Проектирование кожухотрубного конденсатора для конденсации 3,7кгс паров хлорбензола.. Курсовой проект Горелов. Пояснительная записка кп. Ппссз. 18. 02. 09. 00 Пз проверил руководитель проекта Гладких Т. А. (дата)
 Скачать 144.73 Kb.
|
 Государственное профессиональное образовательное учреждение«Анжеро-Судженский политехнический колледж» Специальность: 18.02.09 Переработка нефти и газа ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОЖУХОТРУБНОГО КОНДЕНСАТОРА ДЛЯ КОНДЕНСАЦИИ 3,7 КГ/C НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ ХЛОРБЕНЗОЛА Пояснительная записка КП.ППССЗ.18.02.09.00 – ПЗ   ПРОВЕРИЛ Руководитель проекта Гладких Т.А. ______________ (дата) ОЦЕНКА:_____ ВЫПОЛНИЛ Студент группы 411 Горелов С.А. ______________ (дата) 2023  СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ 3 1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 5 1.1 Конструкция и принцип действия аппарата 5 1.2 Физические и химические свойства теплоносителей 6 1.3 Обоснование выбора конструкционного материала 7  ВВЕДЕНИЕНа нефтеперерабатывающих заводах в составе любой технологической линии имеются теплообменники, так как в процессах производства требуется подводить или отводить тепло, чтобы обеспечить необходимые температуры в соответствующих аппаратах. В теплообменниках один поток отдает тепло, а другой его принимает, т. е. один поток нагревается, а другой охлаждается. Количество теплообменников на предприятиях, производящих первичную нефтепереработку, в основном зависит от объема выпускаемой продукции и количества применяемых перерабатывающих технологий. Чем больше предприятие выпускает продукции, тем больше на нём технологических линий, а чем больше таких линий – тем больше необходимо теплообменных устройств. Главное условие применения любого оборудования – высокий КПД. У теплообменного аппарата этот показатель зависит от ряда критериев, таких как: коэффициент теплопередачи, который определяется агрегатным состоянием вещества, конструкцией и материалом теплообменника, площадь теплообменника и разность температур, что является движущей силой процесса. Теплообменники бывают нескольких видов: кожухотрубные, труба в трубе, спиральные, пластинчатые, с линзовым компенсатором. В зависимости от назначения теплообменники можно разделить на основные группы: -нагреватели, испарители и кипятильники; -холодильники и конденсаторы; -кристаллизаторы; -регенеративные теплообменники. В целях расчёта и проектирования рассмотрим подробнее кожухотрубные конденсатор. Кожухотрубные конденсаторы предназначены для теплообмена между двумя рабочими средами - паром и теплоносителем. Кожухотрубчатые конденсаторы используются в технологических процессах нефтегазовой, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслей промышленности, где они обеспечивают оптимальный теплообмен между газообразными и жидкими средами. Кожухотрубные конденсаторы представляют собой горизонтальный или вертикальный теплообменный аппарат со штуцерами для входа пара, теплоносителя и выхода конденсата, теплоносителя и необработанного пара. Внутри конденсатор имеет пучок труб, по которым циркулирует теплоноситель. Конденсируемый пар циркулирует по межтрубному пространству. Выбор горизонтального кожухотрубного конденсатора КНГ и ККГ или вертикального КНВ и ККВ зависит от технических требований к эксплуатации на объекте. Оборудование относится к конденсаторам водяного охлаждения.В кожухотрубчатых теплообменниках используется нетоксичная, пожаробезопасная, невзрывоопасная жидкость (чаще всего вода) температура кипения которой при давлении в 0,07 МПа превышает 60 ºС. По заданным условиям эксплуатации спроектировать кожухотрубный конденсатор для конденсации 3,7 кг/с насыщенных паров хлорбензола: -охлаждение идёт холодной водой, поступающей в трубное пространство теплообменника; -начальная температура воды 16 ºС, конечная 40 ºС; -атмосферное давление; -высота вертикального конденсатора не должна превышать 3 метра. Целью проекта является проектирование и расчёт кожухотрубного конденсатора для конденсации 3,7 кг/с насыщенных паров хлорбензола. Задачами проекта являются: 1.Изучить конструкцию кожухотрубного конденсатора; 2.Проанализировать физические и химические свойства теплоносителей; 3.Подобрать конструкционный материал, для изготовления кожухотрубного конденсатора; 4.Выполнить расчёт и подобрать стандартный теплообменный аппарат; 5.