Двухкаскадная пропаново-этановая холодильная установка. Разработка испарителя-конденсатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Сумской государственный университет

Кафедра «Процессы и оборудование химических и нефтеперерабатывающих производств»

КОМПЛЕКСНЫЙ КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Технологические линии и комплексы»

Тема работы: «Двухкаскадная пропаново-этановая холодильная установка. Разработка испарителя-конденсатора»

Выполнил Рыбкин Н.А..

группа ХМЗТ-41с

Проверил Ляпощенко А.А.

2009

РЕФЕРАТ

теплообмен технологический холодильный испаритель конденсатор

Пояснительная записка: 52 с., 8 рис., 12 источников, 1 приложение.

Графические материалы: технологическая схема двукаскадной холодильной установки, сборочный чертеж аппарата, сборочные чертежи узлов -- всего 4 листа формата А1.

Тема проекта: Двухкаскадная пропан-этановая холодильная установка. Разработать испаритель-конденсатор».

Приведены описание технологической схемы двухкаскадной холодильной установки, теоретические основы процесса теплообмена, особенности конструкции испарителя-конденсатора, обоснован выбор конструкционных материалов на основные детали аппарата, приведены их физико-механические и технологические свойства, выполнены технологический и конструктивный расчеты аппарата, рассчитано аэродинамическое сопротивление пучка труб, выбрано и рассчитано вспомогательное оборудование.

Проведенными поверочными расчетами на прочность подтверждена механическая надежность и конструктивное совершенство спроектированного аппарата, являющиеся непременным условием длительной и бесперебойной работы оборудования.

Ключевые слова: ИСПАРИТЕЛЬ КОНДЕНСАТОР, УСТАНОВКА ХОЛОДИЛЬНАЯ, ПРИРОДНЫЙ ГАЗ, ТЕПЛООБМЕН,КОНДЕНСАЦИЯ, РАСЧЕТ.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Технологическая часть

1.1 Описание технологической схемы производства

1.2 Теоретические основы процесса теплообмена

1.3 Описание объекта разработки, выбор материалов

2. Технологические расчеты процесса и аппарата

2.1 Тепловой баланс процесса

2.2 Технологические расчеты

2.3 Конструктивные расчеты

2.4 Гидравлические расчеты

2.5 Выбор вспомогательного оборудования

3. Расчеты аппарата на прочность

3.1 Основные расчетные параметры

3.2 Расчет цилиндрической обечайки

3.3 Расчет толщины перегородки между ходами по трубному пространству

3.4 Расчет эллиптического днища

4. Монтаж и ремонт аппарата

4.1 Монтаж аппарата

4.2 Ремонт аппарата

Выводы

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, конденсаторы, пастеризаторы, испарители, деаэраторы, экономайзеры и др.).

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники-рекуператоры, в которых тепло передаётся через поверхность нагрева - твёрдую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы. Теплообмен, являясь одним из наиболее распространенных процессов в природе, диалектически связывает между собой процессы охлаждения и нагревания. Второй закон термодинамики устанавливает невозможность самопроизвольного перехода теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, Конденсаторы - предназначены для конденсации чистых пород и пара газовых смесей. Испарители - для выделения паров из жидкой фазы при ее кипении

Можно выделить следующие основные требования, к-ым должны соответствовать современные теплообменные аппараты:

1. Аппараты должны обеспечивать передачу количества тепла от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур и при возможно большей интенсивности теплообмена.

2. При заданных термодинамических параметрах рабочих сред (давление, t-ра, объем) и при различных агрегатных состояниях, аппарат должен быть работоспособным и надежным в работе.

3. Аппарат должен работать стабильно при изменении процесса теплообмена физических, а возможно и химических свойств рабочей среды.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание технологической схемы

Необходимость получения, очистки и разделения газовой смеси на отдельные компоненты или их фракции определяется в первую очередь производственными, технологическими или экологическими нуждами.

К одним из широко распространённых способов подготовки природного газа относиться так называемый охладительно - конденсационный метод или так называемый метод низкотемпературной конденсации.

Сущность охладительно - конденсационного метода состоит в том, что по мере понижения температуры газа (при постоянном давлении) снижается упругость паров насыщенных компонентов, вследствие этого система становится неравновесной. Часть веществ с более высокой упругостью паров переходит в жидкую фазу, конденсируясь на холодной поверхности в виде пленки или в объеме газа в виде мелкодисперсных капель. В конденсат обычно уходят в первую очередь пары воды, а затем компоненты, имеющие плюсовые температуры конденсации преимущественно с содержанием углеводородов фракций С4 - С6, при этом в первую очередь отделяются углеводороды с большим содержанием молекул углерода.

Процессы низкотемпературной конденсации (НТК) проводят при охлаждении газовой смеси в результате отъема тепла охлажденными обратными потоками газа или испаряющимися низкокипящими хладагентами (аммиаком, пропаном, этиленом и др.). Различают прямоточную конденсацию и противоточную конденсацию.

