способ расположения обеспечивает наиболее компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата.



2.3 Подбор крышки и днища



Составными элементами корпусов химических аппаратов являются крышки и днища, которые обычно изготовляются из того же материал, что и обечайки, и привариваются к ней. Форма крышек и днища может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой для цилиндрических аппаратов является эллиптическая. Эллиптические днища и крышки изготавливаются из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до 10 МПа. Крышки и днища подбирают стандартными по таблицам из справочной литературы.

Выбираем эллиптическое отбортованное днище СТХ18Н10Т

В днище имеются отверстия d = 0,2м, цм=0,8

Коэффициент ослабления днища отверстиями:







Толщина стенки днища с учетом прибавки







Проверим условие:



условие выполняется



Допускаемое избыточное давление в днище:







По табл. 16.1[3,стр.440] подбираем стандартные стальные отбортованные днище и крышку с размерами (Днище 10006-25-Х18Н10Т ГОСТ 6533-68):

Dв = 1000 мм;

h в = 250 мм;

s = 6 мм;

h = 25 мм;



2.4 Подбор штуцеров



Штуцеры должны соответствовать по конструкции и прочности рабочему давлению внутри аппарата, при этом должны обеспечивать высокую герметичность.

Штуцеры изготавливают из стальных труб необходимого размера. В зависимости от рабочего давления внутри аппарата выбирают размеры фланцев. Толщина стенок штуцеров должна определяться расчетом на плотность по рабочему давлению в аппарате и нагрузкам, возникающим от присоединенных деталей трубопроводов и арматуры, однако она не должна быть меньше половины толщины стенки аппарата, к которому они привариваются. При выборе высоты штуцеров необходимо исходить из условий закладки болтов во фланцы со стороны сосуда, а также с учетом толщины слоя изоляции, закрепляемой на поверхности аппарата.

Диаметр условного прохода (внутренний диаметр) штуцеров для подвода и отвода теплоносителей рассчитывается на основе уравнения массового расхода:



; 



откуда 



;



здесь щшт – скорость течения теплоносителя в штуцере, м/с.

Для паров смеси принимаем щшт =30 м/с, для жидкости принимаем щшт =1 м/с и для воды принимаем щшт = 4 м/с









Принимаем Dy =200 мм. 

Выбираем штуцер с плоским фланцем и тонкостенным патрубком (по I типу [табл.27.1, 3] ).



d3, d4 =0,2 мм

Принимаем Dу = 200 мм

dн = 219 мм;

Dу = 200 мм; 

Н = 180 мм;

l = 230 мм

s = 10

m=16,8 кг.

Материал: сталь Х18Н10Т



d2 =0,07 мм

Принимаем Dу = 100 мм 

Выбираем штуцер с плоским фланцем и тонкостенным патрубком (по I типу [табл.27.1, 3] ).

dн = 121 мм;

Dу = 100 мм; 

Н = 190 мм;

l = 190 мм

s = 8

m=6,72 кг.

Материал: сталь Х18Н10Т

d1 =0,3 мм

Принимаем Dy =300 мм. 

Выбираем штуцер с плоским фланцем и тонкостенным патрубком (по I типу [табл.27.1, 3] ).

Принимаем Dу = 300 мм

dн = 325 мм;

Dу = 300 мм; 

Н = 200 мм;

l = 270 мм

s = 10

m= 31,6 кг.

Материал: сталь Х18Н10Т

Присоединительные размеры фланцев

Для штуцеров с Dy =100 мм

Dу = 100 мм

dн = 108 мм

Dф = 205 мм; 

Dб = 170 мм; 

D1 = 148 мм; 

h = 11мм

Болты М16, z=4

Тип фланца I ГОСТ 1255-67

2. Для штуцеров с Dy =200 мм

Dу = 200 мм

dн = 219 мм

Dф = 315 мм; 

Dб = 280 мм; 

D1 = 258 мм; 

h = 15мм

Болты М16, z=8

Тип фланца I ГОСТ 1255-67

3. Для штуцеров с Dy =300 мм

Dу = 300 мм

dн = 325 мм

Dф = 435 мм; 

Dб = 395 мм; 

D1 = 365 мм; 

h = 18мм

Болты М20, z=12

Тип фланца I ГОСТ 1255-67



2.5 Расчёт опор



Установка химических аппаратов на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор.

Для установки нашего вертикального аппарата будем использовать опоры типа II по ОН 26-01-69-68.

Для того, чтобы выбрать опору, необходимо рассчитать вес всего аппарата в рабочем состоянии.

Вес аппарата

крышка+днище+фланец



обечайка







трубные решетки







трубы





штуцера







 м3





Вес всего аппарата:



Опоры лапы типа VIII [3, рис.29.1] 

Теплообменник подвешены на 4-х лапах.

