Кожухотрубный теплообменник

специфікація корпус.cdw

специфікація опора.cdw

кришка.cdw

Корпус.cdw

Курсова робота.doc

Призначення і область використання теплообмінника9
1Опис конструкції та принцип дії10
Технічні характеристики12
1Порівняння конструкції з аналогами13
2Вибір матеріалів для виготовлення основних вузлів і деталей апарата15
Джерела небезпеки при роботі з теплообмінником заходи щодо забезпечення захисту17
Розрахунки що підтверджують працездатність і надійність конструкції19
1Тепловий розрахунок19
2Конструкційний розрахунок25
2.1Розміщення труб в трубні решітці25
2.2Розрахунок діаметрів патрубків27
2.3Розрахунок товщини стінки обичайки30
2.4Розрахунок товщини еліптичного днища (кришки)31
2.5Розрахунок болтових з’єднань32
2.6 Вибір опор апарата34
3Гідравлічний розрахунок36
4 Вибір конструкції апарата38
Теплообмінними апаратами чи теплообмінниками називаються пристрої для передачі тепла від одних середовищ (гарячих теплоносіїв) до інших (холодним теплоносіям). У хімічній технології теплообмінні апарати застосовуються для нагрівання й охолодження речовин у різних агрегатних станах випару рідин і конденсації пар перегонки і сублімації абсорбції й адсорбції розплавлювання твердих тіл і кристалізації відводу і підведення тепла при проведенні екзо- і ендотермічних реакцій і т.д. Відповідно своєму призначенню теплообмінні апарати називають підігрівниками холодильниками випарниками конденсаторами дистиляторами субліматорами і т.п.
По способу передачі тепла розрізняють теплообмінні апарати поверхневі і змішувальні. У першому випадку передача тепла відбувається через розділяючі тверді стінки у другому – безпосереднім контактом (змішуванням) нагрітих і холодних середовищ (рідин газів твердих речовин). Поверхневі апарати підрозділяються на рекуперативні і регенеративні. У рекуперативних апаратах тепло від гарячих теплоносіїв до холодних передається через поділяючу їхню стінку поверхню якої називається теплообмінною поверхнею чи поверхнею теплообміну. У регенеративних апаратах обидва теплоносії позмінно стикаються з однією і тією ж стінкою що нагрівається (акумулюючи тепло) при проходженні гарячого потоку і що охолоджується (віддаючи акумульоване тепло) при наступному проходженні холодного потоку. Регенератори – апарати періодичної дії рекуператори можуть працювати як у періодичному так і в безперервному режимах.
Рекуперативні теплообмінники отримали найбільше поширення в хімічній промисловості. х класифікують:
Для проведення теплопередачі без зміни агрегатного стану теплоносіїв:
Для проведення теплопередачі зі зміною агрегатного стану одного або обох теплоносіїв:
Для одночасного проведення технологічного процесу і теплопередачі:
б. теплообмінники вбудовані в апарат.
II.За потоком теплоносіїв:
III.За конструктивним матеріалом:
IV.За конструкцією та формою поверхні:
Теплообмінники з трубною поверхнею:
а. змійовикові – занурені та зрошувальні;
б. кожухотрубні – труба в трубі; з U-подібними
трубками; з пучком із багатьох труб;
Теплообмінники з поверхнею зробленою з листа:
а. з плоскою стінкою;
V.За способом компенсації температурних подовжень:
Без компенсації жорстка конструкція;
З компенсацією пружним елементом;
З компенсацією за рахунок вільних зміщень.
В даному курсовому проекті вирішується задача розрахунку і конструювання кожухотрубного вертикального теплообмінника.
Призначення і область використання теплообмінника
Кожухотрубний теплообмінник відноситься до числа поверхневих теплообмінників що найбільш часто використовуються. Вони застосовуються скрізь де необхідно нагріти чи охолодити середовище для його обробки та для утилізації тепла. Найбільш широко процеси теплообміну використовують в хімічній нафтохімічній енергетичній металургійній та харчовій галузях. В теплообмінниках такого типу перенос тепла між робочими середовищами відбувається через розділяючу їх поверхню теплообміну – глуху стінку. В даному горизонтальному кожухотрубному теплообміннику відбувається процес охолодження бензолу за допомогою води. Такий тип теплообмінника використовується для зменшення температурних деформацій обумовлених великою різницею температур труб і кожуха значною довжиною труб а також різницею матеріалу труб і кожуха. Один із теплоносіїв в нашому випадку бензол рухається всередині труб а вода – в міжтрубному просторі. При цьому в апараті має місце конденсація пари в наслідок якої можна отримувати досить велику кількість тепла при відносно невеликих витратах пари.
