Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Кожухотрубний теплообмінник
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний технічний університет України Київський політехнічний інститут
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2012
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Інші
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ А СПОРТУ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ”
Інженерно-хімічний факультет
Кафедра машин та апаратів хімічних
і нафтопереробних виробництв
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
на тему: Кожухотрубний теплообмінник
ЗМІСТ
Реферат……………………………………………………………………………..3
Вступ………………………………………………………………………………..4
1 Призначення і область застосування виробу, що розробляється………….6
1.1 Опис конструкції та принцип дії апарата…………………………………6
2 Технічна характеристика апарата……………………………………………8
2.1 Порівняння конструкції апарата з аналогами…………………………….8
2.2 Вибір матеріалів…………………………………………………………..10
3 Джерела небезпеки при роботі з теплообмінником, заходи щодо забезпечення захисту……………………………………………………………..11
4 Розрахунки, що підтверджують працездатність та надійність конструкції………………………………………………………………………...13
4.1 Тепловий розрахунок……………………………………………………..13
4.1.1 Уточнення поверхні теплообміну…………………………………..15
4.2 Гідравлічний розрахунок…………………………………………………18
4.2.1 Гідравлічний опір трубного простору……………………………...18
4.3 Конструктивний розрахунок……………………………………………..19
4.4 Механічний розрахунок…………………………………………………..20
4.4.1 Товщина стінки циліндричної обичайки…………………………..20
4.4.2 Розрахунок днища на міцність……………………………………...21
4.4.3 Розрахунок трубних решіток………………………………………..22
4.4.4 Pозрахункова товщина ребра опори………………………………..23
4.4.5 Розрахунок кількості болтів………………………………………...24
4.5 Розрахунок фланцевого з’єднання……………………………………....24
4.6 Розрахунок штуцерів……………………………………………………..25
Висновки…………………………………………………………………………..26
Перелік посилань………………………………………………………………….27
РЕФЕРАТ
УДК 66.045
Кожухотрубний теплообмінник: Курсовий проект з дисципліни ПАХВ напрямку підготовки 6.051301 «Хімічна технологія»/НТУУ «КПІ»;
Керівник П.М. Магазій. - К., 2012. - с.: Викон. О.В. Шандалюк.
Пояснювальна записка складається з вступу, восьми розділів, висновків, списку поси лань. Загальний обсяг роботи стано вить 27 сторінок, 5 малюнків.
Робота містить розрахунок процесу нагрівання і конструкції кожухотрубного теплообмінного апарата з U-подібними трубками.
Метою роботи є визначення геометричних розмірів та параметрів процесу в теплообмінному апараті, призначеному для нагрівання 7 кг/с етилового спирту (х=40%) від 10оС до 70оС) насиченою парою тиском 0,5МПа.
Поставлена мета досягається шляхом розрахунку теплового процесу та вибору і розрахунку на міцність деталей апарата.
ТЕПЛООБМІН, КОЕФІЦІЄНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ, КОЖУХОТРУБНИЙ ТЕПЛООБМІННИК, НУСЕЛЬТ, ПРАНДТЛЬ, ГРАСГОФ, ПОВЕРХНЯ ТЕПЛООБМІНУ, КОНДЕНСАЦІЯ ПАРИ, ТРУБНА ГРАТКА, ОБИЧАЙКА
ВСТУП
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.
В даному курсовому проекті вирішується задача розрахунку і конструювання кожухотрубного теплообмінника з U-подібними трубками, який відноситься до поверхневих апаратів.
Вибір теплоносія залежить від температури, яка потрібна для нагрівання та охолодження і необхідності її регулювання. Крім того, промисловий
теплоносій повинен достатньо високу інтенсивність теплообміну при невеликих масових та об’ємних витратах. Відносно до цих вимог теплоносій повинен мати малу в’язкість, але високу густину, теплоємність та теплоту пароутворення, а також повинен бути не горючим, не токсичним, термічно стійким, не корозійним, але з тим він повинен бути доступною та дешевою речовиною.
В курсовому проекті проводиться розрахунок кожухотрубного горизонтального теплообмінника, теплоносієм якого є гріюча пара, а реагентом, який підлягає нагріванню – 40%-й розчин етилового спирту.
