Розрахунок та проектування теплообмінної установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Пояснююча записка

До курсової роботи з курсу ПАХВ

«Розрахунок та проектування теплообмінної установки»

Львів 2020



Завдання

Розрахувати та спроектувати теплообмінник для нагрівання 2,78 кг/с етилового спирту 60% від початкової температури t1п 18? до кінцевої - t2к 38? за таких умов:

Нагрівання здійснюється водяною парою з t2п 25? і t2к 75 ?

Тиск в апараті становить 0,2 МПа

Тип апарати - кожухотрубний підігрівач



Зміст

Розділ 1. Актуальність

1.1 Загальні положення процесу

1.2 Апарати для процесу

1.3 Апарат типу «труба в трубі»

Розділ 2. Опис конструкції апарата та його роботи

2.1 Кожухотрубний апарат

2.2 Опис технологічної схеми

Розділ 3. Основні властивості робочих середовищ

3.1 Гарячі теплоносії

3.2 Фізико-хімічні властивості водяної пари

Розділ 4. Розрахунок кожухотрубного підігрівача

4.1 Тепловий розрахунок

4.1.1 Температурний режим апарата

4.2 Конструктивний розрахунок

4.2.1 Розрахунок товщини обичайки

4.2.2 Днища

4.2.3 Розрахунок штуцерів

2.3 Опори апарата

2.3 Гідравлічний розрахунок

2.3.1 Швидкість етанолового спирту в трубах

Розділ 3. Заходи для охорони довкілля

Висновок

Список літератури



Розділ 1. Актуальність

Процеси передачі тепла за допомогою теплообмінників від одного рідкого середовища до іншого знаходять дуже широке застосування в промисловій та комунальній сфері, побутовому секторі. Часто ми просто користуємося результатом теплообміну, не надаючи цьому ніякого значення, не бачачи самого процесу.

Кожухотрубні теплообмінники відносяться до найбільш поширених апаратів. Їх застосовують для теплообміну і термохімічних процесів між різними рідинами, парами та газами - як без зміни, так і зі зміною їх агрегатного стану.

1.1 Загальні положення процесу

ТЕПЛООБМІН -- процес передавання енергії у вигляді теплоти від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою. Рушійна сила процесу -- різниця температур тіл, які беруть участь у теплообміні.

Розрізняють 3 механізми перенесення теплоти:

Теплопровідність;

Конвекцію;

Випромінювання.

Теплопровідність -- перенесення теплоти внаслідок руху молекул, атомів, електронів та ін. За допомогою контактної взаємодії структурних частинок речовини (атомів, іонів, молекул, вільних електронів) між собою під впливом різниці температур, агрегатного стану речовини та характеру руху мікрочастинок.

При конвекції носієм енергії є середовище (теплоносій), яке рухається. За допомогою перемішування та переміщення макроскопічних об'ємів теплоносія в неоднорідному температурному полі.

Випромінювання відбувається внаслідок перенесення енергії у вигляді електромагнітних коливань з довжиною хвиль 0,8-800 мкм. Кінетика променевого теплообміну залежить від інтенсивності випромінювання й відносного розташування тіл.

Тіла (робочі середовища), що беруть участь у процесах теплообміну, називаються теплоносіями. Робоче середовище з найвищою початковою температурою називається гарячим теплоносієм, у процесі теплообміну гарячий теплоносій віддає теплову енергію, при цьому температура гарячого теплоносія знижується. Робоче середовище з меншою початковою температурою називається холодним теплоносієм, у процесі теплообміну теплова енергія передається від гарячого до холодного теплоносія і його температура підвищується.

Локальною рушійною силою процесу теплообміну є різниця температур між нагрітим і холодним тілом або середовищем у цей момент часу (для періодичного процесу) або різниця температур між гарячим і холодним теплоносієм у локальному перетині апарата (для безперервних процесів). Середньою рушійною силою процесу є різниця температур між теплоносіями, що визначена за певний проміжок часу (для нестаціонарного процесу) або на вхідній та вихідній ділянках апарата (для стаціонарного процесу).

Кількість тепла, що передана (або прийнята) теплоносієм у процесі теплопередачі за одиницю часу, називається тепловим потоком (тепловим навантаженням)та вимірюється в Дж/с = Вт.

Поверхнею теплопередачі називають площу контакту, через яку відбувається передача тепла від гарячого теплоносія до холодного. Окремий частковий процес перенесення тепла в межах однорідної фази з ядра потоку гарячого теплоносія до поверхні теплопередачі або від нагрітої поверхні у ядро потоку холодного теплоносія називається тепловіддачею. Процес перенесення тепла з ядра потоку гарячого теплоносія у ядро потоку холодного теплоносія через стінку, що розділяє теплоносії (міжфазну границю) називається теплопередачею.

Теплообмін відбувається у теплообмінних апаратах (теплообмінниках).

Відповідно до призначення теплообмінних апаратів розрізняють:

холодильники, нагрівачі;

конденсатори;

кип'ятильники-випаровувачі;

випарні апарати.

Специфічний тип теплообмінних апаратів -- печі.

Залежно від способу взаємодії теплоносіїв теплообмінники класифікують:

змішувальні;

поверхневі.

У перших теплоносії знаходяться в безпосередньому контакті. У поверхневих апаратах тепло передається крізь стінку.