Стабільність роботи теплообмінника досягається деяким збільшенням простору теплообміну в порівнянні з розрахованою що забезпечує стійкі показники роботи теплообмінника в умовах поступового забруднення стінок труб. Високу надійність роботи конструкції обумовлює і використаний матеріал – високолегована сталь.
1Опис конструкції та принцип дії
Кожухотрубні теплообмінники застосовуються тоді коли потрібна велика поверхня теплообміну тобто для випаровування і конденсації теплоносіїв в різних технологічних процесах а також для нагрівання і охолоджування рідин і газів. В більшості випадків пара (гарячий теплоносій) вводиться в міжтрубний простір а рідина що нагрівається протікає по трубах. Забруднені потоки (наприклад запорошені гази або суспензії) слід направляти в трубки а не в міжтрубний простір (оскільки трубки легше очищати).
Кожухотрубчатий теплообмінник є апаратом що складається з пучка труб жосткозакріплених в трубних гратахі обмежених кожухом і кришкамиз штуцерами. Кришки і труби утворюють трубний простір а між кожухом і зовнішньою поверхнею труб є міжтрубний простір. Трубний і міжтрубний простори по яких рухаються теплоносії розділені між собою поверхнею теплообміну причому кожне з них може бути поділений перегородками на декілька ходів (на рисунку 1.1 зображений багатоходовий теплообмінник який має два ходи по трубному простору). Перегородки встановлюються з метою збільшення швидкості руху теплоносіїв і інтенсивності теплообміну. В цих апаратах за допомогою перегородок в кришках труби діляться на секції які послідовно проходить рідина. Число труб в секціях однаково. В багатоходовому теплообміннику в порівнянні з одноходовим тій же поверхні швидкість і коефіцієнт тепловіддачі зростають відповідно числу ходів.
– кожух; 2 – трубчатка; 3 – трубна решітка; 4 – трубки; 5 6 7 – патрубки для вводу та виводу відповідно насиченої пари конденсату та речовини; 8 – кришка еліптична; 9 10 – фланець відповідно для патрубків та частин апарата; 11 12 – перегородки відповідно трубного та міжтрубного простору; 13 – прокладка; 14 – горизонтальна опора.
Рисунок 1.1-Горизонтальний багатоходовий кожухотрубний теплообмінний апарат жорсткої конструкції
Технічні характеристики
Технічна характеристика теплообмінного аппарату наведена у таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 – Технічні характеристики
Продуктивність : 667 кгс
Початкова температура бензолу: 70ºС
Кінцева температура бензолу: 30 ºС
Початкова температура води: 15 ºС
Кінцева температура води: 35 ºС
Конструкція – жорстка
Поверхня теплообміну: 1267 м2
Число труб: 196 (шестиходовий)
1Порівняння конструкції з аналогами
Поверхневі теплообмінники найбільш поширені а їх конструкції дуже різноманітні. Конструкція апарата повинна задовольняти певним вимогам які залежать від конкретних умов перебігу процесу.
Вибираючи апарат необхідно також брати до уваги простоту і компактність конструкції. Зазвичай конструкції не задовольняють повністю всім вимогам і тому знаходять певні компромісні варіанти.
В одноходових кожухотрубних теплообмінниках сумарний поперечний переріз відносно великий що обумовлює вибір високих витрат для отримання досить великих швидкостей. Тому їх раціонально застосовувати з процесами швидкість яких визначається величиною коефіцієнта теплопередачі у міжтрубному просторі а також з процесами випаровування рідин.
Багатоходові (по трубному простору) кожухотрубні теплообмінники застосовуються в основному в якості парових підігрівачів рідин та конденсаторів. Саме в таких випадках взаємне направлення теплоносіїв не призводить до зниження середньої рушійної сили в порівнянні з протитоком.
Важливим фактором впливаючим на вибір типу теплообмінника є вартість його виготовлення та експлуатації.
Теплообмінні апарати всіх типів повинні працювати при оптимальному тепловому режимі який відповідає поєднанню заданих продуктивності та інших показників технологічних умов з мінімальними витратами тепла.
