Холодильник охлаждения азота

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

                Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ  РЕСУРСОВ

 

 

Кафедра  Общей химической технологии

Учебная дисциплина: процессы и аппараты химических производств

 

 

                                Пояснительная записка к курсовому проекту

«ХОЛОДИЛЬНИК ОХЛАЖДЕНИЯ АЗОТА»

 

 

Исполнитель

Студент,  № группы      ________________        

   (подпись, дата) (Ф.И.О.)

Руководитель_________________               ________________ 

(должность, уч.степень, звание)      (подпись, дата) (Ф.И.О.)

 

                                                     

 

                                                     

 

                                                          Томск-2013    

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для обмена теплом между греющей и обогреваемой рабочими средами (теплоносителями).

По назначению теплообменники классифицируются на:

• подогреватели;
• холодильники;
• конденсаторы;
• испарители и т.д.

     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: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

     Одними из  самых  распространенных  типов  теплообменников являются кожухотрубные теплообменники. Кожухотрубные теплообменники относятся к рекуперативным поверхностным аппаратам. По конструкции они представляют собой аппараты, выполненные из пучков 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.

     Кожухотрубные 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 шести-ходовыми по трубному пространству.

     Достоинствами  кожухотрубных  теплообменников являются: 

• большая удельная поверхность теплообмена;
• компактность;
• небольшой расход металла; 
• возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта;
• широкий набор вариантов исполнения для различных условий эксплуатации.

  Недостатки кожухотрубных теплообменников:

• большое сечение трубного и межтрубного пространства, что обуславливает невысокие скорости движения теплоносителей;
• трудность  очистки межтрубного пространства
• трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

     Кожухотрубные  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;

- равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре;

- небольшая стоимость,  доступность.

 

1.Технологический расчет

1.1 Расчет тепловой  нагрузки аппарата.

Согласно заданию азот охлаждается с температуры 20 °С, до температуры -10 °С, в качестве охлаждающего агента взят раствор 25 % NaCl, температура на входе и выходе сотавляет -17 и -7 °С соответственно. Расход азота составляет: 12000 м.куб/час:

  Объемный расход азота:

Температура азота на входе                                            °С

Температура азота на выходе                                      °С

Температура 25% раствора NaCl на входе              °С

Температура  25% раствора NaCl на выходе           °С

                G.азота = 3,3

 

Технологический расчет аппарата ведется согласно [2, со стр. 212]

Определим средние температуры  теплоносителей [2, стр. 214] :

Средняя температура азота:

 

Средняя температура 25%-го NaCl:

Определим среднюю разность температур при противотоке теплоносителей [2, стр. 214]:

Разность температур на воде в аппарат:

Разность температур на выходе из аппарата:

Так как средние разности температур на входе и выходе из аппарата отличаются больше чем в 2 раза, то средняя разность температур в аппарате находится как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:

Определение физико-химических свойств теплоносителей при средней температуре.

Физико-химические свойства азота [табл. 1 [7]]:

Коэффициент теплопроводности, ВТ/(м*К)	0,025
Плотность, кг/м куб.	1,193
Коэффициент динамической вязкости, Па*с	1,689*10-5
Теплоемкость, Дж/(кг*К)	1039
Расчетный критерий Прандтля	0.711
Давление, Па	0.985*105

 

 

 

 

 

 

 

Физико-химические свойства 25%-го раствора NaCl:

Коэффициент теплопроводности, ВТ/(м*К)	0,497
Плотность, кг/м куб.	1175
Коэффициент динамической вязкости, Па*с	5,402*10-3
Теплоемкость, Дж/(кг*К)	3320
Расчетный критерий Прандтля	36,088

 

Определение тепловой нагрузки греющего пара [2, стр. 216]

Для начала найдем массовый расход азота:

Коэффициент учитывающий потери тепла в окружающую среду принимаем 0,97, и из уравнения теплового баланса находим количество тепла необходимое изъять из азота, чтобы он охладился до заданной температуры:

Зная Q₁ можно найти массовый расход рассола необходимого для принятия этого тепла:

