Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Проектирование теплообменника типа ККВ

Введение

От эффективности работы технологического оборудования во многом зависит качество и объем выпускаемой продукции, а также безопасность производственного процесса.

Технологическое оборудование современного нефтегазоперерабатывающего предприятия представляет собой совокупность аппаратов, машин и вспомогательных устройств, предназначенных для осуществления основного технологического процесса и выполнения других функций, связанных с подготовкой, перемещением и иным воздействием на исходные, промежуточные, вспомогательные и конечные продукты.

Аппараты предназначены для осуществления в них физических, химических, физико-химических процессов – ректификации, абсорбции, адсорбции, растворения, теплообмена без изменения агрегатного состояния, испарения, конденсации, кристаллизации, химических реакций и т.д. В зависимости от назначения аппаратам присваивается название: ректификационная (абсорбционная) колонна, экстрактор, испаритель, ребойлер, подогреватель, кристаллизатор и т.д.

В большинстве процессов нефтегазопереработки используется нагрев исходного сырья, а также применяемых при его переработке растворителей, реагентов, катализаторов и др. Полученные в результате того или иного технологического процесса целевые продукты или полуфабрикаты обычно требуется охлаждать до температуры, при которой возможны их хранение и транспорт.

На современном нефтеперерабатывающем заводе, где осуществляется глубокая переработка нефти, на изготовление аппаратов, предназначенных для нагрева и охлаждения, затрачивается до 30% общего расхода металла на все технологические установки. Высокая эффективность работы подобных аппаратов позволяет сократить расход топлива и электроэнергии, затрачиваемой на тот или иной технологический процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические показатели. Поэтому изучению устройства и работы этих аппаратов, а также освоению методов их расчета необходимо уделять особое внимание.

Одним из базовых процессов в технологии нефтяной отрасли промышленности является процесс теплообмена. Теплообменные аппараты подразделяются в зависимости от назначения, вида теплоносителей, способа передачи теплоты. В соответствии с последним показателем их можно классифицировать на: поверхностные (рекуперативные), смесительные (контактные), и регенеративные. Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее значительную и важную группу теплообменных аппаратов. В поверхностных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, причем теплота передается через поверхность этой стенки. Если поверхность теплообмена в таких теплообменниках формируется из труб, то их называют трубчатыми.

Конденсаторы предназначены для конденсации сред в технологических процессах нефтяной, химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Конденсация в этих аппаратах является целевым процессом, а нагрев теплоносителя побочным.

Теплообменник с линзовым компенсатором на корпусе применяют при значительных относительных перемещениях кожуха, поскольку в нем толщина стенки компенсатора меньше толщины стенки корпуса, и он может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях

Конструирование химического оборудования необходимо производить с максимальным использованием стандартизованных и нормализованных узлов и деталей, проверенных в изготовление и хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации.

Конструкция аппарата или машины разрабатывается исходя из основных технических требований, предъявляемых к оборудованию, и условий его эксплуатации. К числу основных требований относятся назначение и среда, техническая характеристика (производительность, емкость), параметры технологического процесса (давление, температура).

Конструкция сосудов должна обеспечивать надежность, долговечность и безопасность эксплуатации в течение расчетного срока службы и предусматривать возможность проведения технического освидетельствования, очистки, промывки, полного опорожнения, продувки, ремонта, эксплуатационного контроля металла и соединений.

1 Характеристика аппарата (конструкция, размеры, назначение, рабочая среда, технические условия на изготовление)

Исходные данные:

Внутренний диаметр корпуса D_вн = 600 мм;

Диаметр и толщина труб d_тхS=25х2,5 мм;

Длина труб L_тр=3000 мм;

Число ходов – 4.

Давление трубное p₁ = 3,0 МПа;

Давление межтрубное p₂ = 2,5 МПа;

Температура трубной среды t₁ =70 ºС;

Температура межтрубной среды t₂ =130 ºС;

Материальное исполнение Б2 по ГОСТ 14244-79;

Конденсатор типа ККВ предназначен для конденсации сред в технологических процессах нефтяной, химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. ККВ – конденсатор вертикальный с температурным компенсатором на кожухе. Основные элементы и схема движения сред в теплообменнике показаны на рисунке 1.