Поверхневі теплообмінні апарати можна розділити на наступні типи за конструктивними ознаками:
а) кожухотрубчасті теплообмінники ( жорсткого типу із лінзовим компенсатором на корпусі із плаваючою головкою з U-подібними трубками);
б) теплообмінники типу “труба в трубі”;
в) підігрівачі з паровим простором ( рібойлери);
г) конденсатори повітряного охолодження.
Теплообмінні апарати складають виключно численну групу теплосилового обладнання займаючи значні виробничі площі та перевищуючи найчастіше 50% вартості загальної комплектації в теплоенергетиці хімічній і нафтопереробній промисловості та ряді інших галузей. Тому правильний вибір теплообмінників представляється винятково важливим завданням. До теперішнього часу серед використовуваного теплообмінного обладнання можна виділити два найбільш поширених типу апаратів - кожухотрубні і пластинчасті.
Кожухотрубчасті теплообмінники в даний час найбільш широко поширені за деякими даними вони складають до 80% від усієї теплообмінної апаратури.
Трубчасті теплообмінники водять таким чином щоб у всіх секціях знаходилося приблизно однакове число труб.
В результаті меншої площі сумарного поперечного перерізу труб розміщених в одній секції по порівнянні з поперечним перерізом всього пучка труб швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника зростає (по відношенню до швидкості в Одноходовий теплообміннику) в число разів рівне числу ходів. Так в чотирьохходовий теплообміннику швидкість в трубах при інших рівних умовах в чотири рази більше ніж у одноходового. Для збільшення швидкості і подовження шляху руху середовища в міжтрубному просторі служать сегментні перегородки.
Підвищення інтенсивності теплообміну в багатоходових теплообмінниках супроводжується зростанням гідравлічного опору і ускладненням конструкції теплообмінника. Це диктує вибір економічно доцільною швидкості яка визначається числом ходів теплообмінника яке зазвичай не перевищує 5-6. Багатоходові теплообмінники працюють за принципом змішаного струму що як відомо призводить до деякого зниження рушійної сили теплопередачі в порівнянні з чисто противоточним рухом беруть участь у теплообміні середовищ.
Одноходовий і багатоходові теплообмінники можуть бути вертикальними або горизонтальними. Вертикальні теплообмінники більш прості в експлуатації і займають меншу виробничу площу. Горизонтальні теплообмінники виготовляються зазвичай багатоходові і працюють при великих швидкостях беруть участь у теплообміні середовищ для того щоб звести до мінімуму розшарування рідин внаслідок різниці їх температур і густин а також усунути утворення застійних зон.
Якщо середня різниця температур труб і кожуха в теплообмінниках жорсткої конструкції тобто з нерухомими привареними до корпуса трубними гратами стає значною (приблизно рівною або більшою 50 °С) то труби і кожух подовжуються неоднаково. Це викликає значні напруги в трубних решітках може порушити щільність з'єднання труб з гратами призвести до руйнування зварних шпов неприпустимого змішанню обмінюються теплом середовищ. Тому при різницях температур труб і кожуха великих 50 °С або при значній довжині труб застосовують кожухотрубчасті теплообмінники нежорсткої конструкції допускає деяке переміщення труб відносно кожуха апарату.
Для зменшення температурних деформацій обумовлених великою різницею температур труб і кожуха значною довжиною труб а також розходженням матеріалу труб і кожуха використовують кожухотрубчасті теплообмінники з лінзовим компенсатором у яких на корпусі є лінзовий компенсатор що піддається пружної деформації. Така конструкція відрізняється простотою але застосовна при невеликих надлишкових тисках в міжтрубному просторі звичайно не перевищують 06 МПа.
2Вибір матеріалів для виготовлення основних вузлів і деталей апарата
Поряд зі звичайними вимогами високої корозійної стійкості в певних агресивних середовищах до конструкційних матеріалів застосовуваним у хімічному апаратобудуванні одночасно пред'являються також вимоги високої механічної міцності жаростійкості і жароміцності збереження задовільних пластичних властивостей при високих і низьких температурах стійкості при знакозмінних чи повторних однозначних навантаженнях (циклічної міцності) малої схильності до старіння й ін.
Для хімічної апаратури переважно застосовуються конструкційні матеріали стійкі і дуже стійкі в агресивних середовищах. Матеріали зниженої стійкості застосовуються у виняткових випадках коли доведена доцільність використання їх замість стійких але більш дорогих і дефіцитних матеріалів.
