Расчет теплообменного аппарата для охлаждения раствора гидроксида натрия

ПЗ.doc

Техническое задание3
Гидравлический расчет8
Устройство аппарата11
Принцип действия аппарата11
Техническая характеристика аппарата12
Конструктивный расчет16
Список использованной литературы20
Рассчитать и подобрать кожухотрубчатый теплообменник для охлаждения
тчас 10% раствора NaOH от 90 оС до 34 оС. Охлаждение осуществляется водой которая в процессе теплообмена нагревается от
оС до 45 оС. Выполнить: тепловой конструктивный и гидравлический расчеты аппарата чертеж общего вида в двух проекциях с разработкой двух узлов.
G1= 15 тчас = 416 кгс
Средняя температура NaOH t1 = 05 ( t1н + t1к ) = 62 оС
Средняя температура воды t2 = 05 ( t2н + t2к ) = 275 оС
Физико-химические характеристики теплоносителей при средней температуре взяты из справочников [4] [5] и сведены в таблицу 1.
Теплопроводность Вт (мК)
Динамическая вязкость Пас
Теплоемкость Дж (кгК)
Коэффициент объемного
Необходимую поверхность теплопередачи м2 определяют из основного уравнения теплопередачи
где Q – тепловая нагрузка Вт;
k – коэффициент теплопередачи Вт(м2 К);
tср – средняя разность температур потоков оС.
)Если агрегатное состояние теплоносителей не меняется то тепловую нагрузку определяем по уравнению
Q = G1с1 (t1н – t1к)
Q = 150003600 3690 (90-34) = 861000 Вт
) Расход воды определяем из уравнения теплового баланса
G2 = ----------------- = ----------------- = 587 кгс
c2 (t2к – t2н)4190 (45-10)
)Средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей :
tб - tм (90-45) – (34-10)
tср = tср. лог. = ---------------- = ---------------------- = 334 оС
ln (tб tм) ln (4524)
)Ориентировочный выбор теплообменника.
Раствор NaOH как коррозионноактивную среду направляем в трубное пространство а охлаждающую воду – в межтрубное.
Примем ориентировочное значение критерия Рейнольдса
Re 1ор. = 12000 соответствующее развитому турбулентному режиму течения в трубах. Очевидно что такой режим возможен в теплообменниках у которых число труб n приходящееся на один ход по трубам диаметром
dн = 20 х 2 мм равно
n z = 4G1 (d Re 1ор 1) = 4 416 (314 0016 12000 00008) 35
Для труб диаметром dн = 25 х 2 мм
n z = 4G1 (d Re 1ор 1) = 4 416 (314 0021 12000 00008) 26
Минимальное ориентировочное значение коэффициента теплопередачи соответствующее турбулентному течению теплоносителей равно табл. II.1[1]
kор = 800 Вт(м2 К). При этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит
Fор = 861000(334 800) = 32 м2
Определим поправку для средней разности температур t с помощью графиков приведенных на рис. II.1 [1].
Р = (45-10)(90-10) = 044
R = (90-34)(45-10) = 16
t = 075 и tср = 334 075 = 25 оС
С учетом этих оценок ориентировочная поверхность составит
Fор = 861000 (25 800) = 43 м2
По таблице II.3 [1] выбираем теплообменники с близкой поверхностью теплообмена и проведем утонченный расчет следующих вариантов:
Вариант 1: D = 600 мм dн = 20 х 2 мм z = 6 nz = 3166 = 527
Вариант 2: D = 400 мм dн = 20 х 2 мм z = 2 nz = 1662 = 83
Вариант 3: D = 600 мм dн = 20 х 2 мм z = 4 nz = 3344 = 835
)Утонченный расчет поверхности теплопередачи.
Re 1 = ------------------ = ----------------------------------- = 7865
d ( nz ) 1 314 0016 527 00008
При переходном режиме (2300 Re 10000) приближенное значение коэффициента теплоотдачи к жидкости α1 Вт(м2К) определяем по уравнению:
Nu1 = 0008 Re 109 Pr1 043
где Nu1 = α1 l λ1 – критерий Нуссельта
Pr1 = с1 1 λ1 – критерий Прандтля.
