Расчет и подбор технологического оборудования и их элементов

Определим передаваемое количество Q тепла с помощью формулы (3.1):

 

 

Необходимая поверхность  теплообмена теплообменника определяется из уравнения теплопередачи для  установившегося состояния процесса:

 

 (3.5)

 

где     К_ор - ориентировочный коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

∆t_ср - средний арифметический температурный напор между теплоносителями, определяется по формуле (3.6), °С;

Q- тепловой поток в  аппарате.

Для предварительного выбора теплообменного аппарата принимаем  К= 230 Вт/(м²∙К).

(3.6)

 

Величины температурных  перепадов на концах аппарата Δt_б и Δt_м 

 

Δt_б = |t_вх1 - t_вых2|= |35-(-8)| = 43°C;           

Δt_м =|t_вых1 - t_вх2| = |-63-(-94)|= 31°C;   

Δt_ср= .

 

Подставив полученные данные рассчитаем площадь поверхности теплообмена аппарата:

 

 

Так как полученной поверхности  телообмена невозможно получить, применяя один кожухотрубчатый теплообменный аппарат, то производим подбор из каталога двух одинаковых теплообменных аппарата с поверхностью теплообмена близкой к 1450/2=725м².

Определим тип теплообменного аппарата. Учитывая, что средний перепад температур на концах теплообменного аппарата относительно невелик (меньше 40 ⁰С), то можно было бы выбрать теплообменный аппарат типа ТН, т.к. ему свойственна простота конструкции, а следовательно, он является более дешевым. Однако этот тип т/а рассчитан на условное давление менее 4 МПа, что не удовлетворяет условиям эксплуатации (расчетное давлении 5,5 МПа). Поэтому выбираем теплообменный аппарата с плавающей головкой ТП, имеющий ряд преимуществ. Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса. В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут возникать лишь при существенном различии температур трубок. Кроме того, аппараты данного типа достаточно просто можно очистить как наружную, так и внутреннюю поверхность трубок.

Таким образом, выбираем теплообменный аппарат типа ТП, у которого:

- диаметр кожуха внутренний  D=1200 мм;

- число ходов по трубам 4;

- наружный диаметр труб  d=25 мм;

- поверхность теплообмена  при длине прямого участка  труб l=9000 мм, F=705,1 м²;

- площадь проходного сечения  одного хода по трубам f_тр=0,0757 м²;

- площадь проходного сечения по межтрубному пространству f_мтр=0,185 м².

- расположение трубок  по вершинам равностороннего  треугольника.

 

3.3 Уточненный расчет поверхности испарителя и окончательный выбор типа теплообменного аппарата

 

Поверхность теплообменного аппарата вычисляется по формуле

 

, (3.7)

 

где  К_ут - уточненный коэффициент теплопередачи, который вычисляется по формуле

 

,  (3.8)

 

где α₁ и α₂ - коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях трубок;

S_ст и λ_ст - толщина стенки и теплопроводность материала. В расчетах принимаем = 30 Вт/(м·К).

Коэффициенты α₁ и α₂ зависят от режима движения теплоносителя и физических свойств самих продуктов.

Произведем уточненный расчет поверхности теплообмена по уточненной теплоотдаче в трубном пространстве.

Рассчитаем линейные скорости движения потоков по формулам

 

, (3.9)

 

где  G_тр - расход метана в трубном пространстве, кг/с;

ρ_тр - плотность метана в трубном пространстве, кг/ м³;

f_тр - площадь проходного сечения по трубам, м².

Подставив данные, получим

 

м/с.

 

Режим потока устанавливается  в зависимости безразмерного  критерия Рейнольдса, который определяется по формуле

 

;    (3.10)

.

 

Так как  критерий Рейнольдса  Re >10000 – движение турбулентное.

Так для теплоотдачи без  изменения агрегатного состояния  для установившегося турбулентного  течения внутри прямой трубы предложена зависимость;

 

Nu = ,  (3.11)

 

где    - критерий Нуссельта,

Pr – критерий Прандтля.

