Содержание
Введение
1. Постановка задачи
2. Описание технологической схемы
3. Описание конструкции аппарата иобоснование его выбора
4. Технологический расчет
5. Гидравлический расчет
6. Элементы механического расчета
Заключение
Список литературы
Введение
Теплообменные аппараты (теплообменники)применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с цельюнагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменныеаппараты называют подогревателями или холодильниками.
По способу передачи тепла различаютследующие типы теплообменных аппаратов:
— поверхностные, в которых обатеплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхностьстенки;
— регенеративные, в которых процесспередачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени надва периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадкитеплообменника;
— смесительные, в которых теплообменпроисходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.
В химической промышленности наибольшеераспространение получили поверхностные теплообменники, отличающиесяразнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатыетеплообменники, такие как: кожухотрубчатые, оросительные, погруженные и«труба в трубе».
Одним из самых распространенных типовтеплообменников являются кожухотрубчатые теплообменники. Они представляют изсебя пучек труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путемразвальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек труб расположенвнутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, адругой — в пространстве между кожухом и трубами.
Кожухотрубчатые теплообменники могутбыть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором накожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменникимогут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.
Достоинствами кожухотрубчатых теплообменниковявляются: компактность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри,а недостатками — трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями;трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления изматериалов, не допускающих развальцовки и сварки.
Кожухотрубчатые теплообменники могутиспользоваться как для нагрева, так и для охлаждения.
В качестве греющего агента втеплообменниках часто используется насыщенный водяной пар имеющий целый ряддостоинств:
— высокий коэффициент теплоотдачи;
— большое количество тепла,выделяемое при конденсации пара;
— равномерность обогрева, так какконденсация пара происходит при постоянной температуре;
— легкое регулирование обогрева.
1.Постановка задачи
В курсовой работе необходимо:
1. Выполнить технологический расчетвыбранной конструкции аппарата (рассчитать тепловой поток и расход хладоагента);
2. Рассчитать коэффициенттеплопередачи; определить площадь поверхности теплообмена;
3. Выполнить гидравлический расчетконтактных устройств;
4. Произвести механический расчетэлементов аппарата;
2.Описание технологической схемы
Принципиальная схема ректификационнойустановки представлена на рис. 2.1. Исходная смесь из промежуточной емкости 1центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где она подогревается дотемпературы кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационнуюколонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.
Стекая вниз по колонне, жидкостьвзаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовойжидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составукубового остатка, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результатемассообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для болееполного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданнымфлегмовым числом жидкостью (флегмой), которая получается в дефлегматоре 6 путемконденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится издефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, которыйохлаждается в холодильнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.
Из кубовой части колонны насосом 9непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучимкомпонентом, который охлаждается в холодильнике 10 и направляется в емкость 11.
Таким образом, в ректификационнойколонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходнойсмеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовыйостаток, обогащенный труднолетучим компонентом.
/>
Рис. 2.1. Принципиальная схемаректификационной установки:
1 – емкость для исходной смеси; 2, 9 – насосы; 3– теплообменник подогреватель; 4 – кипятильник; 5 –ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильникдистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильниккубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости
3.Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора
Кожухотрубчатые теплообменники –наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. В зависимостиот назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками,холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- имногоходовыми.
Конструктивное оформление машин иаппаратов, применяемых в химической и пищевой промышленности, неразрывносвязано с их функциональным назначением и полностью определяется характером итехнологическими параметрами протекающих в них процессов. При этом конструкция химическогои пищевого оборудования должна не только отвечать требованиям самых совершенныхтехнологий, но и обладать также прочностью, высокой надежностью, быть легкой,эстетичной и требовать как можно меньшего расхода дорогостоящих и дефицитныхматериалов. Для обеспечения сочетания прочности и надежности пищевой ихимической аппаратуры с ее экономичностью и малой материалоемкостью на стадиипроектирования необходимо провести подробный механический (прочностной) расчеткаждого узла и детали вновь создаваемого оборудования.
Для подвода и отвода рабочих сред(теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этихаппаратах движется по трубам, другой – в межтрубном пространстве, ограниченномкожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н являетсято, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены ккожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб икожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткойконструкции. Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так,чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучоктруб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителяможет миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количестватеплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространствеустанавливают специальные заполнители.
Четырехходовой горизонтальныйтеплообменник типа Н состоит из цилиндрического сварного кожуха 3, распределительнойкамеры 2 и двух крышек 1 и 6. Трубный пучок образован трубами 4, закрепленнымив двух трубных решетках 7. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки,распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе ираспределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей изтрубного (штуцера 8 ) и межтрубного пространств (штуцера 9). Перегородки 10 враспределительной камере образуют ходы теплоносителя по трубам. Посколькуинтенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше,чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установленыпоперечные перегородки 11, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппаратадвижение теплоносителя в межтрубном пространстве.