Аппарат используется для конденсации водяного пара с использованием мазута.

1 – распределительная камера; 2 – кожух; 3 – днище эллиптическое;

4 – крышка распределительной камеры; 5 – опорные лапы; 6 – фланец; 7 – трубная решетка; 8 – линзовый компенсатор; А – вход мазута; Б – выход мазута; В – вход пара; Г – выход продукта

Рисунок 1 – Конденсатор типа ККВ

2 Выбор конструкционных материалов

При выборе конструкционного материала основными критериями являются его химическая и коррозионная стойкость в заданной среде. Обычно выбирают материал, абсолютно или достаточно стойкий в среде при ее рабочих параметрах, и к расчетным толщинам добавляют на коррозию соответствующие прибавки в зависимости от срока службы аппарата. Вместе с тем следует учитывать и другие виды коррозии (межкристаллитную, точечную, коррозионное растрескивание), которым подвержены некоторые материалы в агрессивных средах.

Другим критерием при выборе материала является расчетная температура стенок аппарата, а также, если эта температура является положительной, для аппаратов, устанавливаемых на открытой площадке или в неотапливаемом помещении, необходимо учитывать абсолютную минимальную зимнюю температуру наружного воздуха (для географического района установки аппарата), при которой аппарат может находиться под давлением или вакуумом.

Для данного аппарата, исходя из заданных технологических параметров и материального исполнения Б2, выбираем стали:

кожух – 16ГС+12Х18Н10Т (ГОСТ 10885-75);
распределительная камера – 16ГС (ГОСТ 5520-79);
теплообменные трубы – 12Х18Н10Т (ГОСТ 9941-72);
Трубная решетка – 12Х18Н10Т (ГОСТ 7350-77);
Крышка – 16ГС (ГОСТ 5520-79).

3 Определение расчетной температуры и расчетного давления

3.1 Определение расчетной температуры

Расчетная температура t_рас - это наибольшее значение температуры стенки сосуда и аппарата. Обычно t_рас принимают равной рабочей температуре, но не менее 20˚С, то есть:

t_рас = max{ t_раб , 20˚С }, (3.1)

t_рас1 = max{130˚С , 20˚С } = 130˚С,

t_рас2 = max{70˚С , 20˚С } = 70˚С,

где t_рас1 – расчетная температура в межтрубном пространстве;

t_рас2 – расчетная температура в трубном пространстве.

3.2 Определение расчетного давления для рабочих условий

Расчетное давление Р_расч – это давление, на которое производится расчет сосудов и аппаратов на устойчивость и прочность. Для рабочих условий определяется по формуле:

Р^t_рас = Р_{раб
i}, (3.2)

где Р_раб – рабочее давление в аппарате,

Р_раб1 =2,5 МПа – рабочее давление в межтрубном пространстве, Р_раб2 =3,0 МПа – рабочее давление в трубном пространстве.

3.3 Определение расчетного давления для условий испытания

Расчетное давление для условий испытаний определяется по формуле:

Р_рас = Р_пр, (3.3)

где Р_пр – пробное давление, которое рассчитывается по формуле:

Р_пр = 1,25· Р^t_рас, (3.4)

где [σ]_t – допускаемое напряжение материала аппарата (16ГС) при расчетной температуре, [σ]₁₃₀ = 151 МПа;

[σ]₂₀ – допускаемое напряжение материала аппарата при 20 ⁰С, [σ]₂₀=163 МПа.

Пробное давление в межтрубном пространстве:

Р_пр = 1,25·2,5·10⁶·163·10⁶/151·10⁶=3,5 МПа;

Р¹³⁰_рас = Р_пр1=3,5 МПа.

Пробное давление в трубном пространстве:

Р_пр = 1,25·3,0·10⁶·163·10⁶/151·10⁶=4,05 МПа;

Р⁷⁰_рас = Р_пр2=4,05 МПа.

4 Расчет деталей на прочность и подбор стандартных или унифицированных деталей

4.1 Расчет толщины стенки корпуса цилиндрической обечайки

Расчетная толщина стенки обечайки находится по формуле:

S_р =

, (4.1)

где р – давление в зависимости от условий нагружения; для рабочих условий – р_раб1=2,5 МПа (для кожуха), р_раб2=3,0 МПа (для распределительной камеры), для условий гидроиспытаний – р_пр1=3,5 МПа (для кожуха), р_пр2=4,05 МПа (для распределительной камеры);

D – внутренний диаметр аппарата;

φ – коэффициент прочности сварных швов.

Для кожуха:

для рабочих условий: S_р = =6,02 мм.

Для условий гидроиспытаний: S_р = =5,5 мм.

S_p=max{S^раб._р ; S^гидр._р}=max{6,02;5,5}=6,02 мм.

Исполнительная толщина обечайки сосуда, мм находится по формуле

S ≥ S_р + С, (4.2)

С = С₁+С₂+С₃, (4.3)

где С₁ – прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм:

С₁ =2 мм;

С₂ – прибавка для компенсации минусового предельного отклонения по толщине листа, мм:

С₂ = 0,8 мм;

С₃ - прибавка технологическая (компенсация утонения стенки при технологических операциях – вытяжке, штамповке, гибке труб и т.д.), мм:

С₃ = 0мм.

Тогда :

С = 2+0,8+0=2,8 мм

Дополнительная прибавка С₀ прибавка при округлении расчетной толщины S_р до стандартной толщины листа (в меньшую сторону не более чем на 3% расчетной толщины).

S = 6,02 + 2,8 = 8,82;

округляем до ближайшего стандартного значения S=10 мм.

Выбираем толщину стенки по ГОСТ 8732-78.

Проверяем условие применимости расчетных формул:

для обечаек и труб при D ≥ 200 мм,

(10 – 2,8) / 600 = 0,012 < 0,1.

Для распределительной камеры:

для рабочих условий: S_р = =6,02 мм.

Для условий гидроиспытаний: S_р = =5,5 мм.

S_p=max{S^раб._р ; S^гидр._р}=max{6,02;5,5}=6,02 мм.

Исполнительная толщина обечайки сосуда, мм находится по формуле

S ≥ S_р + С,

С₁ =2 мм;

С₂ = 0,8 мм;

С₃ = 0 мм.

С = 2+0,8+0=2,8 мм

S = 6,02 + 2,8 = 8,82;

округляем до ближайшего стандартного значения S=10 мм.

Выбираем толщину стенки по ГОСТ 8732-78.

Проверяем условие применимости расчетных формул:

для обечаек и труб при D ≥ 200 мм,

(10 – 2,8) / 600 = 0,012 < 0,1.

4.2 Расчет толщины стенки эллиптического днища

Расчетная толщина стенки эллиптического днища, мм:

S_р=

, (4.4)

Толщина стенки днища кожуха:

для рабочих условий: S_р = =6 мм.

для условий гидроиспытаний: S_р = =5,5 мм.

S_p=max{S^раб._р ; S^гидр._р}= max{6; 5,5}=6 мм.

Исполнительная толщина эллиптического днища кожуха, мм

S ≥ S_р + С, (4.5)

С = С₁+С₂+С₃,

где С₁ – прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм:

С₁ =2 мм;

С₂ – прибавка для компенсации минусового предельного отклонения по толщине листа, мм:

С₂ = 0,8 мм;

С₃- прибавка технологическая (компенсация утонения стенки при технологических операциях–вытяжке, штамповке, гибке труб и так далее),мм:

С₃ = 0,15·S_р мм,

С₃ = 0,15·6=0,9 мм,

С = 2 + 0,8+ 0,9 = 3,7 мм.

S = 6 + 3,7 = 9,7 мм округляем до ближайшего стандартного значения S=10 мм. Исходя из рекомендаций, толщину стенки кожуха и днища принимаем равной 10 мм [1]. Выберем стандартное эллиптическое днище по ГОСТ 6533-78 [6].

Параметры днища кожуха сведем в таблицу 1.