Критерий Прандтля определяется по формуле

 

 (3.12)

 

Коэффициент теплопередачи  от внутренней поверхности трубок определим  по формуле

 

 (3.13)

 

Подставив данные, получим

 

;

;

 

Произведем уточненный расчет поверхности теплообмена по уточненной теплоотдаче в межтрубном пространстве.

Рассчитаем линейные скорости движения потоков по формуле

 

, (3.14)

 

где  G_мтр- расход метана, кг/с;

ρ_мтр- плотность метана, кг/ м³;

f_мтр- площадь проходного сечения по межтрубному пространству, м².

Подставив данные, получим

 

м/с.

 

Режим потока устанавливается  в зависимости безразмерного  критерия Рейнольдса, который определяется по формуле

 

; (3.15)

.

 

Так как Re > 10³ , то критерий Нуссельта находится по следующей формуле:

 

 (3.16)

 

где  с, n – коэффициенты, зависящие от способа размещения труб. Для труб, расположенных по вершинам равностороннего треугольника с=0,21, n=0,65;

ε_φ – коэффициент, зависящий от многоходовости, для стандартных теплообменных аппаратов ε_φ = 0,6.

Найдем значение критерия Прандтля по формуле 

 

. (3.17)

 

Коэффициент теплопередачи  от внутренней поверхности трубок определим  по формуле

 

. (3.18)

 

Подставив данные, получим

 

;

;

.

 

Рассчитаем уточненный коэффициент  теплопередачи

 

 

Найдем уточненную поверхность  теплообменного аппарата

 

м².

 

Таким образом, при данной уточненной площади теплообмена погрешность по поверхности теплообменного аппарата между уточненной и выбранной по каталогу составляет 

 

 

Запас по площади теплообмена составил меньше 10%, поэтому принимаем решение использовать выбранный тип теплообменного аппарата, с условием, что их будет два и они будут использованы последовательно.

 

3.4 Разработка эскиза теплообменного  аппарата

 

Теплообменные аппараты с  плавающей головкой типа ТП (с подвижной  трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом поверхностных  аппаратов (эскиз приведен на рисуноке 3.1). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса. В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут возникать лишь при существенном различии температур трубок.

В теплообменных аппаратах  подобного типа трубные пучки  сравнительно легко могут быть удалены  из корпуса, что облегчает их ремонт, чистку или замену.

Для обеспечения свободного перемещения трубного пучка внутри кожуха в аппаратах диаметром 800 мм и более трубный пучок снабжают опорной платформой.

Рисунок 3.1 – Эскиз теплообменного аппарата

Наиболее важный узел теплообменников  с плавающей головкой — соединение плавающей трубной решетки с  крышкой. Это соединение должно обеспечивать возможность легкого извлечения пучка из кожуха, аппарата, а также  минимальный зазор Δ между  кожухом и пучком труб. Вариант, показанный на рисунке 3.1, позволяет извлекать  трубный пучок, благодаря размещению плавающей головки внутри крышки, диаметр которой больше диаметра кожуха, что позволяет уменьшить зазор Δ между кожухом и пучком труб.

 

3.5 Сводная таблица по  результатам расчетов теплообменного  аппарата

 

Результаты расчетов теплообменного аппарата сведены в таблицу 3.3.