Найдем расчетную поверхность  теплопередачи в первом приближении, для этого необходимо задаться коэффициентом  теплопередачи.  Для конденсирующегося пара и нагревающегося (охлаждающегося) от него газа коэффициент К имеет пределы:  К = 10 - 60 Вт/м кв. Принимаем среднее значение коэффициента:

 

Тогда расчетная площадь  поверхности теплопередачи составляет [2, стр. 216]

 

В соответствии с ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79, ГОСТ 15122-79, производим выбор  теплообменного аппарата, удовлетворяющего условию:

                                                       

                                                             Fап.>F,

 

где Fап. - площадь теплообмена выбранного аппарата,

      F - расчетная  площадь поверхности теплообмена.

Теплообменик типа ХН имеет следующие параметры:

Диаметр трубок                                                     

Внутренний диаметр трубок                                 

Толщина трубок                                                     

Диаметр внутренний                                             

Число ходов, по трубному пространству              

Количество труб                                                     

Длина труб                                                             

Поверхность теплообмена                                   

Расстояние между перегородками                        

Число перегородок в межтрубном пространстве 

Проходное сечение в трубном пространстве        

Проходное сечение в межтрубном пространстве   

В теплообменных трубах 25х2 мм холодильников по ГОСТ  15120 - 79, скорость течения рассола при  Re>10000 должна быть более:

Проходное сечение трубного пространства при этом должно быть не менее:

где 

                                            - объемный расход 25% NaCl

Как видно выбранный теплообменник  не может обеспечить данную площадь, следовательно необходимо произвести технологический расчет теплообменного аппарата во втором приближении:

Найдем cкорость и критерий Рейнольдса для рассола:

скорость :

 

тогда критерий Рейнольдса равен:

   

 

Найдем скорость и критерий Рейнольдса для азота:

скорость 

 

тогда критерий Рейнольдса для азота составляет:

 

Для расчета процесса теплопередачи  в этом случае, необходимо знать температуры стенки. Для потока в трубах при Re<10000 значение температуры стенки со стороны холодного теплоносителя влияет на выбор вида расчетной формулы через посредство произведения  Gr*Pr. Зададимся значениями температур стенок исходя из того что: tср (азота)>tст1>tст2>tcp (NaCl(25%)). Примем температуру стенки со стороны теплоносителей (с последующей проверкой):

Расчет коэффициента теплоотдачи для азота

Для расчета коэффициента теплоотдачи необходимо знать физико-химические свойства теплоносителей при температурах стенки:

Для азота:

теплоемкость

динамическая вязкость   

теплопроводность             

Критерий Прандтля         

Коэффициент ε_ϕ принимаем равным 1 согласно таблице 4.5 (стр 157, Павлов, Романков), тогда при Re>10000 рекомендуется соотношение:

Коэффициент теплоотдачи  для азота тогда равен:

 

Расчет коэффициента теплоотдачи для 25% раствора NaCl

Для выбора расчетной формулы  определим произведение (Gr*Pr) при определяющей температуре: средней температуре приграничного слоя [2, стр.154]:

Физические свойства раствора при средней температуре приграничного слоя:

плотность

 

динамическая вязкость  

 

теплопроводность  

теплоемкость 

коэффициент линейного расширения 

Критерий Прандтля при  средней температуре приграничного  слоя равен:

Критерий Грасгоффа тогда равен:

 

где

                 - ускорение свободного падения

                             - разность температур раствора  NaCl

Произведение Gr*Pr тогда составляет:

Тогда формула для вычисления критерия Нульсетта принимает следующий вид:

Зная критерий Нульсетта, находим коэффициент теплоотдачи со стороны раствора:

Найдем расчетный коэффициент  теплопередачи для второго приближения:

где

  - сумма термических сопротивлений стенки

трубок  [2, табл. 31].

Разница температур, принятых для стенки, составляет:

Найдем поверхностную  плотность теплового потока:

и уточним значения температур стенки:

 

Находим расчетную поверхность  теплопередачи во втором приближении, однако возьмем ее с запасом в 10%:

Ближайшие аппарата с такой  площадью имеют длину трубок 3 м, аппарат имеет 206 трубок, найдем площадь  поверхности одного аппарата по среднему диаметру труб:

где

   - длина трубок выбранного аппарата;

 - количество трубок в выбранном  аппарате.