4. Технологическийрасчет
Теплотехнические свойства креплёноговина (при 600С):
Плотность: />
Теплоёмкость: />
Теплопроводность: />
Вязкость: />
Определение средней разноститемператур и средних температур потоков.
Заданием предусмотрено использованиекожухотрубчатых теплообменников. Обычно в качестве холодильников используютсямногоходовые аппараты по трубному и межтрубному пространству, в которыхдвижение теплоносителей соответствует схеме смешанного тока. Поэтому определяемпоправку εΔt длячетырехходового теплообменника по трубному пространству и имеющего поперечныеперегородки в межтрубном пространстве, предполагая, что именно такойконструкции теплообменник подойдет для охлаждения смеси.
Средняя разность температурпротивотоков:
/>
/>
/> />
/> ; (1) />.
Рассчитаем коэффициенты R и P:
/>; (2)
/>.
/>; (3)
/>.
По графику определили значениепоправочного коэффициента />
Находим среднюю температуру потоков:
/>; (4)
/>.
Поступающее в аппарат сырьё(креплёноё вино) меняет свою температуру на />, а вода – на />. Следовательно, всоответствии с правилом, средняя температура сырья составит:
/>;
а средняя температура воды:
/> .
Определение свойств индивидуальныхвеществ при средних температурах.
Таблица № 1
Свойства индивидуальных веществ присредних температурахСвойство 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 типаи конструкции теплообменника. Так как в начале расчёта коэффициенттеплопередачи К не известен, то для нахождения поверхности теплопередачи Fпринимаем его ориентировочное значение />, которое выбирается на основеопыта эксплуатации теплообменного оборудования.
Определим тепловую нагрузкунеобходимую для охлаждения сырья до необходимой температуры. Так как в заданномнам процессе не происходит изменение агрегатного состояния ни веществатеплоносителя, ни вещества хладоагента, то тепловая нагрузка находится поформуле:
/>; (5)
Определим расход хладагента (воды):
/>; (6)
/>.
Вычислим ориентировочное значениетребуемой поверхности теплопередачи Fор:
/>; (7)
/>.
Так как нам выгодно снижениетемпературы креплёного вина, направим горячий поток в межтрубное пространство,а хладагент – в трубное. В этом случае будут потери теплоты в окружающую средучерез кожух теплообменника.
Примем размер труб трубного пучка /> мм. Зададимсявеличиной критерия Рейнольдса для трубного пространства Reтр=10000. Найдём число труб n, которое обеспечит развитоетурбулентное движение хладагента.
/>; (8)
/>.
Теперь, ориентируясь на величинуповерхности теплопередачи Fор и количеством труб, выбираемнормализованный кожухотрубчатый теплообменник.
Таблица № 2
Характеристики нормализованногокожухотрубчатого теплообменникаПараметр 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 длятрубного и межтрубного пространств. Расчёт коэффициента теплоотдачи длямежтрубного пространства. Определяем объёмный расход креплёного вина:
/>; (9)
/>.
Находим скорость потока в межтрубномпространстве:
/>; (10)
/>.
Находим значение критерия Рейнольдса Re1 для межтрубного пространства:
/>; (11)
/>.
Вычисляем критерий Прандтля:
/>; (12)
/>.
Определяем критерий Нуссельта. Примем/>, азначение скобки
/>.
/>; (13)
/>.
Теперь находим коэффициенттеплоотдачи для межтрубного пространства:
/>; (14)
/>.
Расчёт коэффициента теплоотдачи длятрубного пространства.
Определяем объёмный расход воды:
/>; (15)
/>.
Находим скорость потока в межтрубномпространстве:
/>; (16)
/>.
Находим значение критерия Рейнольдса Re1 для трубного пространства:
/>; (17)
/>.
Вычисляем критерий Прандтля:
/>; (18)
/>.
Определяем критерий Нуссельта. Примем/>, азначение скобки
/>.
/>; (19)
/>.
Теперь находим коэффициенттеплоотдачи для трубного пространства:
/>; (20)
/>.
Определяем расчётное значениекоэффициента теплоотдачи Кр
Теплообменник будет изготовлен изобычной углеродистой стали с коэффициентом теплопроводности λст=46,5 Вт/(м∙К).Учтем также появление в процессе эксплуатации аппарата загрязнений как состороны дистиллята rзаг.1 = 1/5800Вт/(м2∙К), так и со стороны охлаждающей воды rзаг.2 = 1/1500 Вт/(м2∙К).