Таблица 3.3 - Результаты расчетов теплообменного аппарата

Тип теплообменного аппарата	ТП
Давление в трубном  пространстве,  МПа	5,5
Давление в межтрубном пространстве, МПа	1,8
Температура в трубном  пространстве, ºС	-63
Температура в межтрубном пространстве, ºС	-94
Диаметр кожуха внутренний D, мм	1200
Число ходов по трубам	4
Наружный диаметр труб d, мм	25
Длина прямого участка  труб l, мм	9000
Поверхность теплообмена F, м2	705,1
Площадь проходного сечения  одного хода по трубам fтр, м2	0,0757
Площадь проходного сечения  по межтрубному пространству fмтр, м2	0,185

 

Вывод

 

В данном разделе нами были проведены расчеты по определению  тепловой мощности аппарата Q, она составила 12,34 МВт, а также проведены ориентировочный и уточненный расчеты поверхности теплообмена, в результате чего был выбран теплообменный аппарат с плавающей головкой 1200 ТПГ-6,3-М8/25Г-9-Т-4-У-И по ТУ 3612-023-00220302-01, с диаметром кожуха D = 1200 мм, на условное давление в кожухе и трубах  P_у = 6,3 МПа, материального исполнения М8, с гладкими теплообменными трубками диаметром d = 25мм, длиной L = 9м, расположенными по вершинам треугольников, 4-х ходовой по трубному пространству, умеренного климатического исполнения, с креплениями для теплоизоляции, у которого поверхность теплообмена составляет  F = 705,1м², площадь проходного сечения одного хода по трубам f_тр=0,0757 м², площадь проходного сечения по межтрубному пространству f_мтр=0,185 м². Также был составлен эскиз выбранного аппарата.

 

4 Механический раздел

 

4.1 Расчет на прочность  элементов теплообменного аппарата

 

Исходные данные:

- тип теплообменного аппарата: с плавающей головкой ТП;

- назначение теплообменного аппарата: охлаждение сырья;

- диаметр кожуха внутренний, мм: 1200

- диаметр распределительной камеры внутренний, мм: 1200

- общая длина аппарата, мм: 11 400

- расстояние между опорами,  мм: 5510;

- длина трубного пучка, мм: 9000;

- число ходов по трубам:  4

- расположение труб в трубных решетках: по вершинам равностороннего треугольника;

- количество трубок общее,  шт: 1054;

- крепление труб в трубных  решетках: развальцовка с канавками;

- поверхность труб: гладкая;

- наружный диаметр труб, мм: 25;

- толщина стенки трубок, мм: 2,5

- температура в трубном  пространстве, ^О С

а) на входе  35 ^О С;

б) на выходе минус 63 ^О С;

- температура в межтрубном  пространстве, ^О С

а) на входе  минус 94 ^О С;

б) на выходе минус 8 ^О С;

- среда в трубном пространстве: смесь углеводородных газов;

- среда в межтрубном пространстве: сухой отбензиненный газ.

 

 

4.1.1 Выбор конструктивных  параметров некоторых элементов  теплообменных аппаратов.

 

Необходимые пояснения и результаты выбора конструктивных и расчетных параметров представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Пояснения и результаты выбора конструктивных и расчетных параметров