Перевагами кожухотрубних теплообмінників є компактність, невелика витрата металу, легкість очистки внутрішньої поверхні труб, а недоліками – важкість пропускання теплоносіїв з великими швидкостями, важкість очистки міжтрубного простору і важкість виготовлення із матеріалів не допускаючих розвальцовки та зварки.
ПРИЗНАЧЕННЯ І ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ ВИРОБУ, ЩО РОЗРОБЛЯЄТЬСЯ
Опис конструкції та принцип дії апарата
Теплообмінник, що конструюється, відноситься до групи поверхневих теплообмінників. В поверхневих апаратах обмін теплом між робочими середовищами відбувається через стінки теплопровідного матеріалу. Кожухотрубний теплообмінник відноситься до числа найбільш вживаних поверхневих теплообмінників.
Основними елементами кожухотрубних теплообмінників є пучки труб, трубні ґратки, корпус, кришки, патрубки.
Усі фізико-хімічні процеси, здійснювані в хімічних апаратах, насамперед вимагають наявності ємності, обмеженої корпусом. Ці корпуси за умовами процесів, що протікають у них, повинні бути досить міцними й у переважній більшості випадків герметичними.
До складу корпуса хімічного апарату входять також днище та кришки, які приєднуються до обичайки і часто виконуються з однакового матеріалу.
Труби, переважно циліндричні й у більшості випадків із пластичних матеріалів, у хімічному апаратобудуванні мають дуже широке застосування. Труби є основною складовою частиною різних типів трубних теплообмінників. З них виготовляються багато внутрішніх і зовнішніх вузлів і деталей апаратів. Труби великих діаметрів з вуглецевої стали застосовуються як обичайки для корпусів апарата.
Одним з основних елементів таких апаратів є трубні ґратки, що представляють собою перегородки, в яких закріплюються труби і якими трубний простір відокремлюється від між трубного. За формою трубні ґратки бувають круглі, кільцеві та прямокутні. Найбільше поширення мають круглі ґратки, що можуть бути плоскими, сферичними й еліптичними [1].
Конструкція вузла з’єднання трубної ґратки з обичайкою або корпусом залежить від конструкції апарата. Кришки та днища приєднуються до
обичайки за допомогою фланцевих з’єднань.
Рух теплоносія в теплообміннику є протиточним, що дає більш рівномірний розподіл швидкостей та однакові умови теплообміну на площі поперечного перерізу апарату.
В даному проекті розробляється горизонтальний теплообмінник з U-подібними трубками.
Горизонтальні теплообмінники з U-подібними трубками працюють при великих швидкостях рідин, що приймають участь в теплообміні, для того, щоб звести до мінімуму розшарування теплоносія внаслідок різниці їх температур та густини, а також усунення утворення застійних ділянок.
Кожухотрубні теплообмінники з U-подібними трубками застосовують в якості парових нагрівачів рідини та конденсаторів. В цих випадках взаємоспрямований рух теплоносіїв в теплообмінниках з U-подібними трубками не призводить до зниження середньої рушійної сили. Теплообмінники доцільно використовувати для процесів теплообміну в системах рідина-рідина та газ-газ при великих теплових навантаження.
Внаслідок меншої площі сумарного поперечного перетину труб, розміщених в одній секції, порівняно з поперечним перетином всього пучка труб, швидкість рідини в трубному просторі теплообмінника зростає (по відношенню до швидкості в одноходовому теплообміннику) в 2 рази. Розміщення поперечних перетинок в міжтрубному просторі призводить до збільшення інтенсивності теплообміну внаслідок збільшення швидкості руху теплоносія в міжтрубному просторі.
Внаслідок різниці температур теплоносіїв, що рухаються у трубному і між трубному просторі, відбувається теплообмін: температура більш нагрітого теплоносія зменшується, а температура менш нагрітого підвищується.
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 [1].
ТЕХНІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА АПАРАТА
Технічна характеристика процесу:
Продуктивність по етиловому спирту: 7 кг/с
Концентрація розчину етилового спирту: х=40%
Початкова температура етилового спирту: 10 ºС
Кінцева температура етилового спирту: 70 ºС
Тиск водяної пари: 0,5 МПа
Витрата гріючої пари: 0,756 кг/с
Поверхня теплообміну: 14,77 м2
Технічна характеристика апарату:
Конструкція – жорстка
Поверхня теплообміну: 17,5 м2
Число труб: 56 (2(ходовий)
Труби: 4 м, 25(2 мм
Діаметр: 325 мм
Порівняння конструкції апарата з аналогами
Кожухотрубний теплообмінник з представлений на рисунку 2.1
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 [1].