В процессе прямоточной конденсации разделяемая газовая смесь и образующийся конденсат движутся в одном направлении, при этом конденсируемый газ находится в состоянии равновесия со стекающим конденсатом. В процессе противоточной конденсации разделяемая газовая смесь движется вверх, контактируя со стекающим конденсатом, при этом фазы не находятся в состоянии равновесия. Между фазами происходит массообмен, в результате которого газовая (паровая) фаза все в большей мере обогащается низкокипящими компонентами и обедняется высококипящими, а жидкая фаза - конденсат максимально обогащается высококипящими компонентами и обедняется низкокипящими. В отводимом газе будет находиться максимально возможное количество компонентов с низкой температурой конденсации (с низкой критической температурой). В газоразделительных установках природных газов такими компонентами являются метан и этан. Образовавшийся углеводородный конденсат отделяется в сепараторах и разделяется в ректификационной колонне (деэтанизаторе) на фракцию низкокипящих углеводородов (метан + этан) и нестабильный газовый бензин.

Применение процессов низкотемпературной конденсации целесообразно при содержании углеводородов С3Н8 + высшие более 300 г/м3.

В последние два десятилетия в передовых странах процессам разделения газов в установках с использованием низкотемпературной конденсации и адиабатического дросселирования сжатого газа отдают предпочтение перед сорбционными процессами, т.к. при этом отпадает необходимость в применении дефицитных сорбентов, уменьшается потребность в дополнительном оборудовании. Во многих случаях такие процессы являются энергетически выгодными, т.к. позволяют рекуперировать часть энергии.

Холодильная установка является неотъемлемой частью установки низкотемпературной конденсации, которая обеспечивает необходимое снижение температуры сырого газа перед подачей его в разделительные сепараторы.

Наиболее широко распространённым способом получения умеренного холода являются одно и много каскадные парокомпрессорные холодильные установки.

В парокомпрессорной холодильной установке в качестве теплоносителя, отдающего тепло на низком температурном уровне, используют охлаждаемую среду - газовую смесь. В качестве рабочего вещества в установке используют низкокипящую жидкость пропан, этилен. На низком температурном уровне рабочая среда кипит и испаряется под низким давлением, отнимая тепло от охлаждаемого вещества.

Для расширения области охлаждения рабочего вещества до очень низких температур применяют каскадные холодильные установки, в которых используют несколько хладагентов с разными индивидуальными свойствами - с разными, постепенно понижающимися критическими температурами.

Особенностью каскадных холодильных установок является то, что они составлены из нескольких, последовательно соединенных одно- или двухступенчатых холодильных машин, в которых применены разные хладагенты, при этом в машине верхнего каскада тепло передается в конденсаторе теплоносителям окружающей среды, а отнимается в испарителе от другого рабочего вещества. Следовательно, испаритель машины первого (нижнего) каскада служит конденсатором для хладагента второго каскада.

Принципиальная технологическая схема двухкаскадной холодильной пропан - этановой установки приведена на рисунке 1.1.



Исходный сырой газ при начальной температуре +12°С под давлением 1,4 МПа поступает в трубное пространство испарителя второго каскада холодильной установки И - 2 где охлаждается до температуры - 35 °С за счёт испарения жидкого этана. Пары этана отводятся из испарителя И - 2 через сепаратор С - 2 в нагнетательную линии компрессора второго каскада Аг 2, а отделённый от паров в сепараторе С- 2 жидкий этан возвращается в испаритель И - 2. Избыток жидкого этана переливается через регулирующую перегородку и сливается в ресивер Р - 2/1.

После сжатия паров этана в компрессоре Аг 2 пары поступают в трубное пространство конденсатора испарителя И - 1, где конденсируются и виде жидкости отводятся в ресивер Р - 2/2. С ресивера Р - 2/2 жидкий этан под собственным давлением поступает в дроссельное устройство Д - 2, где его давление снижается и далее поступае6т в испаритель И - 2.

Первый пропановый контур холодильной установки работает аналогично этановому контуру, только в качестве конденсатора паров высокого давления служит аппарат воздушного охлаждения К - 1, отдающий тепло конденсирующегося пропана окружающему воздуху.

Оба контура холодильной установки снабжены вспомогательным технологическим оборудованием для обеспечения стабильной и качественной работы установки. К вспомогательному оборудованию относятся ресиверы Р - 1/1, Р - 1/2, Р - 2/1, Р - 2/2, маслоотделители М - 1 и М - 2, а также воздухоотделители В - 2 и В - 1. Ресиверы предназначены для обеспечения стабильной работы холодильной установки при изменениях тепловой нагрузки. А также ресиверы выполняют роль масляных сепараторов отделяющий масло, попавшее в объём рабочего тела со стенок цилиндров компрессоров. Масло вместе с рабочей жидкость из нижней части ресивера отводиться в маслоотделитель М - 1 и М - 2, где более тщательно отделяется от рабочего тела, и далее масло отправляется на регенерацию для возвращения в систему смазки компрессоров. Очищенная жидкость рабочего тела холодильных контуров (пропан и этан соответственно) возвращаются в соответствующий рабочий контур холодильной установки.

Также при заполнении контуров холодильной установки рабочим телом, а также во время работы в систему из окружающей среды может попасть воздух, который снижает эффективность работы установки. Для его удаления в схеме предусмотрены автоматические воздухоотделители В - 1 и В - 2. Из аппаратов В - 1 и В - 2 воздух с незначительным количеством газа через обратный клапан поступает в факельную линию.

