Тепловой расчет теплообменника



Технологический раздел

Технологическая схема и ее описание

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
1
КР 01.00 ПЗ  
Разраб.
Коритич Н.В.
Пров.  
 
Конс.
 
Н.контр.
 
Утв.
 
  Технологический раздел
Лит.
Листов
2
71206618000 БГТУ, 2018  


Технологическая схема промышленного производства дихлорэтана показана на рис. 1.1.В трубчатый реактор 1 подают этилен, хлорид водорода и воздух; при 483-533 К происходит реакция в присутствии катализатора хлорида меди, нанесенного на оксид алюминия или алюмосиликат. Применяется небольшой избыток этилена. В закалочной колонне 2 отделяют НСl, из которого получают кислоту. Инертные газы уходят из верхней части сборника 8, верхний слой из которого поступает в колонну 2; хлорсодержащий продукт нейтрализуют и промывают в колонне 4, а затем разделяют на легкую фракцию и дихлорэтан в колоннах 5 и 6 (секция ректификации). Кубовые остатки отводят. В колонне 5 происходит также осушка влажного дихлорэтана азеотропной перегонкой.

Рисунок 1.1. – Принципиальная схема получения 1,2 дихлорэтана оксихлорированием этилена [1]

1 - реактор; 2 - закалочная колонна; 3 - холодильник; 4 – нейтрализатор; 5, 6 – ректификационные колонны; 7 – насос; 8 – сборник; 9 - кипятильник.

Потоки: I –этилен; II –хлорид водорода; III – воздух; IV – продукт на абсорбцию; V – сточные воды; VI – вода; VII – NaOH; VIII – легкая фракция;IX – 1,2-ДХЭ; X – кубовые остатки.

 

 

 

У

 


1.2 Сводная таблица материального баланса процесса по потокам

   Материальный баланс процесса окислительного хлорирования 1,2-дихлорэтана приведен в таблице 1.1:

 

Таблица 1.1 – Материальный баланс стадии окислительного хлорирования 1,2 – дихлорэтана.

Входит кмоль/ч кг/ч Выходит кмоль/ч кг/ч
Технический этилен (поток 1):     Продукты реакции (поток 4)    
СН4 4,52 72,32 Сl2 1,541 100,1
С2Н4 369,07 10333,96 N2 1079,29 30192,12
С2Н6 2,99 89,7 О2 57,05 1825,6
С3Н6 0,019 0,8 СО 13 364
Итого… 376,6 10496,8 СО2 27,32 1202,08
Технический хлороводород (поток 2):     HCl 7,61 277,8
Сl2 1,541 100,1 H2О 387,94 6982,92
H2 3,31 6,6 СН4 4,52 72,32
N2 5,21 145,9 С2Н4 7,75 217
HCl 691,56 25241,9 С2Н6 4,68 140,4
С2Н6 1,69 50,7 С3Н6 0,019 0,8
С2Cl4 0,7 116,2 С2Cl4 0,81 134,46
С2H4Cl2 0,63 62,4 С2H4Cl2 340,27 33686,73
Итого… 704,5 25723,8 CCl3 CНО 0,87 128,3
Воздух (поток 3)     CНСl=CCl2 0,54 71,01
N2 1073,08 30046,33      
О2 285,25 9128      
Итого… 1358,33 39174,33      
Всего… 2439,43 75394,93 Всего… 1933,21 75394,93

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
1
КР 02.00 ПЗ  
Разраб.
Коритич Н.В.  
Пров.  
 
Кон   с.
 
Н.контр.
 
Утв.
 
Механические расчеты отдельных узлов и деталей основного аппарата
Лит.
Листов
9
71206618000 БГТУ, 2018  
     2. Механические расчеты отдельных узлов и деталей основного аппарата

Принимаем к расчету реактор с внутренним диаметром обечайки

Dу = 3200мм (ГОСТ 9617 – 76) и толщиной футеровки 100 мм.

Диаметр реактора (в футеровке):

Dф = 3200 – 2 · 100 = 3000мм

Площадь сечения реактора:

S1 = 0,785·Dф2 = 0,785·32 = 7,1м2.

Технологический режим:

Температура процесса 220 °С;

Давление в реакторе 0,4 МПа.

Характеристика катализатора:

Средний диаметр частиц катализатора 144 мкм;

Плотность катализатора (кг/м3):

Частиц ρ = 1750; насыпная ρ н = 1050.

Для заданной производительнсти используется три реактора.

Расчет толщины обечайки

Выбор марки стали проводим на основе допустимой скорости коррозии, которая должна быть меньше или равной 0,1 мм/год для заданной среды и условий, имеющихся в аппарате.

Для корпуса, где средой является дихлорэтан, а температура корпуса составляет 220 0С, выбираем сталь 08Х18Н10Т [1]. Для этой стали при заданной температуре допускаемое напряжение составляет: [σ]=137МПа [4], скорость коррозии равняется 0,1 мм/год [2].

Толщину стенки корпуса аппарата под внутренним давлением определяем по формуле:

                     (2.1)

где D - наружный или внутренний диаметр обечайки, м;

Р – внутреннее избыточное давление, МПа;

 - допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, МПа;

 - коэффициент, учитывающий ослабление обечайки из-за сварного шва, (для стали =1, т.к. берем обечайку, изготовленную из бесшовной трубы);

ск – запас на коррозию, мм;

сокр – прибавка округления толщины детали до номинального размера, мм.

 

 

У

 


Принимаем толщину обечайки 11 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитываем по формуле:

,                                                                   

Проверяем условие :

 - условие соблюдается.

Вывод: В результате произведённых расчётов и полученных результатов принимаем толщину стенки цилиндрической обечайки 11 мм.

Расчет толщины днища

Исполнительная толщина стенки эллиптического отбортованного днища определяется по формуле 1.17 [5, с 20]:

                                           (2.2)

где φ = 1 - для днищ, изготовленных из цельной заготовки;

D - внутренний диаметр, D = 3,2 м;

м.                                                (2.3)

Проверяем применимость формулы для нахождения Sэ:

(Sэ - С)/D < 0,125

(0,007 – 0,002)/3,2 = 0,00156 < 0,125

Исполнительная толщина днища должна быть не меньше исполнительной толщины обечайки. Принимаем толщину днища s = 11 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление:

МПа.                  (2.4)

Проверяем условие :

 - условие соблюдается.

Вывод: В результате произведённых расчётов и полученных результатов принимаем толщину эллиптического днища 11 мм.

 

Расчет штуцеров, фланцев

Присоединение трубопроводов к аппарату осуществляется с помощью штуцеров.

В один реактор из трех согласно технологической схеме входят следующие потоки:

1) Технический этилен (поток I) в количестве 376,6:3 = 125,53 кмоль/ч = 0,0349 кмоль/с;

2) Технический хлороводород (поток II) в количестве 704,5 : 3 = 234,83 кмоль/ч =

= 0,0652 кмоль/с;

3) воздух (поток III) в количестве 1358,33: 3 = 452,77 кмоль/ч = 0,126 кмоль/с.

Из реактора выводится продукты реакции в количестве 1933,21 : 3 = 644,40 кмоль/ч = 0,179 кмоль/с.

 Рассчитаем объемный расход газов в условияхв реакторе по формуле

                                                                                                      (2.5)

где 22,4 – объем 1 кмоля газа в стандартных условиях, м3;

Т0, Р0 – соответственно стандартные температура и давление (Т0 = 273 К, Р0 = 0,101325 МПа);

Т, Р – соответственно температура (в К) и давление (в Па) в реакторе.

N – мольный расход газа, кмоль/ч

Этилен вводится в реактор при температуре 125 оС, тогда

м3

Диаметр штуцеров рассчитываем по формуле:

                         ,                                                               (2.6)

где V – объемный расход смеси, м3/с;

ω – скорость среды в штуцере, м/с;

        Тогда диаметр штуцера ввода этилена равен:

Принимаем стандартный штуцер внутренним диаметром 150 мм [5].

Технический хлороводород вводится в реактор при температуре 160 оС, тогда

м3

   Тогда диаметр штуцера ввода технического хлороводорода равен:

Принимаем стандартный штуцер внутренним диаметром 200 мм [5].

Воздух вводится в реактор при температуре 150 оС, тогда

 

 

м3

Тогда диаметр штуцера ввода воздуха равен:

Принимаем стандартный штуцер внутренним диаметром 300 мм [5].

Продукты реакции выводятся из реактора при температуре 220оС, тогда

м3

Тогда диаметр штуцера для вывода продуктов реакции равен:

Принимаем стандартный штуцер внутренним диаметром 350 мм [5].

В химических аппаратах для разъемного соединения составных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения преимущественно круглой формы. 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. Конструкции стандартных стальных фланцев для труб и арматуры показаны на

рисунке 1.1:

Рисунок 2.1– Типы фланцев

а – стальной приварной к корпусу; б – приварной встык с плоской поверхностью; в – приварной встык с выступом и впадиной; г – приварной встык с шипом и пазом (1:2,5 – рекомендуемый угол конусности)

 

Выбираем фланцы приварные встык с выступом и впадиной.

Основные размеры подобранных фланцев к штуцерам в таблице 2.1. (табл. 13.3, стр. 217 [4]).

 

Таблица 2.1 – Основные размеры подобранных фланцев к патрубкам (мм)

Патрубок Dу Dф Dб Н h d Z
1 150 260 225 46 15 18 8
2 200 315 280 53 17 18 8
3 300 435 395 54 18 23 12
4 350 485 445 54 18 23 12

 

Выбираем конструкцию и материал прокладки по рекомендациям по выбору прокладок, ОСТ 26-373-78.

Выбираем прокладку плоскую, которая рассчитана на Ру> 2,5 МПа, и температуры от –200 до 300.

Материал прокладок − паронит ПОН ГОСТ 481-80.

Прокладка устанавливается между уплотненными 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.

 

Расчет укрепления отверстий

Определение расчетных размеров:

Определение расчетного диаметра днища для цилиндрической обечайки:

м 

Диаметр отверстия штуцера мм по табл. 10.2, стр. 179, [4].

Расчетная толщина обечайки (по п. 1.2):

        Расчетная толщина штуцера                              

                            ,                                         (2.7)

где d – проходной диаметр штуцера, м,

p – внутреннее избыточное давление, МПа,

 - допускаемое напряжение на растяжение для материала штуцера, МН/м

( ),

 - коэффициент, учитывающий ослабление штуцера из-за сварного шва, (для стали =1, т.к. берем штуцер, изготовленную из бесшовной трубы ,

  с – запас на коррозию, мм.

 

м,

Принимаем толщину штуцера равной 10 мм (табл. 10.2, стр. 175 [4]).

Ширина зоны укрепления в эллиптическом днище

                          ,                                                     (2.8)

где - реальная толщина днища, м.

м

Диаметр отверстия, не требующего укрепления

                         ,                                (2.9)

м.

SR = 0,0107 м– расчетная толщина цилиндрической обечайки аппарата (из п.1.2)

< - укрепление необходимо.

Определение возможности укрепления отверстия избыточным металлом:

Расчетная площадь вырезанного сечения

                                    ,                                    (2.10)

 м2

Расчетная площадь укрепляющего сечения укрепляемой стенки

                              ,                                             (2.11)

где    b1R – расчетная ширина зоны укрепления

                             ,                                                     (2.12)

- расстояние от наружной стенки штуцера до ближайшего несущего конструкционного элемента на укрепляемом элементе

                          ,                                                (2.13)

- исполнительная толщина штуцера, м. При этом необходимо, чтобы соблюдалось условие 0,7S≤s1≤ 1,45S.

Примем утолщенный штуцер: 

Dу = 350 мм, d = 412, s = 25 мм, H = 370 мм (табл. 10.4, стр. 179, [4]);

 м,

м,

Следовательно,

,

Расчетная площадь укрепляющего сечения внешней части штуцера

   ,                                                        (2.14)

 - расчетная длина внешней части штуцера, участвующего в укреплении

,                                                    (2.15)

мм принимаем конструктивно (по чертежу)

м

 м2

Укрепление избыточным металлом произойдет, если выполнится условие:

,

>  - условие выполнилось.

Расчет опор аппарата

Химические аппараты устанавливают на  фундаменты или специальные несущие конструкции с помощью опор.

Рис. 2.2 – Общий вид опоры

 Для расчета опоры аппарата необходимо знать массу аппарата.

Масса аппарата находится по формуле:

                                                  (2.16)

где ткр – масса крышки аппарата, кг,

   тоб – масса средней части аппарата, кг,

   ткат  – масса катализатора, кг,

   mтр – масса труб змеевика, кг,

   mфут – масса футеровки, кг,

 

Массу крышки аппарата находим по формуле:

                                                        (2.17)

где D - диаметр крышки, м,

  s – толщина крышки, м,

  Н – высота крышки, м

  ρст – плотность стали, для стали плотность равна 7850 кг/м3 (табл. II, стр. 510, [8]), тогда

          кг.

Масса обечайки аппаратаравна:

                                                                       (2.18)

где D - диаметр обечайки, м,

  s – толщина обечайки, м,

  Н – высота обечайки, м,

  ρст – плотность стали, кг/м3, для стали плотность равна 7850 кг/м3 (табл. II, стр. 510, [8], тогда

    кг.

Масса катализатора

                                                                                    (2.19)

где V – объем катализатора, м3. Объем катализатора равен 88,7 м3.

ρна с– насыпная плотность катализатора, кг/м3. Для катализатора насыпная плотность равна 1,050 кг/м3, тогда

                                  кг.

Масса труб змеевика равна:

                                                                    (2.20)

где n – количество труб, шт, равно 327;

d – диамет  труб, м, равен 0,122 м;

  s – толщина труб, м, равна 0,002 м:

  Нтр – высота труб, м, равна 14,4 м.

  ρст – плотность стали, кг/м3, для стали плотность равна 7850 кг/м3 (табл. II, стр. 510, [8], тогда

                         

Массу  распределительной решетки  принимаем равной 250 кг.

Масса футеровки аппаратаравна:

                                                             (2.21)

где Dфут - диаметр футеровки, м,

  s – толщина футеровки, м,

  Н – высота обечайки, м,

  ρст – плотность торкретбетона, кг/м3, для бетона плотность равна 2300 кг/м3 (табл. II, стр. 510, [8], тогда

    кг.

Следовательно, масса всего аппарата в рабочем состоянии будет равна:

                кг.

В рабочем состоянии нагрузка на опору составит:

                

При гидроиспытаниях аппарат наполняется водой. Масса воды при гидроиспытаниях:

mв = 1000· 0,785 · D2 · H = 1000·0,785·3,22·14,4 = 115752 кг

Тогда максимальная нагрузка на опору равна:

                                                                                           (2.22)             

               

Следовательно, по табл. 14.11, стр. 288 [5] выбираем опору цилиндрическую с Qmax = 2,5 МН.

Минимальная нагрузка на опору равна (рассчитывается для аппарата без внутреннего оборудования):

                                                                                          (2.23)

где g – ускорение свободного падения.

                                               

 

Таблица 2.2 – Основные размеры опор (тип 3, Q = 2,5 МН)

D D1 D2 D3 s1 s2 s3 d dБ число болтов Z
3200 3050 3420 3560 10 25 20 42 М36 16

 

 

 

 

Так как высота колонны Н > 10 м, произведем расчет на ветровую нагрузку.           Принимаем толщину цилиндрической стенки опоры s1= 11 мм.

В качестве материала опоры принимаем сталь ВСт 3 ГОСТ 380-88:

σв = 4604 МПа; σт = 250 МПа; Е = 2,10·105 МПа; [σ ]= 154 МПа [4].

Диаметр опоры равен наружному диаметру аппарата :

D = 3,20 + 2· 0,011 = 3,222 м.

Размеры опорного кольца:

Внутренний диаметр кольца

D1 = 3,05 м

Наружный диаметр кольца

D3 = 3,56 м.

Опорная площадь кольца

F = 0,785(D32 – D12) = 0,785(3,562 – 3,052) = 2,646 м2

Момент сопротивления изгибу опорной площади кольца:

м4

Напряжение сжатия в стенке опоры с учетом отверстия для лаза d = 0,5 м

 МН/м2

 

Напряжение на изгиб в стенке опоры:

                                                                                    (2.24)

где М – изгибающий момент от ветровой нагрузки, Н·м.

     Для аппаратов, имеющих по высоте постоянный диаметр и толщину стенки корпуса, расчетными сечениями являются только поперечные сечения корпуса в месте присоединения к нему обечайки опоры и сечения опоры. Изгибающий момент М определяем по формуле:

                                                                                                             (2.25)

 где Рi – ветровая нагрузка на i-м участке аппарата, Н;

   hi – высота i-го участка, м.

   Условно разбиваем по высоте аппарат на 3 участка по 3,6 метров, вес участка принимается сосредоточенным в середине участка; ветровая нагрузка, равномерно распределенная по высоте аппарата, заменяется сосредоточенными силами, приложенными в середине участка:

 

 

Ветровую нагрузку на i-й участок определяем по формуле:

                                                                                                (2.26)

где βi - коэффициент увеличения скоростного напора,

qi – нормативное значение статической составляющей ветровой нагрузки, МПа.

D – наружный диаметр аппарата, м;

hi – высота i-го участка, м.

Нормативное значение статической составляющей ветровой нагрузки

                                                                                                       (2.27)

где qо – скоростной напор ветра для высоты над поверхностью земли до 10 м в зависимости от района установки аппарата. Город Минск расположен в I районе,

следовательно, q0 = 27 · 10-5 МПа (стр. 105, [7]),

  θi – коэффициент, учитывающий возрастание скоростного напора с увеличением х i над поверхностью земли, θi = (хi/10)0.16 = (3/10)0,16 = 0,82;

   с – аэродинамический коэффициент, зависящий от формы аппарата, для цилиндрического корпуса с = 0,7. Тогда

                               

   ξ – коэффициент динамичности, определяем по графику (рис. 76, стр. 105 [6]) в зависимости от параметра ε =  (Т – период собственных колебаний аппарата, с);

ηi – приведенное ускорение центра масс i-го участка, м/с2.

При расчете периода собственных колебаний аппарат рассматриваем как упруго защемленный стержень. Период собственных колебаний аппарата с постоянным сечением определяем по формуле:

                                                                                     (2.28)

где Н – высота аппарата, м;

Q – вес аппарата, МН;

Е – модуль продольной упругости, для ВСт 3 ГОСТ 380-88 Е = 2,10·105 МПа [3];

g – ускорение свободного падения, м/с2;

I – экваториальный момент инерции площади поперечного сечения стенки корпуса аппарата, м4;

φ0 – угол поворота опорного сечения фундамента под действием единичного момента (МН ·м)-1.

Для цилиндрических аппаратов

                               ,                                                                   (2.29)

где D1  и D2 – соответственно наружный и внутренний диаметр корпуса аппарата, м.

 м4

Угол поворота опорного сечения фундамента

                      ,                                                                      (2.30)

где Сφ – коэффициент упругого неравномерного сжатия грунта, для грунтов средней плотности принимаем Сφ = 100 МН/м3 [6]),

Iφ = 0,065 D34 где D3 – наружный диаметр фундаментального кольца аппарата

                              Iφ = 0,065 · 3,564 = 10,44 м4.

Тогда угол поворота опорного сечения фундамента равен:

                                    .

Период собственных колебаний аппарата для максимальной силы тяжести аппарата равен:

                      с.      

Для минимальной силы тяжести аппарата   

                     с.

При максимальном весе аппарата:

ε =

При минимальном весе аппарата:

ε =

По рис. 76, стр. 105 [7] определяем коэффициент динамичности. При максимальном весе аппарата ξ = 1,7, при минимальном ξ = 1,5.Тогда коэффициент пульсации скоростного напора ветра

для участка 1 - m1 = 0,34

для участка 2 - m2 = 0,35

для участка 3 - m3 = 0,35

Коэффициент увеличения скоростного напора

β = 1 + ξ·m

при максимальной массе аппарата

β1 = 1 + 1,7·0,34 = 1,578

β2 = 1 + 1,7·0,35 = 1,595

β3 = 1 + 1,7·0,35 = 1,595

при минимальной массе аппарата

β1 = 1 + 1,5·0,34 = 1,51

β2 = 1 + 1,5·0,35 = 1,525

β3 = 1 + 1,5·0,35 = 1,525

Сила от ветровой нагрузки, действующей на каждый участок аппарата при максимальной силе тяжести аппарата

Р1 = 0,6·1,578·1,545·10-4 ·3,222·3,6 = 0,0017 МН;

                   Р2 = 0,6·1,595·1,545·10-4 ·3,222·7,2 = 0,0034 МН;

Р3 = 0,6·1,595·1,545·10-4 ·3,222·10,8 = 0,0051 МН;

 

при минимальной силе тяжести аппарата

Р1 = 0,6·1,51·1,545·10-4 ·3,222·3,6 = 0,0016 МН;

Р2 = 0,6·1,525·1,545·10-4 ·3,222·7,2 = 0,0033 МН;

Р3 = 0,6·1,525·1,545·10-4 ·3,222·10,8 = 0,0049 МН.

 

Изгибающий момент от ветровой нагрузки на аппарат относительно основания при максимальной силе тяжести аппарата:

Мв1 = 0,0017·3,6 = 0,006 МН

Мв2 = 0,0034·7,2 = 0,024 МН

Мв3 = 0,0051·10,8 = 0,055 МН

∑Мв = 0,085 МН

при минимальной силе тяжести аппарата:

Мв1 = 0,0016·3,6 = 0,006 МН

Мв2 = 0,0033·7,2 = 0,024 МН

Мв3 = 0,0049·10,8 = 0,053 МН

∑Мв = 0,083 МН

Напряжение на изгиб в стенке опоры:                                        

                   МН/м2                    

Отношение

по этой величине находим коэффициенты (стр. 115 [7]):

 

kи = 0,17; kc = 0,14

 

Коэффициент Кс определяется по формуле:

где σт – предел текучести материала опоры, σт = 250 МПа,

Коэффициент Ки определяется по формуле:

Допускаемое напряжение на сжатие в обечайке опоры:

 МПа

Допускаемое напряжение на изгиб в обечайке опоры:

 МПа

Устойчивость цилиндрической опоры

 ≤ 1

Устойчивость обеспечена.

 

 

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
1
КР 03.00 ПЗ  
Разраб.
Коритич Н.В.
Пров.  
 
Конс.
 
Н.контр.
 
Утв.
 
Расчет и подбор теплообменника
Лит.
Листов
6
71206618000 БГТУ, 2018  
3. Расчет и подбор теплообменника

Тепловой расчет теплообменника

В холодильнике 3 производится охлаждение продуктовой смеси от 220°С до 180°С водой с начальной температурой 25°С и конечной температурой 35°С.

Cредняя разность температур при противотоке

220 180

  35 25

=185

                                 (3.1)

    Средняя температура воды

Физико-химические показатели воды при температуре tcp= 30°С:

(по табл. IV, стр. 512, [8]);

(табл. IX, стр. 516, [8]);

 (табл. ХXXIX, стр. 537, [8]);

(табл. XXХIX, стр. 537 [8]).

Средняя температура газов

                                               

Определяем количество теплоты, отводимое в теплообменнике:

                                                                                      (3.2)

где Gг– количество продуктовой смеси, поступающей в холодильник

(равна 0,179  кмоль/с из п. 2.3);

      с – молярная теплоемкость продуктовой смеси, Дж/(моль·К),

      (равна 44, 3135 Дж/(моль·К));

      t1и t2 – конечная и начальная температуры продуктовой газовой смеси, оС.

Определим расход воды

                                                                                    (3.3)

где с  – теплоёмкость воды, Дж/(кг×К). 

 

 

 

 

 


 


Дата добавления: 2020-11-27; просмотров: 277; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!