Найдем необходимое число аппаратов, которое обеспечит нам расчетную  поверхность теплообмена:

                       

Испонительное количество аппаратов: 1. Запас поверности теплообмена при этом составляет:

Окончательно принимаем  аппарат во втором приближении:

Теплообменник типа ХН 

Толщина трубок 

Диаметр трубок 

Внутренний диаметр трубок 

Диаметр внутренний 

Число ходов по трубному пространству  

Количество труб 

Длина труб 

Поверхность теплообмена   

Расстояние между перегородками

Число перегородок в межтрубном пространстве:

Проходное сечение в трубном  пространстве:        

Проходное сечение в межтрубном пространстве:   

 

 

Конструктивно-механический расчет [4,5,6]

Расчет  и подбор штуцеров [1]

Для расчета гидравлического  сопротивления необходимо подобрать  штуцера для подачи/отвода теплоносителя. Внутренний диаметр (диаметр условного  прохода) штуцеров расчитывается из уравнения массового расхода.

Название штуцера                                           скорость потока, м/с                     

Входной штуцер для подачи азота                   

Выходной штуцер для отвода азота

Входной штуцер для подачи рассола

Выходной штуцер для отвода рассола

Название штуцера                                         Диаметр штуцера, м

Входной штуцер для подачи воздуха 

Выходной штуцер для отвода воздуха 

Входной штуцер для подачи пара         

Выходной штуцер для отвода конденсата    

Давление в трубе на входе и выходе из холодильника для раствора NaCl расчитывается следующим образом:

Вылет штуцера, согласно справочной литературе [1, стр. 659]:

Название штуцера                                     Вылет, м

Входной штуцер для подачи азота  

Выходной штуцер для отвода азота   

Входной штуцер для подачи рассола   

Выходной штуцер для отвода рассола 

Подбор фланцев

Подбор фланцев  для штуцеров [3, стр. 214]

При известном проходе  штуцера, из сортамента выбираем фланцы штуцеров.

В сортаменте указаны давления и условные диаметры штуцеров. Фланцы выбираются в соответствии с этими  значениями, однако диаметр условного  прохода в сортаменте выбираем билзким к диаметру штуцера, толщина стенки патрубка при этом будет равна   разности внутренних радиусов фланца и патрубка. Количество отверстий под болты должно быть кратным 4. Так как даление невысокое, то  для всех фланцев, используем паранитовые прокладки, с толщиной в 2 мм [3, стр. 214] .

Фланцы штуцеров: плоские  приварные.

 

 

 

 

 

 

 

 

Назначение штуцера	Dy	Dф	Dб	D1	D2	D4	D5	h	h1	h2	d	z
	мм
вход азота	250	370	335	312	304	273	279	18	18	20	18	12
выход азота
вход рассола	400	535	495	465	457	426	433	18	24	32	23	16
выход рассола

 

 

Подбор фланцев  для соединения обечайки с крышкой  и днищем [3, стр. 237] 

Выбор  фланцев производится аналогичным образом, как при  подборе фланцев для штуцеров.

Предел давления	D	Dф	Dб	D1	D2	D3	D4	D5	H	h	a	a1	d	число отверстий z	dб
Мпа	мм														мм
1	600	740	700	664	672	63	614	634	65	35	14	12	23	28	М26

Фланец приварной  встык для стальных сварных аппаратов.

 

Расчет цилиндрической обечайки аппарата согласно ГОСТ 52857.2-2007

Цилиндрическую обечайку аппарата, расчитывают на прочность согласно ГОСТ 52857.1-2007, ГОСТ 52857.1-2007. Согласно ГОСТ 52857.1-2007 находим методом линейной интерполяции допускаемое  напряжение для материала обечайки действующее на аппарат:

Температура испытания аппарата согласно ГОСТ 52857.1-2007:  t_и=20 °С

Материал аппарата – сталь  марки 12Х18Н10Т.

Условия эксплуатации аппарата имеют температурный интервал меньше 293 К следовательно свойства материала при испытании отличаться не будут.