Также предусмотрен аварийный сброс рабочей среды из ресиверов и испарителей в факельную линию при повышении рабочего давления в аппаратах выше допустимого.

Для охлаждения цилиндров компрессоров предусмотрена линия подачи охлаждающей жидкости.

1.2 Теоретические основы процесса теплообмена

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого -- возрастает.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Теплопередача -- наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов -- нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания -- и имеют большое значение для проведения многих массообменных (процессы перегонки, сушки и др.), а также реакционных процессов химической технологии, протекающих с подводом или отводом тепла.

Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов -- нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания -- и имеют большое значение для проведения многих массообменных (процессы перегонки, сушки и др.), а также реакционных процессов химической технологии, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае перемешивания ее мешалкой.

Тепловое излучение -- это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

Еще более сложным является процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку. Этот процесс носит название теплопередачи.

В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводность и теплообмен излучением. Однако для конкретных условий преобладающим обычно является один из видов распространения тепла.

В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные, процессы теплообмена.

Расчет теплообменной аппаратуры включает:

Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), т.е. количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время (в непрерывно действующих аппаратах за 1сек ли а1 ч, в периодически действующих -- за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

Определение поверхности теплообмена аппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла -- теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.

Тепло, отдаваемое более нагретым теплоносителем, затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя, и некоторая относительно небольшая часть тепла расходуется на компенсацию потерь тепла аппаратом в окружающую среду. Величина тепловых потерь в теплообменных аппаратах, покрытых тепловой изоляцией, не превышает 3--5% полезно используемого тепла. Поэтому в расчетах ею можно пренебречь. Тогда тепловой баланс выразится равенством

Q = Q₁ = Q₂ ,

где Q - тепловая нагрузка аппарата;

Q₁ - тепло отдаваемое горячим теплоносителем;

Q₂ - тепло поглощаемое холодным теплоносителем.

Пусть расход более нагретого теплоносителя составляет G_l, его энтальпия на входе в аппарат I_1н и на выходе из аппарата I_1к. Соответственно расход более холодного теплоносителя -- G₂, его начальная энтальпия I_2н и конечная энтальпия Iг_к- Тогда уравнение теплового баланса

Q = G₁(I_1Н - I_1к) = G₂ (I_2К - I_2Н)

Если теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния теплоносителей, то энтальпии последних равны произведению теплоемкости на температуру.

В технических расчетах энтальпии часто не рассчитывают, а находят их значения при данной температуре из тепловых и энтропийных диаграмм или из справочных таблиц.

Если теплообмен осуществляется при изменении агрегатного состояния теплоносителя (конденсация пара, испарение жидкости и др.) или в процессе теплообмена протекают химические реакции, сопровождаемые тепловыми эффектами, то в тепловом балансе должно быть учтено тепло, выделяющееся при физическом или химическом превращении. Так, при конденсации насыщенного пара, являющегося греющим агентом, величина I_1н в уравнении (1) представляет собой энтальпию поступающего в аппарат пара, а I_1к -- энтальпию удаляемого парового конденсата.

Общая кинетическая зависимость для процессов теплопередачи, выражающая зависимость между тепловым потоком Q и поверхностью теплообмена F, представляет собой основное уравнение теплопередачи

Q = K F Дt_cp ф,

где К -- коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена; Дt_cp -- средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередачи, или температурный напор; ф -- время.

Для непрерывных процессов теплообмена уравнение теплопередачи имеет вид

Q=KFДt_cp

Теплоотдача при изменении агрегатного состояния Конденсация паров.

В химической аппаратуре теплоотдача от конденсирующегося пара осуществляется, как правило, в условиях пленочной конденсации. При пленочной конденсации термическое сопротивление практически полностью сосредоточено в пленке конденсата, температура которой со стороны стенки принимается равной температуре стенки, а со стороны пара -- температуре насыщения пара. По сравнению с термическим сопротивлением пленки соответствующее сопротивление паровой фазы пренебрежимо мало.

Режим течения пленки является функцией критерия Рейнольдса: с увеличением толщины пленки ламинарное течение пленки, имеющей гладкую поверхность, переходит в волновое, а затем становится турбулентным. Кроме физических свойств конденсата (плотности, вязкости, теплопроводности) на теплоотдачу влияет шероховатость стенки, ее положение в пространстве и размеры стенки; в частности, с увеличением шероховатости поверхности и высоты вертикальной стенки пленка конденсата утолщается книзу.

Обобщенное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи от конденсирующихся паров имеет вид

Nu=/(Ga, Рг, Кr),

где Nu - критерий Нуссельта; Ga - критерий Галилея для плёнки конденсата; Pr - критерий Прандля, Kr - критерий, характеризующий изменение агрегатного состояния вещества, или критерий конденсации.

1.3 Описание объекта разработки, выбор материалов

Испарители кожухотрубчатого типа применяют в составе холодильной установки установках для испарения рабочего тела и отвода тепла от хладоносителя или охлаждаемой среды.