Поверхневі теплообмінні апарати за принципом дії поділяються на

рекуперативні (теплоносії поділені стінкою)

регенеративні («гарячий» та «холодний» теплоносії подаються по черзі).

Змішувальні теплообмінники застосовують для теплообміну між теплоносіями, що не змішуються, при відносно незначній різниці між їх температурами (напр. при конденсації пари з парогазової суміші). Регенеративні застосовуються для утилізації тепла газів, що є продуктами теплових процесів. Рекуперативні застосовуються, коли відбувається теплообмін між рідинами та газами.

Апарати цього типу за конструктивними ознаками розподіляються на

кожухотрубні;

змійовикові;

апарати «труба в трубі»;

пластинчасті;

ламелові; спіральні.

1.2 Апарати для процесу

Теплообмінним називають обладнання, у якому проходять процеси обміну теплотою між двома теплоносіями.

Технологічне призначення кожухотрубних теплообмінників зображають в умовних позначеннях, при цьому застосовують такі буквені індекси:

И- випарник;

К - конденсатор;

Т - теплообмінник;

Х - холодильник.

У власне теплообмінниках обидва процеси (нагрівання та охолодження середовищ) є однаково важливими для технологічного процесу.

У підігрівниках основним завданням процесу є нагрівання холодного теплоносія до потрібної температури.

Холодильники в основному призначені для охолодження робочих середовищ, у холодильниках-конденсаторах одночасно з охолодженням відбувається часткова або повна конденсація теплоносія.

У конденсаторах основним завданням процесу є конденсація пари (або окремих газів), при цьому відбувається процес фазового переходу гарячого теплоносія та одержання рідини внаслідок передачі тепла від гарячого теплоносія до холодного та нагрівання останнього.

У випарниках основним завданням процесу є випарювання робочого середовища (холодного теплоносія) і переведення його з рідкого стану в паровий (або газовий) стан внаслідок передачі тепла від гарячого теплоносія до холодного, що кипить та випаровується.

У випарниках-конденсаторах по обидві сторони поверхні теплопередачі теплоносії змінюють свій агрегатний стан, у той час, як гарячий теплоносій віддає тепло та конденсується, інший холодний теплоносій по іншу сторону поверхні нагрівається та випаровується.

У залежності від агрегатного стану теплоносіїв розрізняють такі ТА:

без зміни агрегатного стану обох теплоносіїв (газ - газові, газ - рідинні, рідинно-рідинні холодильники та підігрівачі);

зі зміною агрегатного стану одного з теплоносіїв (підігрівник-випарник, конденсатор-підігрівник, холодильник-конденсатор та ін.);

зі зміною агрегатного стану обох теплоносіїв (конденсатор-випарювач).

За способом утворення теплообмінної поверхні розрізняють:

апарати, виготовлені із труб (трубні, кожухотрубні, змійовикові, кручені та ін.);

теплообмінні апарати, виготовлені з листового прокату (пластинчасті, спіральні, ламельні та ін.).

За орієнтацією теплообмінної поверхні розрізняють вертикальні (В), горизонтальні (Г) та похилі ТА.

За способом компенсації температурних подовжень ТА бувають:

без компенсації - жорсткої конструкції;

з компенсацією пружним елементом - напівжорсткої конструкції;

з компенсацією в результаті вільних подовжень - нежорсткої конструкції.

1.3 Апарат типу «труба в трубі»

Для нагрівання, охолодження та конденсації газів під високим тиском (понад 10 МПа) широке застосування одержали теплообмінники типу "труба в трубі". Цей теплообмінник - одна з основних вдалих конструкцій, що працює в області високого тиску.

Він складається із ряду зовнішніх труб більшого діаметра і розміщених всередині них труб меншого діаметру. Внутрішні та зовнішні труби елементів з'єднанні один з одним послідовно за допомогою колін і патрубків.

Один з теплоносіїв рухається по внутрішній трубі, а інший по кільцевому каналі, створеному внутрішній і зовнішніми трубами.

Теплообмін здійснюється через стінку внутрішньої труби. В цих теплообмінниках досягаються високі швидкості теплоносіїв як в трубах, так і в між трубним просторі.

При необхідності створення великих площ поверхонь теплопередачі теплообмінник роблять з декількох секцій, створюючи батарею.

Досягненням теплообмінникам типу «труба в трубі» є високий коефіцієнт теплопередачі внаслідок великої швидкості обох теплоносіїв, простота виготовлення.

Недоліками цих теплообмінників є насамперед громіздкість, висока металомісткість, трудність очищування між трубчастого простору.

Теплообмінники «труба в трубі» використовуються при невеликих витратах теплоносіїв для теплообміну між двома рідинами та між рідиною і паром який конденсується.

Трубчасті змійовикові теплообмінники.

Різновидом теплообмінних апаратів, що виготовляють із труб, є заглибні змійовикові теплообмінники, що являють собою циліндричний однорядний або багаторядний змійовик, занурений у посудину з робочим середовищем. По змійовику найчастіше подають пару або гарячу воду при нагріванні теплоносія або холодну воду при охолодженні середовища.