Допускаемое напряжение  для 12Х18Н10Т , при темпертуре 20 (температура испытания, а также принятая рабочая температура аппарата согласно ГОСТ 52857.2 2007):

Пробное давление при испытании  внутри аппарата:

Согласно ГОСТ 8732-78 трубы  даметром больше 550 мм не изготавливают, то обечайку изготавливаем из горячекатанных листов сортамент которых регламентируется ГОСТ 19903-74.

Для того чтобы подобрать  толщину листа из сортамента, необходимо знать его длину и ширину. Длина  листа будет равна длине трубок т.е. 3000 мм, ширина листа необходимая для получения диаметра 600 мм находится из уравнения длины окужности:

Согласно ГОСТ 19903-74 по требованию потребителя листовой прокат может  изготавливаться других размеров. Исходя из этого примем лист стандартной шириной 3800 мм необходимо длиной 3000 мм и толщиной 5 мм, и рассчитаем на прочность согласно ГОСТ 52857.2-2007.

Толщина стeнки по сортаменту:          

 

Прочие данные необходимые  для расчета цилиндрической обечайки аппарата:

Прибавка на коррозию и  технологическое утонение материала:

Диаметр аппарата в миллиметрах:

Коэффициент прочности продольного  сварного шва:

Условие применимости формул согласно ГОСТ 52857.2-2007:

Находим расчетную толщину  стенки в условиях испытания:

Находим расчетную толщину стенки при рабочих условиях, и выбираем максимальное значение с целью учета всех нагрузок на аппарат:

Условие применимости выбраной в сортаменте толщины стенки согласно ГОСТ 52857.2-2007:

Находим допускаемое давление в условиях испытания согласно ГОСТ52857.2-2007:

Находим допускаемое давление в рабочих условиях и выбираем минимальное значение давления, которое  может выдержать аппарат:

Проверка на применимость обечайки к рабочему  давлению:

Проверка на применимость обечайки к  пробному давлению:

В результате расчета обечайки аппарата выяснилось, что при выбраной толщине стенки s=5 мм, обечайка теплообеменника выдержит рабочее давление до 3,1 МПа при рабочей температуре 20 С. в условиях испытания обечайка выдерживает давление до 2,1 МПа при температуре испытания 20 С. Толщина распределительной камеры аппарата можно принять такой же, так как условия применения стали практически не меняются.

Механический  расчет крышки и днища аппарата по ГОСТ 52857.2-2007

В процессе изготовления теплообменной  аппаратуры набольшее предпочтение отдают крышкам и днищам эллиптического исполнения, т.к. они просты в изготовлении по сравнению со сферическими, и  выдерживают давление внутри аппарата лучше чем плоские. Крышка  четырехходового вертикального теплообменника в отличие от днища имеет два отверстия под входной и выходной штуцера, а также две перегородки приваренные на равном расстоянии от центра. Чтобы упростить расчет аппарата на прочность изготовим его из того же материала что и обечайку, т.е. из стали 12Х18Н10Т, несмотря на свою дороговизну данная сталь является наиболее устойчивой к агрессивным средам и л менее подвержена термическим напряжениям по сравнению с остальными видами сталей. Допускаемое напряжение для стали будем брать при тех же условиях что и при расчете обечайки, объясняется это тем, что температура в межтрубном пространстве выше чем в трубном, это говорит о том что обечайка работает в более жестких условиях.

Данные для расчета:

Высота эллиптической части:

Давление при испытании: 

Высота цилиндрической части [1, стр. 440]: 

Расчет 

Расчет крышки и днища  аппарата производится согласно ГОСТ 52857.2-2007

Условие применимости формул:

Длина цилиндрической части  днища и крышки:

Радиус кривизны в вершине  крышки и  днища:

Расчетная рабочая толщина  стенки крышки и днища:

Расчетная толщина стенки крышки и днища при условиях испытания:

Находим расчетную толщину  стенки крышки и днища:

Допускаемое давление при  рабочих условиях:

Допускаемое давление при  условиях испытания:

В результате расчета днища  аппарата выяснилось, что при выбраной толщине стенки s=6 мм, крышка и днище теплообеменника выдержат рабочее давление до 2.1 МПа при рабочей температуре 20 С. в условиях испытания обечайка выдерживает давление до 2.1 МПа при температуре испытания 20 С.