Число ребер в лапе z=2

Валет опоры l = 0,25



Нагрузка на одну опору = 9091,2

L=100

b=22

a1=50

L1=120

b =70

a2=105

L2=90

H=235

R=12

B =195

h=14

D=24

B1 =85

S=6

M=16

B2 =90

a=25



Подкладной лист




3 Гидравлический расчёт



Основной целью гидравлического расчёта теплообменных аппаратов является определение затрат энергии на перемещение жидкости (пара) через теплообменник и подбор насоса или вентилятора. Подбор насоса осуществляется по следующим основным параметрам: свойствам теплоносителя, необходимой объёмной производительности, развиваемого напора и мощности двигателя. Во всех случаях при подборе насосов или вентиляторов, их паспортные характеристики должны быть не ниже требуемых по расчёту. 

В общем случае мощность N (кВт), потребляемая двигателем насоса рассчитывается по уравнению:



;

VВ = ;







Где, S=рЧd2Чnв одн.х/4=3,14Ч0,0212Ч377/4=0,13 м2;

Па

 по рис.1.5 при Re=19319,5 





Определим потери давления на преодоление местных сопротивлений теплообменника.



Вид сопротивления

о

∑о

Входная и выходная камеры

1,5

1,5Ч2=3

Вход в трубы и выход из них

1

1Ч4=4

Поворот на 180є из одной секции в другую

2,5

2,5Ч2=5



Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле:



м/с



Скоростное давление в штуцерах:



Дрск'=щш 2Чс/2= 10004,52/2=10262,7 Па



Скорость в штуцере больше скорости в трубах, поэтому потери давления для входной и выходной камер находим по скорости в штуцерах, а потери при входе и выходе из труб и при повороте из одной секции в другую – по скорости в трубах:





ŋ = 0,65





Выбираем насос из табл.15[3, стр. 28]: заданным подаче и напору соответствует центробежный насос марки Х500/25, для которого

Q = 1,5·10-1м3/с; Н = 19м; n = 16с-1; ŋн = 0,80. 

Насос обеспечен электродвигателем типа АО2-91-6, номинальной мощностью Nн = 55 кВт.


4 Расчёт изоляции



tст. = tконд. = 76 оС; tиз = 40 оС; tокр = 20 оС.



Толщину тепловой изоляции находим из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции от поверхности изоляции к окружающей среде.

Вт/(м·К);

В качестве изоляционного материала возьмём совелит (85% магнезит + 15% асбеста), имеющий коэффициент теплопроводности л=0,09 Вт/(м·К).

Толщина изоляции:



дн =л(tст. – tиз)/ бн(tиз – tокр) = 0,09(76 - 40)/11,62(40 - 20) = 0,014 м.



Толщину изоляции принимаем равную 14 мм. 


Заключение



Был произведен тепловой расчет аппарата, в результате был выбран стандартный вертикальный кожухотрубный теплообменник с неподвижной трубной решеткой (ГОСТ 15119-79) поверхность теплообмена . Диаметр кожуха 1000 мм, длина труб 3 м, общее число труб 754, диаметр трубы 0,025x2 м, число ходов 2, запас площади поверхности теплообмена 15%. Рассчитана тепловая изоляция ее толщина составляет 14 мм. А также произведен гидравлический расчет.

			Трубы изготовлены из стали марки Х18Н10Т, расположены в шахматном порядке и закреплены в трубной решетке развальцовкой. 

			Для подачи воды в теплообменник используем центробежный насос марки Х500/25.

			Теплообменник установлен на четыре стандартных опоры типа ОВ- II-Б-10000-20 ОН 26-01-69-68.


Список литературы



1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.- 9-е изд.- Л.: Химия, 1981.-560с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию.- 2-е изд./ Под ред. Ю.И. Дытнерского.- М.: Химия, 1991. – 496с.

3. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. – Спб.: Машиностроение. 1981. – 382с.

4. Кожухотрубный теплообменник. Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов всех специальностей ХТФ - Томск: Изд. ТПУ, 2006 - 20с.

5. Процессы и аппараты химической технологии. Проектирование теплообменных аппаратов. Часть 1.Тепловой расчет. Методические указания к курсовому проектированию для студентов химико-технологического факультета. Томск: Изд. ТПУ, 2004.-47с.

			6. Процессы и аппараты химической технологии. Проектирование теплообменных аппаратов. Часть 2. Гидравлический и конструктивно – механический расчеты. Методические указания к курсовому проектированию для студентов химико-технологического факультета. Томск: Изд. ТПУ, 2004.-42с.