1 – розподільна камера; 2 – кожух; 3 – теплообмінні труби; 4 – перегородка; 5 – штуцер
Рисунок 2.1 – Схема кожухотрубний двоходового горизонтального теплообмінника
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, який впливає 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 [1].
Переваги апарата:
інтенсивний процес теплообміну;
забезпечення великої швидкості руху теплоносіїв, що унеможливлює утворення застійних зон;
герметичність;
можливість заміни окремих деталей, легкість ремонту та монтажу;
економічна доцільність використання в промислових установках.
Недоліки апарата:
складніcть очистки між трубного простору;
потреба у використанні корозостійких матеріалів;
значна металоємність апарату.
Вибір матеріалів
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.
Матеріали апарата: сталь Х18Н10Т.
В нашому випадку властивості матеріалу будемо визначати при температурі конденсації пари заданого тиску (0,5 МПа), тобто приблизно при 151оС [1].
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 знімними.
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 1,25% 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:
підвищенні тиску вище допустимого;
несправності запобіжних клапанів;
виявленні недоліків в елементах апарата;
виникненні пожеж, які загрожують апарату під тиском;
несправності манометра;
несправності або нестачі засобів кріплення;
несправності показника рівня рідини;
несправності запобіжних блокувальних пристроїв;
несправності (відсутності) передбачених проектом контрольно-вимірювальних приладів та засобів автоматики [1].
РОЗРАХУНКИ, ЩО ПІДТВЕРДЖУЮТЬ ПРАЦЕЗДАТНІСТЬ ТА НАДІЙНІСТЬ КОНСТРУКЦІЇ
Вихідні дані
Масова витрата оцтової кислоти (х=60%): G2= 5 кг/c
Початкова температура оцтової кислоти: t2п=10ºС
Кінцева температура оцтової кислоти: t2к=70ºС
Тиск гріючої пари: P1=0,5 МПа
Тип теплообмінника: кожухотрубний з U-подібними трубками
Тепловий розрахунок
Температурна схема: t2п=10ºC → t2к=70ºС
T1n=151,1ºС → t1к =151,1ºС
Більша різниця температур: ∆tб=Tн–t2п=151,1 - 10 = 113,54ºС
Менша різниця температур: ∆tм=Tн–t2к=151,1 - 70 = 81,1ºС
Оскільки Δtб/ Δtм=1,74 <2 то середня різниця температур:
Середня температура 40 % розчину етанолу:
Масовий видаток 40% розчину етанолу:
Об'ємний видаток 40% розчину етанолу:
де – густина 40% розчину етанолу при температурі 40 оС (таблиця ІV, с. 512 [3]).
Витрата теплоти на нагрівання розчину етанолу:
де – питома теплоємність 40% розчину етанолу при 40 ºС (таблиця ХІ, с. 562 [3]).
Витрата гріючої пари з урахуванням 5% втрат теплоти:
де – питома теплота конденсації водяної пари (таблиця LVII, с. 549 [3]).
Приймемо значення коефіцієнта теплопередачі Кmin = 120 Вт/(м2∙К) (таблиця 4.8, с. 172 [3]). Тоді максимальна площа поверхні теплообміну становить:
Теплообмін буде більш ефективним, якщо теплоносії рухаються в турбулентному режимі. Нехай розчин етанолу рухається по трубам у турбулентному режимі, Re2=10000.
Тоді швидкість руху розчину етанолу в трубах:
де – динамічний коефіцієнт в’язкості 40% розчину етанолу при 40 оС (таблиця ІХ, с. 516 [1]); d2=0,021 м – внутрішній діаметр труб.
Кількість труб 25×2, котрі забезпечать об’ємну витрату етанолу при Re2=10000 :
Для турбулентного режиму в трубному просторі накладемо умови: n<n', а F<Fmax.
Вибираємо теплообмінник (ГОСТ 15118-79, 15120-79, 15122-79):
двоходовий: z = 2
число труб: n = 56
діаметр: Dз=325мм
довжина труб: L = 4 м
поверхня теплообміну: F = 17,5 м2
рядів труб по вертикалі: np = 8 [3].
Уточнення поверхні теплообміну
Уточнюємо значення критерію Рейнольдса та швидкості руху розчину етанолу:
де n = 28 – кількість труб на один хід.