Толщина плоской крышки Равна  толщине тарелки фланца для аппарата, также согласно сортаментом фланца определяются и ее размеры (диаметр, расположение отверстий, высота выступа и т.д.)

Расчет толщины  трубной решетки (согласно ГОСТ 52857.7-2007)

Для простоты сборки аппарата трубную решетку приварим к фланцу. Основным параметром влияющим на толщину  решетки является допускаемое напряжение на изгиб, так как решетка испытывает термические напряжения в следствии высокого перепада температур теплоносителей. Решетка рассчитывается на работу при тяжелых условиях, когда отключена подача холодного теплоностеля, а подача горячего остановить не удается, либо на это требуется большое количество времени.

Данные для расчета  трубной решетки:

Модуль упругости стали  по ГОСТ 52857.1-2007 :   

Момент инерции трубки:  

Расчетная толщина решетки, упрощенно считая что решетка подперта трубами, работающими на прдольный изгиб (худший случай), при k=4  если выполняется условие:

то толщина трубной решетки  считается следующим образом:

при испытании:

при рабочих условиях:  

 

Из найденных толщин выбираем максимальную толщину трубной решетки:

Сверяем расчетную толщину  решетки с сортаментом толщин по  ГОСТ19903-74, и находим истинную толщину трубной решетки (так  как толщина трубной решетки  не может быть менее12 мм):

Параметры трубной решетки:

Диаметр, мм:                    600

Толщина, мм:                    13

Шаг между трубками, мм:  32  

Толщины перегородок примем равными толщине обечайки поскольку они служат лишь для разделения потоков, и термические напряжения для них не опасны, как в случае с трубной решеткой.

 

Подбор опор для  аппарата.

Чтобы подобрать опоры  под аппарат, необходимо рассчитать вес аппарата.

Найдем массу аппарата:

Согласно ГОСТ 128821-80 фланцы имеют следующие массы:

Фланец с выступом для  соединения обечайки с крышками:

Фланец с впадиной для  соединения обечайки с крышками:

Фланец для штуцера  подачи азота:

Фланец  для штуцера отвода азота:

Фланец для штуцера  отвода рассола:

Фланец для штуцера  подачи рассола:

Суммарная масса фланцев:

Масса крышки и днища [1, стр. 440]:

Суммарная масса крышки и  днища:

Масса обечайки апарата:

Масса трубной решетки:

Масса одной трубной решетки:  

Суммарная масса трубных решеток:

Масса трубок:

масса одной трубки:

суммарная масса всех трубок:

Масса воды в полностью заполненном аппарате:

Масса аппарата:

Вес аппарата:

Число опорных лап примем равным 4, тогда нагрузка на одну лапу будет составлять:

Согласно сортаменту [1, стр 673] принимаем опоры с предельной силовой нагрузкой 40 кН.

 

P	L	L1	L2	B	B1	B2	b	b1	H	h	s	a	a1	a2	R	d	dб
кН	мм
40	170	190	160	185	125	135	40	105	285	24	10	30	50	50	18	35	24

 

 

Гидравлический  расчет

Расчет объемной производительности:

Расчет объемной производительности производится из уравнения объемного расхода:

в межтрубном пространстве:

В трубном пространстве:          

Гидравлическое сопротивление  в трубном пространстве:

Найдем относительную  шероховатость труб [2, стр. 12]:

Среднее значение шероховатости труб стальных цельнотянутых при незначительной коррозии:

Относительная шероховатость  труб:  

Коэффициент трения в шероховатых трубах рассчитывается по формуле:

Найдем сумму коэффициентов  местного сопротивления:

Входная и выходная камера:

Поворот жидкости на 180:    

Вход и выход из трубок: 

Расчет ведется согласно методике указанной в [2, стр. 55]

Суммарный коэффициент местного сопротивления:

Скоростное давление в  трубах:

Потеря давления на преодоление  трения в трубах:

Скоростное давление в  штуцерах: