Расчет теплообменного аппарата установки АВТ. 1 Технологический расчет теплообменника 4 1 Тепловой расчет теплообменника 4

Название	1 Технологический расчет теплообменника 4 1 Тепловой расчет теплообменника 4
Анкор	Расчет теплообменного аппарата установки АВТ
Дата	04.05.2023
Размер	1.64 Mb.
Формат файла
Имя файла	Расчет теплообменного аппарата установки АВТ.docx
Тип	Реферат #1107772

Содержание

Введение 2

1 Технологический расчет теплообменника 4

1.1 Тепловой расчет теплообменника 4

2 Уточненный расчет поверхности теплопередачи 6

3 Расчет гидравлического сопротивления 9

4 Конструктивный расчет 12

5 Механический расчет 12

Заключение 16

Список использованных источников 18

Введение

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплообменные аппараты могут применяться как самостоятельное оборудование, так и в виде отдельных элементов технологических и энергетических установок, образуя секционные (многоступенчатые) агрегаты.

В промышленности наиболее распространены поверхностные рекуперативные теплообменники, в которых теплоносители разделены твердой стенкой. В зависимости от вида поверхности теплообмена их разделяют на две группы:

· аппараты с трубчатой поверхностью теплообмена (кожухотрубчатые теплообменники, теплообменники «труба в трубе», оросительные теплообменники, змеевиковые теплообменники, ламельные теплообменники);

· аппараты с плоской поверхностью теплообмена (пластинчатые теплообменники, спиральные теплообменники, аппараты с рубашкой).

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники-рекуператоры, в которых тепло передаётся через поверхность нагрева – твёрдую стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

· жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

· паро-жидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью; ·газо-жидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью;

· газово-газовые - при теплообмене между газом и газом и др.

Кожухотрубчатые теплообменники различных конструкций – наиболее распространённый тип теплообменных аппаратов.

Трубные решетки устанавливаются по обеим сторонам трубного пучка. Трубы крепятся в трубной решетке тремя способами: развальцовкой, сваркой и пайкой. Крепление крышек к кожуху осуществляется фланцевыми соединениями. Для герметичности конструкции между фланцами устанавливается прокладка. Теплоносители вводятся в трубное и межтрубное пространство через штуцеры. Для уменьшения теплопотерь в трубное пространство рекомендуется направлять более горячий теплоноситель, а в межтрубное – более холодный.

В межтрубном пространстве могут быть установлены поперечные сегментные перегородки. Они предназначены для повышения прочности конструкции, а также для увеличения скорости движения теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, а следовательно, для интенсификации процесса теплообмена. Число сегментных перегородок в нормализованном кожухотрубчатом теплообменнике регламентируется.

В зависимости от числа ходов по трубному пространству различают одно-, двух- и многоходовые кожухотрубчатые теплообменники (рис. 2). Под многоходовыми подразумеваются четырех- и шестиходовые.

Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливаются обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред, для того чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.

В данной работе рассмотрен кожухотрубчатый теплообменник.

Теплообменник представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат, выполненный из стали 12ХМ, предназначенный для охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Эти теплообменники, нормализованные в соответствии с ГОСТ 15120-79, могут быть одно-, двух- , четырех- и шестиходовыми, горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3 м.

Цель теплового расчета: определить требуемую поверхность теплообмена и подобрать стандартизованный аппарат. Для достижения цели выполняют следующие основные элементы расчета:

предварительный (ориентировочный) тепловой расчет, в рамках которого определяют ориентировочную поверхность теплообмена и предварительно принимают аппарат;
уточненный тепловой расчет; проводится с целью уточнения поверхности теплообмена путем расчета параметров, характеризующих процесс теплообмена – коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи с учетом режимов движения потоков в предварительно выбранном аппарате.

Гидравлический расчет проводится с целью определения достаточности давления, создаваемого насосами (компрессорами) для преодоления сопротивлений, возникающих при движении потока через аппарат.

1 Технологический расчет теплообменника

Необходимо рассчитать кожухотрубчатый теплообменник, в котором происходит охлаждение бензиновой фракции.

Мощность установки 6,5 млн. тонн в год обессоленной нефти. Расход дистиллята составляет 157487 кг/ч (43,75 кг/с). Фракция поступает в межтрубное пространство с начальной температурой Т_н1=140°С и выходит из теплообменника с Т_к1=55°С. В дальнейшем именуется как горячий теплоноситель. Охлаждение смеси происходит оборотной водой, подаваемой в трубное пространство с t_н2=20°С, которая нагревается при этом до t_к2=40°С. В дальнейшем именуется как холодный теплоноситель.

1.1 Тепловой расчет теплообменника

Определим среднюю температуру воды по формуле (1.1.1):

Физико-химические свойства воды при 30

:

ρ₂=996 кг/м³; С₂=4180 Дж/(кг∙К); λ₂=0,63 Вт/(м∙К); μ₂=0,00069 Па∙с.

Тепловая нагрузка аппарата равна с учётом тепловых потерь:

(1.1.2)

Определим расход воды в теплообменнике:

(1.1.3)

Движущая сила процесса:

140→55

40←20

∆t_б=100 °С; ∆t_м=35 °С

(1.1.4)

°С

При сложных движениях теплоносителей средняя разность температур вычисляется по формуле:

(1.1.5)

где

– коэффициент, определяется по графикам, который зависит от вспомогательных величин R и P, которые рассчитываются по следующим формулам:

По графику определенно, что

= 0,75 [2].

Средняя разность температур равна:

°С

Примем ориентировочно коэффициент теплопередачи равным 700 Вт/(м²∙К).

Определим ориентировочную поверхность теплообмена:

(1.1.6)

м²

По ГОСТ 15120-79 выбираем четырёхходовой теплообменник жёсткой конструкции:

Таблица 2.1 Характеристика выбранного теплообменника

Характеристика	Параметр
Диаметр кожуха, D, мм	800 мм
Ст. поверхность теплообмена F_станд, м²	240 м²
Число труб n_тр, шт	638
Длина трубок l_тр, м	6
Диаметр трубы d_тр, м	0,020×0,002
Теплопроводность стенки ʎ_ст, Вт/м*град	17,5
Количество ходов	4
Проходное сечение трубное для 1 хода	0,030м²
Проходное сечение межтрубное	0,070 м²

2 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Для определения коэффициентов теплоотдачи следует рассчитать критерии Рейнольдса и Прандтля [2]:

, (2.1)

где Re – критерий Рейнольдса;

d_вн – внутренний диаметр труб, м;

μ₁ – вязкость горячего теплоносителя, Па∙с.

= 75828,98

Режим движения потока в трубном пространстве – турбулентный, так как Re>10000.

, (2.2)

где Pr – критерий Прандтля;

λ₁ – теплопроводность горячего теплоносителя, Вт/(м∙К).

Коэффициент теплоотдачи бензиновой фракции, движущейся в трубном пространстве в турбулентном режиме:

(2.3)

Вт/(м²∙К)

Аналогичный расчет проводим для определения коэффициента теплоотдачи холодного теплоносителя:

, (2.4)

где d_н – наружный диаметр труб, м;

S_мтр – площадь сечения межтрубного пространства.

, (2.5)

Коэффициент теплоотдачи для воды, движущейся в межтрубном пространстве:

(2.6)

Вт/(м²∙К)

В соответствии справочнику термические сопротивления загрязнений для бензиновой фракции и воды равны r₁=2900 Вт/(м²∙К) и r₂=2900 Вт/(м²∙К) соответственно.

Коэффициент теплопередачи равен:

, (2.7)

где h_ст – толщина стенки теплопередающей поверхности, м;

λ_ст – теплопроводность нержавеющей стали.

Вт/(м²∙К)

Удельная тепловая нагрузка:

(2.8)

Для уточненного расчета коэффициента теплопередачи необходимо найти

°С

°С

Необходимо определить поправку

со стороны горячего теплоносителя при температуре стенки 64,5°С.

Критерий Прандтля (Pr) при температуре стенки в межтрубном пространстве:

(2.9)

Тогда коэффициент теплоотдачи равен:

Вт/(м²∙К)

Определение поправки

со стороны холодного теплоносителя при температуре стенки 34,9 °С.

Критерий Прандтля (Pr) при температуре стенки в трубном пространстве:

(2.10)

Тогда коэффициент теплоотдачи равен:

Вт/(м²∙К)

Коэффициент теплопередачи с учетом температуры стенок равен:

Требуемая поверхность составит:

(2.11)

м²

Выбранный теплообменник соответствует рассчитанной поверхности теплообмена.

Рассчитаем запас поверхности:

, (2.12)

где F_норм – поверхность теплообмена нормализованного аппарата, м²;

F – требуемая поверхность.

3 Расчет гидравлического сопротивления

Скорость движения холодного теплоносителя в трубном пространстве определим по формуле:

, (3.1)

где S – площадь поперечного сечения одного хода по трубам, м.

Скорость движения потока в межтрубном пространстве:

, (3.2)

м/с

Определяем коэффициент трения [2]:

, (3.3)

где ∆ - высота выступов шероховатостей, м

0,042

Скорость движения потока в штуцерах трубного пространства:

, (3.4)

где d_тр.ш – диаметр штуцеров, м.

м/с

Гидравлическое сопротивление трубного пространства:

(3.5)

∙

26359,1 Па

Скорость движения потока в штуцерах межтрубного пространства:

(3.6)

м/с

Гидравлическое сопротивление для межтрубного пространства:

, (3.7)

где m – число рядов труб, m=

;

x – число сегментных перегородок.

23272,2 Па

4 Конструктивный расчет

Выбор штуцеров

Диаметр штуцера для входа и выхода бензиновой фракции:

(4.1)

где

= 721 кг/м³, плотность бензиновой фракции;

G₁= 43,75 кг/с, расход бензиновой фракции;

= 0,5 м/с, скорость жидкости в штуцере [9].

м

Принимаем стандартный диаметр 0,4 м по АТК 24.218.06-90.

Диаметр штуцера для входа и выхода оборотной воды:

(4.2)

где

= 990,2 кг/м³, плотность оборотной воды;

G₂= 95,61 кг/с, расход оборотной воды;

= 1 м/с, скорость жидкости в штуцере [9].

м

Принимаем стандартный диаметр 0,35 м по АТК 24.218.06-90.

5 Механический расчет

5.1 Расчет цилиндрической обечайки

При выборе конструкционных материалов необходимо учитывать их физические и химические свойства, условия работы, характер нагрузок и напряжений.

Аппарат выполнен из хромоникелевые стали 09Г2С.

В таблице 2 приведен химический состав стали.
Таблица 2 – Химический состав стали

Элемент	C	Cr	Mn	Fe	Ni	P	S	Si	Ti
%	до 0,12	до 0,3	1,3-1,7	осн.	до 0,3	до 0,035	до 0,04	до 0,8	до 0,8

На рисунке 1 показан общий вид цилиндрической обечайки с отбортованными выпуклыми днищами.

Рисунок 1– Общий вид обечайки
Исходные данные для расчета:

 Рабочее давление 7,5 кгс/см2 = 0,75 МПа;

 Температура стенки 40,08°С;

Определение прибавки на коррозию [7]:

c=П∙ = 0,3∙10=3 мм (5.1.1)

где П – проницаемость материала, 0,3 мм/год;

 - время службы аппарата, 10 лет.
Выполнение расчета обечайки на прочность [4].

Допускаемое напряжение для стали 09Г2С []=171,84 МПа. Коэффициент прочности сварных стыковых швов при 100% контроле  = 1.

Расчетная толщина обечайки определяется:

(5.1.2)

Исполнительную толщину стенки вычисляется по формуле 4.1.3:

(5.1.3)

Примем исполнительную толщину стенки равной 5 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление вычисляют по формуле:

(5.1.4)

Проверим условия применимости расчетных формул.

Расчетные формулы применимы при отношении толщины стенки к диаметру:

(5.1.5)

Условие выполняется, следовательно, формулы применены верно.
5.2 Расчет эллиптического днища
На рисунке 2 показан общий вид эллиптического днища.

Рисунок 1 – Общий вид днища

Расчетная толщина стенки днища определяется [4]:

(5.2.1)

Радиус кривизны в вершине днища равен R=D=800 мм (R=D - для эллиптических днищ с Н, равным 0,25D)

(5.2.2)

Тогда исполнительная толщина стенки:

(5.2.3)

= 4,76 мм

Исполнительная толщина стенки принимается равной 5 мм.

Проверка днища на допускаемое давление:

(5.2.4)

Проверка условия применимости расчетных формул.

Формулы применимы при выполнении условий:

0,002 ≤

≤ 0,100 (5.2.5)

0,002 ≤

≤ 0,100 (5.2.6)

0,002 ≤

≤ 0,500 (5.2.5)

0,002 ≤

≤ 0,500

Оба условия выполняются, следовательно, формулы применены верно.
5.3 Выбор опоры аппарата
Для подбора опоры необходимо определить массу и нагрузку аппарата. Масса аппарата рассчитывается по формуле:

(5.3.1)

Где

= 18890 кг – масса пустого аппарата [3];

– масса жидкости в трубах, кг;

– масса жидкости в межтрубном пространстве, кг;
Масса жидкости в трубном пространстве равна:

(5.3.2)

где l – длина труб,м

n – число труб

- диаметр внутренних трубок,м

– плотность воды, кг/м³

Масса жидкости в межтрубном пространстве равна:

(5.3.3)

где l – длина труб,м

D – диаметр аппарата, м

n – число труб

- диаметр наружнных трубок,м

– плотность бензиновой фракции, кг/м³

Тогда масса аппарата равна:

В данном случае число опор принимается n = 2, следовательно, нагрузка на одну опору равна:

(5.3.4)

Выбрана седловидная опора типа 2 исполнения 1 по ОСТ 26-2091-93.

Заключение

В результате был произведен расчет теплообменного аппарата с заданной производительностью 6,5 млн. т/г. Бензиновую фракцию было необходимо охладить до оборотной водой. В трубное пространство подается оборотная вода, а в межтрубное бензиновая фракция. Режим движения теплоносителей как горячего, так и холодного – турбулентный. В результате этого был подобран стандартный теплообменник, имеющий следующие основные параметры: поверхность теплообмена 240 м², длина труб 6 метров, четырехходового типа, диаметр кожуха 0,8 метра и число труб 638 шт.

Запас поверхности теплообмена для теплообменника составил 10,09%. Была рассчитана толщина обечайки и днища, которая составила 5 мм. Также была рассчитана масса аппарата, равная 20886 кг, в соответствии с этим подобрана седловидная опора 2 типа в количестве 2 штук.

Список использованных источников

Дытнерский Ю. И., Брыков В. П., Борисов Г. С. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. - 4-е изд. - Москва: ООО ИД «Альянс», 2008. - 496 с.
Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. - 14-е изд. - Москва: ООО ИД «Альянс», 2007. - 576 с.
Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. - Москва: ООО ИД «Альянс», 2004. - 753 с.
ТУ 3612-024-00220302-02. Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с плавающей головкой и кожухотрубчатые теплообменники с температурным компенсатором на кожухе. Введ. 09.12.02.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков [и др.]. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2–е изд., перераб. и дополн., М. : Химия, 1991. 496 с.
ГОСТ 34233.2-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек. Введ. 01.08.18.
Тимонин А.С. Основы конструирования и расчёта химико- технологического и природоохранного оборудования.: Справочник том 1 – 2- е издание, переработанное и дополненное. – 2002. 846 с.
Ахметов С.А. Технологии глубокой переработки нефти и газа: Учебное пособие для вузов. Уфа: Гилем ‒ 2002. 672 с.
Гусейнов Д.А. Технологические расчеты процессов переработки нефти/ Д.А Гусейнов, Ш.Ш. Спектор, Л.З. Вайнер. М.: Химия, 1964. 307 с.
ГОСТ 14246-79. Теплообменники кожухотрубчатые с плавающей головкой 10.Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию /Г.С. Борисов, В.П. Брыков [и др.] М.: ООО ИД «Альянс», 2008. ‒ 496с.