Подбор и расчет теплообменной установки, предназначенной для использования в производстве крепленого вина
Содержание
Введение
1. Постановка задачи
2. Описание технологической схемы
3. Описание конструкции аппарата и
обоснование его выбора
4. Технологический расчет
5. Гидравлический расчет
6. Элементы механического расчета
Заключение
Список литературы
Введение
Теплообменные аппараты (теплообменники)
применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью
нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные
аппараты называют подогревателями или холодильниками.
По способу передачи тепла различают
следующие типы теплообменных аппаратов:
- поверхностные, в которых оба
теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность
стенки;
- регенеративные, в которых процесс
передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на
два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки
теплообменника;
- смесительные, в которых теплообмен
происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.
В химической промышленности наибольшее
распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся
разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые
теплообменники, такие как: кожухотрубчатые, оросительные, погруженные и
"труба в трубе".
Одним из самых распространенных типов
теплообменников являются кожухотрубчатые теплообменники. Они представляют из
себя пучек труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем
развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучек труб расположен
внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а
другой - в пространстве между кожухом и трубами.
Кожухотрубчатые теплообменники могут
быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на
кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121-79, теплообменники
могут быть двух- четырех- и шестиходовыми по трубному пространству.
Достоинствами кожухотрубчатых теплообменников
являются: компактность; небольшой расход метала; легкость очистки труб изнутри,
а недостатками - трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями;
трудность очистки межтрубного пространства и трудность изготовления из
материалов, не допускающих развальцовки и сварки.
Кожухотрубчатые теплообменники могут
использоваться как для нагрева, так и для охлаждения.
В качестве греющего агента в
теплообменниках часто используется насыщенный водяной пар имеющий целый ряд
достоинств:
- высокий коэффициент теплоотдачи;
- большое количество тепла,
выделяемое при конденсации пара;
- равномерность обогрева, так как
конденсация пара происходит при постоянной температуре;
- легкое регулирование обогрева.
1.
Постановка задачи
В курсовой работе необходимо:
1. Выполнить технологический расчет
выбранной конструкции аппарата (рассчитать тепловой поток и расход хладоагента);
2. Рассчитать коэффициент
теплопередачи; определить площадь поверхности теплообмена;
3. Выполнить гидравлический расчет
контактных устройств;
4. Произвести механический расчет
элементов аппарата;
2.
Описание технологической схемы
Принципиальная схема ректификационной
установки представлена на рис. 2.1. Исходная смесь из промежуточной емкости 1
центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где она подогревается до
температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную
колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.
Стекая вниз по колонне, жидкость
взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой
жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу
кубового остатка, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате
массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более
полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным
флегмовым числом жидкостью (флегмой), которая получается в дефлегматоре 6 путем
конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из
дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который
охлаждается в холодильнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.
Из кубовой части колонны насосом 9
непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим
компонентом, который охлаждается в холодильнике 10 и направляется в емкость 11.
Таким образом, в ректификационной
колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной
смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовый
остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.
Рис. 2.1. Принципиальная схема
ректификационной установки:
1 – емкость для исходной смеси; 2, 9 – насосы; 3
– теплообменник подогреватель; 4 – кипятильник; 5 –
ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник
дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник
кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости
3.
Описание конструкции аппарата и обоснование его выбора
Кожухотрубчатые теплообменники –
наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. В зависимости
от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками,
холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и
многоходовыми.
Конструктивное оформление машин и
аппаратов, применяемых в химической и пищевой промышленности, неразрывно
связано с их функциональным назначением и полностью определяется характером и
технологическими параметрами протекающих в них процессов. При этом конструкция химического
и пищевого оборудования должна не только отвечать требованиям самых совершенных
технологий, но и обладать также прочностью, высокой надежностью, быть легкой,
эстетичной и требовать как можно меньшего расхода дорогостоящих и дефицитных
материалов. Для обеспечения сочетания прочности и надежности пищевой и
химической аппаратуры с ее экономичностью и малой материалоемкостью на стадии
проектирования необходимо провести подробный механический (прочностной) расчет
каждого узла и детали вновь создаваемого оборудования.
