Кожухотрубчатый теплообменник для конденсации паров этанола

СПЕЦИФИКАЦИЯ .docx

Камера распределительная
Гайка М20 ГОСТ 5927-73
Шайба 20 ГОСТ 11371 – 68
Прокладка ОСТ 26–430–79
Фланец 1-800-03 ГОСТ 28759.2-90
Фланец 125-03 ГОСТ 12820-80
Фланец 250-03 ГОСТ 12820-80
Фланец 50-03 ГОСТ 12820-80
Опорная лапа 3-40000 ГОСТ 26296-84

чертеж.cdw

Выход конденсата этанола
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Теплообменник кожутрубчатый предназначен для конденсации паров
этанола. производительностью 15000кгчас.
Поверхность теплообмена F= 115м
Рабочее давление в межтрубном пространстве 03 Мпа.
Среда:в трубах -вода в межтрубном пространстве-пары этанола.
Средняя температура в трубах - 170
Теплообменные трубки:
толщина стенки 20 ммколичество
7штдлина труб 4000ммколичсетво ходов Z=6.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Аппарат подлежит действию правил Госгортехнадзора.
При изготовлениииспытании и поставке аппарата должны
выполняться требования: а).ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование
производственное.Общие требования безопасности". б). ОСТ 26-291-79
Сосуды и аппараты стальные сварные.Технические требования.
Материал деталей аппарата - Ст12Х18Н10Т.
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически в
вертикальном положении под давлением.
Сварные швы должны соответствовать требованиям ОСТ
-01-82-77 "Сварка в химическом машиностроении".

чертеж1.cdw

Выход конденсата этанола
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Теплообменник кожутрубчатый предназначен для конденсации паров
этанола. производительностью 15000кгчас.
Поверхность теплообмена F= 115м
Рабочее давление в межтрубном пространстве 03 Мпа.
Среда:в трубах -вода в межтрубном пространстве-пары этанола.
Средняя температура в трубах - 170
Теплообменные трубки:
толщина стенки 20 ммколичество
7штдлина труб 4000ммколичсетво ходов Z=6.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Аппарат подлежит действию правил Госгортехнадзора.
При изготовлениииспытании и поставке аппарата должны
выполняться требования: а).ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование
производственное.Общие требования безопасности". б). ОСТ 26-291-79
Сосуды и аппараты стальные сварные.Технические требования.
Материал деталей аппарата - Ст12Х18Н10Т.
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически в
вертикальном положении под давлением.
Сварные швы должны соответствовать требованиям ОСТ
-01-82-77 "Сварка в химическом машиностроении".

ЗАПИСКА.docx

Тепловой расчёт аппарата
Конструктивный расчёт аппарата
Гидравлический расчёт аппарата
Расчёт тепловой изоляции
Список используемой литературы
В данном курсовом проекте проведен расчет кожухотрубчатого теплообменника для конденсации паров этанола производительностью 15 тчас. Выполнены материальный и конструктивный расчёты определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы. Подобран насос для подачи спирта. Определено гидравлическое сопротивление аппарата.
Теплообменники – это устройства в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагреваемой средами.
В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: нагревание охлаждение испарение конденсация кипение затвердевание и сложные комбинированные процессы. Теплообменные аппараты применяются практически во всех отраслях промышленности и в зависимости от назначения называются подогревателями испарителями конденсаторами регенераторами парообразователями скрубберами кипятильниками выпарными аппаратами и т. д.
В зависимости от назначения производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться самые различные газообразные жидкие и твёрдые среды.
Теплообменные аппараты по принципу действия разделяют на: поверхностные смесительные и регенеративные.
К поверхностным теплообменникам относятся аппараты:
) с трубчатой поверхностью теплообмена – кожухотрубные погруженные змеевиковые типа «труба в трубе » оросительные;
) с плоской поверхностью теплообмена – пластинчатые спиральные с оребренной поверхностью теплообмена; с поверхностью теплообмена образованной стенками аппарата;
К смесительным теплообменникам относятся аппараты:
) конденсаторы смешения;
) аппараты с барботажем газа;
) аппараты с погруженными горелками.