Тогда коэффициент теплопередачи будетравен:
/>; (21)
/>.
Определение температур стенок.
Определение температуры стенки длягорячего потока tст1:
/>; (22)
/>.
Определение температуры стенки дляхолодного потока tст2:
/>; (23)
/>.
Расчёт критерия Прандтля для горячегои холодного потоков с использованием физико-химических свойств, взятых притемпературах стенки tст1 и tст2.
Таблица № 3
Свойства индивидуальных веществ притемпературах стенки tст1 и tст2Свойство 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 холодногопотока (воды):
/>; (25)
/>.
Вычислим значение скобок в формулах(13) и (19).
Для горячего потока: />.
Для холодного потока: />.
Определение расчётной поверхноститеплопередачи и её запаса
Определим расчётную поверхностьтеплопередачи
/>; (26)
/>.
Теперь определим запас поверхноститеплопередачи
/>; (27)
/>.
5.Гидравлический расчет
Выбор диаметра штуцеров для трубногои межтрубного пространств
Для расчета диаметров штуцеровнеобходимо принять значение допустимой скорости в штуцерах, которая зависит оттого, является трубопровод напорным или самотечным. Уходящий с верха колонныпар конденсируется и самотеком поступает в емкость. Из этой емкости жидкостьнасосом по одному трубопроводу направляется на верх колонны для созданияорошения, а по второму (нашему) прокачивается через холодильник и далее насклад. Таким образом, скорость во всех штуцерах берем как для напорныхтрубопроводов wдоп = 1,5 м/с.
Диаметр штуцеров для трубногопространства
/>; (28)
/>.
Диаметр штуцеров для межтрубногопространства
/>; (29)
/>.
По ГОСТу выбираем стандартныйусловный диаметр />:
/> />;
/>; />.
Перед проведением гидравлическогорасчёта уточняем скорость потока в штуцере.
Скорость потока для трубногопространства
/>; (30)
/>.
Скорость потока для межтрубногопространства
/>; (31)
/>.
Определим коэффициент трения /> дляшероховатых труб:
/>; (32)
/>.
Отсюда получаем:
/>
Вычислим гидравлическое сопротивлениетрубного пространства.
Под термином «гидравлическоесопротивление» принято понимать величину разности статических давлений на входепотока в рассматриваемый аппарат и на выходе из него в зависимости от среднейскорости потока, свойств веществ потока, геометрических размеров и конфигурацииаппарата, через который протекает поток.
/>; (33)
/>.
Вычислим гидравлическое сопротивлениемежтрубного пространства:
/>; (34)
/>
6.Элементы механического расчета
Расчет толщины кожуха
Главным составным элементом корпусабольшинства химических аппаратов является кожух (обечайка). Наибольшеераспространение получили цилиндрические кожухи, которые отличаются простотойизготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.
Цилиндрические кожухи из стали приизбыточном давлении среды в аппарате р следует рассчитывать по формуле:
δ = D∙ p/ (2 ∙ σд ∙ φ) + Ск + Сокр ,
где D – внутренний диаметр кожуха, м;
σд – допускаемое напряжение нарастяжение для материала кожуха, МН/м2 (σд = 140 МН/м2).
Коэффициент φ учитывает ослабление кожуха из-засварного шва и наличия неукрепленных отверстий, φ = φш = 0,95.
Прибавка толщины с учетом коррозии Скопределяется формулой: Ск = П∙τа ,
П = 0,1 мм/год; τа = 10 лет, асуммарное значение толщины округляется до ближайшего нормализованного значениядобавлением Сокр.
Cк= П. τа= 0,1. 10 = 0,001 м.
Границей применимости формулы длярасчета кожуха является условие:
(δ — Ск) / D≤ 0,1.
Толщина кожуха с учетом запаса накоррозию 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 практическогоиспользования кожухотрубчатых теплообменных аппаратов принимаем толщину стенкикожуха равной 4мм.=0,004м.
Допускаемое избыточное давление вобечайке 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 корпусовхимических аппаратов являются днища, которые обычно изготавливаются из того жематериала, что и кожуха, и привариваются к ней. Днище неразъемно ограничиваеткорпус горизонтального аппарата с боков. Форма днища может быть эллиптической,сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой днищ дляцилиндрических аппаратов является эллиптическая. Днища такой формы изготавливаютсяиз листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточнымдавлением до 10 МПа. Толщину стандартных эллиптических днищ, работающих подвнутренним избыточным давлением р, рассчитывают по формуле, которая справедливапри условии: (δ — Ск) / D ≤ 0,125.