Нагрівання або охолодження робочого середовища за допомогою змійовиків дозволяє підвищити (знизити) температуру робочого середовища на 30-50оС. Основними недоліками таких теплообмінників є низький коефіцієнт тепловіддачі на зовнішній поверхні змійовика внаслідок малої швидкості руху теплоносія, труднощі очищення поверхні теплопередачі. Для підвищення швидкості руху та інтенсифікації тепловіддачі щодо теплоносія, що знаходиться ззовні змійовика, всередині посудин установлюють мішалки. З метою зменшення гідравлічного опору середовища при його русі всередині змійовиків останні виготовляють короткими та приєднують до загального колектора як на вході теплоносія в змійовик, так і на виході із нього.

Змійовикові теплообмінники досить прості та дешеві у виготовленні, легко встановлюються всередині апаратів, доступні для огляду й ремонту, зручні для розміщення всередині посудин малого об'єму, але вони мають невелику поверхню теплопередачі (усього декілька м2), їх використання можливе при невеликих теплових навантаженнях.

Для підтримки в посудині необхідної температури робочого середовища обігрівальні змійовики можуть бути виготовлені плоскими у формі спіралей, що розміщені біля днища циліндричних вертикальних місткостей і сховищ. Трубчасті змійовики можуть також кріпитися на зовнішній поверхні реакційних апаратів, у яких потрібно підігрівати або прохолоджувати в'язкі робочі середовища.

Пластинчастий теплообмінник

У промисловості широке застосування знайшли пластинчасті розбірні, напіврозбірні та нерозбірні теплообмінники. У порівнянні з кожухотрубними пластинчасті теплообмінники набагато компактніші, на їхнє виготовлення витрачається менше металу в розрахунку на одиницю площі поверхні теплообміну, до того ж розбірні теплообмінники легко очищаються від відкладень з обох сторін теплообмінних пластин.

Теплообмінник складається з опорної нерухомої плити та опорної стійки, які з'єднані опорними штангами. На опорних штангах установлені теплообмінні пластини двох видів - лівої та правої, між ними укладають ущільнювальні прокладки по периферії пластини та по каналах для проходження теплоносіїв. Пакет пластин стягують і затискають між нерухомою і рухомою плитою за допомогою гвинтового стяжного пристрою.

Пластинчасті теплообмінники переважно використовують для теплообміну між однофазними теплоносіями, але можуть застосовуватися для охолодження сумішей газів рідиною, а також як конденсатори.

Основним недоліком пластинчастих розбірних теплообмінників є велика кількість ущільнювальних з'єднань, у яких під дією тиску середовища може відбуватися вибивання прокладок, після чого потрібна їхня заміна. Для чистих робочих середовищ створені зварні пластинчасті теплообмінники, зібрані з окремих пакетів - секцій.

Спіральні теплообмінники.

У промисловості набули широкого застосування спіральні теплообмінники виготовлені з листового рулонованого прокату товщиною 0,7-1,2 мм.

Спіральні теплообмінники застосовують для однофазних і двофазних середовищ при тиску до 1,0 МПа, загальна поверхня теплообміну досягає 100 м2, їх установлюють у вертикальному або горизонтальному положенні окремо або блоками по блоках по декілька штук. У спіральних теплообмінниках досягаються високі коефіцієнти теплопередачі, що робить їх дуже компактними й досить економічними відносно витрати металу, теплообмінники також мають малий гідравлічний опір. Недоліками спіральних теплообмінників є складність виготовлення, обмеження щодо припустимого робочого тиску, а також неможливість ремонту при порушенні герметичності стінки.



Розділ 2. Опис конструкції апарата та його роботи

2.1 Кожухотрубний апарат

Кожухотрубні теплообмінники із гладких труб одержали найбільше поширення в промисловості та становлять до 70% усього теплообмінного обладнання, хоча останнім часом спостерігається тенденція щодо часткового витіснення їх апаратами повітряного охолодження (АПО) та пластинчасто-ребристими теплообмінниками. Широке використання кожухотрубних теплообмінників обумовлене їх налагодженим виробництвом машинобудівними заводами з різних конструкційних матеріалів, можливістю застосування для різних середовищ у широкому діапазоні робочого тиску та температур, уніфікацією й стандартизацією, надійністю в роботі та у великому виробничому досвіді їхньої експлуатації.

Кожухотрубний теплообмінник являє собою апарат, складений з пучка гладких або оребрених труб, герметично закріплених у трубних дошках, а потім вмонтованого в кожух - корпус.

Стандартизовані кожухотрубні теплообмінники виготовляються машинобудівними заводами з поверхнею 1-1500 м2, розраховані на робочий тиск від вакууму до 10 МПа та для широкого діапазону температур від мінус 70 до +540оС, вони виготовляються з вуглецевих, корозійностійких, високолегованих та двошарових (біметалічних) сталей, а також з кольорових металів та їхніх сплавів.

Залежно від способу компенсації температурних подовжень корпусу та трубчаті теплообмінні апарати бувають:

жорсткої конструкції типу ТН - з нерухомими трубними дошками (твердий кожух і нерухоме кріплення трубних дощок);

напівжорсткої конструкції типу ТК - з температурним компенсатором на корпусі (напівжорсткий кожух та нерухоме кріплення трубних дошок);

нежорсткої конструкції типу ТП - з температурним компенсатором у вигляді плаваючої голівки (твердий кожух, нерухоме кріплення однієї трубної дошки та вільне переміщення іншої);

типу ТУ - з U-подібними теплообмінними трубами (твердим кріпленням однієї трубної дошки та вільним переміщенням пучка U-подібних труб).