Таблица 1 - Параметры днища кожуха

D_В, мм	S, мм	h₁, мм	h_в, мм	F_ДН, м²	V_ДН, м³	m_ДН, кг
600	10	25	150	0,44	0,0352	28,3

Принятые в таблице обозначения:

D_в – внутренний диаметр эллиптического днища,

S – толщина стенки эллиптического днища,

h₁ – высота цилиндрической части эллиптического днища,

h_в – высота эллиптической части эллиптического днища,

F_дн – площадь внутренней поверхности днища,

V_дн – объем днища,

m_дн – масса днища.

Эскиз выбранного днища изображен на рисунке 2

Рисунок 2 – Эскиз эллиптического отбортованного днища

4.3 Расчет толщины стенки плоской крышки

Расчетная толщина плоской крышки, мм

(4.6)

где – коэффициент, учитывающий наличие отверстий в крышке, (без отверстий),

– средний диаметр прокладки,

– коэффициент, зависящий от конструкции крышки, для выбранной конструкции крышки, изображенной на рисунке 3,

По ГОСТ 15180-86 выбираем прокладку для D_у=600 мм и Р_рас=3 МПа.

Параметры прокладки занесем в таблицу 2.

Таблица 2 – Параметры прокладки

D_п, мм	d, мм	S, мм	материал
657	620	2	паронит

Рисунок 3 – Эскиз прокладки

Найдем средний диаметр прокладки:

Определим расчетную толщину крышки:

Исполнительная толщина крышки, мм

S ≥ Sр + С,

С = С1+С2+С3,

где С1 – прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм

С1 =2 мм;

С2 – прибавка для компенсации минусового допуска, мм

С2 = 0,8 мм;

С3 - прибавка технологическая (компенсация утонения стенки при технологических операциях – вытяжке, штамповке, гибке труб и так далее), мм

С3 = 0 мм,

С = 2 + 0,8 + 0 = 2,8 мм,

Принимаем S₁=50 мм.

Эскиз крышки приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Эскиз соединения крышки с фланцем кожуха

Толщину S₂ (рисунок 4) определим по выражению:

Принимаем S₂=36 мм.

Размер S₃ принимают конструктивно. Примем S₃=30 мм.

4.4 Выбор и расчет фланцевых соединений

В химических аппаратах для разъемного соединения составных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арматура и так далее. Фланцевые соединения должны быть прочными, жесткими, герметичными и доступными для сборки, разборки и осмотра. Фланцевые соединения стандартизованы для труб и трубной арматуры и отдельно для аппаратов.

Конструкцию стандартного стального фланца для данного аппарата выбираем в зависимости от расчетной температуры и условного давления (наибольшее рабочее давление) [1]. Так как Р_у = 4,0 МПа, то выбираем фланец для труб и трубной арматуры стальной приварной встык с соединительным выступом (ГОСТ 12821-80) (рисунок 3).

Основные размеры фланца сведем в таблицу 3.

Таблица 3 – Основные размеры фланца

Р_у,

МПа

Размеры, мм

Число отверстий z

D_у

D₁

D_n

D_m

D₂

4,0

200

375

320

222

250

285

Материал для данного фланца сталь 09Г2С выбираем в зависимости от рабочих условий (ГОСТ 12821-80).

Рисунок 5 – Конструкция стандартного стального приварного встык фланца с выступом

Выбираем конструкцию и материал прокладки (ГОСТ 15180-86) – плоская неметаллическая (из паронита), исполнение А [10].

Прокладка устанавливается между уплотнительными поверхностями и позволяет обеспечивать герметичность при относительно небольшом усилии затяжки болтов.

Прокладка должна отвечать следующим основным требованиям: при сжатии с возможно малым давлением заполнять все микронеровности уплотнительных поверхностей; сохранять герметичность соединения при упругих перемещениях элементов фланцевого соединения (для этого материал прокладки должен обладать упругими свойствами); сохранять герметичность соединения при его длительной эксплуатации в условиях воздействия коррозионных сред при высоких и низких температурах; материал прокладки не должен быть дефицитным.

Расчетные параметры прокладки (РД 26-15-88): m = 2,5, q = 20 МПа, [q] =130 МПа, Е_п = 2000 МПа [15].

4.4.1 Расчет фланцевых соединений

Расчетная температура элементов фланцевого соединения принимается t_ф = t = 130˚С, t_Б = 0,97· t = 0,97·130 ˚С=126˚С [1].

Допускаемые напряжения для болтов в зависимости от расчетной температуры и их материалов выбираем по ОСТ 26-373-78, [σ]¹²⁶ = 124 МПа;

[σ]²⁰ = 130 МПа.

Допускаемые напряжения для приварных фланцев для сечения S₀ (в месте соединения втулки с обечайкой) при р ≤ 4,0 МПа и числе циклов нагружения N≤2000

[σ_ф0] = 0,003·Е = 0,003·2,05·10¹¹ = 615 МПа.

Находим расчетные величины:

а) меньшая толщина конической втулки фланца:

; (4.7)

=11 мм;

б) большая толщина втулки фланца :

, (4.8)

=25 мм;

в) отношение большей толщины втулки фланца к меньшей

β =

(4.9)

;

Выбираем диаметр болтов принимаем d_Б = М27, [1].

Наружный диаметр прокладки:

D_п = D_Б – е, (4.10)

где е = 61 мм [1].

D_п =320 - 61 =259 мм.

Средний диаметр прокладки находится по формуле:

D_п.ср = (D_п+d_п)/2; (4.11)

где D_п, d_п – наружный и внутренний диаметры прокладки соответственно, D_п=259 мм, d_п=216 мм по ГОСТ 15180-86.

D_п.ср = (259+216)/2 = 237,5 мм.

Ширина прокладки определяется по формуле:

b_п=(D_п-d_п)/2 (4.12)

b_п=(259-216)/2=21,5 мм.

Эффективная ширина плоской прокладки находится по формуле:

; (4.13)

10,75 мм.

Определим вспомогательные величины:

; (4.14)

где l – длина втулки приварного встык фланца, l=46 мм.

а) коэффициент k находится по формуле:

( 4.15)

;

б) эквивалентная толщина втулки фланца находится по формуле:

s_Е = ks₀; (4.16)

s_Е =1,72·11=19мм.

в) безразмерный коэффициент λ находится по формуле:

λ = h /

, (4.17)

г) безразмерный параметр:

ω = [1 + 0,9·λ(1 + ψ₁ ·j²)]^-1, (4.18)

где j = h / s_E = 39/11=3,545;

k = D_Ф/D₅ =375/200=1,875;

ψ₁ = 1,28 · lgK = 1,28 · lg1,875=0,349.

ω = [1 + 0,9·0,831· (1 + 0,349 ·3,545²)]^-1 = 0,2.

д) Параметры ψ₂ ,Т определяем по следующим формулам:

, (4.19)

, (4.20)

Угловая податливость фланца находится по формуле:

у_ф=

, (4.21)

где Е_ф - модуль продольной упругости материала фланца,

Е_ф = 2,05·10⁵ МПа,

у_ф ₌ 17,6₁₀^-8(Н·м)^-1.

Линейная податливость прокладки находится по формуле:

у_п = s_п / (π ·D_п.ср·b_п·Е_п), (4.22)

где Е_п – модуль продольной упругости материала прокладки;

Е_п = 2000 МПа [1].

у_п = 2·10^-3 / (3,14·2375·10^-3·21,5·10^-3·2000·10⁶) = 6,24·10^-11м / Н.

Расчетная длина болта находится по формуле:

l_Б = l_Б0 +0,28

d, (4.23)

где l_Б0 – длина болта между опорными поверхностями головки болта и гайки, находится по формуле:

l_Б0=2h_ф+s_п; (4.24)

l_Б0=2 h_ф+s_п = 2·39+2=80 мм;

l_Б =80 + 0,28·30 = 88,4 мм.

Линейная податливость болтов находится по формуле:

у_Б = l_Б / (Е_Б ·f_Б·z_Б), (4.25)

где f_Б – расчетная площадь поперечного сечения болта по внутреннему диаметру резьбы, f_Б =4,45·10^-4 м² [1].