Примем, что днище у аппаратастандартное отбортованное эллиптическое сварное и в нем нет неукрепленныхотверстий.
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 сосудами аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Штуцерныесоединения могут быть разъемными и неразъемными. Наиболее употребительныразъемные соединения с помощью фланцевых штуцеров. Стальные фланцевые штуцерапредставляют собой короткие куски труб с приваренными к ним фланцами либо сфланцами, удерживающимися на отбортовке, либо с фланцами, откованными заодно соштуцером. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров могут быть тонко-или толстостенными. Штуцера не рассчитывают на прочность, а выбирают. Типыштуцеров определены действующими стандартами, сводную таблицу которых можнонайти в справочнике.
По назначению все фланцевыесоединения в химическом аппаратостроении подразделяются на фланцы для трубнойарматуры и труб и фланцы для аппаратов. Фланцевое соединение состоит из двухсимметрично расположенных фланцев, уплотнительного устройства и крепежныхэлементов.
Конструкцию фланцевого соединенияпринимают в зависимости от рабочих параметров аппарата: при р ≤ 2,5МПа и t≤ 300˚С применяют плоские приварные фланцы(рис. 6.2).
/>
Рис. 6.2. Конструкция плоскогоприварного фланцевого соединения
Во фланцевых соединениях при р ≤2,5 МПа и t≤ 300˚С применяют болты.
Опоры служат для установки аппаратовна фундамент. Опора имеет обечайку цилиндрической или конической формы ифундаментное кольцо из полосовой стали, приваренное к кожуху. Опору привариваютк корпусу аппарата сплошным швом.
При установке аппарата внутрипомещения на полу применяются отдельные опорные лапы обычно 4. Выбирают лапы понормали в зависимости от нагрузки. Подвесные опорные лапы рекомендуетсярасполагать выше центра масс аппарата.
Выбор конструкции опор аппарата
Опоры служат для установки аппаратовна фундамент. Опора имеет обечайку цилиндрической или конической формы ифундаментное кольцо из полосовой стали, приваренное к кожуху. Опору привариваютк корпусу аппарата сплошным швом.
При установке аппарата внутрипомещения на полу применяются отдельные опорные лапы обычно 4. Выбирают лапы понормали в зависимости от нагрузки. Подвесные опорные лапы рекомендуетсярасполагать выше центра масс аппарата.
Выбор типа опоры аппарата зависит отряда условий: места установки аппарата, соотношения высоты и диаметра аппарата,его массы и т.д. При установке колонных аппаратов на открытой площадке, когдаотношение высоты опоры к диаметру аппарата меньше или равно 5, то рекомендуютиспользовать опоры в виде ножек. Для горизонтальных аппаратов, устанавливаемыхв помещениях, рекомендуют применять седловые опоры. Руководствуясь этимирекомендациями, мы выбираем седловые опоры.
Расчет трубных решеток
Одним из основных элементовкожухотрубчатых теплообменников являются трубные решетки. Они представляютсобой перегородки, в которых закрепляются трубы и которыми трубное пространствоотделяется от межтрубного.
Для большинства типов неподвижнозакрепленных решеток их высоту рассчитывают по формуле:
h= K∙ D√ p/ φσи.д+ Ск + Сокр,
где К = 0,45;
D = Dп – средний диаметр цилиндрическойобечайки кожуха аппарата:
/>м;
р = 0,392 МПа – рабочее давление;
σи.д= 140 МН/м2 – допускаемое напряжение наизгиб материала решетки;
Ск = 0,001 м;
φ– коэффициент ослаблений решеткиотверстиями:
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 поформуле:
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 приниматьсоответственно диаметру труб: dн = 25мм, t= 1,3 ∙ dн
t= 1,3 ∙ 25 = 32,5 мм.
Высоту трубной решетки принимаем 32мм
Заключение
В данном курсовом проекте я произвелподбор и расчет теплообменной установки, предназначенной для использования впроизводстве крепленого вина. Мной был произведен технологический,гидравлический расчет, а также элементы механического расчета. Исходя изполученных данных был подобран по каталогу нормализованный четырехходовойкожухотрубчатый теплообменник. Кроме того была подробна рассмотренатехнологическая схема теплообмена.
Списоклитературы
1. Основные процессыи аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Под ред. Ю.И.Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1991. 496с.
2. Павлов К.Ф.Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебноепособие 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.
3. Расчеттеплообменных аппаратов: Учеб. пособ./ В.Д. Измайлов, В.В. Филиппов; Самар.гос. техн. ун-т. Самара, 2006. 108с.