Для подвода и отвода рабочих сред
(теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих
аппаратах движется по трубам, другой – в межтрубном пространстве, ограниченном
кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н является
то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к
кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и
кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой
конструкции. Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так,
чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок
труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя
может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества
теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве
устанавливают специальные заполнители.
Четырехходовой горизонтальный
теплообменник типа Н состоит из цилиндрического сварного кожуха 3, распределительной
камеры 2 и двух крышек 1 и 6. Трубный пучок образован трубами 4, закрепленными
в двух трубных решетках 7. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки,
распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и
распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из
трубного (штуцера 8 ) и межтрубного пространств (штуцера 9). Перегородки 10 в
распределительной камере образуют ходы теплоносителя по трубам. Поскольку
интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше,
чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены
поперечные перегородки 11, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата
движение теплоносителя в межтрубном пространстве.
4. Технологический
расчет
Теплотехнические свойства креплёного
вина (при 600С):
Плотность:
Теплоёмкость:
Теплопроводность:
Вязкость:
Определение средней разности
температур и средних температур потоков.
Заданием предусмотрено использование
кожухотрубчатых теплообменников. Обычно в качестве холодильников используются
многоходовые аппараты по трубному и межтрубному пространству, в которых
движение теплоносителей соответствует схеме смешанного тока. Поэтому определяем
поправку εΔt для
четырехходового теплообменника по трубному пространству и имеющего поперечные
перегородки в межтрубном пространстве, предполагая, что именно такой
конструкции теплообменник подойдет для охлаждения смеси.
Средняя разность температур
противотоков:
; (1) .
Рассчитаем коэффициенты R и P:
; (2)
.
; (3)
.
По графику определили значение
поправочного коэффициента
Находим среднюю температуру потоков:
; (4)
.
Поступающее в аппарат сырьё
(креплёноё вино) меняет свою температуру на , а вода – на . Следовательно, в соответствии с правилом,
средняя температура сырья составит:
;
.
Определение свойств индивидуальных
веществ при средних температурах.
Таблица № 1
Свойства индивидуальных веществ при
средних температурах
Свойство
|
Креплёное вино
|
Вода
|
Средняя температура,
|
41
|
14
|
Плотность,
|
994
|
999
|
Теплоёмкость,
|
3730
|
4190
|
Вязкость,
|
1,310-3
|
1,15510-3
|
Теплопроводность,
|
0,418
|
0,587
|
Определение тепловой нагрузки,
расхода хладагента, расчёт ориентировочной поверхности теплообмена, выбор типа
и конструкции теплообменника. Так как в начале расчёта коэффициент
теплопередачи К не известен, то для нахождения поверхности теплопередачи F
принимаем его ориентировочное значение , которое выбирается на основе опыта
эксплуатации теплообменного оборудования.
Определим тепловую нагрузку
необходимую для охлаждения сырья до необходимой температуры. Так как в заданном
нам процессе не происходит изменение агрегатного состояния ни вещества
теплоносителя, ни вещества хладоагента, то тепловая нагрузка находится по
формуле:
; (5)
Определим расход хладагента (воды):
; (6)
.
Вычислим ориентировочное значение
требуемой поверхности теплопередачи Fор:
; (7)
.
Так как нам выгодно снижение
температуры креплёного вина, направим горячий поток в межтрубное пространство,
а хладагент – в трубное. В этом случае будут потери теплоты в окружающую среду
через кожух теплообменника.
Примем размер труб трубного пучка мм. Зададимся величиной
критерия Рейнольдса для трубного пространства Reтр=10000. Найдём число труб n, которое обеспечит развитое турбулентное движение
хладагента.
; (8)
.
Теперь, ориентируясь на величину
поверхности теплопередачи Fор и количеством труб, выбираем
нормализованный кожухотрубчатый теплообменник.
Таблица № 2
Характеристики нормализованного
кожухотрубчатого теплообменника
Параметр
|
Значение
|
Поверхность теплопередачи Fт, м2
|
209
|
Диаметр кожуха внутренний D, мм
|
1000
|
Общее число труб n, шт
|
666
|
Длина труб L, м
|
4,0
|
Площадь трубного пространства Sтр, м2
|
0,055
|
Площадь межтрубного пространства Sмтр, м2
|
0,106
|
Число рядов труб по вертикали nр
|
26
|
Число ходов z
|
4
|
Расчёт коэффициентов теплоотдачи для
трубного и межтрубного пространств. Расчёт коэффициента теплоотдачи для
межтрубного пространства. Определяем объёмный расход креплёного вина:
; (9)
.