Критерій Прандтля для розчину етанолу при температурі 40оС:
де – коефіцієнт теплопровідності 40% розчину етанолу при температурі 40 оС (рисунок Х, c. 561 [1]).
Приймемо , таким чином критерій Нуссельта:
Коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до розчину спирту:
Визначимо коефіцієнт тепловіддачі при конденсації водяної пари. Приймемо, що теплообмінник горизонтальний, тоді для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі використаємо формулу:
де ε = 0,6 – коефіцієнт для коридорного роз положення труб в пучці і при числі рядів труб по вертикалі nв=8 (рисунок 4.7, с. 162 [1]); εГ = 0,5 – коефіцієнт, який враховує 0,8% домішок повітря у водяній парі (рисунок 4.9, с. 164 [1]); Вt=1135,3 – коефіцієнт при 151,1 0С (таблиця 4.6, с. 162 [1]); L= 4м – довжина труб.
Приймемо теплову провідність з боку гріючої пари 1/r=5800 Вт/(м2К), теплова провідність з боку розчину етанолу 1/r=5800 Вт/(м2К). Тоді сумарна теплопроводимість:
Коефіцієнт теплопередачі:
Питоме теплове навантаження:
Перевіримо прийняте значення (Pr/Prcт2).
Для того, щоб 40% етанол не кипів, його потрібно подавати у теплообмінник при тиску 0,2 МПа.
Рисунок 4.1 – Схема процесу теплопередачі
Критерій Прандтля для розчину оцтової кислоти при температурі tст:
де – теплоємність 40% етанолу при 80,5ºС (таблиця ХІ, с. 562 [1]); – динамічний коефіцієнт в’язкості 40% розчину етанолу при 80,5 оС (таблиця ІХ, с. 516 [1]); – коефіцієнт теплопровідності 40% розчину етанолу при температурі 80,5 оС (рисунок Х, c. 561 [1]).
Відповідно:
Перевірка
Було прийнято . Різниця ~ 1,54%. Розрахунок К завершено.
Розрахункова площа поверхні теплообміну:
Площа поверхні теплообміну апарату:
Визначимо запас поверхні теплообміну:
Вибраний теплообмінник задовольняє умовам проектування [3].
Гідравлічний розрахунок
Метою гідравлічного розрахунку є визначення витрати енергії на переміщення агенту крізь трубний простір теплообмінного апарату. Під час руху агенту в теплообмінному апараті гідравлічний опір складається з опору тертя по внутрішнім стінкам теплообмінних труб і місцевих опорів, що виникають при зміні напрямку потоку.
Гідравлічний опір трубного простору.
Розраховуємо перепад тиску в трубному просторі ( розчин етилового спирту)
Швидкість розчину етанолу в трубах дорівнює [4] :
Швидкість розчину етанолу в штуцерах дорівнює :
Висота виступів шорсткості для труб з забрудненнями ∆ = 0,2 мм.
Відносна шорсткість труб дорівнює :
Коефіцієнт тертя для турбулентного режиму (Re>2300) дорівнює :
тертя = 0.25[1g{(е/3.7) + (6.81/ RеТР)0.9}] -2 = 0.25([Іg{(0.0095/3.7) +
(6.81/14400)0.9}] -2= 0.037
Гідравлічний опір в трубному просторі складає :
Конструктивний розрахунок
За попередніми розрахунками ми обрали 2-х ходовий теплообмінник, D = 325 мм, n = 56 труб, F = 17,5 м2, l = 4м, nв = 8, d = 25(2.
При розміщенні труб в трубних решітках необхідно забезпечити максимальну компактність, зручність розмітки трубних решіток та монтажу пучка. Для шахового пучка, який широко застосовують в промисловості, зв’язок між загальною кількістю труб, числом труб на діагоналі b та на стороні найбільшого шестикутника а показує наступне рівняння:
n = 3a (a – 1) + 1 b = 2a – 1
100 = 3a (a –1) + 1
3a2 – 3a – 99 = 0
a = 5; b = 9.
В шестикутнику: a = 5 и b = 9 можна розмістити n=3a(a-1)+1=3∙5∙4+1=61
трубу, нам потрібно 56 труб, необхідно видалити 5 труб.