При виборі матеріалів для апаратів що працюють під тиском при низьких і високих температурах необхідно враховувати що механічні властивості матеріалів істотно змінюються в залежності від температури. Як правило властивості міцності металів і сплавів підвищуються при низьких температурах і знижуються при високих. Також слід врахувати агресивність середовища в теплообмінному апараті. Тому обираємо сталь 12Х18Н10Т.
В нашому випадку властивості матеріалу будемо визначати за середніх температур бензолу та води.
Джерела небезпеки при роботі з теплообмінником заходи щодо забезпечення захисту
Конструкція апарата повинна бути надійною забезпечувати безпеку при експлуатації та передбачувати можливість огляду чищення промивки продувки та ремонту апарата. Внутрішні пристрої в апараті повинні бути як правило зйомними.
Конструкція апарата який зігрівається гарячим паром чи газом повинна забезпечувати надійне охолодження стінок які знаходяться під тиском до розрахункової температури.
Електричне обладнання повинно відповідати відповідним вимогам.
Зварні шви повинні розташовуватись поза опор апарата. У випадках коли ця вимога не може бути виконана необхідно передбачити контроль підопорних швів.
Відхилення зовнішнього діаметру обичайки не повинні перевищувати ±1% від номінального зовнішнього діаметра. При цьому овальність в будь-якому поперечному перерізі не повинна перевищувати 1% а у днищ – в межах допуску на діаметр.
Відхилення профілю випуклої частини днища не повинно перевищувати 125% від діаметра.
Ремонт під час роботи не допускається.
Обслуговуючий персонал повинен неухильно виконувати інструкції по режиму роботи та безпечному обслуговуванню апарата і своєчасно перевіряти справність арматури вимірювальних приладів передаточних пристроїв.
Апарат повинен бути зупинено при:
а) підвищенні тиску вище допустимого;
б) несправності запобіжних клапанів;
в) виявленні недоліків в елементах апарата;
г) виникненні пожеж які загрожують апарату під тиском;
д) несправності манометра;
е) несправності або нестачі засобів кріплення;
ж) несправності показника рівня рідини;
з) несправності запобіжних блокувальних пристроїв;
і) несправності (відсутності) передбачених проектом контрольно-вимірювальних приладів та засобів автоматики.
Розрахунки що підтверджують працездатність і надійність конструкції
1Тепловий розрахунок
Метою розрахунку є визначення площі поверхні теплообміну та підбір відповідного теплообмінника що якнайкраще задовольняв би поставлені вимоги.
Розрахункова схема теплового розрахунку наведена на рисунку 4.1.
Рисунок 4.1 – Схема теплового розрахунку теплообмінника
Продуктивність : G1= 667кгс
Початкова температура бензолу : t1п=70ºС
Кінцева температура бензолу : t1к=30ºС
Початкова температура води : t2п=15ºС
Кінцева температура води : t2к=35ºС
Тип теплообмінника: кожухотрубний.
Розрахунок ведемо по методиці з [1].
Температурна схема:
t2к=35 ºС ← t2п=15 ºС
Менша різниця температур:
tб= t1п –t2п=70–35= 35 ºС
Більша різниця температур:
tм=t2к–t1к=30–15= 15 ºС
Середньологарифмічна різниця температур:
Середня температура бензолу :
t1ср=05× (t1п+t1к)=05× (70+30)=50 ºС
Середня температура води:
t2ср=05× (t2п+t2к)=05× (15+35)=25 ºС
З урахуванням втрат холоду в розмірі 5% витрати теплоти:
Q=105×G1×C1×(t1п–t1к)=105×66718017(70–30) = 504728238 Вт
де C1=18017 Дж(кг×К) – питома теплоємність бензолу при: t1ср=50 ºС [2].
де С2=4190 Джкг – питома теплота конденсації води при: t1ср=25 ºС [2].
Об’ємні витрати бензолу та води:
V1=G1r1=667848=0007866 м3с
V2=G2r2=667997=0006041 м3с
де r1=848кгм3 - густина бензолу при t1ср=50 ºС;
r2=997кгм3 – густина води t1ср=25 ºС.
Орієнтовно визначаємо величину площі поверхні теплообміну:
де Kор = 250 Вт(м2×К)–орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі.
Для забезпечення інтенсивного теплообміну підберемо апарат з турбулентним режимом потоку теплоносіїв. Воду направимо у міжтрубний простір бензол - в трубний простір.
Для забезпечення турбулентної течії в трубах швидкість повинна бути:
де r2 = 997 кгм3 густина води при t2ср = 25 ºС [2];
= 0893×10-3Па×с – динамічна в’язкість води при t2ср = 25 ºС [2];
Re=10000 – критерій Рейнольдса приймаємо для турбулентного руху;
d2 = 0021м – внутрішній діаметр теплообмінної труби.
Визначаємо орієнтовне число труб теплообмінника :
Приймемо діаметр трубок 25×2 мм довжину труб 6 м.
Розрахуємо площу для одного аппарата в якому міститься 40 трубочок:
Необхідно розрахувати кількість апаратів :
Для забезпечення необхідних умов протікання процессу потрібно використати аппарат який складатиметься з 5 послідовно з’єднаних теплообмінників.
Уточнення поверхні теплообміну
Швидкість та критерій Рейнольдса для води :
Швидкість та критерій Рейнольдса для бензолу :
w1 = V1 S1 =0007866(45×10-2)=0175 мс
Де S1=45×10-2 м2- поперечний переріз між трубного простору між перегородками по ГОСТ 15120-79;
-в’язкість бензолу при 50°С Па·с.
Для розрахунку процесу теплопередачі в цьому випадку необхідно знати температури tст1 і tст2. Виходячи з того що t1> tст1> tст2 >t2 приймемо tст1=35°С; tст2=30°С.
Коефіцієнт тепловіддачі для бензолу :
де Prст1- критерій Прандтля для бензолу при tcт1=35°С.
При φ =90° коефіцієнт буде дорівнювати 1.
Звідси коефіцієнт теловіддачі для бензолу:
Для вибору розрахункової формули визначимо (Gr·Pr) при температурі:
t2=05 ( tст2+ t2)= 05 ( 30+ 25)=275°С
Фізичні властивості води при t2=275°С:
r2 = 996 кгм3-густина води
= 09×10-3 Па×с – динамічна в’язкість
С2=33939 Джкг – питома теплоємність
=02810-3 – коефіцієнт об’ємного розширення.
(Gr’·Pr’)=6822·15577171=7792757
Так як добуток (Gr’·Pr’) 8·105 тоді розрахункова формула для знаходження критерія Нусельта:
де =6 – критерій Прандтля при tст2=30°С.
Коефіцієнт тепловіддачі для води:
Термічний опір стінки та забруднень:
Попередній коефіцієнт теплопередачі [1]:
Поверхнева щільність теплового потоку:
Уточнюємо прийняті величини:
tст1=t1-t1= t1- qα1=50-102709088689536=351°C
tст2=t2+t2= t2- qα2=25+10270908823399=294°C.
Розрахункова площа поверхні теплообміну
=’ ·11=491415·11= 540557 м2.
Шестиходовий теплообмінник з внутрішнім діаметром 06 м при довжині труб L=6м має площу поверхні теплообміну:
F=314×0021×32×6=126605 м2
де n=32-кількість труб теплообмінника в одному ході.
Необхідна кількість апаратів:
N= FpF=540557126605 =42696.
Запас поверхні теплообміну:
Такий запас площі поверхні теплообміну достатній.
Висновок: в результаті проведення теплового розрахунку встановлено площу поверхні теплообміну що складає 1267 м2 і підібрано відповідний теплообмінник: шестиходовий теплообмінник з діаметром кожуха D= 06 м із довжиною труб L = 6м. Число труб в теплообміннику 32.
2 Конструкційний розрахунок
2.1 Розміщення труб в трубні решітці
Метою розрахунку є правильне розміщення труб в трубних ратках для забезпечення максимальної компактності зручності розміщення трубних раток надійності закріплення трубок.
Розрахункова схема розрахунку наведена на рисунку 4.1
а) одноходове виконання; б) чотирьохходове виконання
Рисунок 4.2- Розташування труб в трубній решітці кожухотрубного теплообмінника
теплообмінник: шестиходовий;
кількість труб n: 196;
поверхня теплообміну м2: 5406.
Розрахунок здійснюємо за методикою викладеною в [3].
Найбільш поширеними компоновками труб в трубних решітках є розташування центрів труб у вершинах правильних трикутників (шестикутників) та по концентричним колам ( рисунок 4.2).
Компонування пучка труб у вершинах правильних трикутників має найбільшу щільність пакування труб і тому найбільшу поверхню теплообміну в кожусі данного розміру. Тому цей спосіб гарантує компактність можливість надійного кріплення трубок простоту виготовлення та зручність монтажу пучка.