Находим скорость потока в межтрубном
пространстве:
; (10)
.
Находим значение критерия Рейнольдса Re1 для межтрубного пространства:
; (11)
.
Вычисляем критерий Прандтля:
; (12)
.
Определяем критерий Нуссельта. Примем
, а значение скобки
; (13)
.
Теперь находим коэффициент
теплоотдачи для межтрубного пространства:
; (14)
.
Расчёт коэффициента теплоотдачи для
трубного пространства.
Определяем объёмный расход воды:
; (15)
.
Находим скорость потока в межтрубном
пространстве:
; (16)
.
Находим значение критерия Рейнольдса Re1 для трубного пространства:
; (17)
.
Вычисляем критерий Прандтля:
; (18)
.
Определяем критерий Нуссельта. Примем
, а значение скобки
.
; (19)
.
Теперь находим коэффициент
теплоотдачи для трубного пространства:
; (20)
.
Определяем расчётное значение
коэффициента теплоотдачи Кр
Теплообменник будет изготовлен из
обычной углеродистой стали с коэффициентом теплопроводности λст=46,5 Вт/(м∙К).
Учтем также появление в процессе эксплуатации аппарата загрязнений как со
стороны дистиллята rзаг.1 = 1/5800
Вт/(м2∙К), так и со стороны охлаждающей воды rзаг.2 = 1/1500 Вт/(м2∙К).
Тогда коэффициент теплопередачи будет
равен:
; (21)
.
Определение температур стенок.
Определение температуры стенки для
горячего потока tст1:
; (22)
.
Определение температуры стенки для
холодного потока tст2:
; (23)
.
Расчёт критерия Прандтля для горячего
и холодного потоков с использованием физико-химических свойств, взятых при
температурах стенки tст1 и tст2.
Таблица № 3
Свойства индивидуальных веществ при
температурах стенки tст1 и tст2
Свойство
|
Креплёное вино
|
Вода
|
Средняя температура,
|
28
|
19
|
Плотность,
|
1017
|
998
|
Теплоёмкость,
|
3730
|
4180
|
Вязкость,
|
1,810-3
|
1,010-3
|
Теплопроводность,
|
0,410
|
0,599
|
Критерий Прандтля для горячего потока
(креплёного вина):
; (24)
.
Критерий Прандтля для холодного
потока (воды):
; (25)
.
Вычислим значение скобок в формулах
(13) и (19).
Для горячего потока: .
Для холодного потока: .
Определение расчётной поверхности
теплопередачи и её запаса
Определим расчётную поверхность
теплопередачи
; (26)
Теперь определим запас поверхности
теплопередачи
; (27)
.
5.
Гидравлический расчет
Выбор диаметра штуцеров для трубного
и межтрубного пространств
Для расчета диаметров штуцеров
необходимо принять значение допустимой скорости в штуцерах, которая зависит от
того, является трубопровод напорным или самотечным. Уходящий с верха колонны
пар конденсируется и самотеком поступает в емкость. Из этой емкости жидкость
насосом по одному трубопроводу направляется на верх колонны для создания
орошения, а по второму (нашему) прокачивается через холодильник и далее на
склад. Таким образом, скорость во всех штуцерах берем как для напорных
трубопроводов wдоп = 1,5 м/с.
Диаметр штуцеров для трубного
пространства
; (28)
.
Диаметр штуцеров для межтрубного
пространства
; (29)
.
По ГОСТу выбираем стандартный
условный диаметр :
;
; .
Перед проведением гидравлического
расчёта уточняем скорость потока в штуцере.
Скорость потока для трубного
пространства
; (30)
.
Скорость потока для межтрубного
пространства
; (31)
.
Определим коэффициент трения для шероховатых труб:
; (32)
.
Отсюда получаем:
Вычислим гидравлическое сопротивление
трубного пространства.
Под термином «гидравлическое
сопротивление» принято понимать величину разности статических давлений на входе
потока в рассматриваемый аппарат и на выходе из него в зависимости от средней
скорости потока, свойств веществ потока, геометрических размеров и конфигурации
аппарата, через который протекает поток.
; (33)
.