К регенеративным теплообменникам относятся аппараты:
) с неподвижной насадкой;
) с движущейся насадкой.
Поверхностные теплообменные аппараты.
В поверхностных теплообменниках оба теплоносителя разделены стенкой и теплота передаётся через стенку от одного теплоносителя к другому.
Поверхностные теплообменники получили наибольшее распространение особенно кожухотрубчатые.
Кожухотрубчатые теплообменники применяются тогда когда требуется большая поверхность теплообмена и могут использоваться в качестве теплообменников холодильников конденсаторов и испарителей.
Теплообменники предназначены для нагревания и охлаждения а холодильники – для охлаждения (водой или другими нетоксичным не пожароопасным и невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред. В соответствии с ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79 кожухотрубчатые теплообменники и холодильники могут быть двух типов: Н – с неподвижными трубными решётками и К – с линзовым компенсатором неодинаковых температурных удлинений кожуха и труб. Наибольшая допускаемая температура кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20-60 град. в зависимости от материала кожуха и труб давление в кожухе и диаметра аппарата.
Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально быть одно- двух- четырёх- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы кожухи и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали а трубы холодильников – также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали.
Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным конденсатором на кожухе вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79 конденсаторы могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. От холодильников они отличаются большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство.
В большинстве случаев пар теплоносителя вводится в межтрубное пространство а нагреваемая жидкость протекает по трубам. Загрязненные потоки (например запыленные газы или суспензии) следует направлять в трубки а не в межтрубное пространство ( так как трубки легче очищать).
Кожухотрубчатый теплообменник (рис.) представляет собой аппарат состоящий их пучка труб 4 жестко закрепленных в трубных решетках 3 и ограниченных кожухом 1 и крышками 2 со штуцерами. Крышки и трубы образуют трубное пространство а между кожухом и наружной поверхностью труб имеется межтрубное пространство.
Трубное и межтрубное пространства по которым движутся теплоносители разделены между собой поверхностью теплообмена причем каждое их них может быть поделено перегородками на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости движения теплоносителей а следовательно и интенсивности теплообмена. В этих аппаратах с помощью перегородок в крышках трубы делятся на секции которые последовательно проходит жидкость. Число труб в секциях одинаково. В многоходовом теплообменнике по сравнению с одноходовым той же поверхности скорость и коэффициент теплоотдачи возрастают соответственно числу ходов.
Для повышения коэффициента теплоотдачи со стороны жидкости движущейся в межтрубном пространстве в нем также устанавливаются перегородки. Перегородки могут быть продольными и поперечными. Различают следующие поперечные перегородки: сегментные секторные кольцевые.
Технологическая схема процесса конденсации.
Пары этанола поступают в межтрубное пространство теплообменника ТО. В трубное пространство с помощью центробежного насоса ЦН подается охлаждающая вода. За счет нагревания воды на поверхности труб происходит конденсация паров этанола и конденсат самотеком поступает в приемную емкость ПЕ а вода сбрасывается в канализацию или используется в качестве оборотной.
763590805 Пары этанола
35095153035 Пары этанола
Рис. 1. Технологическая схема установки для конденсации паров этанола
Тепловой расчет аппарата
1. Параметры паров при атмосферном давлении:
Для определения температуры паров этанола воспользуемся справочной литературой [5541]:
- температура кипения 0С ;
- удельная теплота парообразования (с учётом табличной линейной интерполяции):
2. Средняя разность температур
tк = 783 0С tб=tк– t2н = 783 – 20 =583 0С
tм = tк – t2к =783 – 40=383 0С
Δtм t2к = 40 0С Δtб = = 1.52 2
3. Средняя температура теплоносителей
tср2 = tк - tср = 783 – 483=30 0С
4. Теплофизические свойства воды при tср2 = 30 0С
- плотность 2 = 996 кгм3 ; [1] с.537
- теплоемкость С2 = 4180 Дж кгК
- теплопроводность 2 =0618 Вт м К
- динамическая вязкость 2 =0804 10-3 Пас
- критерий Прандтля Рr2 = = 544
5. Расход воды и тепловая нагрузка на аппарат.