Рисунок 2.1 - Кожухотрубні горизонтальні теплообмінники напівжорсткої конструкції багатоходові у міжтрубному просторі: а - одноходовий у трубному просторі; б - багатоходовий у трубному і міжтрубному просторі з двома еліптичними кришками; 1 - розподільна камера; 2 - трубна дошка; 3 - корпус - кожух; 4 - трубчатка; 5 - компенсатор температурний; 6 - кришка; 7 - опора

Кожухотрубні теплообмінники горизонтальні жорсткої конструкції типу ТН або напівжорсткої конструкції з температурним компенсатором на корпусі типу ТК використовують для нагрівання та (або) охолодження газів і рідин - теплоносіїв, що перебувають під тиском 0,6-4,0 МПа та не змінюють свого агрегатного стану. Такі теплообмінники бувають одноходовими щодо трубного та міжтрубного простору, або багатоходовими щодо трубного та міжтрубного простору, з нерухомими трубними дошками, їх виготовляють із діаметром кожуха від 400 до 1200 мм із гладких теплообмінних труб діаметром 20х2 або 25х2 мм та довжиною від 2 до 9 м, із загальною площею поверхні теплообміну від 17 до 961 м2.

Кожухотрубні теплообмінники вертикальні або горизонтальні напівжорсткої конструкції, багатоходові у трубному та міжтрубному просторі, з еліптичними або плоскими кришками застосовують для нагрівання або охолодження теплоносіїв, що перебувають під тиском 0,6-4 МПа. Апарати виготовляють із внутрішнім діаметром корпуса 325-1200 мм і довжиною труб 1500-9000 мм, площа поверхні щодо діаметра труб становить від 6,5 до 937 м2.

Труби в кожухотрубних теплообмінниках розміщують у трубних дошках у вершинах квадратів (коридорне розміщення) або у вершинах рівностороннього трикутника (шахове розміщення) із кроком, що дорівнює 1,25-1,5 зовнішнього діаметра труб, та закріплюють у трубних дошках розвальцьовуванням, приварюванням та пайкою. Найбільш компактним є трубний пучок із шаховим розміщенням труб. З урахуванням властивостей середовища застосовують сталеві безшовні труби зі сталі марок 10 та 20; для агресивних середовищ використовують труби з легованих сталей, алюмінію і його сплавів, титанових сплавів, латуні, міді та інших матеріалів.

У розподільній камері багатоходових теплообмінників установлюють перегородки, що дозволяють організувати розподіл потоку теплоносія в трубах залежно від числа ходів. Один хід охоплює певне число труб, усередині яких теплоносій рухається в одному напрямку від розподільної камери однієї трубної дошки до іншої розподільної камери. Після проходження одного ходу рідина (газ) розвертається у порожнині протилежної розподільної камери і рухається у трубках до першої камери, потім процес повторюється. Від числа перегородок у розподільних камерах залежить число ходів теплоносія в трубному просторі, теплообмінники зазначеного типу, як правило, виготовляють із числом ходів від 2 до 8, окремі конструкції теплообмінників виготовляють з числом ходів до 28. При виготовленні розподільної камери перегородки приварюють або відливають як одне ціле із кришками. У трубних дошках, що прилягають до перегородок, виконують напрямні пази, у які входять перегородки разом з ущільнювальними прокладками. Трубні дошки в теплообмінниках жорсткої й напівжорсткої конструкції з'єднують з корпусом нерухомо зварюванням або закріплюють у між фланцевих з'єднаннях. У міжтрубному просторі для організації поперечного обтікання пучка труб, а також для фіксації труб з метою запобігання їхньому зсуву, прогину та вібрації установлюють односторонні або двосторонні поперечні перегородки сегментного типу або типу диск - кільце. Для підвищення жорсткості трубного пучка та дистанціювання поперечних перегородок установлюють систему стяжних прогоничів, труб та розпірок.

Як правило, в трубний простір спрямовують теплоносій, що може утворювати відкладення, які видаляють періодично при чищенні. Теплоносій, який у процесі теплообміну охолоджується і його густина збільшується, спрямовуються зверху вниз, теплоносій, що нагрівається, відповідно рекомендується направляти знизу нагору.

Кожухотрубні теплообмінники нежорсткої конструкції застосовують, якщо виникає потреба компенсувати великі температурні подовження трубчатки при перепаді температур між теплоносіями більше ніж за 50оС, при цьому корпус і трубчатка мають можливість вільно переміщуватися відносно один одного.



2.2 Опис технологічної схеми

Рисунок 2.2 ? Технологічна схема: 1? цистерна; 2 ? відцентровим насос; 3 - варильний апарат; 4 - теплообмінник; 5 - контактна піч; 6 - трубчастий конденсатор; 7- збірник;

Рідкий етиловий спирт з цистерни 1 відцентровим насосом 2 подається на випаровування в випарник 3, що представляє собою апарат типу труба в трубі. Етиловийспирт, киплячий , випаровується за допомогою пари високого тиску і пари його виходять з випарника. В теплообміннику 4 пари етилового спирту перегріваються за рахунок тепла реакційних газів, що відходять з контактної печі 5. Перегріті пари надходять на контактування. Контактний апарат (піч) обігрівається парами води або іншим теплоносієм.