Существует несколько типов испарителей и применение обусловлено производительностью установки, условиями работы и т.д. В холодильных установках большой производительности преимущественно используют горизонтальные испарители с подачей горячего теплоносителя в трубное пространство, испарением холодного теплоносителя в межтрубном пространстве и организацией парового пространства для сепарации капель кипящей жидкости. В испарителях с паровым пространством температурные удлинения трубчатки компенсируют применением U-образных трубок, либо использованием трубчатки с плавающей головкой (рис. 2.2, а, б).

В межтрубном пространстве поддерживается постоянный уровень кипящей жидкости над трубным пучком с помощью переливной перегородки, что в отдельных случаях позволяет производить отпаривание индивидуальных компонентов жидкой смеси при её движении вдоль трубчатки и непрерывном отводе отпаренной жидкости.

Стандартом (ГОСТ 14248-79) регламентировано изготовление аппаратов двух разновидностей:

- с коническим (исполнение 1) или эллиптическим (исполнение 2) днищем и компенсацией температурных удлинений применением U - образных трубок (рис. 2.2, а);

- с коническим (исполнение 1) или эллиптическим (исполнение 2) днищем и компенсацией температурных удлинений применением плавающей головки (рис. 2.2, б).

При высоких тепловых нагрузках в аппаратах с эллиптическим днищем могут быть установлены два или три трубных пучка, которые могут быть изготовлены из нержавеющей стали, что увеличивают срок эксплуатации аппарата.

Испарители с U - образными трубами (типа У) изготовляют с диаметром корпуса 800-1600 мм при длине труб 6000 мм и одном трубном пучке с площадью поверхности теплообмена 51-224 м2. При применении двух или трех трубных пучков диаметр корпуса составляет 2400-2800 мм с площадью поверхности теплообмена 240-448 м2. Испарители типа П изготовляют с диаметром корпуса 800-1600 мм при одном трубном пучке с площадью поверхности теплообмена 38-170 м2. При применении двух или трех трубных пучков диаметр корпуса составляет 2400-2800 мм, площадь поверхности теплообмена составляет 192-340 м2.



Рисунок 1.2 - Теплообменники - испарители с паровым пространством:

а - с коническим днищем и U- образными трубками;

б - с плавающей головкой и двумя трубными пучками;

в - кожухотрубчатый с сухопарником;

1 - распределительная камера; 2 - трубная доска; 3 - корпус; 4 - трубчатка; 5 - крышка эллиптическая; 6 - переливная планка; 7 - днище; 8 - опора; 9 - сухопарник

В качестве горячего теплоносителя, подаваемого в трубное пространство, используют насыщенный водяной пар или горячие газы в зависимости от температурного режима.

Аппарат состоит из корпуса цилиндроконической формы . Корпус ограничен с одной стороны эллиптическим днищем, а с другой - распределительной камерой. К крышке распределительной камеры приваривается перегородка. Внутри корпуса располагается трубный пучок. Трубный пучок ограничен трубными решетками: подвижной и неподвижной, в которых закреплены теплообменные трубы. Подвижная решетка ограничивается плавающей головкой, которая служит для компенсации температурных деформаций. Снаружи к корпусу приварены штуцера для входа-выхода теплоносителей, а также технологические штуцера. Испаритель опирается на седловые опоры, приваренные к нижней части корпуса аппарата. Одна опора выполняется подвижной, вторая - неподвижной.

Уровень жидкости в корпусе аппарата поддерживается переливной планкой с верхней зубчатой кромкой, обеспечивающей равномерный слив жидкости по всему поперечному сечению.

Днище крепится с корпусом аппарата при помощи сварки, а распределительная камера крепится к корпусу посредством фланцевого соединения. Перегородка крепится с одной стороны к крышке распределительной камеры при помощи сварки, а с другой стороны к трубной решетке с помощью прокладки.

Принцип работы аппарата следующий. Холодный теплоноситель подается в штуцер В межтрубного пространства. Горячий теплоноситель двигаясь по трубам отдает свое тепло холодному, вследствие чего последний меняет свое агрегатное состояние. Низкокипящий компонент в виде пара выводится через штуцер Г.

Выбор конструкционных материалов

При выборе конструкционных материалов на основные детали проектируемого аппарата учитываются следующие его важнейшие свойства: прочностные характеристики, жаростойкость и жаропрочность, коррозионная стойкость при агрессивном воздействии среды, физические свойства, технологические характеристики, малая склонность к старению, состав и структура материала, стоимость и возможность его получения, наличие стандарта или утвержденных технических условий на его поставку (технико-экономические показатели).

Выбор конструкционных материалов на основные детали проектируемого аппарата осуществляется в соответствии с рекомендациями ([1], разд.1).

Сталь 16ГС ГОСТ 19282. Заменители: Сталь 17ГС, Сталь 15ГС, Сталь 20Г2С, Сталь 20ГС, Сталь 18Г2С.

Назначение: изготовление фланцев, корпуса, деталей, работающих при температурах -40…+475 ⁰C под давлением; сварных металлоконструкций, работающих при температуре до -70 ⁰C.

Вид поставки (сортамент): листовой прокат (лист толстый г/катаный ГОСТ 19903, лист тонкий х/катаный ГОСТ 19904, полоса ГОСТ 103), трубы (труба электросварная квадратная ТУ 14-105-566, труба электросварная прямоугольная ТУ 14-105-566).