Составим уравнение теплового баланса
Q = Gn rn = G2 C2 (t2k – t2n) + Qnom
Принимаем потери теплоты 5% от теплоты конденсации паров смеси т.е.
Gn = = 417кгс – расход паров
Q = Gn rn = 417 8492 103 =35385 кДжс
6. Определение режима движения воды в трубном пространстве аппарата.
Примем ориентировочное значение Re1 =20000 что соответствует развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно такой режим возможен в теплообменнике у которого число труб приходящееся на один ход равно:
а).для труб диаметром 20×2 мм
dвн = 20 – 2 = 16 мм – внутренний диаметр трубы
б). для труб диаметром 25×2 мм
dвн = 25 – 2 = 21 мм
Ориентировочно определим величину площади поверхности теплообмена:
Fop = = = 916÷2442 м2
Кор = 300 ÷ 800 Втм2 К – ориентировочное значение коэффициента теплопередачи от конденсирующего пара к воде;
Используя ГОСТ 15119-79 по величинам F и nz примем близкий по параметрам теплообменник. Для сохранения турбулентности в трубном пространстве nz фактическое не должно превышать nz расчётное).
Произведём уточнённый расчёт теплообменника со следующими параметрами: с.57табл.2.3:
Диаметр кожуха D=800 мм n=618z =6 диаметр труб 20×20 мм с поверхностью теплообмена F=116;233 м2 (длина труб 6 м).
Уточнённый расчёт поверхности теплообмена рассчитаем для вертикального аппарата.
Критерий Рейнольдса для воды при данных условиях для выбранного типа аппарата:
Рассчитанное значение соответствует турбулентному движению жидкости что технологически и экономически выгодно для данного процесса конденсации паров этанола.
Коэффициент теплоотдачи к жидкости движущейся по трубам турбулентно:
= 0021 Re Pr ()025 λ20021 = 0021 386596 544
()025 06180016=78548 Вт(м2К)
Поправкой ()025 можно пренебречь.
Для расчета коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара на пучке вертикальных труб применим формулу:
Примем в первом приближении:
Теплофизические свойства конденсата паров при tпленки tк =783 0С (с учётом линейной интерполяции данных):
- плотность =7366 кгм3 [1] с. 541
- теплопроводность =0141 ВтмК; [5] с. 812
- динамическая вязкость =044810-3 (Па с); [1] пс. 516
= 378 1 0141 = 8166 Втм2 К
Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:
= + r1з + r2з = + + = 37310-4 (м2КВт)
= 175 (Втм К) – теплопроводность материала труб из нержавеющей (легированной) стали [1] с. 529
r1з = (м2 КВт) – термическое сопротивление загрязнениям поверхности труб со стороны конденсата паров [1] с. 531
r2з = = (м2 КВт) - термическое сопротивление загрязнениям поверхности труб со стороны воды;
Коэффициент теплопередачи:
Определения температур стенок труб со стороны обоих теплоносителей.
Уточнение значений коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи.
При характеристики воды:
- теплопроводность =0624 ВтмК; [1] с. 561
- динамическая вязкость =0752 10-3 Па с;
- удельная теплоёмкость c2=4180 Джкг К
- критерий Прандтля Pr2 = c2 2 λ2= 4180075210-3 0624=504
При температуре стенки свойства конденсата:
- теплопроводность [1] с. 561
- плотность ρк1=7529 кгм3; [1] с. 512
- динамическая вязкость =0582 10-3 Па ; [1] с. 517
= 378 097 0142 = 7413 Втм2 К
Коэффициент теплопередачи
Проверка температур стенок
Расхождение принятых и полученных значений температур стенок не превышает 5%. Расчёт коэффициента теплопередачи заканчиваем.
Поверхность теплопередачи:
Из табл.2.9[2] следует что из выбранного ряда подходит теплообменник с длиной труб L=4м. При этом площадь теплопередачи стандартного конденсатора по ГОСТ15119-79 составляет F=155 м2.
Вывод: уточнённый расчёт поверхности теплообмена аппарата показал что данный технологический процесс будет успешно осуществлён.
Параметры теплообменника:
- диаметр кожуха D = 800 мм
- число труб (диаметрами мм) n =618шт
Конструктивный расчет аппарата
Определяем толщину стенки аппарата.