Після виходу з контактного апарату реакційні гази проходять теплообмінник 4, після чого етилен і вода конденсуються при тиску 4 в трубчастому конденсаторі 6. Конденсат надходить для відстою та поділу в збірник 7. Водний шар відокремлюється від вуглеводневого шару і спускається в каналізацію. Вуглеводневий шар, що представляє собою етилен збирається в приймач, звідки надходить на ректифікацію.



Розділ 3. Основні властивості робочих середовищ

3.1 Гарячі теплоносії

Теплоносії, що мають більш високу початкову температуру та віддають тепло в процесі теплообміну, при цьому охолоджуючись, називаються гарячими (нагрівальними). Теплоносії бувають прямі та непрямі. Прямими є такі теплоносії, що утворюються безпосередньо в процесі теплообміну, до них належать димові гази та електричний струм. Непрямими є теплоносії, які спочатку отримують нагріванням від прямих теплоносіїв, а також їх використовують в технологічному процесі як нагрівальні теплоносії. До них відносяться гарячі гази, рідини, водяну пару, пару інших речовин, розчини солей, розплави солей і металів та багато інших.

Вибір та використання того чи іншого теплоносія визначають його теплофізичними властивостями, температурним діапазоном, у якому його можна застосовувати, умовами безпеки та з економічних міркувань, у яких враховують як ціну енергоносія, так і капітальні витрати на обладнання та теплообмінну установку в цілому.

У данній курсовій роботі як гарячий теплоносій ми використовуємо водяну пару.

3.2 Фізико-хімічні властивості водяної пари

Водяна пара є найбільш широко застосовуваним теплоносієм здебільшого у діапазоні температур 100-200оС, що відповідає тиску гріючої пари 0,1-1,6 МПа. Застосування водяної пари як гарячого теплоносія обумовлено цілим рядом переваг, основними з яких є нетоксичні властивості, висока питома теплота конденсації (2,26•103 кДж/кг при атмосферному тиску), легкість транспортування у трубопроводах на далекі відстані. Використання пари при теплообміні забезпечує високі коефіцієнти тепловіддачі, рівномірність обігрівання поверхні теплообміну, легкість регулювання температури за допомогою зміни тиску. Як відомо, певній температурі конденсації відповідає визначений тиск насиченої водяної пари. Застосування водяної пари в теплообмінних апаратах хімічних виробництв при температурах, вищих за 200оС, вимагає підвищення її тиску вище 1,6 МПа, при цьому потрібно збільшувати товщину стінок корпусів теплообмінників.

Технологічну водяну пару на підприємствах хімічної та нафтопереробної промисловості одержують переважно на ТЕЦ, наявних майже на кожному підприємстві. На деяких технологічних установках водяну пару одержують як побічний продукт, що утворюється в результаті утилізації тепла реакції екзотермічних процесів. Використовують також вторинну (сокову) пару тиском 0,1-0,5 МПа, одержувану у результаті випаровування водяних розчинів солей. За необхідності підвищити тиск сокової пари, а отже і її температури конденсації, використовують термокомпресійні установки ежекторного або компресорного типу.

Нагрівання парою висококиплячих рідин. За необхідності розширити температурний діапазон нагрівання середовища до температур 250-380оС застосовують пари висококиплячих органічних теплоносіїв (ВОТ), які в зазначеному діапазоні температур киплять і випаровуються при порівняно невисокому тиску (0,1- 0,8 МПа).



Розділ 4. Розрахунок кожухотрубного підігрівача

Розрахувати кожухотрубний теплообмінник для нагрівання 10 т/год етилового спирту, 60 %.

Початкова температура етиловий спирт, 60 % - 18 °С, кінцева - 38 °С. Нагрівання здійснюється гріючою водяною парою тиском 0,2 МПа.

4.1 Тепловий розрахунок

4.1.1 Температурний режим апарата

Температура конденсації насиченої водяної пари за тиску 0,2 МПа

tк =120,23 °С ; питома теплота конденсації r = 2202,2 кДж/кг [1].

Рис. 4.6. Температурна схема

Розраховуємо різниці температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника і середню рушійну силу Дtс.

Дtб = tк - t2п = 120,23 - 18 = 102,23 °С;

Дtм = tк - t2к = 120,23 - 38 = 82,23 °С.

Оскільки (Дtб/Дtм)= 1,24 < 2, середню різницю температур визначаємо як середньоарифметичну між ними за залежністю (2.9)



?tср = (?tm + ?tб )/2 = (102,23 + 82,23) / 2 = 92,23 ?.

Середні температури теплоносіїв:

- температура конденсату дорівнює температурі гріючої пари tк = 120,23 °С;

- середня температура етиловий спирт, 60 %

t2ср = tк - Дtср = 120,23 - 92,23 = 28 °С.

За середніх температур теплоносіїв їх теплофізичні характеристики:

Етиловий спирт, 60 %

- питома теплоємність с2 = 4,77 • 103 Дж/(кг • К);

- коефіцієнт теплопровідності л2 = 0,155 Вт/(м•К);

- коефіцієнт динамічної в'язкості µ2 = 0,411 • 10-3 Па•с;

- питома густина с2 =789 кг/м3 ;

- критерій Прандтля Рr = 0,86.