№	Наименование параметра	Пояснения	Выбранный параметр
	Давление условное, МПа - в трубном пространстве - в межтрубном пространстве	Выбирается по рабочему давлению и температуре. - в трубном Рtрас= 5,5 МПа   - в межтрубном Рtрас=1,8 МПа	Ру тр = 6,3 МПа   Ру мтр = 2,5 МПа
	Шаг расположения труб в  трубных решетках, номинальный, мм	dн , мм 16 20 25 38 57 t, мм 21 26 32 48 70	Для dн=25мм    t = 32 мм.
	Исполнение по материалу	М1-М24, Б1-Б10, выбирается в  зависимости от температуры обрабатываемой среды, агрессивного воздействия среды, давления. Учитывая низкие температуры (до минус 100 0С), необходим материал с низким порогом хладноломкости. Поэтому выбираем материальное исполнение М8.	Материал: кожуха:12Х18Н10Т распределительной камеры и крышки: 12Х18Н10Т - теплообменных труб: 12Х18Н10Т
	Форма, диаметр поперечных перегородок, (зазор между перегородками  и кожухом). Число перегородок. Расстояние между перегородками.	Наиболее широко в мировой  практике применяют сегментные перегородки. Высота вырезаемого сегмента, число и расстояние между перегородками для ТП  регламентировано и указано в каталоге. Для уменьшения утечек устанавливают ограничения на размер кольцевого зазора между перегородкой и кожухом аппарата. Рекомендуется диаметр перегородки  принимать на 3-5 мм меньше диаметра кожуха.	- Форма перегородок сегментная; - зазор между перегородками  и кожухом: 2,5 мм; - диаметр поперечных перегородок  1195 мм; - число перегородок  10 шт. - расстояние между перегородками  615 мм.
	Толщина перегородок	Минимальная толщина перегородок  в зависимости от D выбирается по следующей схеме: D, мм ≤ 400 500-600 800-1000 ≥1200 S п , мм 6 10 12 14 Обычно трубчатый пучок опирается на ближайшую к плавающей  головке поперечную перегородку, имеющую  толщину (16-20 мм), больше толщины других перегородок. В некоторых случаях  для поддержания трубчатого пучка  к решеткам приваривают опорные  ребра. Длину опорной части ребра  у подвижной решетки принимают  больше диаметра нижнего штуцера  для обеспечения возтожности монтажа и демонтажа пучка. При значительных размерах (диаметр корпуса 1000 мм и более) и  массе трубчатого пучка его опирают  на катковые опоры, которые крепят к продольной балке из швеллера или двух полос, приваренной к поперечным перегородкам и неподвижной трубной решетке	D  = 1195 мм   S п  =  15 мм   Так как диаметр корпуса  значительный (1200мм), то трубный пучок  опираем на катковую опору.
	Диаметр и количество стяжек для перегородок	Диаметр стяжек для перегородок  принимают: d = 12 мм при D ≤600 мм, d = 16 мм при D≥800 мм Минимальное количество стяжек Zс =6 при D ≤1000 мм, Zс =8 при D  = 1200 мм, Zс =10 при D≥ 1400 мм.	d = 16 мм   Zс = 8 шт.
	Отбойники (рисунок А.2, приложение А)	При входе среды в межтрубное пространство теплообменника часто  ставят отбойник, который защищает от местного износа трубы, расположенные  против входного штуцера. Отбойник выполняют в виде круглой или прямоугольной пластины. Размер отбойника должен быть не менее внутреннего диаметра штуцера D1. Обычно его принимают на 10-20 мм больше, т. е. D = D1 + (10…20) мм. Отбойник не должен создавать излишнее гидравлическое сопротивление, поэтому расстояние от внутренней поверхности корпуса до отбойника должно быть h > 0,2D1 . Отбойник приваривают к дистанционным тягам или крепят хомутами (лапками) к трубам. Приваривать отбойник к трубам не рекомендуется из-за опасности прожога стенки трубы. Расстояние от отбойника до первой перегородки должно быть не менее 100 мм для обеспечения беспрепятственного распределения входящего потока среды.	Отбойник выполняем в  виде круглой пластины диаметром 320 мм: D = D1 + 20= = 284+20=304 мм, примем D= 300 мм h =0,2•284=56,8мм Примем h = 60мм.
	Размеры плавающей головки	Внутренний диаметр крышки плавающей головки Д3 меньше внутреннего диаметра корпуса теплообменника на: - 50 мм для Дв = 400, 500, 600 мм; - 100 мм для Дв = 800, 1000, 1200, 1400 мм	Дв = 1200мм Д1 = 1190мм Д3 = 1100мм
	Маркировка ТОА	1200 ТПГ-6,3-М8/25Г-9-Т-4-У-И ТУ 3612-023-00220302-01 теплообменный аппарат с плавающей головкой горизонтальный, с внутренним диаметром кожуха D = 1200 мм, на условное давление в кожухе и трубах  Pу = 6,3 МПа, материального исполнения М8, с гладкими теплообменными трубками диаметром d = 25мм, длиной L = 9м, расположенными по вершинам треугольников, 4-х ходовой по трубному пространству, умеренного климатического исполнения, с деталями для крепления изоляции.