Определяющим размером в критериях Re и Nu является эквивалентный диаметр трубы; определяющая температура при которой рассчитываются физические свойства среды – средняя температура теплоносителя.
α1 = 0008 Re1 09 Pr 1043 ( λ1 d )
Pr1 = 3690 00008 0645 = 457
α1 = 0008 7865 09 457043 ( 0645 0016 ) = 1988 Вт(м2К)
Минимальное сечение потока в межтрубном пространстве находим по таблице II.3 [1] Sмтр = 0037 м2
Re 2 = ------------------ = ----------------------------------- = 3755
Pr2 = 4190 0000845 0618 = 573
При движении теплоносителя в межтрубном пространстве коэффициент теплоотдачи к воде при Re ≥ 1000 составит
α2 = 024 3755 06 573036 ( 0618 002 ) = 1940 Вт(м2К)
В соответствии с таблицей II.2 [1] примем термические сопротивления загрязнений равными rз1 = rз2 =15800 м2КВт. В качестве материала труб выбираем нержавеющую сталь. Теплопроводность нержавеющей стали
αст = 175 Вт (м К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:
--- = -------- + ------- + -------- = 0000458 м2КВт
где – толщина стенки трубы м
Коэффициент теплопередачи равен
k = 1 ( ---- + ----- + ---- ) = 1 ( ------- + ------- + 0000458 ) = 1 00014 =
Требуемая поверхность составляет
F = 861000 (25 677) = 509 м2
Из табл. II.3 [1] следует что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубами длиной L = 3 м и номинальной поверхностью F = 60 м2.
При этом запас составит
= ------------- 100 = 18 %
Масса теплообменника по табл. II.10 [1] равна 2100 кг.
Вариант 2. Аналогичный расчет дает следующие результаты:
Из табл. II.3 [1] следует что теплообменник с трубами длиной L = 6 м номинальной поверхностью F = 63 м2 подходит с запасом = 19 %. Его масса равна 1890 кг.
Вариант 3. Аналогичный расчет дает следующие результаты:
Из табл. II.3 [1] следует что теплообменник с трубами длиной L = 3 м номинальной поверхностью F = 63 м2 подходит с запасом = 35 %. Его масса равна 1980 кг.
Дальнейшее сопоставление трех вариантов проводится по гидравлическому сопротивлению.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Расчет гидравлического сопротивления.
Скорость жидкости в трубах тр мс определяется по формуле
где Sтр = 0009 м2 – площадь сечения одного хода по трубам (табл. II.3 [1] )
тр= 416 (0009 1110) = 0417 мс
Коэффициент трения рассчитывается по формуле
λ = 025 lg [----- + ( --------- )09] -2
где е = d – относительная шероховатость труб;
- высота выступов шероховатостей. В расчете принимаем = 00002 м.
λ = 025 lg [------------ + ( --------- )09] -2 = 00477
Диаметры штуцеров кожухотрубчатых теплообменников приведены
в табл. II.8 [1]. Для варианта 1 диаметр штуцера для трубного пространства dтр.ш. = 01 м
Скорость в штуцерах тр.ш. мс определяется по формуле
тр.ш .= ------------- = --------------------- = 0477 мс
dтр.ш.2 ρ1 314 012 1110
Гидравлическое сопротивление трубного пространства ртр Па определяют
Lz 2тр ρтр ρтр 2тр ρтр 2тр.ш.
ртр = λ ----- --------- + [ 25 ( z-1) + 2z ] ------------- + 3 --------------
где z – число ходов по трубам
ртр = 00477 ------- ---------------- + [ 25 ( 6-1) + 2 6] ------------------ +
+ 3 ----------------- = 792216 Па
Число рядов труб m омываемых водой в межтрубном пространстве приближенно можно принять равным
m = √ n3 = √ 3163 = 1026. Округлим в большую сторону m 11.
Число сегментных перегородок х = 8 (табл. II.9 [1]).
Для варианта 1 диаметр штуцера к межтрубному пространству d мтр.ш. = 02 м
Скорость воды в штуцерах:
мтр.ш .= ------------- = --------------------- = 0187 мс
dтр.ш.2 ρ2 314 022 996
Скорость воды в наиболее узком сечении межтрубного пространства площадью S мтр = 0037 м2 (табл. II.3 [1]) равна
мтр = ---------- = ---------------- = 0158 мс
Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства рмтр Па определяют по формуле
m (х+1) 2 мтр ρ мтр ρ мтр 2 мтр ρ мтр 2 мтр.ш.
р мтр = --------------- ------------- + х 15 -------------- + 3 ----------------
где х – число сегментных перегородок х = 8
m – число рядов труб преодолеваемых потоком теплоносителя в межтрубном пространстве m = 11
11 (8+1) 996 01582 996 01582 996 01872
р мтр = --------------- --------------- + 8 15 --------------- + 3 ---------------- =
Аналогичный расчет дает следующие результаты
Проанализировав все варианты по гидравлическому сопротивлению выбираем вариант 3.
Кожухотрубчатый теплообменник рис.1 представляет собой совокупность сборочных единиц: корпуса -1 верхней крышки – 2 нижней крышки -3. Корпус 1 состоит из сварной цилиндрической обечайки внутри которой размещается пучок труб. Трубы закрепляются в трубных решетках привариваемых к торцам обечайки. Корпус 1 выполняем разъемным что необходимо для ремонта монтажа и обслуживания находящихся в нем внутренних устройств. Корпус 1 снабжен двумя штуцерами для ввода в межтрубное пространство аппарата и вывода из него охлаждающей воды. Верхняя крышка 2 состоит из цилиндрической обечайки к торцам которой приварены эллиптическое днище и фланец. Верхняя крышка 2 снабжена двумя штуцерами для ввода в теплообменник и вывода из него 10% раствора едкого натра. Нижняя крышка 3 представляет собой эллиптическое днище и приваренный к нему фланец. Штуцеры соединяются с крышкой с помощью сварки. Фланцы крышек 2 и 3 крепятся к трубным решеткам корпуса 1 теплообменника с помощью болтов.
Трубные решетки представляют собой круглые плоские диски с отверстиями. Они выполняют роль перегородок в кожухотрубчатом теплообменнике и предназначены для закрепления в них труб и отделения трубного пространства от межтрубного. Трубы крепятся в трубных решетках развальцовкой.
Теплообменник располагается на 4 опорах-лапах которые так же как и штуцеры крепятся к обечайке с помощью сварки.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АППАРАТА
Вода непрерывно поступает в межтрубное пространство теплообменника через штуцер В в корпусе 1 (рис.1). Обтекая размещенные в корпусе трубы вода нагревается и выходит через штуцер Г в корпусе 1.
% раствор едкого натра подводится в теплообменник через штуцер А и протекая по трубам охлаждается до нужной температуры. Выходит NаОН через штуцер Б.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АППАРАТА
Поверхность теплообмена F м263
Среда: в трубном пространстве10% раствор NaOH
в межтрубном пространствевода
Температура оС : в трубном пространстве от 90 до 34
в межтрубном пространствеот 10 до 45
Трубы теплообменные:
наружный диаметр труб dн мм20
количество труб шт334
Условный проход штуцеров 10% раствор NaOH мм150
Условный проход воды мм200
КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ
1 Определяем базовый внутренний диаметр корпуса аппарата. Для этого:
1.1 По табл. 4.13 [2] определяем шаг между теплопередающими трубами t
1.2 По табл. 4.15 [2] определяем количество труб n на диаметре аппарата
Из этой же таблицы определяем что в шестиугольнике находится 397 труб кроме того в сегментах заполнено по одному ряду в каждом из которых находится по 7 труб.
1.3 Определяем расстояние L между наружными поверхностями наиболее удаленных труб диаметрального ряда
L = (n-1) t + dн = (23-1) 26 + 20 = 586 мм
1.4 Определяем минимально возможный зазор между крайними трубами трубного пучка и обечайкой
= t – dн = 26-20 = 6 мм
1.5 Определяем минимально возможный внутренний диаметр обечайки
Dmin = L + 2 = 586 + 2 6 = 590 мм
Принимаем внутренний диаметр обечайки корпуса Dвн = 600 мм
2 Определяем толщину стенки обечайки корпуса S1 а также величины стенок обечаек крышек S2 S3 . Принимаем S1 = 6 мм
3 При конструировании схемы размещения труб четырехходового теплообменника необходимо предусмотреть место для установки межходовых перегородок в силу чего один ряд труб накладывающийся на диаметр теплообменника не планируется а также еще два ряда расположенные симметрично. Размещение отверстий под трубы в трубной решетке и перегородках должно соответствовать ГОСТ 15118-79 с симметричным расположением труб.
