Теплообміник для охолодження сумішей метанол - вода
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ГОСПОДАРСТВА ТА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ
КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни:
,,Обладнання підприємств галузі”
на тему:
„Теплообміник для охолодження сумішей метанол - вода”
Виконав
студент гр.ІМ-4
Драганчук М.Б.
Керівник проекту
Дмитрук І.М.
Рівне 2013
ЗМІСТ
Вступ.........................
- Опис технологічної схеми підключення апарата…………………..…………..2
- Опис принципу роботи обладнання……………………………………………..5
2.1.Опис принципу роботи обладнання телообміника
для охолодження метанол вода……………………………………………………………………
2.2. Огляд конструкцій теплообмінників………………………………………
- Розрахунки……………………………………………………
……………………20 - Технітне обслуговування та ремонт обладнання…………………………........31
4.1. Ремонт кожухотрубного теплообмінека для охолодження метанол-вода...33
- Охорона праці та техніка беспекі………………………………………………. .34
5.1. Вентиляція……………………………………………………
5.2. Протипожежні заходи……………………………
5.3. Електро безпека………………………………………
5.4. Беспека житі
діяльності……………………………………………………
- Список використаної літератури……………………………………………………
……… 38
Вступ
Нагрівання й охолодження рідин і газів належать до найпоширеніших процесів у різних галузях харчової та нафто-газопереробної промисловості. Залежно від температурних та інших умов ведення процесу застосовують різноманітні методи нагрівання й охолодження. Для кожного конкретного процесу доводиться вибирати технологічно та економічно найдоцільніший метод нагрівання і відповідні теплоносії.
Апарати, призначені для нагрівання й охолодження, називаються теплообмінниками. За технологічним призначенням та конструктивним оформленням такі апарати досить різноманітні.
В основі теплообмінника лежить процес теплопередачі від гарячого теплоносія до холодного, рушійною силою теплового процесу є різниця температур між теплоносіями.
Так як харчові продукти дуже чутливі до змін температури, то розрахунок i підбір конструкції теплообмінника посідає важливе місце при проектуванні апаратів.
Отже, дана курсова робота спрямована на розрахунок оптимального варіанту елементного кожухотрубного теплообмыника який повинен забезпечити охолодження рідини до певної температури та з певною продуктивністю, з найменшими затратами на виготовлення теплообмінника та на його експлуатацію.
Теплообміном називають процес передачі теплоти від одного тіла до другого. Необхідною і достатньою умовою для теплообміну є різниця температур між цими тілами. Мірою теплообміну вважають кількість переданої теплоти.
Речовини, які беруть участь у процесі теплообміну, називають теплоносіями. Речовину з вищою температурою називають гарячим теплоносієм (водяна пара, гаряча вода, нагріте повітря, димові гази, гарячі мінеральні масла), а речовину з нижчою температурою – холодним (вода, повітря, ропа, аміак, фреони).
1.Опис технологічної схеми підключення апарату.
Ректифікацією називається мсообмінний процес розділення рідких гомогенних сумішей й летучих компонентів шляхом багатократного послідовно повторних процесів випаровування і конденсації.
Для практичної реалізації такого процесу необхідним умовами являєтиться те що парова і рідка фази до вступання в контакт між собою повинні находитись в нерівномірному стані. Оскільки тиск для фаз залишається однаковим постійним, то, відповідно температури фаз повинні бути різними. При контакті між фазами відбувається теплообмін: температура пара вище температури рідини, відповідно, пар конденсується і відає своє тепло рідині, яка в свою чергу випаровується. Так як система намагається досягти рівноваги, то температури утворюючих ся парів і рідин вирівнюються.
Подібне багаторазове контактування парів і рідин в практиці виконують в ректифікаційних колонах, об’єм яких заповнений контактними пристроями для формування поверхні контакту фаз. Як правило, ректифікаційні колони діють по принципу протитечії в цілому по всьому апарату, в той час як на кожній іншій ділянці формування поверхні контактна фаз, схеми взаємодії фаз можуть бути самими різноманітними. Для забезпечення не рівноважних станів пари і рідини в нижню частину колони підводиться теплота відбирається. Схема ректифікаційної установки безперервної дії для розділення бінарної суміші приведена на рис 2.1.