Відстань між осями труб обирається в залежності від зовнішнього діаметру труб за формулою:
t = (1,2 (1,4)dмар = 1,25 ( 25 = 31 мм
Кількість перетинок z( = z – 1 = 2 – 1 = 1, де z – число ходів [5].
Механічний розрахунок
Розрахункова температура стінки – найбільша температура, що визначається на основі теплового розрахунку. Вона дорівнює tср. = 80,50C.
Розрахункову температуру використовують для визначення фізико-хімічних характеристик матеріалів та допустимих напружень.
Вибираємо зварну циліндричну обичайку горизонтального апарату, працюючого під внутрішнім тиском. Матеріал – сталь Х18Н10Т, (д=139 МПа.
Допустиме напруження для обраного матеріалу можна визначити формулою: [] = = 0,1(132(106 = 13,9(106Па ,
де ( = 0,1 − виправний коефіцієнт, ( = 139 МПа – нормативне допустиме напруження для легованих сталей марки Х18Н10Т.
Під робочим тиском розуміють максимальний внутрішній надлишковий або зовнішній тиск, що виникає при нормальному протіканні робочого процесу, без урахування гідростатичного тиску середи та без урахування допустимого короткочасного підвищення тиску при спрацьовуванні запобіжного клапану: Рроб. = 0,5 МПа.
Товщина стінки циліндричної обичайки
Обираємо стальний циліндричний корпус з зовнішнім діаметром Dз = 325 мм, відношення Н/ Dз = 4000/325 = 12,3<30, що допускається.
Корпус працює під внутрішнім тиском. Мінімальна товщина стінки без прибавки на корозію 2мм.
Матеріал корпусу – Ст3. Прибавка на корозію Ск = 1,5 мм. Прибавка на ерозію відсутня. Середовище – пара (ρп = 2,58 кг/м3), тиск Р = 5∙105 Па= = 0,5 МН/м2. Шов – поздовжній зварний, ручний, стиковий, двосторонній (φш=0,95), поправочний коефіцієнт η=1.
Номінально допустиме напруження для сталі марки Ст3 знаходимо за таблицями [5] σ*д = 130 МН/м2. Коефіцієнт послаблення отворами рівний:
Допустиме напруження визначаємо за формулою:
Так як φ0>φш , то для розрахунку використовуємо значення φш.
Визначимо відношення визначаючих параметрів з урахуванням коефіцієнта φш:
>25
Отже, номінальну розрахункову товщину стінки корпуса для даного відношення визначаємо за формулою:
Обираємо поправку на округлення товщини стінок до найближчого більшого розміру по сортаметру Со = 0,5 мм та поправку на ерозію або інший вид механічної дії робочого середовища на матеріал Се=0мм. Сумарну прибавку до номінальної розрахованої товщини стінки визначаємо як суму:
С = Ск + Се + Со = 1,5+0+0,5 = 2 мм
Тоді товщина стінки корпуса з урахуванням надбавки становить:
S = S’ +C = 1 + 2 = 3мм
Перевіримо правильність вибору:
< 0,1
Отже, умова виконується, тобто розрахунок вірний.
Тепер знайдемо допустимий тиск в корпусі:
Розрахунок днища на міцність
Визначимо товщину стінки стандартного відбортованого еліптичного днища (кришки) для обичайки вертикального апарата. Матеріал – сталь Ст3 , (д=130МПа.
Визначаємо відношення визначаючих параметрів:
Номінальну розрахункову товщину стінки днища розраховуємо так:
Поправка на округлення товщини листа сталі по сортаменту: c0 = 1 мм.
Поправка на корозію: ck = 1 мм.
Товщина стінки із врахуванням поправок: s = s’ + ck + c0 = 1 + 1 + 1 = 3 мм.
Перевіримо умову виправданості використання попередніх формул:
Допустимий тиск в днищі:
Рисунок 4.2 – Схема еліптичного днища
Вибираємо днище (кришку) за ГОСТ 6533-68:
Dв = 325 мм;
hв = 81 мм;
h = 40 мм;
s = 3 мм.
Розрахунок трубних решіток
Відстань між осями труб: t = (1,2 ( 1,4)dзовн. = 1,25 ( 25 = 31мм.
Рисунок 4.3 – Схема трубної решітки
Зовнішній діаметр труб dз = 25 мм, внутрішній діаметр dв = 21 мм. Стінка труби має товщину S = 2 мм (сортамент 25×2 мм).