4 Выбираем конструкцию днищ крышек теплообменника.
По табл. 4.4[2] выбираем эллиптическое отбортованное днище с параметрами:
5 Выбираем фланцы для присоединения крышек теплообменника к его корпусу (аппаратные фланцы). В нашем случае это плоские приварные фланцы т.к. они являются наиболее простыми в изготовлении и наиболее
дешевыми а также применяются при небольших давлениях в аппарате.
По табл. 4.9 [2] плоские приварные фланцы имеют следующие размеры :
Болты М 20 в количестве 20 штук.
Конструкция фланца показана на рис. 3.
6 Крышки теплообменника с помощью фланцев выбранных в п. 4
присоединяются к трубным решеткам корпуса имеющим фланцевые окончания с размерами равными размерам крышек. Предварительную толщину трубной решетки рассчитываем по формуле
H ≥ h + S1 = 25 + 3 = 28 мм
Принимаем Н = 30 мм.
7 В качестве материала прокладок для уплотнения крышек с корпусом
принимаем резину ТМКЩ выпускаемую по ГОСТ 7338-90 работающую с кислотами и щелочами. Толщина прокладки S = 3 мм. Внутренний диаметр прокладки равен
Dв = 600 мм наружный - D1 = 644 мм (принимается по размерам
привалочных поверхностей фланца).
8 Определяем расчетную длину болтов l б мм крепящих крышки к корпусу теплообменника по формуле
l б = h + Н + S + m + 025d
где h = 25 мм – высота тарелки фланца;
Н= 30 мм – толщина трубной решетки;
S = 3 мм – толщина прокладки;
m = 16 мм – высота гайки М20 по ГОСТ 5915-70;
d = 20 мм – номинальный диаметр болта.
l б = 25 + 30 + 3 + 16 + 025 20 = 79 мм
Принимаем l б = 80 мм. Болт М20х80.58 ГОСТ 7798-70.
9 Выбираем сортамент теплопередающих труб по табл. 4.16 [2]. При этом учитывается давление среды на трубу коррозионная активность среды.
В нашем случае давления нет среда агрессивная. Принимаем трубы из коррозионностойкой стали
Труба 20х2 – 12Х18Н10Т ГОСТ 9941-81.
10 Трубы крепим в трубных решетках развальцовкой. При dн = 20 ÷ 40 диаметр трубы после развальцовки находим по формуле
Схема развальцовки показана на рис. 4.
11 Определяем параметры штуцеров теплообменника.
11.1 Сортамент труб для штуцеров определяем по табл. 416 [2]. В нашем случае:
штуцеры корпуса аппарата Ду 200 мм – Труба 219х85 ГОСТ 8734-75
штуцеры крышек Ду 150 мм – Труба 159х6 – 12Х18Н10Т ГОСТ 9941-81.
11.2 Конструкцию и размеры фланцев штуцеров определяем в зависимости
от условного давления Ру по табл. 4.19 [2].
Применяем плоские приварные фланцы на Ру = 03 МПа. Размеры фланцев сведены в таблицу 7.1 и показаны на рис.2.
11.3 Вылеты штуцеров определяем по табл. 418 [2]:
для Ду 150 мм – 155 мм
для Ду 200 мм – 160 мм .
Расстояние штуцеров от трубных решеток α мм определяем по формуле
α = (15÷17) dн но не менее 50 мм между сварными швами. Для штуцеров
Ду 200 мм : α = 330 мм
Ду 150 мм : α = 250 мм.
12 Опоры теплообменника конструируем в соответствии с рекомендациями раздела 4.6 «Методических указаний» № 887. Применяем боковые опоры (опорные лапы). Конструкция боковой опоры показана на рис. 5. Количество опор принимаем равным четырем. Определяем размеры боковых опор по приведенным к внутреннему диаметру соотношениям:
При этом расположение лап по высоте аппарата выполняется в средней части корпуса но не ближе 15 длины корпуса от его краев.
Диаметр фундаментных болтов М30 и отверстий под них 35 выбираем
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Основные процессы и аппараты химической технологии (Под редакцией Ю.И. Дытнерского – Москва Химия 1983 г.) – Пособие по проектированию
[2] Н.Ю. Смирнов и др. Разработка конструкции химического аппарата и его графической модели (чертежа общего вида). Методические указания
№ 887 Иваново 2004 г.
[3] Лебедев В.Я. и др. Расчет и проектирование теплоиспользующего оборудования. Методическое пособие кафедры Иваново 1992 г.
[4] М.И. Пасманик Б.А. Сасс-Тисовский Л.М. Якименко. Производство хлора и каустической соды. Справочник Москва издательство «Химия» 1966 г.
[5] К.Ф. Павлов П.Г. Романков А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л. Химия 1987 г.

теплооб.dwg

Сварные швы по ГОСТ 26.260.3-2001.
Труба 57 х 2 - ХН65МВ
Технические требования на изготовление смотри чертеж 24228-102В.
Сварка - по ОСТ 26.260.3-2001.
Электроды: ЭВЛ ГОСТ 23949-80 с присадочной проволокой ХН65МВ
Разделка днища для приварки штуцеров
Прокладки ГОСТ 15180-86
Б-ПН-10 ГОСТ 19903-74
Ст3пс3 ГОСТ 14637-89
Фланцы ГОСТ 12820-80
Гайка М 16.25 ОСТ 26-2038-96
Болты ОСТ 26-2037-96
Технические требования
врезку штуцера Ду 200 в существующие конденсаторы 1600КВК-М10-Ш25Г4-4
Технические требования на изготовление
испытание и приемку по
Неуказанные предельные отклонения размеров: отверстий Н14
Шероховатость обрабатываемых поверхностей деталей
Сварка электродуговая по ОСТ 26.260.3-2001.
Электроды Э-08Х20Н9Г2Б ГОСТ 10052-75.
Сварные швы по ГОСТ 16037-80
действующими правилами
инструкциями и требованиями технологического
Эксплуатацию конденсаторов производить в соответствии с
регламента процесса производства.
расчетной и др.) и при необходимости выдать данные для корректировки
места стенок и сварных швов (износ
коррозию глубиной больше
к предварительно скрытым местам
окончательно выявить дефектные
При производстве работ
с учетом открывшегося доступа
Данный чертеж разработан к проекту N° 24928-530Б и предусматривает
черт. 102.0884.00.000.
Сварные швы проверить на отсутствие склонности к
межкристаллитной коррозии методом АМ по ГОСТ 6032-2003.
Действительное расположение штуцеров и др. на виде А.
недоступных для проведения РД или УЗ методом-по РД 26-11-01-85
Выбор методов неразрушающего контроля сварных швов по ОСТ 26-2079-80
Объем контроля РГ и УЗ методом стыковых
ИГХТУ 361.101.00.000 ВО
Рис. 2 Конструкция фланцев штуцера
Рис. 3 Конструкция фланца
выбранного для присоединения
Рис. 5 Конструкция боковой опоры аппарата
Рис. 4 Развальцовка труб
Вновь разрабатываемые
выполняться требования :
требования безопасности" ;
Технические требования".
соприкасающихся с раствором -12Х18Н10Т
остальных Ст3 пс ГОСТ 380-94
резина ТМКЩ ГОСТ 7338-90.
испытании и приемке аппарата должны
а) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование производственное. Общие
б) ОСТ 26-291-94 "Сосуды и аппараты стальные сварные.
Действительное расположение штуцеров и опор см. на виде Д.
Аппарат испытать на прочность и плотность в вертикальном
положении наливом воды.
Сварные швы должны соответствовать требованиям
ОСТ 26.260.3-2001 "Сварка в химическом машиностроении".
* Размеры для справок.
Техническая характеристика
С : в трубах - от 90 до 34
в межтрубном пространстве - от 10 до 45.
Теплообменные трубки : ø20x2
Теплообменник кожухотрубчатый предназначен для охлаждения
Поверхность теплообмена F=63м
в межтрубном пространстве - вода.