конденсат:

- теплоємність с1 = 1,95·103 Дж/(кг·К);

- питома густина с1 = 932 кг/м3 ;

- коефіцієнт динамічної в'язкості µ1 = 0,207·10-3 Па·с;

- коефіцієнт теплопровідності л1 = 0,684 Вт/(м·К).

пара:

- густина 1,65 м3 /с.

а. Теплове навантаження теплообмінника

За формулою (2.3)

Q = G2с2(t2к - t2п) = 2,78 • 4,77 • 103 (38-18) = 2,65 • 105 Вт = 265,95 кВт.

G2 = 104/3600 = 2,78 кг/с



Витрата гріючої пари

G1 = Q/r = 265,95/2202,2 = 0,121 кг/с.

b. Орієнтовний вибір теплообмінника

Приймаємо такі умови роботи теплообмінника:

- гріюча пара конденсується у міжтрубному просторі, а етиловий спирт, 60 % рухається по трубах теплообмінника;

- орієнтовне число Рейнольдса для етиловий спирт, 60 % , Rеор = 15 000, що відповідає розвиненому турбулентному режиму і, відповідно, найкращим умовам теплообміну;

- діаметр труб апарата 20Ч2.

Залежністю (2.14), з урахуванням (2.13), визначимо орієнтовну площу

перерізу одного ходу по трубах:

,

Кількість труб, що припадають на один хід теплообмінника:

n/z = G2 / (0,785 Чdвн ЧReор Чм2) = 2,78/(0,785·0,016·15 000·0,41·10-3) = 35,9.

Приймаємо орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі К = 300 Вт/(м 2 ·К) (табл. 2.1). Тоді орієнтовна поверхня теплообміну:

Fор = Q/(Кор·Дtср) = 265,95·103 /( 300·92,23) = 9,61 м 2 .

Вибираємо двоходовий теплообмінник з параметрами:

діаметр кожуха 325 мм, загальна кількість труб - 90; площа перерізу одного ходу по трубах - 0,9·10-2 м2; поверхня теплопередачі 11 м2; довжина труб 2 м. Запас поверхні теплообміну ? = (11 - 9,6) • 100/9,6 = 15,78%

Як бачимо, запас поверхні є нормальним, та входить в діапазон 15-20%

Перевіряльний розрахунок

I. Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до розчину.

Дійсне значення числа Рейнольда в трубах:

Rе2 = G2/[0,785dвн(n/z)µ2] = 2,78/[0,785·0,016·(90/2) ·0,411·10-3]= 12086,9.

Для турбулентного режиму число Nu2 визначають за формулою (2.18):

,,

У наведені залежності ей - поправковий коефіцієнт, який враховує вплив на коефіцієнт тепловіддачі відношення довжини труб L до її діаметра d. За мінімальної довжини труби 1,5 м відношення L/d = 1,5/0,016 = 93,75. Тобто L/d >50 і ей = 1.

Приймемо у першому наближенні = 1, тоді

,

Коефіцієнт тепловіддачі:

б2 = Nu2·л2/dвн = 36,3·0,155/0,016 = 351,65 Вт/(м2·К).

II. Коефіцієнт тепловіддачі від пари до зовнішньої поверхні труб

(конденсація пари на вертикальних трубах) визначаємо за залежністю (2.38):



,

III. Тепловий опір стінки:

,

де дст = 0,002 м - товщина стінки труби; лст = 17,5 Вт/(м·К) - теплопровідність

нержавіючої сталі [2]; r1 = r2 = 1/5600 м·К/Вт - тепловий опір забруднень стінки [2].

,

IV. Коефіцієнт теплопередачі:

К= 1/(1/ б1 + ?(д/л)+ 1/ б2) = 1/(1/8978,6+5•10-4 +1/351,65) = 199,88 Вт/(м2·К)

Уточнюємо коефіцієнт тепловіддачі до етилового спирту:

-Температура внутрішньої поверхні труб:

t ст2 = t 2ср +(К/ б2) ?tср = 28+199,98•92,23/351,65 = 80?

Критерій Прандтля для етилового спирту за температури 80? Prст2=0,82

-Уточняємо коефіцієнт тепловіддачі:



б2ут = б2 • (Pr2/ Prст2)0,25 = 351,65 • (0,86/0,82)0,25= 355,86 Bт/(м2•К)

Уточнений коефіцієнт теплопередачі:

К = 1/(1/8978,6+5•10-4+ 1/355,86)=198,87 Bт/(м2•К)

Температура внутрішньої поверхні стінки труб

t ст2 = 28+198,75•92,23/355,86 = 79,5 ?

Отриманні значення близькі до раніше прийнятих, тому подальших уточнень не потрібно.

V. Необхідна поверхня теплообміну;

F = Q/ К •?tср = 265,95•103 / (198,87 • 92,23) = 14,50 м2

За табличними даними вибираємо двоходовий теплообмінник з довжиною труб 3м, у якого поверхня теплообміну 17 м2 .

Запас поверхні теплообміну ? = (17 - 14,50) • 100/14,50 = 17,23%

Як бачимо, запас поверхні є нормальним, та входить в діапазон 15-20%

VI. Конструктивний розрахунок

Вибираємо матеріал для обичайки і труб - нержавіючу сталь Х18Н10Т, з границею міцності на розрив (4):( у) = 230 МПа.