При компоновці труб по концентричним колам з різним кроком досягається ще більша компактність в порівнянні з трикутною (при невеликій кількості рядів труб).
Приймаємо розташування труб у нашому теплообмінному апараті при компоновці пучка труб у вершинах правильних трикутників.
Для такого розміщення яке широко застосовують в промисловій практиці як найбільш компактну схему зв’язок між загальною кількістю трубок n числом труб на діагоналі b і числом трубок на стороні найбільшого трикутника виражається співвідношенням:
В шестикутнику:a = 9 и b = 17 можна розмістити 196 труб.
Внутрішній діаметр корпусу апарата при компоновці труб у вершинах правильних трикутників визначається за наступною формулою:
D0= t(b-1)+4dз=0032(17-1)+40025 =0612 м
де t- міжтрубний крок м:
t=1 28·dвнутр=128·0021=0032м.
Приймаємо діаметр корпусу аппарата D0=06м.
Ширина між перегородками h м:
Визначення геометричних розмірів поперечних перегородок зводиться до визначення ширини перегородки.
m=(06 08) ·D0 =06·06=036 м.
Товщину як поздовжньої так і поперечної перегородок приймають рівною товщині стінки корпусу теплообмінного апарата.
Висновок: в результаті проведення розрахунку встановлено що найбільш зручною є схема розміщення трубок у вершинах правильних трикутників . Число труб на діагоналі 17 на стороні найбільшого трикутника – 9. Загальна кількість трубок склала 196. Потрібні 9 трубочок розміщуємо таким чином щоб забезпечити максимальну компактність і зручність.
2.2Розрахунок діаметрів патрубків
Метою розрахунку є визначення діаметру штуцерів для подальшого розрахунку гідравлічного опору даного теплообмінного апарату.
Розрахункова схема теплового розрахунку наведена на рисунку 4.3.
Рисунок 4.3 – Схема розрахунку діаметру штуцерів
витрати бензолу Gс кгс 667;
витрати води Gв кгс 602;
густина бензолу ρ кгм3 848;
густина води ρ кгм3 997.
Розрахунок здійснюємо за методикою викладеною в [2].
Діаметр штуцерів розраховується по формулі [9] м:
де G – масовий видаток теплоносіякгс;
r - густина теплоносіякгм3;
w – швидкість руху теплоносія в штуцері мс.
Приймаємо швидкість бензолу в штуцері wб=05 мс тоді діаметр штуцера для входу та виходу бензолу:
Приймаємо штуцер d = 152×45 мм ( = 0143 м);
Уточнюємо швидкість руху бензолу в штуцерах:
Приймаємо швидкість води в штуцері wв=1 мс тоді діаметр штуцера для виходу води:
Приймаємо штуцер d = 89×35 мм (dшт.1 = 0082 м).
Уточнюємо швидкість руху води в штуцерах:
Всі штуцера із плоскими приварними фланцями по ГОСТ 12820-80 конструкція яких приводяться на рисунку 4.4 а розміри - в таблиці 4.1.
Рисунок 4.4- Фланець штуцера
Таблиця 4.1- Розміри плоских приварних фланців
Приєднання труб до хімічних апаратів може бути розбірним або – ні. Розбірне з’єднання виконується за допомогою фланців або різьби нерозбірне– сварки. Фланець з’єднується з патрубком який в свою чергу з’єднується з корпусом.
Висновок: в результаті розрахунку було визначено діаметри штуцерів для входу та виходу бензолу та води. Бензол: dб=152×45 мм (dшт1 = 0143 м) вода: dв = 89×35 мм (dшт2 = 0082 м).
2.3Розрахунок товщини стінки обичайки
Метою розрахунку є визначення товщиги стінки обичайки.
Розрахункова схема розрахунку наведена на рисунку 4.5.
Рисунок 4.5 – Схема розрахунку товщини стінки обичайки
діаметр апарату D м 06;
допустиме напруження для сталі s МНм2 230;
тиск в апараті р МПа 01;
коефіцієнт зварного шва j 08.
Приймаємо товщину стінки обичайки рівною 5 мм.
Висновок: за допомогою даного розрахунку визначили товщину стінки обичайки і прийняли її рівною 5 мм.
2.4Розрахунок товщини еліптичного днища (кришки)
Метою розрахунку є визначення товщини стінки стандартного відбортованого еліптичного днища (кришки) для обичайки апарата.
Розрахункова схема розрахунку наведена на рисунку 4.6.
Рисунок 4.6- Еліптичне днище
тиск в апараті Р МПа 01;
Матеріал ГОСТ 5632-86: сталь 12Х18Н10Т.
Розрахунок здійснюємо за методикою викладеною в [9].
Номінальну розрахункову товщину стінки днища розраховуємо так:
Поправка на округлення товщини листа сталі по сортаменту:
Товщина стінки із врахуванням поправок:
s = s’ + ck + c0 = 0000815 + 000101 = 0001825 мм.
Вибираємо днище 6005-25-12Х18Н10Т (ГОСТ 6533-68).
Dв = 06м; hв = 015 м; h = 0025 м; Fв = 044 м2.
Висновок: за допомогою даного розрахунку визначили товщину стінки обичайки і прийняли її рівною 5мм.
2.5 Розрахунок болтових з’єднань
Метою є визначення необхідних параметрів для вибору болтів та розрахунок їх кількості.
Розрахункова схема розрахунку наведена на рисунку 4.7.
Рисунок 4.7 – Схема болтових з’єднань
діаметр апарату D м 06.
Виберемо паронітову прокладку прямокутного перерізу.
Середній діаметр ущільнення:
Dn = D1 – bэ = 0655 – 0012 = 0643 м
де bэ=12 мм – ефективна ширина ущільнення .
Розрахункова сила осьового стискання прокладки :
Pn’=pDnbэkp=314×0643×0012×25×25×105=43000 Н
Розрахункова сила від тиску середовища :
Pc’=p4×Dn2p=3144×06432×25*105=393000 Н
Розрахункове розтягуюче зусилля в болтах (при константі жорсткості з’єднання a=145) при затяжці з’єднання :
Рб1’=aPc’+Pn’=145×393000+43000=612500 Н
Перевіримо мінімальне значення розтягуючого зусилля в болтах:
Рб’=05pDnbэq=05×314×0643×0012×20*106=167000 Н
Розрахункове розтягуюче зусилля в болтах в робочих умовах:
Рб2’=Pc’+Pn’=393000+43000=4356000 Н.
Матеріал болтів – сталь 12Х18Н10Т.
sд=105 МНм2 - допустима напруга на розтяг в болтах.
Розрахунковий діаметр окружності:
Dб’=jDв0933=117×060933=0726 м
де j=117 при р>25 МПа.
Діаметр горловини фланця:
Dг= D1+2(r+c+1)=0673 м
де r=0006 м с=0002 м.
Розрахунковий діаметр болтів:
Вибираємо болти по таблиці [9] : М243 мм = 002561м Fб=81×104м2.
Знайдемо розрахункову кількість болтів:
-при затяжці з’єднання :
де =110МНм2- допустима напруга на розтяг в болтах.
-виходячи з рекомендованої максимальної відстані між центрами болтів :
Максимальна розрахункова кількість болтів z=1977. Приймаємо z=20.
Висновок: розрахували параметри болтових з’єднань.
2.6 Вибір опор апарата
Метою розрахунку є вибір опори.
Розрахункова схема розрахунку наведена на рисунку 4.8.
Рисунок 4.8 – Схема опори апарата
кількість трубок n 40;
діаметр кожуха D м 0.6;
густина води ρ кгм3 997;
густина бензолу ρ кгм3 848.
Маса сухого апарату – 2150 кг.(ГОСТ 15122-79)
Опори обираємо за величиною навантаження (Q) на одну опору.
Об’єм трубного простору:
Об’єм міжтрубного простору:
Загальна маса теплообмінника:
Навантаження на одну опору:
Висновок: оберемо опору типу I виконання А [6] для апаратів з D=325-720мм.
3Гідравлічний розрахунок
Метою розрахунку є визначення гідравлічного опору трубного простору теплообмінника оскільки гідравлічний опір при конденсуванні в міжтрубному просторі майже відсутій.
Розрахункова схема гідравлічного розрахунку наведена на рисунку 4.9.
Рисунок 4.9 – Схема гідравлічного розрахунку теплообмінника
кількість ходів z 6;
внутрішній діаметр труб dвн м 0021;
кількість труб n 40;
швидкість руху води мс 114;
швидкість руху бензолу мс 050;
діаметр штуцерів dшт. м 008;
Коефіцієнт гідравлічного тертя в трубах :
Втрата тиску у трубному просторі при русі суміші:
де r1=848 кгм3 – густина бензолу.