Труби розміщені в решітці по вершинах квадратів і закріплені в ній розвальцовкою (t = 31 мм). Матеріал решітки – сталь Ст3. Допустиме напруження складає σ*д = 130 Мн/м2, поправка на корозію Ск = 2 мм.
Номінальну розрахункову висоту решітки ззовні визначаємо, вибравши значення к = 0,28:
Визначимо коефіцієнт ослаблення решітки отворами за формулою:
Обравши значення к = 0,47, обчислимо:
З урахуванням надбавок на корозію, на округлення розмірів, а також із конструктивних міркувань приймемо h1 =10 мм і h = 15 мм.
Pозрахункова товщина ребра опори
s = 2.24( G/(к( z( доп ( 1) = 2.24(0.1/(0.6(1( 120(0.25) = 0.012 м,
при к = 0.6 [6].
Приймаємо довжину опорної плити лапи 11=0.23 м
Розрахункова ширина опорної плити лапи:
в = G/( l1 ( п) = 0.1/(0.23(2) = 0,22 м
Ребра приварюються до корпусу суцільним круговим швом.
Виберемо опору типу ОГ-325-7-МН5131-63 за табл.29.12 стр.681 [5] для апаратів з D=325 мм.
Розрахунок кількості болтів
При затяжці з’єднання:
Fd=1,41·10-4 м2 для болтів М20 відповідно до ГОСТ 9150-59.
Робочі умови:
За рекомендованою відстанню між болтами:
Кількість болтів приймається рівною найбільшому числу і округленою до ближчого числа, кратного чотирьом, тобто z=12 [6].
Розрахунок фланцевого з’єднання
Рисунок 4.4 – Схема фланцевого з’єднання
Оскільки діаметр апарату D = 325 мм < 400 мм, обираемо стандартне фланцеве з’єднання за ГОСТ 12830-67 (рисунок 5.1). Вибране фланцеве з’єднпння має наступні розміри: Dф = 435 мм, Dб = 395 мм, Dy = 325 мм, D1 = 355 мм, h = 16 мм, h1 = 2мм. Висота фланця складає 45 мм. З’єднання фланців здійснюється болтами М 20×2 у кількості 12 штук.
Розрахунок штуцерів
Діаметр умовного проходу штуцерів розраховують по формулі:
де G – витрати теплоносія;
ρ – густина розчину етанолу;
ω – швидкість руху розчину по трубах.
Приймемо швидкість витікання розчину етанолу: ω = 1 м/с
Підставивши дані, отримаємо :
Приймемо швидкість руху гріючої пари ω = 25 м/с, тоді:
З конструктивних міркувань приймаємо діаметр штуцера на подачу граючої пари dп=125мм.
Умовні діаметри проходу штуцерів мають значення 110мм (подача і відвід розчину етанолу, відвід конденсату), 125мм (подача гріючої пари).
ВИСНОВКИ
В даній роботі був розрахований апарат, призначений для нагрівання розчину етилового спирту. Розрахунок полягав у визначенні його геометричних розмірів, гідравлічного опору апарату, а також у підтвердженні того, що цей апарат є працездатним у заданих умовах. Умови наступні:
нагрівання розчину етанолу відбувається від температури 10оС до температури 70оС насиченою парою тиском 0,5МПа;
продуктивність по оцтовій кислоті становить 7 кг/с;
необхідна витрата гріючої пари – 0,756 кг/с.
За даних умов було вибрано теплообмінник з U-подібними трубками, діаметром 0,325 м з 28 U-подібними трубками 25х2, довжиною 8 м.
Було визначено, що даний апарат задовольняє вимогам техніки безпеки та експлуатації, оскільки витримує всі температурні та гідравлічні навантаження.
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
Касаткін А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Підручник. – 8-ме видання – Москва: Видавництво Хімія, 1971.− 784с.
http://www.ngpedia.ru/id497094p2.html
Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.– Л.: Химия, 1987. 576с.
Дытнерский Ю.І. Основные процессы и аппараты химической технологии.- М.: Химия, 1995.- 400с.
Лащинский А. А., Толчинский Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.
А.А Лощинський Конструирование сварных химических аппаратов. – Л.: «Машиностроение», 1981. – 379 с.
Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.– М.: Наука, 1972.-720с.
ГОСТ 9929-77. Аппараты теплообменные кожухотрубчатые стальные. Типы. Основные параметры и размеры.
08.02.2013 00:02-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора