Расчет конденсатора-холодильника в производстве бензола

Значения ∆` и ∆`` меньше допустимых (3 - 5)%, поэтому никаких корректировок в расчет вносить не требуется.

Значения параметров процесса теплопередачи представлены на рис. 3.2

 

 

 

Рис.4.2. Схема теплопередачи  варианта 1

 

Расчет варианта 1

Коэффициент теплоотдачи  от пара к трубам α1 при пленочной конденсации пара и ламинарном отекании пленки конденсата для вертикального аппарата рассчитывается по уравнению (13), а для горизонтального - по уравнению (14) [8, с. 53]:

Коэффициент теплоотдачи  от пара к трубам для вертикального  аппарата   α'1 верт в соответствии с уравнением (13):

α'1, верт =3,78·0,1299· =820,6 Вт/(м²·К);

Для горизонтального-аппарата коэффициент  теплоотдачи от пара к трубам α '1 гор в соответствии с уравнением (14)

α'1, гор =2,02·0,6·0,1299· =1634 Вт/(м²·К);

Величина критерия Рейнольдса для воды:

Rе=0,52·0,021·970/0,34·10^-3=31154>10⁴=>

=> турбулентное течение.

Коэффициент теплоотдачи  от труб к воде α2 при устойчивом турбулентном течении:

α2=0,023·(0,618/0,021)·31154^0,8·5,5^0,4=5265,6 Вт/(м²·К).

Коэффициенты теплопередачи  для вертикального К'верт и горизонтального  К'гор аппаратов по формулам (23) и (24):

 

К'верт=

=476 Вт/(м²·К).

 

К'верт=

=666,67 Вт/(м²·К).

 

Расчетная площадь поверхности теплопередачи для вертикального F'расч, верт и горизонтального F'расч, гор аппарата:        

F'расч,верт=Q/(К'верт·∆tср);

F'расч,верт=1092·10³/(476·33,95)=67,57 м²;

F'расч,гор=Q/(К'гор·∆tср);

F'расч,гор=1092·10³/(666,67·33,95)=48,3 м².

Для горизонтального аппарата запас площади поверхности теплопередачи ∆'гор значительно меньше номинального нормализованного аппарата Fнорм=113м², поэтому следует отказаться от варианта установки горизонтального аппарата.

Для вертикального аппарата запас площади поверхности теплопередачи ∆'верт определяется по уравнению (25)

Такой запас площади  поверхности является недопустимым, поэтому от варианта 2 следует отказаться. Дальнейшие расчет производим, используя  данные варианта 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Гидравлический  расчет варианта 1.

 

Гидравлическое сопротивление  трубного пространства теплообменника ∆Р рассчитывается по формуле

∆Р=∆Ртр+∑∆Рм.с,                                                 (29)

где ∆Ртр - сопротивление  трения;

∑∆Рм.с.i - сумма местных сопротивлений.

Сопротивление трения для неизотермического  потока

∆Ртр=λтр·(z·L/dвн)·(w²)·ρ·(Рrст/Рr)^0,33,                            (30)

где λтр - коэффициент  трения;

z - число ходов по трубам;

L - длина труб.

Примем, что трубы аппарата имеют незначительную коррозию и их шероховатость составляет е= 0,2 мм. Отношение внутреннего диаметра труб к шероховатости dвн/е=21/0,2=105. По рис. 1.5 [2, с.22-] для Rе=59312,6 и dвн/е=105 находим λ=0,045.

Потеря давления на преодоление  трения в трубах

∆Ртр = 0,045·(6·4,0/0,021)·(0,99² / 2)·970·(5,43/5,5)^0,33=11367 Па.

Потеря давления на преодоление  местных сопротивлений ∑∆Рм.с.i складывается из нескольких величин:

∑∆Рм.с.i=∆Р1+∆Р2+∆Р3                                        (31)

где ∆Р1 - сопротивление на входе в аппарат и выходе из него;    

∆Р2 - сопротивление при входе в трубы и выходе из них;

∆Р3 - сопротивление при повороте потока на 180˚ из одного хода в другой.

Условные диаметры, штуцеров dу трубного пространства кожухотрубчатых теплообменников приведены в табл. 3.3 [8, с. 55].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4.3

Диаметры условного  прохода штуцеров

кожухотрубчатых теплообменников

 

D кожуха, мм	Диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства при числе ходов 2 по трубам, мм				Диаметры условного прохода штуцеров для  межтрубного пространства, мм
	1	2	4	6
159	80	-	-	-	80
273	100	-	-	-	100
325	150	100	-	-	100
400	150	150	-	-	150
600	200	200	150	100	200
800	250	250	200	150	250
1000	300	300	200	150	300
1200	350	350	250	200	350
1400	-	350	250	200	-

 

Для D=800 мм и z=2 условный диаметр штуцера dу =200 мм.

Скорость воды в штуцерах

Wш=Gв/(ρ·0,785·dу²);

Wш=21,6/(970·0,785·0,15²)=1,26 м/с.

Скорость воды в штуцерах больше скорости в трубах, поэтому потери давления для входа в аппарат  и выхода из аппарата находим по скорости в штуцерах Wш, а потери давления при входе в трубы и выходе из них и при повороте из одного хода в другой - по скорости в трубах. Тогда

∆Р1= ζ1·n1·(Wш²/2)·ρ;                                     (32)

где ζ 1=1,5 – коэффициент местного сопротивления при входе в аппарат и выходе из него;

      n1=2 – число штуцеров.

∆Р1= 1,5·4·(1,26²/2)·970=4622 Па.

∆Р2= ζ2·n2·(W²/2)·ρ;                                     (33)

где ζ2=1 – коэффициент  местного сопротивления при входе  в трубы и выходе из ним;

      n2=12 – число входов в трубы и выходов из труб.

∆Р2= 1·12·(0,99²/2)·970=5704 Па. 
                                                        ∆Р3= ζ3·n3·(W²/2)·ρ;                                     (34)

где ζ3=2,5 – коэффициент  местного сопротивления при повороте потока на 180˚;

      n3=5 – число поворотов.

∆Р3= 2,5·5·(0,99²/2)·970=5940 Па.

Общее гидравлического  сопротивление трубного пространства теплообменника:

                                        ∆Р=∆Ртр+∆Р1+∆Р2+∆Р3;                               (35) 
∆Р=11367+4622+5704+5940=16268 Па.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Элементы  механического расчета

В данной части  курсового проекта приведены  расчеты на прочность отдельных  узлов и деталей выбранного конденсатора с целью определения их размеров.

Расчету на прочность  предшествует выбор конструкции  материала в зависимости от необходимой  химической стойкости, дефицитности и  стоимости материала и других факторов.

Исходя из этих параметров выбрана марка стали  ст20. Ее основные характеристики приведены в табл.6.1.[1]

 

Таблица 6.1.

Характеристики  стали марки ст20

 

Марка ст	δв, МПа, не <	δт, МПа, не < при толщине листа 250	δ5, %
20 по  ГОСТ 1050-74	420	250	25

 

 

 

 

 

6.1. Расчет  толщины обечайки

 

Главным составным  элементом корпуса большинства химических аппаратов является обечайка. В химическом аппаратостроении наиболее распространены цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью. Цилиндрические обечайки из стали изготавливают вальцовкой листов с последующей сваркой стыков.

Толщину рассчитывают:

;                                        (36)

где Dн – наружный диаметр обечайки;

      δд – допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МПа;

       φ – коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий, φ=0,9[1].

       см – прибавка толщины, см=1 мм.

;                                                (37)

=161,6·10⁶ Н/м²;

=166,6·10⁶ Н/м².

Первое значение, как  меньшее, является расчетным.

Проверим равенство 

=> величиной Р в формуле 36 можно пренебречь.

=3,1·10^-3, толщина значительно меньше допустимой, принимаем s=10 мм.

 

6.2. Расчет  трубной решетки

 

Одним из основных элементов кожухотрубчатых теплообменных  аппаратов являются трубные решетки. Они представляют собой перегородки, в которых закрепляются трубы  и которыми трубное пространство отделяется от межтрубного. При конструировании теплообменного аппарата одновременно с проведением теплотехнического расчета необходимо выбрать способ размещения и крепления труб в трубной решетке, конструкцию трубной решетки и рассчитать ее толщину. Наиболее рационально по плотности упаковки труб размещение их по вершинам равносторонних треугольников.

Крепление труб в трубных  решетках осуществляется сваркой, пайкой или развальцовкой. Минимальный  шаг между трубами рекомендуется принимать в зависимости от диаметра труб dн:

t≥1,3dн+5 мм;                                            (38)

Рассчет толщины трубной решетки зависит от ее конструкции и от конструктивной схемы аппарата.

Наиболее распространенные конструкция трубных решеток изображеа на рис.5.1.

 

Рис. 6.1. Выбранная конструкция трубных  решеток.

Толщина трубной решетки данного  типа определяется по формуле (39):

;                           (39)

.

В виду малой расчетной  толщины принимаем sp=10 мм (0,01 м). 

6.3. Выбор  крышки

 

Наиболее распространены крышки круглые фланцевые, которые  могут быть плоскими и эллиптическими, реже – сферическими и цилиндрическими. Присоединяются фланцевые крышки на уплотняющих прокладках закладными ил откидными болтами.

Руководствуясь  известными значениями внутреннего  диаметра Dв=800мм обечайки, толщиной днища s=10мм,  выбираем крышку эллиптическую отбортованную стальную с внутренними базовыми диаметрами (ГОСТ 6533-53)[2]. Основные конструктивные характеристики данного вида крышки приведены в табл. 7.2.

 

Таблица 7.2

 

Основные  конструктивные характеристики эллиптической  отбортованной стальной с внутренними  базовыми диаметрами

 

 

Характеристики	Значение
1. Диаметр кожуха аппарата Dв, мм	800
2. Толщина днища s, мм	10
3. Высота закругленной  поверхности hв, мм	200
4. Высота плоской поверхности  днища h, мм	40
5. Внутренняя поверхность  днища, Fв, м2	0,80
6. Емкость днища, V·10-3, м3	87,2
7. Диаметр заготовки, D, мм	1018

 

 

Рис.  6.2. Эллиптическая  крышка. Конструктивные размеры

 

6.4. Выбор  опор

 

Выбор типа опоры  зависит от ряда условий: места установки  аппарата, соотношения высоты и диаметра аппарата, его массы и т. д.  Для горизонтальных аппаратов с  эллиптическими днищами, устанавливаемых  на фундамент внутри помещения, рекомендуется применять опоры, изображенные на рис.6.3.

 

 

Рис. 6.3. Опоры для горизонтальных аппаратов, жестко соединенные с  аппаратом.