Основные физико-механические свойства:

модуль упругости E, МПа ……………………………………200000

модуль сдвига G, МПа ………………………….…………….77000

плотность , кг/м3 ……………………….…………………….7850

предел прочности В, МПа, не менее ………………………..305

предел текучести Т, МПа, не менее …………………………….175

относительное сужение , % ……………………………………..51

относительное удлинение , % ………….………………………..27

Свариваемость: сваривается без ограничений.

Сталь 09Г2С ГОСТ 19282. Заменители: Сталь 09Г2, Сталь 09Г2ДТ,

Сталь 09Г2Т, Сталь 10Г2С.

Назначение: изготовление фланцев, деталей, работающих при температурах -40…+425 ⁰C под давлением.

Вид поставки (сортамент): фасонный прокат (квадрат г/катаный ГОСТ 2591, круг г/катаный ГОСТ 2590), листовой прокат (лист толстый г/катаный ГОСТ 19903, лист тонкий х/катаный ГОСТ 19904, полоса ГОСТ 103), профильный прокат (швеллер г/катаный ГОСТ 8240, балка двутавровая г/катаная ГОСТ 8239).

Основные физико-механические свойства:

модуль упругости E, МПа ……………………………………200000

модуль сдвига G, МПа …………………….………………….77000

плотность , кг/м3 ……………………………………….…….7850

предел прочности В, МПа, не менее …………………….…..360

предел текучести Т, МПа, не менее ………………………….180

относительное сужение , % …………………………………..56

относительное удлинение , % …………………………….…..25

твердость по Бринеллю, НВ ……………………………..…….115

Свариваемость: сваривается без ограничений.

Сталь 20 ГОСТ 1050. Заменители: Сталь 15,Сталь 25.

Назначение: изготовление штуцеров, крепежных деталей (болты, шпильки, гайки), панелей, оснований, платы, кронштейнов, угольников, ребер жесткости.

Вид поставки (сортамент):

фасонный прокат (шестигранник калиброванный ГОСТ 8560,

квадрат г/катаный ГОСТ 2591, круг г/катаный ГОСТ 2590, круг калиброванный, х/катаный ГОСТ 7417),

листовой прокат (лист толстый г/катаный ГОСТ 19903, лист тонкий х/катаный ГОСТ 19904, лист тонкий х/катаный оцинкованный ГОСТ 19904, полоса ГОСТ 103),

ленты (лента х/катаная из углеродистой конструкционной стали ГОСТ 2284, лента х/катаная из низкоуглеродистой стали ГОСТ 503, лента х/катаная упаковочная ГОСТ 3560),

проволока (проволока низкоуглеродистая качественная ГОСТ 792, проволока х/тянутая термически необработанная ГОСТ 17305, проволока х/тянутая для холодной высадки ГОСТ 5663),

профильный прокат (швеллер г/катаный ГОСТ 8240, уголок г/катаный равнополочный ГОСТ 8509, уголок г/катаный неравнополочный ГОСТ 8510, балка двутавровая г/катаная ГОСТ 8239),

трубы (труба водогазопроводная ГОСТ 3262, труба бесшовная холодно- и теплодеформированная ГОСТ 8734, труба бесшовная горячедеформированная ГОСТ 8732, труба бесшовная квадратная ГОСТ 8639, труба бесшовная прямоугольная ГОСТ 8645, труба котельная ТУ 14-3-460, труба электросварная квадратная ТУ 14-105-566, труба электросварная прямоугольная ТУ 14-105-566), сетки (сетка тканая ГОСТ 3826).

Основные физико-механические свойства:

модуль упругости E, МПа ……………………………………200000

модуль сдвига G, МПа ……………………………….……….74000

плотность , кг/м3 ………………………………………….….7850

предел прочности В, МПа, не менее …………….………….420

предел текучести Т, МПа, не менее ……………………..….250

относительное сужение , % ………………………………….40

относительное удлинение , % ………………………………..16

твердость по Бринеллю, НВ …………………………………..156

твердость по Роквеллу (поверхностная), НRC ……..………..60

Свариваемость: сваривается без ограничений, кроме химико-термически обработанных деталей.

Паронит ПОН (ПОН-1) ГОСТ 481.

Назначение: изготовление неметаллических прокладочных материалов для уплотнения разъемов фланцевых соединений аппарата.

Основные физико-механические свойства:

плотность , кг/см3 …………………………………………..1,6-2,0

условная прочность при разрыве в поперечном направлении, кгс/см², не менее …………………….…………………………………………60

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССА И АППАРАТА

2.1 Тепловой баланс процесса

Исходные данные для расчёта:

Производительность установки

по охлаждаемому природному газу …………………………60 000 нм³/ч

Давление природного газа на входе

в холодильную установку.........................................................1,4 МПа

Начальная температура природного газа …………………...12°С

Конечная температура природного газа …………………...- 35 °С

Состав природного газа, % об:

СН₄ ……………………………………………………………..92,4

С₂Н₆ ……………………………………………………………3,4

С₃Н₈ ……………………………………………………………3,3

С₄Н₁₀…………………………………………………………...0,9

Для проведения технологического расчёта холодильной установки необходимо определить тепловую нагрузку по исходному газу.

Массовая доля компонентов газовой смеси y_i:

, (2.1)

где М_см и Мi - мольная масса смеси и мольные массы компонентов соответственно, кг/кмоль;

- массовая доля компонентов газовой смеси.

М_см= М_iy_i. (2.2)

Результаты пересчета содержания компонентов сырого газа в массовые доли сведены в табл.2.1.

Таблица 2.1--Пересчет содержания сырого газа в массовые доли

Компонент	Мольная масса Mi, кг/кмоль	Содержание yi', мол. доля	yi'·Mi	Содержание yi, масс. доли
СН4	16	0,924	14,78	0,83
С2Н6	30	0,034	1,02	0,057
С3Н8	44	0,033	1,45	0,082
н-С4Н10	58	0,009	0,52	0,031
	М=17,78	1,00	17,78	1,00

Расчет процесса однократной конденсации углеводородной смеси производится по уравнениям:

, (2.3)

, (2.4)

где , - мольные доли компонента в равновесных жидкой и паровой фазах (определяются для температур t1'=12 0C и t1''=-35 0C);

c' - мольная доля компонента в сыром газе;

e' - мольная доля паров в равновесной газожидкостной смеси (определяется при t1'=12 0C и t1''= - 35 0C);

K - константа фазового равновесия компонента при указанных температурах и давлении 1=1,4 МПа (согласно [9]).

Результаты расчета, которые ведутся методом последовательного приближения, сведены в табл.2.3.

Таблица 2.3 -- Расчет конденсации углеводородной смеси

Углеводород	Mi	ci'	Mi ci'
СН4	16	0,924	14,78
С2Н6	30	0,034	1,02
С3Н8	44	0,033	1,45
н-С4Н10	58	0,009	0,52
	М=17,78	1,00	17,78
Углеводород	t1'=12 0C; р1=1,4 МПа; e'=0,96
	Ki			Mi x'i	Mi y'i
СН4	11,8	0,08	0,946	1,28	15,14
С2Н6	0,093	0,257	0,024	7,71	0,72
С3Н8	0,082	0,468	0,023	20,59	1,012
н-С4Н10	0,036	0,195	0,007	11,31	0,406
	-	1	1	Mx=40,89	My=17,28
Углеводород	t1''=-35 0C; р1=1,4 МПа; eк'=0,87
	Ki			Mi x'i	Mi y'i
СН4	7,78	0,123	0,957	1,97	15,31
С2Н6	0,095	0,294	0,028	8,82	0,84
С3Н8	0,072	0,425	0,011	18,7	0,484
н-С4Н10	0,032	0,158	0,004	9,16	0,232
	-	1	1	Mx=38,65	My=16,87

Тепловая нагрузка холодильной установки (количество тепла, отводимого в аппарате от продукта) Q₁, кВт (согласно [4]):

= (2.5)

=13,2(0,93·362,7+(1-0,93)176-0,82·256,7-(1-0,82)74,3)= 1660 кВт.

где eн и eк - начальная и конечная массовая доля паров;

Ht1' - энтальпия паровой фазы (My=19,11) при температуре t'1=12 0C (согласно [7]), кДж/кг;

ht1' - энтальпия жидкой фазы (Mx=40,89) конденсата ШФЛУ при t'1=12 0C (согласно [7]), кДж/кг;

Ht1'' - энтальпия паровой фазы (My=19,26) при t1''=12 0C (согласно [7]), кДж/кг;

ht1'' - энтальпия жидкой фазы (Mx=38,65) при t1''=-35 0C (согласно [7]), кДж/кг.

Массовые доли паров е:

e=e'·My/Mc, (2.6)

где My и Mc - средняя мольная масса паровой фазы и продукта на входе (согласно табл. 2.3).

на входе в аппарат:

eн=e'н My/Mc=0,96·17,28/17,78=0,93 (2.7)

на выходе из аппарата:

eк=0,87·16,87/17,78=0,82 (2.8)

Плотность газовой смеси углеводородных газов при нормальных условиях ориентировочно можем найти по формуле

ссм = У yi'·(Mi/22,4) (2.9)

ссм = 0,924·(16/22,4)+0,034·(30/22,4)+0,033·(44/22,4)+0,009·(58/22,4)=

= 0,79 кг/м3

Массовая производительность установки по сырому природному газу

G = Vну · ссм (2.10)

G = 60 000/3600 · 0,79=13,2 кг/с

Определим необходимое количество рабочего тела второго каскада холодильной установки. Рабочим телом второго каскада холодильной установки является этан. Давление под которым испаряется рабочее тело второго каскада холодильной установки определяется необходимой температурой испарения. Для обеспечения надёжной работы установки примем температуру испарения этана в холодильнике испарителе ниже минимальной необходимой температуры сырого природного газа на 5 - 10 0C. Тогда по [Врагов ГРУ] примем следующие рабочие параметры рабочего тела в испарителе второго каскада и его рабочие параметры:

температура кипения этана …………………………………-450C

абсолютное давление паров этана в испарителе ……………8 атм

энтальпия жидкого этана …………………………………..527,9 кДж/кг

энтальпия паров этана ……………………………………..926 кДж/кг

Необходимое количество рабочего тела второго каскада холодильной установки определим из теплового баланса

Q1 = Qэ = Gэ · (Iэп + Iэж), (2.11)

где Iэп , Iэж - энтальпия паров этана и жидкого этана соответственно.

Тогда производительность второго каскада холодильной установки по этану будет равна с учётом возможных тепловых потерь, которые примем в размере 5% от тепловой нагрузки холодильной установки

Gэ =1,05·Q1 / (Iэп - Iэж) (2.12)

Gэ = 1,05·1660/(926 - 527,9) = 4,38 кг/с

С учётом, что тепло воспринятое испаряющимся этаном передаётся рабочему телу первого каскада холодильной установки - пропану в конденсаторе - испарителе то необходимо определить рабочие параметры рабочего тела первого каскада в испарителе.

Распределение давлений в нагнетательных линиях обоих каскадов холодильной установки произведём по принципу равенства максимальных давлений. При таком распределении давлений возникает возможность унификации вспомогательного оборудования установки, средств автоматизированного управления и контроля рабочих параметров, что в свою очередь ведёт к снижению стоимости изготовления оборудования, строительства, сокращению сроков разработки и введения установки в эксплуатацию, а также к упрощению ремонта и обслуживания оборудования двухкаскадной холодильной установки.

Рабочее давление в нагнетательной линии первого каскада холодильной установки выбираем из условия обеспечения стабильной работы холодильника - конденсатора паров пропана воздушного охлаждения в наиболее неблагоприятных условиях (максимальной температуре окружающего воздуха). Примем, что холодильная установка установлена в районе Харькова. По данным [www.meteoprog.ua] максимальная температура днём в наиболее жаркий месяц лета составляет 27°С. Примем, что температура конденсации паров пропана в первом каскаде будет на 10°С выше максимальной температуры окружающего воздуха и будет равна 37°С, что в соответствии с T - S диаграммой для пропана, соответствует абсолютному давлению 13 атм.

Тогда исходя из принципа равенства давления в нагнетательных линиях первого и второго каскада холодильной установки абсолютное давление этана в конденсаторе испарителе будет равно 13 атм, что соответствует температуре конденсации этана - 23 °С.

Примем температуру кипения пропана в межтрубном пространстве конденсатора - испарителя с целью обеспечения стабильной работы установки на 5 - 10 °С ниже температуры кипения этана и - 30 °С, что соответствует абсолютному давлению 1,7 атм.

Параметры рабочего тела первого каскада холодильной установки в конденсаторе - испарителе:

температура кипения пропана ………………………..…….-300C

абсолютное давление паров пропана в испарителе…..……..1,7 атм

энтальпия жидкого пропана……..…………………..………..58,7 кДж/кг

энтальпия паров пропана ……………………………………..440 кДж/кг

Исходя из вышеизложенного, определим расход пропана в первом каскаде холодильной установки по уравнению (2.12).

Gп = 1,05·1660/(440 - 58,7) = 4,57 кг/с

А тепловая нагрузка конденсатора - испарителя будет равна нагрузке холодильной установки с учётом 5% снижения эффективности установки за счёт притока тепла из окружающей среды.

Тогда тепловая нагрузка холодильника конденсатора будет равна

Qхк= 1,05· Q1 = 1,05·1660 = 1743 кВт

Примем следующую схему работы испарителя - конденсатора.

Пары этана под абсолютным давлением 13 атм поступают в трубное пространство конденсатора - испарителя и конденсируясь при температур -23°С отдают тепло кипящему при температуре - 30°С в межтрубном пространстве под абсолютным давлением 1,7 атм.

Свойства пропана и этана в рабочих условиях приведены в таблице 1.4 и 1.5 соответственно.

Таблица 2.4 -- Свойства пропана

Показатели	пропан
Плотность жидкости при -30°С, кг/м3 Вязкость жидкого пропана, Па?с Вязкость паров пропана, Па?с Поверхностное натяжение пропана, Н/м Теплоёмкость жидкого пропана, Дж/(кг?К) Теплопроводность паров, Вт/(м?К) Теплопроводность пропана, Вт/(м?К)	568 1,75?10-4 6,8?10-6 13,8?10-3 2,28?103 1,25?10-2 12,1?10-2
Молекулярная масса	44

Таблица 2.5 -- Свойства этана

Показатели	этана
Плотность жидкости при -23°С, кг/м3 Вязкость жидкого этана, Па?с Вязкость паров этана, Па?с Поверхностное натяжение этана, Н/м Теплоёмкость жидкого этана, Дж/(кг?К) Теплопроводность паров, Вт/(м?К) Теплопроводность этана, Вт/(м?К)	447 8,5?10-5 7,7?10-6 6?10-3 2,9?103 1,6?10-2 11,3?10-2
Молекулярная масса	30

Плотность паров пропана и этана при рабочей температуре

, (2.13)

где Т0, Т - температура при н.у и расчётная соответственно, К;

Р0, Р - давление при н.у и расчётное соответственно, МПа.

Плотность паров пропана при -30°С

Плотность паров этана при -23°С



2.2 Технологические расчёты

Температурная схема процесса.

Конденсация паров этана происходит при постоянной температуре -23°С, а испарение пропана происходит при постоянной температуре -30°С

Тогда температурная схема процесса будет иметь вид

Средняя разность температур определяется по среднелогарифмической зависимости:

, (2.14)

Тогда средняя движущая сила процесса теплообмена будет равна

Для предварительного расчёта поверхности теплообмена ориентировочно примем коэффициент теплопередачи от конденсирующихся паров этана к к кипящему пропану к = 300 Вт/(м2?К)

Тогда ориентировочно поверхность теплообмена будет равна

 (2.15)

Выбираем по ГОСТ 14248-79 испаритель с паровым пространством с общей площадью теплообмена 220 м2.

Характеристика испарителя:

Тип испарителя У

Диаметр кожуха, мм 1600;

Диаметр трубного пучка, мм 900;

Поверхность теплообмена, м² 224.

Выполняем уточняющий расчёт теплообменника

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующихся паров этана

, (2.16)

где С - коэффициент зависящий от положения труб в трубном пространстве, для горизонтального конденсатора С = 0,72;

r - теплота парообразования этана

l - характерный раз мер, для горизонтальных труб l = d_вн;

r - теплота парообразования этана r = (I_э^п - I_э^ж).

Дt_кон - перепад температур в плёнке конденсата;

Дt_кон = t_кон - t_ст , (2.17)

где t_ст - температура стенки теплообменной трубы.

Коэффициент теплоотдачи от стенок теплообменных труб к кипящему пропану определим по формуле

(2.18)

где л_ж - теплопроводность жидкого пропана;

с_ж - плотность жидкого пропана;

м_ж - динамическая вязкость жидкого пропана;

у_ж - поверхностное натяжение пропана;

Дt_кип = t_ст2 - t_кип,

t_ст2 - температура стенки теплообменной трубы со стороны кипящего пропана;

t_кип - температура кипения пропана.

b - ,безразмерный коэффициент;

(2.19)

Так как коэффициент теплоотдачи от конденсирующихся паров пропана зависит от разности температур конденсата и стенки, а коэффициент теплоотдачи от труб к кипящему пропану зависит от разности температуры теплообменной стенки и кипящего пропана - то тепловой расчёт аппарата должен производится путём подбора температуры стенки со стороны конденсирующегося пара и со стороны кипящей жидкости методом последовательных приближений.

Для этого определим удельный тепловой поток из уравнения

, (2.20)

где r_з1 и r_з2 - соответственно термическое загрязнение стенки со стороны конденсирующегося пара и воздуха;

д_ст - толщина алюминиевой стенки ;

л_ст - теплопроводность теплообменной стенки;

тогда

,

Подставив приведённые значения в уравнение удельного теплового потока получим

Решаем полученное уравнение путём подбора значений t_ст1. Результаты расчёта по этому уравнению приведены в таблице 2.6

Таблица 2.6 Результаты расчёта коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенки трубы

tcт1, °К	tкон - tст1,	q1=4445(250 - tcт1)0,75	Дtст=4,5?10-4q1	tcт2= tcт1 - Дtст	Дt2 = tcт2 - 243	q2=1378? Дt22
249 248 247 247,5	1 2 3 2,5	3454 5808 7873 8838	0,77 1,3 1,76 1,98	248,2 246,7 245,24 245,52	5,2 3,7 2,24 2,52	37261 18864 6914 8756

Из последней строки таблицы 1.6 получаем

Вт/м²

Тогда необходимая площадь теплообмена будет равна

м²

Запас поверхности теплообмена в сравнении с ранее выбранным аппаратом

Уточнённый расчёт показал, что выбранный ранее теплообменник удовлетворяет требованиям технологического процесса

2.3 Конструктивный расчет аппарата

Диаметр штуцеров d, м, теплообменного аппарата для подвода-отвода теплоносителей:

(2.21),

где V и G - объемный и массовый расходы жидкости или пара соответственно, м3/с и кг/с;

- плотность потока среды, кг/м3;

w - скорость истечения среды, м/с.

Рекомендуемые скорости движения теплоносителей (в соответствии с [2-4]):

для жидкостей 0,1…0,5 м/с при самотёке и 0,5...2,5 м/с в напорных трубопроводах;

для пара 20…40 м/с;

для газов 5…15 м/с.

Диаметр штуцера для ввода жидкого пропана равен

м

Диаметр штуцера для ввода жидкого пропана предусмотренный ГОСТ 14248-79 удовлетворяет расчётному.

Согласно ГОСТ 14248-79 принимаем для штуцера ввода жидкого бензола Dy=100 мм.

Для отвода паров пропана



Согласно ГОСТ 14248-79 принимаем для отвода паров бензола Dy=350 мм.

Патрубок для подвода паров этана

Принимаем штуцер Dу=150, что соответствует значению согласно ГОСТ 14248-79

С целью повышения уровня унификации и стандартизации для отвода конденсата примем патрубок аналогичный патрубку ввода греющего пара. Так же это соответствует ГОСТ 14248-79. Это позволит упростить изготовление и сборку теплообменника при монтаже, а так же при последующих ремонтах.