Вычислим гидравлическое сопротивление
межтрубного пространства:
; (34)
6.
Элементы механического расчета
Расчет толщины кожуха
Главным составным элементом корпуса
большинства химических аппаратов является кожух (обечайка). Наибольшее
распространение получили цилиндрические кожухи, которые отличаются простотой
изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.
Цилиндрические кожухи из стали при
избыточном давлении среды в аппарате р следует рассчитывать по формуле:
δ = D ∙ p / (2 ∙ σд ∙ φ) + Ск + Сокр ,
где D – внутренний диаметр кожуха, м;
σд – допускаемое напряжение на
растяжение для материала кожуха, МН/м2 (σд = 140 МН/м2).
Коэффициент φ учитывает ослабление кожуха из-за
сварного шва и наличия неукрепленных отверстий, φ = φш = 0,95.
Прибавка толщины с учетом коррозии Ск
определяется формулой: Ск = П∙τа ,
П = 0,1 мм/год; τа = 10 лет, а
суммарное значение толщины округляется до ближайшего нормализованного значения
добавлением Сокр.
Cк = П . τа
= 0,1 . 10 = 0,001 м.
Границей применимости формулы для
расчета кожуха является условие:
(δ - Ск) / D ≤ 0,1.
Толщина кожуха с учетом запаса на
коррозию и округления равна:
δ = 0,8 ∙ 0,392 / (2 ∙
140 ∙ 0,95) + 0,001 = 0,0022 м = 2,2 мм.
Условие (0,0022 - 0,001) / 1 < 0,1
выполняется.
На основании данных практического
использования кожухотрубчатых теплообменных аппаратов принимаем толщину стенки
кожуха равной 4мм.=0,004м.
Допускаемое избыточное давление в
обечайке можно определить из формулы:
рд = 2 ∙ σд ∙ φ ∙ (δ - Ск ) / (D + (δ - Ск )) =
= 2 ∙ 140 ∙ 0,95 ∙
(0,0022 - 0,001) / (0,8 + (0,0022 - 0,001))= 0,39 МПа.
Расчет толщины днища
Составным элементами корпусов
химических аппаратов являются днища, которые обычно изготавливаются из того же
материала, что и кожуха, и привариваются к ней. Днище неразъемно ограничивает
корпус горизонтального аппарата с боков. Форма днища может быть эллиптической,
сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой днищ для
цилиндрических аппаратов является эллиптическая. Днища такой формы изготавливаются
из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным
давлением до 10 МПа. Толщину стандартных эллиптических днищ, работающих под
внутренним избыточным давлением р, рассчитывают по формуле, которая справедлива
при условии: (δ - Ск) / D ≤ 0,125.
Примем, что днище у аппарата
стандартное отбортованное эллиптическое сварное и в нем нет неукрепленных
отверстий.
Примем φ = φш
= 0,95.
Толщина днища:
δ = D ∙ p / (2
∙ σд ∙ φ) + Ск + Сокр = 0,8∙ 0,3924 / (2 ∙ 140 ∙
0,95) + 0,001= 0,0022 м = 2,2 мм.
Требуемое условие (0,0022 - 0,001) /
1 < 0,125 выполняется. Исходя из условия, по которому толщина стенки
полусферического днища должна быть не меньше толщины стенки кожуха принимаем
толщину стенки днища равной 5мм.=0,005м.
Расчет фланцевых соединений
Подсоединение трубопроводов к сосудам
и аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Штуцерные
соединения могут быть разъемными и неразъемными. Наиболее употребительны
разъемные соединения с помощью фланцевых штуцеров. Стальные фланцевые штуцера
представляют собой короткие куски труб с приваренными к ним фланцами либо с
фланцами, удерживающимися на отбортовке, либо с фланцами, откованными заодно со
штуцером. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров могут быть тонко-
или толстостенными. Штуцера не рассчитывают на прочность, а выбирают. Типы
штуцеров определены действующими стандартами, сводную таблицу которых можно
найти в справочнике.
По назначению все фланцевые
соединения в химическом аппаратостроении подразделяются на фланцы для трубной
арматуры и труб и фланцы для аппаратов. Фланцевое соединение состоит из двух
симметрично расположенных фланцев, уплотнительного устройства и крепежных
элементов.