Выполнить графическую часть курсового проекта в соответствие с требованиями ЕСКД. 1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ1.1 Конструкция и принцип действия аппарата В общем случае конструкция теплообменного аппарата состоит из следующих элементов: -распределительной камеры с входным и выходным патрубками; -оболочки, имеющей впускной и выпускной патрубки; -теплообменных труб; -трубных решёток; -задней (разворотной) камеры. Главным преимуществом кожухотрубного теплообменника и основной причиной популярности этих устройств является простота и надёжность конструкции. Кожухотрубный теплообменник включает в себя распределительную камеру, оснащённую теплообменными трубами, корпус, чаще всего цилиндрической формы, и специальные решетки. Кожухотрубные конденсаторы представляют собой горизонтальный или вертикальный теплообменный аппарат диаметром 600-1400 мм со штуцерами для входа пара, теплоносителя и выхода конденсата, теплоносителя и необработанного пара. Выбор горизонтального кожухотрубного конденсатора КНГ и ККГ или вертикального КНВ и ККВ зависит от технических требований к эксплуатации на объекте. На торцах корпуса располагаются крышки, полностью герметизирующие корпус агрегата. Благодаря находящимся в комплекте поставки опорам, теплообменник легко устанавливается в горизонтальное положение. Помимо этого, конструкцией предусмотрены специальные крепления, обеспечивающие возможность произвольной установки изделия. Увеличить интенсивность теплообмена может использование труб, имеющих специальные рёбра. В том случае, когда необходимо уменьшить интенсивность теплопередачи, на трубы наносят специальное теплоизоляционное покрытие. Таким образом можно существенно повысить аккумулирующие возможности установки. В некоторых случаях применяются особые конструктивные решения, в которых предусмотрено использование двух труб: труба меньшего диаметра располагается внутри трубы большего диаметра. Площадь теплопередающей поверхности кожухотрубных теплообменников может колебаться в пределах от 300 см2 до нескольких тысяч квадратных метров.  Кожух теплообменного аппарата изготавливается из толстолистовой стали толщиной не менее 4 мм. Для изготовления решёток используется материал той же марки, однако толщина его должна быть не менее 20 мм. Главным элементом конструкции является комплект труб. Для эффективной работы устройства необходимо, чтобы материал, из которого изготавливаются трубы, обладал высокой теплопроводностью. Положение пучка труб внутри корпуса фиксируется с помощью одной или нескольких решеток.Конденсаторы предназначены для эксплуатации под давлением 0,6-2,5 МПа и при рабочей температуре до 300ºС. Принцип действия кожухотрубного теплообменника довольно прост. Внутри аппарата происходит разделение рабочих сред таким образом, что они лишены возможности смешиваться между собой. В роли теплопередающих элементов выступают трубы, расположенные между двумя рабочими субстанциями. Один из теплоносителей перемещается внутри труб, другой подается под давлением в межтрубное пространство. Кожухотрубные теплообменники могут работать с любыми агрегатными состояниями теплоносителей, это могут быть пар, газ, жидкость или их сочетание. 1.2 Физические и химические свойства теплоносителей Хлорбензол (фенилхлорид) — ароматическое органическое соединение, имеющее формулу C6H5Cl, бесцветная горючая жидкость с характерным запахом. Также является важным органическим растворителем, кроме того, он применяется в органическом синтезе. Например, он применяется в синтезе пестицидов. Также применяется в производстве фенола. Хлорбензол также является полупродуктом в производстве дихлорбензолов и некоторых красителей. Молярная масса – 112,558 г/моль. Хлорбензол для конденсации поступает в межтрубное пространство. Свойства хлорбензола при температуре конденсации 131,8 ºС: 1 Плотность 984,2 кг/м3; 2 Коэффициент динамической вязкости 0,295 ‧ 10-3 Па ‧ с; 3 Теплоёмкость 1670 Дж/(кг ‧ К); 4 Теплопроводность 0,106 Вт/(м ‧ К); 5 Удельная теплота парообразования 324,5 кДж/кг. Вода (Н2О) — это простейшее устойчивое соединение водорода с кислородом. Жидкость без запаха, вкуса и цвета. Является хорошим растворителем. Молярная масса 18,01528 г/моль. Вода является самым дешёвым и эффективным средством для построения систем кондиционирования, теплоотведения или подогрева. Умягчение воды и другие методы её подготовки успешно применяют для повышения стабильности работы систем, продления срока службы коммуникаций, для улучшения энергоэффективности техпроцессов и за счёт снижения теплопотерь. Вода на предприятии используется главным образом для охлаждения нефтепродуктов и оборудования, для обессоливания нефти, для приготовления щелочных растворов и на другие технологические цели. Использование подготовленной воды предотвращает образование накипи и кальцинированного осадка на нагревательных элементах отопительных приборов, тем самым, не сокращая их срок службы, защищает металлические детали от коррозии.Вода имеет большую теплоёмкость и более высокий коэффициент теплоотдачи, чем воздух. Важнейшим элементом по охране окружающей среды является такая организация водоснабжения, при которой осуществляется замкнутый цикл, т.е. отсутствуют стоки воды в водоемы. Свойства воды при средней температуре 28 ºС: 1 Плотность 996,2 кг/м3; 2 Коэффициент динамической вязкости 0,8330 ‧ 10-3 Па ‧ с; 3 Теплоёмкость 4178,8 Дж/(кг ‧ К); 4 Теплопроводность 0,6104 Вт/(м ‧ К); 5 Удельная теплота парообразования 2 432,2 кДж/кг 1.3 Обоснование выбора конструкционного материала При выборе и создании теплообменной аппаратуры необходимо учитывать вид материала, из которого будет он изготовлен, а также его коррозийную стойкость. Экономическое использование качественных материалов, высокий уровень технологии изготовления и полное использование всех достижений теплопередачи дают возможность выбора и создания рациональных теплообменных аппаратов. Для изготовления корпуса кожухотрубного конденсатора выбираем сталь 08Х18Н10Т. Обоснованно это тем, что в конденсаторе находится агрессивная среда: хлорбензол. Данная сталь имеет ГОСТ 5949-75 – Сталь сортовая и калиброванная коррозионностойкая, жаростойкая и жаропрочная. Технические условия. Классификация: Конструкционная криогенная сталь. Главными свойствами стали 08Х18Н10Т являются: -неподверженность ржавлению при контакте с водой; -сохранение рабочих характеристик в широком температурном диапазоне; -устойчивость к агрессивным воздействиям большого числа кислот, щелочей, солей; -экологичность и безопасность для здоровья; -высокие показатели прочности, твердости, ударной вязкости, пластичности. 08Х18Н10Т используется для производства аппаратов, которые работают при температурах до +600°C. Применяется сталь при изготовлении изделий, которые можно эксплуатировать в условиях разбавленных кислот, средне агрессивных щелочных и солевых растворов. Химический состав стали: «08» указывает на содержание углерода до 0,08 %, «Х18» – показатель хрома в количестве 18 %, «Н10» – содержание никеля 10%, буква «Т» в конце маркировки – содержание титана в количестве 1,0%. Сталь используется для изготовления сварных агрегатов и устройств, эксплуатация которых проходит в условиях высокой агрессивности. Большая концентрация хрома значительно повышает коррозионную стойкость, а большой процент никеля увеличивает пластичность. Углерод, являющийся основным элементом, при низком содержании может ухудшить показатели твердости и прочности, но повысить свариваемость. Содержание такого легирующего элемента как титан увеличивает коррозионную стойкость при высоких температурах (>800°C).Рассматриваемая сталь 08Х18Н10Т не реагирует на магнитное поле. Именно поэтому сплав применяется при создании различного сварного и крепежного оборудования, электродах исковых зажигательных свечей. Определенный химический состав определяет то, что поверхность способна выдерживать воздействие высокой влажности и некоторых кислот, а также других химических веществ. За счет подобного качества сталь применяется при изготовлении деталей, которые эксплуатируются при сложных условиях. Особый химический состав определяет то, что поверхность может выдерживать воздействие самых различных агрессивных химических веществ. Марка стали 08Х18Н10Т имеет весьма разнообразную область применения. За счёт стойкости к агрессивным средам (кроме серосодержащих сред) она востребована в химической промышленности – при производстве сосудов, работающих под высоким давлением. Изготавливают из стали 08Х18Н10Т трубопроводы для транспортировки разбавленных растворов фосфорной, азотной, уксусной кислот, агрессивных оснований и солей, трубы для соединения оборудования с повышенной радиацией. Трубы нержавеющие бесшовные 08Х18Н10Т незаменимы во всех областях пищевой промышленности, в нефтяной и нефтеперерабатывающей, в химической и топливно-энергетической отраслях. Активно используется в автомобильной, кораблестроительной, авиационной и промышленных областях. Кроме того, 08Х18Н10Т используют в криогенной технике при крайне низких температурах – до -269˚С, что не мешает ее применению при высоких температурах (как в дуговых печах). Трубный пучок будет изготавливаться из также из стали 08Х18Н10Т. Трубки из этого сплава будут профилированными. Профилирование трубок улучшает процессы теплообмена за счет организации потока движения жидкости и не даёт образовываться налёту на поверхности, что дополнительно увеличивает срок их службы. Кроме того, нержавейка дольше работает и надёжней. Такая трубка дольше работает и может использоваться с засорённой водой. 