Втрата тиску у міжтрубному просторі при русі води :
де r2=997 кгм3 – густина води.
Висновок: в результаті гідравлічного розрахунку встановлено гідравлічний опір який виникає в трубному просторі – 115328 Па а в міжтрубному -97178 Па.
4Вибір конструкції аппарата
Метою розрахунку є вибір конструкції аппарата та перевірка необхідності застосовування компенсатора.
Розрахункова схема наведена на рисунку 4.10.
Рисунок 4.10 –Схема конструкції теплообмінника
Матеріал корпусу : сталь марки 12Х18Н10Т;
Модуль нормальної пружності корпуса Ек150 МПа 205×105 ;
Модуль нормальної пружності труби Ет100 МПа 215×105 ;
Коефіцієнт температурного лінійного розширення корпуса aк150 м°С 17×10-6;
Коефіцієнт температурного лінійного розширення труби aт100 м°С 166×10-6 .
Розрахунок здійснюємо за методикою викладеною в [8].
Площа поперечного перерізу корпуса при товщині його стінки:
Fk = p(Dв+sk)sk = 314(06+0004)0004 = 7586×10-3 м2
Fm = p(dн – sm)sm = 314(0025 – 0004)0004 = 26×10-4 м2
Сила взаємодії між жорстко з’єднаними елементами апарату:
Сила яка розтягує в осьовому напрямку корпус та труби від тиску середовища в трубному та міжтрубному просторах:
Сумарна напруга на розтяг в корпусі
-при товщинах стінок (при цьому умова міцності матиме наступний вигляд та ):
Сумарна напруга на стягування в трубах
-при товщинах стінок:
Перевіримо величини температурних напруг в трубах (необхідною умовою є ):
Висновок: при недотриманні умов жорстких з’єднань корпуса і труб з решіткою в теплообміннику а також інших частинах в апаратах недопустимо і на одній з частин потрібна установка компенсатора. Всі умови забезпечено тобто компенсатор в даному випадку непотрібен.
В даному курсовому проекті розрахований кожухотрубний горизонтальний шестиходовий теплообмінний апарат. Внутрішній діаметр корпусу 06 м кількість труб 32 площа поверхні теплообміну 1267 м2 довжина труб 6 м. Матеріал деталей апарату – сталь12Х18Н10Т. Зварні шви в об’ємі 100% контролюються рентгеном. Було описано та обрунтовано конструкції апарату його основних вузлів та деталей апарату; проведені розрахунки які підтверджують працездатність і надійність конструкції. Описані рекомендації до монтажу та експлуатації.
Апарат призначений для охолодження бензолу з G = 667 кгс від початкової температури tпоч. = 700С до кінцевої tкін. = 300С за допомогою води що нагрівається с від початкової температури tпоч. = 150С до кінцевої tкін. = 350С.
Апарат задовольняє вимогам техніки безпеки та експлуатації.
Павлов К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Павлов К. Ф. Романков П. Г. Носков А. А. –Химия 1987.-576с.
Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей Варгафтик Н. Б. – М.: Наука 1972. 720с.
Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. Гжиров Р.И. - Машиностроение Ленингр. отд-ние 1984.-464с.
ГОСТ 9929-77. Аппараты теплообменные кожухотрубчатые стальные. Типы. Основные параметры и размеры.
Иоффе И.Л. Проэктирование процессов и аппаратов химической технологии Иоффе И.Л. - Ленингр. отд-ние 1991.
Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии Касаткин А. Г. – М.: Химия 1971.-784с.
Плановский А.Н. «Процессы и аппараты химической технологии. Издание второе дополненое и переработаное» Плановский А.Н. Рамм В.М. Каган С.З. - Москва: Госхимиздат 1962. – 844 с.
Лащинский А.А. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры. Лащинский А.А. Толчинский А.Р - Машиностроение1969.-752с.
Микульонок А. Г. Основы конструирования фланцевых соединений. Микульонок А. Г. Доброногов И.В. - Ленингр. отд-ние 1991.
Дытнерский Ю. И. .Основные процессы и аппараты химической технологии. Дытнерский Ю. И.- Химия 1991.

Складальне креслення.cdw

специфікація кришка.cdw

специфікація ск.cdw

Опора.cdw

Решітка.cdw