Конструкцию фланцевого соединения
принимают в зависимости от рабочих параметров аппарата: при р ≤ 2,5
МПа и t ≤ 300˚С применяют плоские приварные фланцы
(рис. 6.2).
Рис. 6.2. Конструкция плоского
приварного фланцевого соединения
Опоры служат для установки аппаратов
на фундамент. Опора имеет обечайку цилиндрической или конической формы и
фундаментное кольцо из полосовой стали, приваренное к кожуху. Опору приваривают
к корпусу аппарата сплошным швом.
При установке аппарата внутри
помещения на полу применяются отдельные опорные лапы обычно 4. Выбирают лапы по
нормали в зависимости от нагрузки. Подвесные опорные лапы рекомендуется
располагать выше центра масс аппарата.
Выбор конструкции опор аппарата
Опоры служат для установки аппаратов
на фундамент. Опора имеет обечайку цилиндрической или конической формы и
фундаментное кольцо из полосовой стали, приваренное к кожуху. Опору приваривают
к корпусу аппарата сплошным швом.
При установке аппарата внутри
помещения на полу применяются отдельные опорные лапы обычно 4. Выбирают лапы по
нормали в зависимости от нагрузки. Подвесные опорные лапы рекомендуется
располагать выше центра масс аппарата.
Выбор типа опоры аппарата зависит от
ряда условий: места установки аппарата, соотношения высоты и диаметра аппарата,
его массы и т.д. При установке колонных аппаратов на открытой площадке, когда
отношение высоты опоры к диаметру аппарата меньше или равно 5, то рекомендуют
использовать опоры в виде ножек. Для горизонтальных аппаратов, устанавливаемых
в помещениях, рекомендуют применять седловые опоры. Руководствуясь этими
рекомендациями, мы выбираем седловые опоры.
Расчет трубных решеток
Одним из основных элементов
кожухотрубчатых теплообменников являются трубные решетки. Они представляют
собой перегородки, в которых закрепляются трубы и которыми трубное пространство
отделяется от межтрубного.
Для большинства типов неподвижно
закрепленных решеток их высоту рассчитывают по формуле:
h = K ∙ D √ p / φ0σи.д + Ск + Сокр,
где К = 0,45;
D = Dп – средний диаметр цилиндрической
обечайки кожуха аппарата:
м;
р = 0,392 МПа – рабочее давление;
σи.д = 140 МН/м2 – допускаемое напряжение на
изгиб материала решетки;
Ск = 0,001 м;
φ0 – коэффициент ослаблений решетки
отверстиями:
φ0 = (Dп – zр∙ dн) / Dп = (0,805 -10 ∙ 0,02) / 0,805=
0,75,
где zр – число труб на диаметре решетки;
dн – наружный диаметр труб.
h = 0,45 ∙ 0,805 ∙ √0,392
/ (0,75 ∙ 140) + 0,001 = 0,023 м = 23 мм.
Высоту решетки снаружи определяют по
формуле:
h1 = K1 ∙ Dп √ p / σи.д + Ск + Сокр,
h1 = 0,36 ∙ 0,805 ∙ √0,392
/ 140 + 0,001 = 0,016 м = 16 мм.
где K1= 0,36; Dп = 0,805 м; р = 0,392 МПа.
Минимальный шаг между трубами t рекомендуется принимать
соответственно диаметру труб: dн = 25
мм, t = 1,3 ∙ dн
t = 1,3 ∙ 25 = 32,5 мм.
Высоту трубной решетки принимаем 32
мм
Заключение
В данном курсовом проекте я произвел
подбор и расчет теплообменной установки, предназначенной для использования в
производстве крепленого вина. Мной был произведен технологический,
гидравлический расчет, а также элементы механического расчета. Исходя из
полученных данных был подобран по каталогу нормализованный четырехходовой
кожухотрубчатый теплообменник. Кроме того была подробна рассмотрена
технологическая схема теплообмена.
Список
литературы
1.
Основные процессы
и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Под ред. Ю.И.
Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1991. 496с.
2.
Павлов К.Ф.
Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное
пособие для вузов/ К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков//Под ред. Чл-корр.
АН СССР П.Г. Романкова.- 10-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1987. 576с.
3.
Расчет
теплообменных аппаратов: Учеб. пособ./ В.Д. Измайлов, В.В. Филиппов; Самар.
гос. техн. ун-т. Самара, 2006. 108с.