2 РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ2.1 Тепловой расчёт Цель: определить тепловую нагрузку аппарата, поверхность теплообмена и расход теплоносителя – холодной воды. 1 Определяем среднюю разность температур. Составляем схему движения теплоносителей:  131℃ Хлорбензол 131℃ 40℃ Вода холодная 16℃1.1 Определяем большую и меньшую разность температур и их отношение ∆tб/∆tм:    1.2 Определяем среднюю разность температур по формуле 1.1:   2 Определяем среднюю температуру охлаждающей воды по формуле 1.2:  где tконд. – температура конденсации жидкости, ℃; ∆tср.в. – средняя разность температур, ℃.  3 Определяем тепловую нагрузку конденсатора по формуле 1.3:  где Gа – расход паров жидкости, кг/с; r – теплота парообразования жидкости, Дж/кг.  Теплота парообразования хлорбензола при 131℃ равняется 324500 Дж/кг. 4 Определяем расход охлаждающей воды по формуле 1.4:  где Q – тепловая нагрузка аппарата, Дж; С – теплоёмкость воды при средней температуре, Дж/ кг ‧ К; tк, tн – начальная и конечная температура воды, ℃.  Принимаем трубы теплообменника размером Ø25‧2 мм. Толщина стенки трубы - 4 мм = 0,004 м. Задаёмся значениями критерия Рейнольдса для воды Re = 15000 (развитое турбулентное движение). 5 Определяем требуемое число труб по формуле 1.5:  где GH2O – расход охлаждающей воды, кг/с; Re – критерий Рейнольдса; d - диаметр внутренний трубы, м; μ – динамический коэффициент вязкости воды при 28℃, Па ‧ с; n- число труб.  6 Определяем ближайшее число труб по таблице: одноходовой n = 43 двухходовой n = 110/2 = 55 7 Определяем значение критерия Рейнольдса по формуле 1.6:  где n – число труб;d – диаметр внутренний трубы, м; μ – динамический коэффициент вязкости воды при 28℃, Па ‧ с.  Режим движения переходной, т. к. критерий Рейнольдса 2300 8 Определяем значение критерия Прандтля для воды при 28℃:  9 Определяем значение критерия Нуссельта по формуле 1.7:   10 Определяем коэффициент теплоотдачи для воды по формуле 1.8:  где Nu – критерий Нуссельта; λ – коэффициент теплопроводности воды, Вт / м ‧ К; d – диаметр внутренний трубы, м.  11 Определяем коэффициент теплоотдачи для паров хлорбензола по формуле 1.9:  где λ – коэффициент теплопроводности хлорбензола, Вт/ м ‧ К;ρ – плотность хлорбензола, кг/м3; d – диаметр наружной трубы, м; μ – динамический коэффициент вязкости хлорбензола, Па ‧ с; Gх – расход паров хлорбензола, кг/с.  12 Определяем коэффициент теплопередачи по формуле 1.10:  где δст – толщина стенки; λст – коэффициент теплопроводности материала стенки. Для стали 08Х18Н10Т определяем λ=16 Вт/м‧К.  13 Определяем площадь поверхности теплообмена конденсатора по формуле 1.11:  где К – коэффициент теплопередачи плоской стенки, Вт/м2·К; ∆t – средняя разность температур теплоносителей, ℃.  Для обеспечения заданной производительности устанавливаем один двухходовой конденсатор с поверхностью теплообмена 12 м2 со следующей технической характеристикой: Поверхность теплообмена, м2 12 Число ходов 2 Диаметр кожуха, мм 400 Число труб 110 Длина труб, мм 1500 2.2 Конструктивный расчёт Цель: рассчитать диаметр патрубков и определить размеры фланцев. 1 Определяем диаметр патрубков по формуле 2.1:  где G – расход хлорбензола, кг/с; ω – скорость потока хлорбензола, м/с; ρ – плотность хлорбензола, кг/м3. 2 Определить скорость потока по таблице: ωж = 1,0 м/с; ωт = 15,0 м/с; ωн = 1,0 м/с. 3 Определяем плотность паров бензола по формуле 2.2:  где T0 = 273K; P0 – атмосферное давление = 105, Па; P – рабочее давление, Па; T – рабочая температура, K.  Формула хлорбензола: C₆H₅Cl      4 Определяем патрубки для входа и выхода холодной воды по формуле 2.1:  Выбираем стандарт Dy = 125 мм 5 Определяем патрубок для входа паров хлорбензола по формуле 2.1:  Выбираем стандарт Dy = 300 мм 6 Определяем патрубок для выхода конденсата, т, е, жидкого хлорбензола по формуле 2.1:  Выбираем стандарт Dy = 80 мм Основные размеры фланцев приведены в таблице 1. Таблица 1 - Основные размеры фланцев
|