4.2 Конструктивний розрахунок

4.2.1 Розрахунок товщини обичайки

Розрахунок виконуємо за залежністю [4]:



,

де D = 0,3 м - внутрішній діаметр апарата; р = 0,2 МПа - надлишковий тиск в апараті; [у] = 230 МПа - допустиме напруження для сталі Х18Н10Т; ц = 0,8 - коефіцієнт ослаблення обичайки череззварний шов; Ск = 0,001 м - добавка на корозію. теплоносій кожухотрубний штуцер підігрівач

,

За рекомендаціями теплообмінник виготовляють з труб діаметром 325х12. Отже, товщина обичайки 12 мм. Але враховуючи, що надлишковий тиск в апараті 0,2 МПа тому для зменшення витрат доцільно вибирати товщину обичайки не більше 5 мм.

4.2.2 Днища

Найчастіше в хімічному машинобудуванні використовують еліптичні відбортовані днища за ГОСТом 6533 - 78 [4], товщина стінки днища д1 = 5 мм.

4.2.3 Розрахунок штуцерів

Діаметр штуцерів розраховують за рівнянням:



,

де G - масова витрата теплоносія, кг/с; с - густина теплоносія, кг/м3; w - швидкість руху теплоносія у штуцері, м/с.

Зазвичай швидкість руху рідин у трубах та каналах приймають у межах 0,5-3,0 м/с, швидкість парів та газів 15-30 м/с.

Приймаємо швидкість етилового спирту 60% у штуцері 1 м/с; швидкість пари 15 м/с, тоді:

- діаметр штуцерів для входу і виходу етанолу

d = [2,78/(0,785·1·789)]0,5 = 0,146 м;

приймаємо d = 150 мм;

-діаметр штуцера для входу пари;

d = (0,176/(0,785•15•1,65)) 0,5 = 0,197 м;

приймаємо d= 200 мм;

-діаметр штуцера для виходу конденсату;

d = (0,176 /(0,785•1•932)) 0,5 = 0,196 м;

приймаємо d= 200 мм.

До всіх штуцерів приварюють фланці згідно з ГОСТом 1280 - 80.

Конструкції і розміри фланців наведено на рис.



2.3 Опори апарата

Максимальна маса апарата:

Gmax = Ga+Gв =740+212 = 952 кг = 0,009 МН

Де Ga = 740 кг - маса апарата взята з табличних даних; Gв - маса води, що заповнює апарат під час гідравлічного випробування.

Gв = св •Н•рd2/4,

Де св = 1000кг/м3 - густина води; Н = 3 м - висота труб; d= 0,3 м - діаметр апарата

Gв = 1000•3•3,14•0,32 /4= 212 кг

Для встановлення горизонтальних апаратів на робочому місці застосовують сідлові опори. Даний теплообмінник необхідно встановлювати на сідлових опорах типу 1. Тоді навантаження на одну опору:

Gоп = 0,009/2 = 0,0045 МН



Вибираємо опору з допустимим навантаженням 0,01 МН

Розрахункова схема опор зображена на рисунку 4.5

2.4 Гідравлічний розрахунок

2.4.1 Швидкість етанолового спирту в трубах

wтр = G2 z/(0,785dвн2 nс2),

де z = 2 - кількість ходів; dвн = 0,016м - внутрішній діаметр труб.

wтр = 2,78•2/(0,785•0,0162•90•789) = 0,39 м/с

Коефіцієнт тертя визначаємо за залежністю

,

де e = ?/dвн = 0,2/16 = 0,0125 - відносна шорсткість, ? = 0,2 мм - абсолютна шорсткість труб з незначною корозією.

,



Швидкість етанолового спирту в штуцерах:

wшт= G2/(0,785dшт2с2) = 2,78/(0,785•0,072•789) = 0,916 м/с

Гідравлічний опір трубного простору

,

У трубному просторі такі місцеві опори: вхід у камеру і вихід з неї; один поворот на 180?, два входи в труби і два виходи з них.

,

Опис технологічного процесу

Схема технологічного процесу виробництва наведена на рисунку 4.2

Рисунок 4.2 ? Технологічна схема: 1? цистерна; 2 ? відцентровим насос; 3 - варильний апарат; 4 - теплообмінник; 5 - контактна піч; 6 - трубчастий конденсатор; 7- збірник;

Рідкий етиловий спирт з цистерни 1 відцентровим насосом 2 подається на випаровування в випарник 3, що представляє собою апарат типу труба в трубі. Етиловийспирт, киплячий , випаровується за допомогою пари високого тиску і пари його виходять з випарника. В теплообміннику 4 пари етилового спирту перегріваються за рахунок тепла реакційних газів, що відходять з контактної печі 5. Перегріті пари надходять на контактування. Контактний апарат (піч) обігрівається парами води або іншим теплоносієм.

Після виходу з контактного апарату реакційні гази проходять теплообмінник 4, після чого етилен і вода конденсуються при тиску 4 в трубчастому конденсаторі 6. Конденсат надходить для відстою та поділу в збірник 7. Водний шар відокремлюється від вуглеводневого шару і спускається в каналізацію. Вуглеводневий шар, що представляє собою етилен збирається в приймач, звідки надходить на ректифікацію.