Давление в аппарате Р = 01 МПа
Диаметр обечайки D = 0800 (м)
Коэффициент сварного шва (для автоматической двухсторонней сварки) [2] т.13.3 с. 395
Прибавка на коррозию материала при скорости коррозии П = 01 за Тэксп = 10 (лет)
Принимаем материал аппарата – нержавеющая (легированная) сталь типа 08Х18Н10Т с нормативными допускающими напряжениями при
Допускаемое напряжение с учетом аварийных ситуаций (взрыво - пожароопасности) составит:
Перед эксплуатацией аппарата проводят пневмоиспытание сварных швов при давлениях превышающих рабочее в 3÷4 раза поэтому принимаем толщину стенки обечайки:
Принимаем также толщину стенок днища крышки аппарата равным толщине стенки обечайки т.е.
Определение диаметров штуцеров для ввода и вывода теплоносителя
Из практических рекомендаций скорость теплоносителей в штуцерах принимают:
- для жидкости (конденсата) –
- для паров (газа) –
Плотность паров смеси при Р = Ратм = 760 мм. рт. ст.
Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80 конструкция и размеры которых приводятся ниже мм:
Рис.2.1.Фланец ГОСТ 12820-80
Расчет трубной решетки аппарата.
Выбираем расположение труб в трубной решетке по вершинам равносторонних треугольников () т.к. оно более компактное и требует меньше затрат при обслуживании и ремонте.
Шаг между трубами при
Число труб на диаметре решетки можно определить из выражения:
Толщина трубной решетки
Для неподвижно закрепленных решеток:
- - коэффициент решетки [2] с. 408
- - средний диаметр обечайки
- допускаемое напряжение на изгиб
- коэффициент ослабления решетки отверстиями под трубы
При развальцовке труб должно выполняться условие:
Из практических рекомендаций принимаем
Выбор днища и крышки аппарата.
Поскольку аппарат работает при невысоких давлениях выбираем эллиптическое неотбортованное днище (для аппаратов работающих под давлением до 10МПа) согласно ОСТ 26-01-1297-75.
Рис.2.4.Днище эллиптическое ГОСТ 6533-78.
Табл.2.4.Конструктивные размеры днища по ГОСТ 6533-78.
Выбор фланцевых соединений для обечайки и штуцеров
Принимаем фланцы – плоские приварные.
Определяем параметры штуцеров теплообменника. Сортамент труб для штуцеров определяем по [4;44] в зависимости от условного диаметра штуцеров давления и коррозионной активности среды.
Примем для штуцера входа пара: dy =250 мм среда - пары этанола труба 273х 95 ГОСТ 8734-75.
Примем для штуцеров крышек аппарата: dy =125 мм среда-вода труба 133 х60мм ГОСТ 9941-81.
Примем для штуцера конденсата пара: dy =50 мм среда - конденсат паров труба 57 х 40 ГОСТ 8734-75.
Конструкцию и размеры фланцев штуцеров определяем в зависимости от условного давления среды. При Py до 25 МПа применяем плоские приварные фланцы размеры которых определяем по таблице [4] с.49.
Вылет штуцеров определяем по таблице [4] с.47 в зависимости от условного прохода штуцера и давления в трубопроводе. Расстояние штуцеров от трубных решеток: α = (15÷17)dн.
Длины обечаек верхней и нижней крышек определяем из условия что минимальное расстояние между ближайшими точками сварных швов днища и штуцера должно быть 50÷ 100 мм. Рассчитанная из этого условия длина обечайки округляется до ближайшего большего значения стандартных длин обечаек [4] табл.4.2.
Рис.2.5.2.Фланец «аппаратный» ГОСТ 28759.2-90 (исполнение1)
Табл.2.5.2.Конструктивные размеры фланца «аппаратного» ГОСТ 28759.2-90
Выбор опор аппарата.
Для закрепления вертикальных аппаратов устанавливаемых в помещении обычно используются подвесные опорные лапы которые рекомендуется располагать выше центра тяжести аппарата.
Масса греющей камеры с жидкостью:
mг.к – вес греющей камеры;
H = 15Hтр = 154 = 6м
Примем 2 опоры каждая грузоподъёмностью 25000
Опорная лапа 3-25000 ГОСТ 26296-84- 2 шт.
Табл.2.6.Конструктивные размеры опорных лап по ГОСТ 29296-84.
Допускаемая нагрузка
Гидравлический расчет аппарата
1.Гидравлическое сопротивление трубного пространства. Выбор насоса для воды.
Скорость жидкости (воды) в трубах и штуцерах.
Коэффициент внешнего трения
Принимаем абсолютную шероховатость стальных новых труб
Коэффициент местных сопротивлений
- вход и выход жидкости в распределительную камеру
- поворот между ходами
- вход в трубы и выход из них
Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве
Выбор насоса для подачи воды
Выбираем насос марки Х160292 при следующих рабочих параметрах:
- напор (максимальный)
- частота вращения колеса насоса
- мощность электродвигателя
Принимаем температуру наружной поверхности стенки tст.в = 40 С температуру окружающего воздуха tв = 18 С тогда толщина стекловолокнистой изоляции:
где из = 009 ВтмК – коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала сольвенит
в – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки корпуса в окружающую среду
в = 84+006tв = 84+00622 = 972 Втм2К
где tв = tст.в – tв = 40 – 18 = 22 С.
из = 009(783-40)[972(40 – 18) = 0016 м.
Принимаем толщину тепловой изоляции 20 мм.
В ходе проделанной работы на основе расчётных данных определились с выбором установки для данного технологического процесса конденсации паров этанола. По ГОСТ 15118-79 приняли теплообменник с поверхностью теплообмена F=155м2 с диаметром обечайки D=800 мм. Рассчитан расход воды (402 кгс).
В результате гидравлического расчета выбран насос для подачи раствора – Х160292. Подобраны нормализованные конструктивные элементы –обечайка фланцы штуцера.
Одним из главных плюсов данного типа теплообменников является их низкая стоимость. По сравнению с другими типами оборудования кожухотрубные приборы обойдутся намного дешевле чем например пластинчатые или ребристые.
Низкая стоимость этих приборов связана с тем что они имеют более простую конструкцию. Тепло передаётся по трубкам от одной среды к другой. Передача более чистой среды осуществляется непосредственно по кожуху.
Немаловажным достоинством кожухотрубных теплообменных аппаратов является то что они способны выдержать большое давление различных сред которые принимают участие в процессе теплообмена.
Ещё один плюс этих приборов состоит в том что они продолжают свою работу даже в тех случаях если были произведены компрессионные удары средней силы. Это является немаловажной и весьма существенной характеристикой которую следует учитывать при выборе того или иного вида теплообменника.
Стоит также выделить и такое преимущество как возможность продолжения работы в случаях поломки одной или нескольких внутренних трубок. При возникновении такой ситуации капитальный ремонт при необходимости можно отложить на время поскольку оборудование может продолжить свою работу без значительного снижения КПД.
Плюсом кожухотрубных устройств будет и то что они способны адаптироваться к любой среде будь это морская или речная вода нефтепродукты масла химически активные среды и т.п. Вне зависимости от конкретного типа рабочей среды показатель надёжности приборов будет таким же высоким.
Однако несмотря на весомые достоинства кожухотрубных теплообменных аппаратов нельзя не отметить и существенные недостатки. Например большие габариты и сложность при монтаже и обслуживании.
Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. “Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии”. – Л.: Химия 1987. – 576 с.
“Основные процессы и аппараты химической технологии”: Пособие по проектированию Г.С. Борисов В.П. Брыков Ю.И. Дытнерский и др. Под редакцией Ю.И. Дытнерского. – М.: Химия 1991 – 496 с.
Блановский А.Р. “Процессы и аппараты химической технологии”. – М.: Химия 1968 – 848 с.
Лащинский А.А. Толчинский А.Р. “Основы конструирования и расчета химической аппаратуры”. – Л.: Машиностроение 1973 – 752 с.
Плановский А.Н. Рамм В. М. Каган С. З. «Процессы и аппараты химической технологии».-М.:ГОСХИМИЗДАТ1962-843 с.