Вихідна суміш, з вмістом ниськокиплячого компонента Xf в кількості F поступає на живильну тарілку з температурою t. На живильній тарілці відбувається процес однократного випаровування (ОИ), в результаті якого утворюється парова фаза, збагачена ВК. Рідка фаза стікає з живильної тарілки вниз і поступає в куб колони, де відбувається інтенсивне випаровування. Утворений пар подається в низ колони і рухається на зустріч стікаючій рідині. На всьому шляху відбувається тепломасообмін між парою і рідиною, т.к. поступаючій на кожну тарілку пар має температуру більшу ніж рідина, поступаюча на цю тарілку зверху. В результаті
масообміну на виході із колони пар дистиляту вміщує головним образом ниськокипячий компонент, а рідина в кубі колони – в основному висококипячий компонент.
Рис.1.1. Схема ректифікаційної установкі бесперервної дії для розділення бінарних сумішей.
- ректифікаційна колона; 2- підігрівач вихідної суміші; 3 –дефлегматор; 4 – кип’ятильник (куб) колони; 5 –теплообміник.
Вихідна суміш, з вмістом ниськокиплячого компонента Xf в кількості F поступає на живильну тарілку з температурою t. На живильній тарілці відбувається процес однократного випаровування , в результаті якого утворюється парова фаза, збагачена ВК. Рідка фаза стікає з живильної тарілки вниз і поступає в куб колони, де відбувається інтенсивне випаровування. Утворений пар подається в низ колони і рухається на зустріч стікаючій рідині. На всьому шляху відбувається тепломасообмін між парою і рідиною, т.к. поступаючій на кожну тарілку пар має температуру більшу ніж рідина, поступаюча на цю тарілку зверху. В результаті
масообміну на виході із колони пар дистиляту вміщує головним образом ниськокипячий компонент, а рідина в кубі колони – в основному висококипячий компонент.
Вихідний пар дистиллята із колони підлягає процесу дефлегмації з подальшим розділенням потоку на продукти (Р) з вмістом НК Хр і рідку фазу, флегму в кількості (Ф) з вмістом НК Хф. Флегма подається зрошення колони з верху. Високій вміст НК в потоці флегми предоприділяє, що у верхній частині колони (від живильної тарілкі верх) відбувається, головним чином, укріплення парової фази ниськокипячим компонентом. По тій причині верхня частина колони називається укрипляючою або концентраційною. Нижня частина колони (від живильної тарілки вниз) називається вичерпуючою або відгоню частиною, тому що саме в цій частині проходить основнй відгон НК з рідини в пар. В самому випадку зрошені колони флегмою можуть виконувати по різним варіантам.
Однак з цілю упрощення розрахунків пропонується слідуючій варіант зрошення: пар дистиллята склад Уg поступає в дефлегматор, де проходить його повна конденсація і потім утворившийся конденсат розділяють на два потокі: гаряча флегма подається на зрошення, а та котра залишилася частина конденсата, проходить через холодильник, виводиться з установкі і поступає у вигляді готового продукту Р з вмістом НК Хр в рефлексною ємкість. Вихідна суміш в кількості F з вмістом НК Хf може подаватися на живильну тарілку в колону в різних станах і при різноманітній темпертурі. Частіше всього вихідна суміш перед цім підігрівається в теплообмінику до температури кіпіня і подається у вигляді кипячої рідини.
2.Опис принципу роботи обладнання
2.1 Опис принципу роботи теплообмінника для охолодження суміші метанол-вода
Двоходовий горизонтальний теплообмінник типу Н (рис. 2.1) складається з циліндричного зварного кожуха 8, розподільної камери 11 і двох кришок 4. Трубний пучок утворений трубами 7, закріпленими в двох трубних гратах 3. Трубні решітки приварені до кожуха. Кришки, розподільна камера і кожух з'єднані фланцями. У кожусі і розподільної камері виконані штуцера для введення і виведення теплоносіїв з трубного (штуцера 1, 12) і міжтрубного (штуцера 2, 10 просторів. Перегородка 13 в розподільчій камері утворює ходи теплоносія по трубах. Для герметизації вузла з'єднання подовжній перегородки з трубної гратами використана прокладка 14, укладена в паз решітки 3.
Рис. 2.1. Двоходовий горизонтальний теплообмінник з нерухомими гратами
Оскільки інтенсивність тепловіддачі при поперечному обтіканні труб теплоносієм вище, ніж при поздовжньому, в міжтрубному просторі теплообмінника встановлені зафіксовані стяжками 5 поперечні перегородки 6, забезпечують зигзагообразное по довжині апарату рух теплоносія в міжтрубному просторі. На вході теплообмінної середовища в міжтрубний простір передбачений відбійник 9 - кругла або прямокутна пластина, що оберігає труби від місцевого ерозійного зношування.Кожухотрубчасті конденсатори призначені для конденсації пари в міжтрубному просторі, а також для підігріву рідин і газів за рахунок теплоти конденсації пари. Вони можуть бути з нерухомою трубної гратами або з температурним компенсатором на кожусі, вертикальні або горизонтальні. Відповідно до ГОСТ 15121-79, конденсатори можуть бути двох-, чотирьох-і шестіходовимі по трубному простору. Від холодильників вони відрізняються великим діаметром штуцера для підведення пари в Міжтрубний простір.Для відведення конденсату і запобігання проскакування пара в лінію відводу конденсату теплообмінні апарати, що обігріваються насиченою водяною парою, повинні забезпечуватися конденсатовідвідники.
2.2 Огляд конструкцій теплообмінників
Кожухотрубні теплообмінники через простоту конструкції та надійність є на
сьогоднішній день найпоширенішими апаратами серед рекуперативних теплообмінників, що використовуються у промисловості. У промисловості теплообмінні апарати застосовують для нагрівання „гарячим” теплоносієм „холодного” та охолодження або нагрівання різних речовин до заданих параметрів. Гарячим теплоносієм прийнято називати робоче тіло, яке віддає теплоту, а холодним теплоносієм – речовину, що сприймає цю теплоту. В якості гарячого теплоносія (у відповідності до умови завдання) було обрано
насичену пару низького тиску,а в якості холодного – водний розчин солі, кислоти або технічну воду.
Кожухотрубний теплообмінний апарат, який складається з пучка труб, закріплених в трубних решітках та обмежених кожухом,кришками тощо. Трубний та міжтрубний простори, в яких рухаються гарячий та холодний теплоносії, відокремлені один від одного поверхнею теплообміну, причому кожен із цих просторів може бути розділено перегородками на декілька ходів. Отже, теплообмінний апарат складається з кожуху , в якому розміщена трубчатка , яка в свою чергу складається з двох трубних решіток та пучка труб , які з’єднуються з трубними решітками за допомогою розвальцювання чи зварювання. Для підведення
та відведення теплоносіїв (насичена пара, конденсат, водний розчин) аппарат оснащено патрубками чи штуцерами. З торців апарат обмежено кришками . З метою підтримання потрібної швидкості теплоносіїв (для забезпеченнявисоких коефіцієнтів тепловіддачі) та для зменшення вібрації трубного пучка втеплообмінному апараті встановлено перегородки, які розділяють трубний та міжтрубний простори на секції, при цьому забезпечується певна послідовність проходження теплоносіїв, як у трубному, так і у міжтрубному просторах. Для приєднання частин трубопроводів, арматури до патрубків вводу виводу теплоносіїв та для з’єднання окремих вузлів апарата використовують фланці. Крім того, для надійної та безпечної роботи при з’єднанні вузлів апарата застосовують ущільнювальні прокладки. Теплообмінний апарат на місці експлуатації встановлюють на опори.
Ще одним важливим елементом конструкції апарата є температурні компенсатори (не зображено на рисунку), які призначені для зменшення додаткових напружень, які виникають в місцях з’єднання частин апарата, що мають різні температури (особливо важливим є з’єднання труб з трубною решіткою). Тому, теплообмінні апарати в яких, різниця температур кожуха та труб буде більшою 50-60 °С, потребують наявності температурних компенсаторів, а апарати, в яких, температурний перепад менше вищезгаданого, мають жорстку конструкцію з нерухомою трубною решіткою. В подальшому будемо розглядати лише теплообмінники з нерухомою трубною решіткою. Вони, як правило, використовуються в тих випадках, коли нема необхідності в механічному очищенні міжтрубного простору. Тому, у трубний простір завжди подають рідину, яка при нагріванні може виділяти нерозчинний осад на стінках труб, а в міжтрубний простір подають чисту рідину або пару.
Найбільш широке поширення
одержали кожухотрубчасті теплообмінні
апарати, використовувані для
Кожухотрубчасті теплообмінні апарати можуть використовуватися в якості теплообмінників, холодильників, конденсаторів і випарників.
Теплообмінники призначені для нагрівання й охолодження, а холодильники – для охолодження (водою або іншим нетоксичним, непожарой невибухонебезпечним холодоагентів) рідких і газоподібних середовищ. Кожухотрубчасті теплообмінники та холодильники можуть бути двох типів: Н - з нерухомими трубними гратами і К - з лінзовим компенсатором неоднакових температурних подовжень кожуха і труб. Найбільша допустима різниця температур кожуха і труб для апаратів типу Н може становити 20 - 60 градусів, в залежності від матеріалу кожуха і труб, тиску в кожусі і діаметра апарата.
Теплообмінники можуть встановлюватися горизонтально або вертикально, бути одно-, двох-, чотирьох-і шестіходовимі по трубному простору. Труби, кожух та інші елементи конструкції можуть бути виготовлені з вуглецевої або нержавіючої сталі. Розподільні камери і кришки холодильників виконують з вуглецевої сталі.
Кожухотрубчасті конденсатори призначені для конденсації пари в міжтрубному просторі, а також для підігріву рідин і газів за рахунок теплоти конденсації пари. Вони можуть бути з нерухомою трубної гратами або з температурним компенсатором на кожусі, вертикальні або горизонтальні. Конденсатори можуть бути двох-, чотирьох-і шестіходовимі по трубному простору.
У кожухотрубчасті випарниках в трубному просторі кипить рідина, а в міжтрубному просторі може бути рідкий, газоподібний, пароподібний, парогазовий або парожидкостной теплоносій. Ці теплообмінники можуть бути тільки вертикальними Одноходовий, з трубками діаметром 25X2 мм. Вони можуть бути з нерухомою трубної гратами або з температурним компенсатором на кожусі.
Теплообмінники з
Якщо температурні напруги, що виникають у стінках теплообмінника або трубках,виявляються більшими, то необхідно передбачати температурну компенсацію. Теплообмінник з лінзових компенсаторів (Рис.2.2) на корпусі. У цьому апараті температурні деформації компенсуються осьовим стисненням або розширенням компенсатора. Теплообмінники з лінзовими компенсаторами застосовують при невеликих температурних деформаціях (не більше 13-15 мм) і невисоких тисках в міжтрубному просторі (не більше 0.5 МПа).Для круглих
елементів апаратів, діаметр яких перевищує 100 мм, зазвичай застосовують лінзові компенсатори, які складаються з однієї і більше лінз.Лінзи виконують штампованими або з кільцевого тора, виконаного з прорізом, розрізними або
зварними хвилеподібної форми.
2.2.Теплообміник з лінзовим
Одна лінза компенсує невеликі температурні деформації (4 - 5 мм), набір лінз (не більше чотирьох) дозволяє компенсувати деформації до 15 мм.Лінзові компенсатори застосовують у вертикальних і горизонтальних апаратах і трубопроводах при надлишковому тиску, що становить не більше 1.6 МПа.
Застосування кожухотрубчасті
теплообмінників з
Теплообмінники з плаваючою головкою
Кожухотрубчасті теплообмінників з плаваючою голівкою, призначеної для охолодження (нагрівання) рідких або газоподібних середовищ без зміни агрегатного стану. Чи не закріплена накожухе друге трубна решітка разом з внутрішньою кришкою, що відокремлює трубне простір від межтрубного, утворює так звану плаваючу головку Така конструкція виключає температурні напруги в кожусі і в
трубах. Ці теплообмінники, нормалізовані у відповідності з ГОСТ 14246-79, можуть бути двох-або чотирьохходовий, горизонтальними довжиною 3, 6 і 9 м або вертикальними заввишки 3 м.
Рис 2.3. - кожухотрубчасті теплообмінник з плаваючою головкою
Рис. 3.4. Кожухотрубчасті
теплообмінник з плаваючою
Кожухотрубчасті конденсатори із плаваючою головкою (ГОСТ 14247-79) відрізняються від аналогічних теплообмінників великим діаметром щтуцера для підведення пари в Міжтрубний простір. Допустимий тиск охолоджувальної середовища в трубах до 1,0 МПа, в міжтрубному просторі - від 1,0 до 2,5 МПа. Ці апарати можуть бути двох-, чотирьох-і шестіходовимі по трубному простору. Діаметр кожуха від 600 до 1400 мм, висота труб 6,0 м.Теплообмінники з постійним діаметром по всій довжині зручні при збірці. Збірка теплообмінників зі змінним по довжині діаметром утруднена, так як плаваючу головку (за габаритними розмірами) в зібраному вигляді неможливо помістити в кожух без трубчатки.Теплообмінники з
постійним діаметром не мають цього недоліку, оскільки плаваючу головку можна збирати і розбирати поза і всередині кожуха. Крім того, теплообмінники з постійним діаметром по довжині переважніше теплообмінників зі змінним діаметром тому, що
при очищенні їх
міжтрубному простору не
Рис. 2.4. Теплообмінник з плаваючою головкою
Для ефективної роботи теплообмінника бажано, щоб середня частина була виконана з найменшим діаметром; при цьому забезпечується найбільша швидкість продукту і, отже, створюються оптимальні умови для теплопередачі. Це і є причиною виготовлення теплообмінників зі змінним діаметром по довжині. Однак зменшувати діаметр середньої частини апарату має сенс лише при значних розмірах плаваю щей головки. При застосуванні малогабаритної плаваючої головки відпадає необхідність у виготовленні теплообмінників змінного діаметру. Малогабаритна плаваюча головка вільно розташовується і в найменшому перерізі кожуха.
Теплообмінники з U-подібними трубами
Теплообмінники з U-подібними трубами (тип У). У кожухотрубчасті апаратах цієї конструкції забезпечується вільний подовження труб, що виключає можливість
виникнення температурних напружень.Такі апарати (рис. 2.4) складаються з кожуха 2 і трубного пучка, який має одну трубну грати 3 і U-подібні труби 1. Трубна решітка разом з розподільною камерою 4 кріпиться до кожуха апарату на фланці.
Рис.2.4. - кожухотрубчасті теплообмінник з U образними трубами
1 - розподільна камера, 2 - кожух, 3 - теплообмінні труби, 4 - перегородка з сегментним вирізом, 5 – штуцер
Для забезпечення роздільного введення і виведення циркулюючого по трубах теплоносія в розподільчій камері передбачена перегородка 5.Теплообмінники типу У є двоходовий по трубному простору і одно-або двоходовий по міжтрубному просторі. В останньому випадку в апараті встановлена поздовжня перегородка, яку видобувають із кожуха разом з трубним пучком. Для виключення перетікання теплоносія в зазорах між кожухом апарату і перегородкою біля стінки кожуха встановлюють гнучкі металеві пластини або прокладку з прогумованого азбестового шнура, покладену в паз перегородки.В апаратах типу У забезпечується вільне температурне подовження труб: кожна труба може розширюватися незалежно від кожуха і сусідніх труб.Різниця температур стінок труб по ходах в цих апаратах не повинна перевищувати 100 ° С. В іншому випадку можуть виникнути небезпечні
температурні напруги в трубній решітці внаслідок температурного стрибка на лінії стику двох її частин.Перевага конструкції апарату типу В - можливість періодичного вилучення трубного пучка для очищення зовнішньої поверхні труб або повної заміни пучка.
Однак слід зазначити, що
зовнішня поверхня труб в цих апаратах
незручна для механічного очищення.
Теплообмінники з U-подібними трубами застосовують для нагрівання й охолодження рідких або газоподібних середовищ без зміни їх. Агрегатного стану. Вони розраховані на тиск до 6,4 МПа, відрізняються від теплообмінників з плаваючою голівкою менш складною конструкцією (одна трубна решітка, немає внутрішньої кришки), однак можуть бути лише двоходовий, з труб тільки одного сортаменту: 20х2 мм. Поверхні теплообміну і основні параметри цих теплообмінників наведені в ГОСТ 44245-79.
Апарати теплообмінні з прямою тепловіддачеюУ змішувальних (контактних) теплообмінниках теплообмін відбувається при безпосередньому зіткненні теплоносіїв. До змішувальним теплообмінникам відносяться, наприклад, градирні.
Теплообміник типу «труба в трубі»
використовують головним чином для охолодження або нагрівання в системі рідина-рідина, коли витрати теплоносіїв невеликі і останні не змінюють свого агрегатного стану. Іноді такі теплообмінники застосовують при високому тиску для рідких і газоподібних середовищ, наприклад, в якості конденсаторів у виробництві метанолу, аміаку та інДвотрубні теплообмінники по ГОСТ 9930-78 виготовляються з площею поверхні теплообміну від 0.5 до 93 м. Апарати являють собою набір послідовно з'єднаних елементів, що складаються з концентрично розташованих труб (рис. 2.4)
Рис.2.5. Теплообмінник типу «труба в трубі"
Один теплоносій рухається по внутрішнім трубах 1, інший - по кільцевому зазорі між внутрішніми і зовнішніми 2 трубами. Внутрішні труби 1 з'єднуються за допомогою калачів 5, а зовнішні - c допомогою сполучних патрубків 3. Довжина елемента теплообмінника типу "труба в трубі" зазвичай становить 3 - 6 м, діаметр зовнішньої труби - 76 - 159 мм, внутрішній - 57 - 108 мм.
Оскільки перетину внутрішньої
труби і кільцевого зазору невеликі,
то в цих теплообмінниках
У розбірних конструкціях теплообмінників забезпечується компенсація деформацій теплообмінних труб. На рис. 3.8 показана конструкція розбірного багатопотокового теплообмінника «труба в трубі», що нагадує кожухотрубчасті теплообмінника типу У. Апарат складається з кожухових труб 5, развальцованних в двох трубних гратах: середньої 4 і правої 7. Усередині кожухових труб розміщені теплообмінні труби 6, один кінець яких жорстко пов'язаний з лівої трубної гратами 2, а інший - може переміщатися. Вільні кінці теплообмінних труб попарно з'єднані колінами 8 і закриті камерою 9. Для розподілу потоку теплоносія по теплообмінним трубах служить розподільна камера 1, а для розподілу теплоносія в міжтрубному просторі - розподільна камера 3. Пластинами 11 кожухові труби жорстко пов'язані з
опорами 10.
Теплообмінник має два ходи по внутрішнім трубах і два по зовнішнім. Вузли з'єднання теплообмінних труб з трубною решіткою (вузол I) і з колінами (вузол II) ущільнені за рахунок притиску і деформації полушаровой ніпелів в конічних гніздах.Ці апарати можуть працювати із забрудненими теплоносіями, так як внутрішню поверхню теплообмінних труб можна піддавати механічному очищенню.
(див рис.2.6.)
Рис. 2.6. Розбірний двохпоточний теплообмінник типу «труба в трубі"
Оскільки можливість
температурних подовжень
Включенням і відключенням окремих секцій стає можливим регулювати обігрів або охолодження. Крім того, матеріал приварюється змійовиків може бути відмінним (більш дешевим) від матеріалу корпусу апарату.
Апарвти з подвійними стінками (сорочки)
Використовують у хімічній промисловості як обігріваються (охолоджувані) судини для проведення хімічних реакцій. Як правило, вони працюють під надлишковим тиском в залежності від характеру технологічного процесу носять