Підбір насоса для подачі етанолового спирту

Об'ємна витрата етанолу й напір, який повинен розвивати насос:

Q2 = G2/с2=2,78/789 = 0,0035 м3/с.

Сума коефіціентів місцевих опорів для всмоктувальної лінії:

,

Де о1 = 0,5 - вхід в трубу; = 0,5 - прямоточний вентиль; о3 = AB = 1,0*0,11 = 0,11 - відведення під кутом 90о тоді :

,

Втрати напору на всмоктувальній лінії:



,

Сума коефіціентів місцевих опорів для нагнітальної лінії:

,

Де о1 = 1 - вихід з трубу; о2 = A2B2 = 1,0*0,11 = 0,11 - відведення під кутом 90о тоді :

,,

Втрати напору на нагнітальній лінії:

,

Загальні втрати напору:

Нтр = ?Ртр/сg = 2418/789•9,8 = 0,31 м.

,

,

За об'ємною витратою і напором вибираємо відцентровий насос Х20/18, який забезпечує Q = 5,5·10-3 м3/с і Н = 18 м.



Розділ 3. Заходи для охорони довкілля

Заходи з техніки безпеки та охорони навколишнього середовища.

Охорона навколишнього середовища на підприємстві характеризується комплексом вжитих заходів, які спрямовані на попередження негативного впливу діяльності підприємства на навколишнє середовище, що забезпечує сприятливі та безпечні умови праці. Для охорони навколишнього середовища на підприємстві проводяться заходи для зниження рівня забруднень, що виробляється підприємством:

Виявлення, оцінка, постійний контроль та обмеження викиду шкідливих елементів в атмосферу.

Розробка нормативно-правових актів та комплексу природоохоронних заходів.

Крім екологічної безпеки об'єкта (охорона навколишнього середовища на підприємстві) не менш важлива і безпека життєдіяльності на підприємстві. У це поняття входить комплекс організаційних і технічних засобів для запобігання негативного впливу виробничих факторів на працівників. Крім техніки безпеки праці робітники повинні дотримуватися правил з технічних вимог і нормативів підприємства, а також підтримувати санітарно-гігієнічні норми та мікроклімат на робочому місці.

Всі норми та правила екологічної та робочої безпеки повинні бути визначені та зафіксовані в певному документі. Екологічний паспорт містить загальні відомості про підприємство, використовувану сировину, опис технологічних схем вироблення основних видів продукції, схем очищення стічних вод і викидів у повітря, їх характеристики після очищення; дані про тверді й інші відходи, а також відомості про наявність у світі технологій, що забезпечують досягнення найкращих показників з охорони природи.

Основне завдання техніки безпеки - запобігати нещасним випадкам на виробництві. На підприємствах постійно проводяться заходи, що забезпечують безпеку праці робітників.

Небезпека для життя й здоров'я робітників полягає в неправильній експлуатації машин і механізмів, апаратів, що працюють під тиском, а також при обігріві пором, перегрітою водою, електричним струмом і ін. Щоб запобігати нещасним випадкам, всі види машин і устаткування оснащують аварійними вимикачами для моментального зупинення частин, що рухаються. Робітники повинні знати місце знаходження аварійних вимикачів і вміти ними користуватися.

Перед пуском апарата й при прийманні зміни необхідно перевірити справність аварійного вимикача шляхом пробного пуску встаткування.

Забороняється працювати на несправному устаткуванні або при знятому огородженні частин, що рухаються. При виявленні несправності в роботі машини її варто негайно зупинити.

Під час роботи забороняється: чистити, забирати й ремонтувати машини, апарати; залишати працююче устаткування без нагляду; передоручати робоче місце іншому робітникові без дозволу майстра; обпиратися на машини й механізми навіть після їхньої зупинки; стороннім особам перебувати поблизу працюючих машин.



Висновок

В даному курсовому проєкті розрахований і запроєктований двоходовий горизонтальний кожухотрубний теплообмінник.

Для підігрівання етилового спирту 60% водяною парою з тиском в 0,2 мПа. Також був проведений технологічний, конструктивний, механічний розрахунки та розрахунок гідравлічного опору

Передбачено опис і рисунок принципової технологічної схеми. Наведено характеристику речовин, які використовуються в процесі

Графічна частина курсового проєкту складається з загального виду апарату і його окремих деталей.

Таким чином після проведення усіх розрахунків курсового проєкту КЖТ теплообмінник готовий для застосування в промисловості для підігрівання речовин.



Список літератури

1. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по курсовому проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1991. - 272 с.

3. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: cправочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. - Л: Машиностроение, 1970. - 750 с.

4. Плановский А.М. Процессы и аппараты химической технологии / А.М. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган. - М: Химия, 1968. - 848 с.

5. Справочник химика. Т. V. - М. - Л.: Химия, 1998. - 974 с.

6. Йоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии / Йоффе И.Л. - Л.: Химия, 1991. - 352 с.

7. Барановский Н.В. Пластинчатые и спиральные теплообменники / Н.В. Барановский, Л.М. Коваленко, А.Р. Ястребенецкий. - М.: Машиностроение, 1973.

8. Виноградов С.Н. Выбор и расчет теплообменников: учебное пособие / С.Н. Виноградов, К.В. Таранцев. - Пенза, 2001.

Размещено на Allbest.ru