Конструкция теплообменника

Содержание Введение

1. Технологическая часть

1.1 Описание технологической схемы установки

1.2 Теоретические основы процесса

1.3 Описание аппарата и выбор материалов, в объекте разработки

2. Технологические расчеты процесса и аппарата

2.1 Материальный и тепловой балансы

2.2 Технологические расчеты

2.3 Конструктивные расчеты

2.4 Гидравлическое сопротивление аппарата

2.5 Выбор вспомогательного оборудования

3. Расчеты аппарата на прочность и герметичность

3.1 Расчет толщины стенки и крышки

3.2 Расчет толщины трубной решетки

3.3 Расчет фланцевого соединения

3.4 Расчет и выбор опоры

3.5 Расчет укрепления отверстия

4. Монтаж и ремонт аппарата

4.1 Монтаж аппарата

4.2 Ремонт аппарата Литература

Введение

В термодинамике процесс кипения определяется как испарение жидкости с образованием в ее объеме большого паровых пузырьков. Жидкость при этом может двигаться организованным потоком или находится в самоустановившемся свободном движении. Процессы парообразования оказывают на интенсивность теплообмена существенное влияние, связанное как с ростом и движением паровых пузырьков вблизи поверхности теплообмена, так и с наличием паровой фазы в объеме жидкости. Для каждого конкретного случая важно правильно оценить степень влияния отмеченных факторов на интенсивность теплообмена, чтобы выбрать их них определяющие.

Правильный выбор определяющих факторов позволяет достичь необходимой точности при расчетах площади поверхности теплообмена в аппаратах без излишнего усложнения расчетных зависимостей. К сожалению, состояние теории часто не позволяет надежно предсказывать характеристики процесса теплообмена при кипении в разнообразных условиях эксплуатации теплообменных аппаратов. Поэтому, несмотря на большой объем выполненных к настоящему времени исследований, окончательные решения при проектировании аппаратов, в которых осуществляется процесс кипения, в ряде случаев могут быть приняты только на основе специально поставленного эксперимента. Этим же объясняется и преимущественно экспериментальный характер работ, посвященных исследованиям теплообмена при кипении, а также тот факт, что большинство расчетных формул, используемых на практике, представляют собой более или менее удачные интерполяционные зависимости, полученные на основе экспериментальных данных.

1. Технологическая часть

1.1 Описание технологической схемы установки В соответствии с заданием испаритель входит в состав ректификационной установки. Принципиальная схема ректификационной установки имеет следующий вид. Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х_F.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка х_W, т. е. обеднен легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_P, которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения — дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8. Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость — продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

1.2 Теоретические основы процесса Разработка теории любого сложного явления образуется на анализе, который позволяет выделять в нем отдельные составляющие, описываемые достаточно простыми моделями. К числу таких простых составляющих процесса пузырькового кипения относятся образование паровых пузырьков, а точнее их зародышей, на погруженной в жидкость поверхности теплообмена, рост пузырьков и их отрыв. Доминирующая гипотеза о зарождении паровых пузырьков состоит в том, что они образуются в результате флуктуаций плотности жидкой фазы. Случайные образования («зародыши паровой фазы») получают дальнейшее развитие только в том случае, если удовлетворяется условие равновесия основных сил, действующих на них. К этим силам относятся силы давления _ж окружающей пузырек жидкости и пара _п внутри пузырька и сила поверхностного натяжения самого пузырька. Если форма пузырька близка к сферической, то равновесие этих сил, определяемое соотношением Гиббса, принимает вид:

(1.1)

где — сила поверхностного натяжения, Н/м; R — радиус пузырька, м.

Из соотношения следует, что при положительной кривизне поверхности паровой фазы давление внутри пузырька будет превышать давление в окружающей его жидкости. В предположении о локальном насыщенном состоянии среды это означает, что и температура жидкости, в объеме которой происходит образование парового зародыша, также выше температуры насыщения, соответствующей давлению Р_ж. Оценить величину этого перегрева можно с помощью уравнения Клайперона-Клазиуса, описывающего наклон кривой фазового равновесия Р_н = f (Т_н):

(1.2)

где v_п, v_п — удельные объемы пара и жидкости, м³/кг.

Обычно полагают, что дифференциальное уравнение может быть заменено уравнением в конечных разностях

(1.3)

где r — теплота испарения, Дж/кг.

или проинтегрировано при условии, что v_ж< v_n, а пар на линии насыщения подчиняется закономерностям идеального газа.

Совместное решение определяет необходимый перегрев жидкости для равновесного состояния парового зародыша радиуса R, который назван критическим.

Возникновение зародыша паровой фазы требует затраты энергии на определение сил давления и сил поверхностного натяжения. Минимальная величина энергии? Ф, затрачиваемой на образование парового зародыша произвольного радиуса R:

(1.4)

где R_кр — критическое значение радиуса пузырька, м.

Выражение достигает экстремального значения при R = R_кр

(1.5)

где — температурный напор, К.

и показывает, что наиболее вероятным размером возникающих зародышей является критический радиус.

1.3 Описание конструкции аппарата и выбор материалов К испарителям предъявляются те же требования, что и к другим видам теплообменников: высокая интенсивность теплопередачи, малый расход металла и др.

В зависимости от конструктивных особенностей различают кожухотрубные, кожухозмеевиковые, вертикальнотрубные и др. испарители.

Наибольшее распространение получили кожухотрубные испарители затопленного типа. Жидкое вещество подводится в нижнюю часть испарителя в межтрубное пространство, где оно испаряется и заполняет испаритель на высоту 0,70,8 диаметра корпуса. Пары отсасываются из испарителя сверху через паросборник (сухопарник). По трубам циркулирует горячий теплоноситель. Достоинствами кожухотрубных испарителей является простота и компактность конструкции, значительная интенсивность теплопередачи, возможность устройства закрытой системы циркуляции охлаждаемой среды. Материал кожуха, обычный для испарителей, сваренная из листовой стали обечайка. Для обеспечения интенсивного теплообмена трубы могут быть выбраны стальными, которые завальцованы в трубную решетку.

Задачей конструктивного расчета испарителя является определение его основных размеров.

Как и во всяком другого типа теплообменнике в испарителе осуществляется передача теплоты от более нагретого теплоносителя к менее нагретому. Причем передача тепла от горячего теплоносителя к холодному осуществляется через разделяющую поверхность теплообмена.

Корпус аппарата выполнен в виде цилиндрической обечайки из листового материала, причем внутренний диаметр корпуса принимается в соответствии со стандартным значением ряда чисел. Толщина стенки корпуса определяется из расчета на прочность.

Концы трубок закрепляют в решетке. Трубная решетка представляет собой диск, в котором высверлены отверстия под трубки и служит вместе с трубками для разделения трубного и межтрубного пространства. Размещение отверстий в решетке и их шаг регламентируются нормативными документами. Крепление труб в трубной решетке должно быть прочным, герметичным и обеспечивать легкую замену труб.

Распределительные камеры и крышки предназначены для распределения потока рабочей среды по теплообменным трубам. Для создания необходимого числа ходов распределительной камеры устанавливают перегородки.

Также в конструкции теплообменника присутствуют фланцы, прокладки и крепежные элементы, которые предназначены для соединения составных частей аппарата и должны обеспечивать герметичность соединения.

При решении вопроса, какой из теплоносителей пропускать по трубам и какой — с наружной стороны труб, следовали таким правилам:

— для уменьшения потерь тепла теплоноситель с высокой температурой пропускается по трубам;

— теплоноситель с более высоким давлением пропускается по трубам, чтобы кожух корпуса находился под меньшим давлением.

Пар поступает сверху в распределительную камеру аппарата и выводится снизу в виде конденсата.

Для создания противотока теплоносителей жидкий бензол подается в межтрубное пространство, а пар удаляется из него через верхний патрубок.

Материал кожуха, обычный для испарителей, сваренная из листовой стали обечайка. Трубы выбраны стальными, которые завальцованы в трубную решетку. Материал наружной оснастки, арматуры, крепежных элементов и т. д, принимаем конструкционную сталь Ст3 ГОСТ 380–71. Выбор в пользу этой стали, основан на ее сравнительно низкой стоимости, хорошей обрабатываемости и довольно высокими физико-механическими свойствами. Химический состав и механические свойства представлены в таблице 1.1

Таблица 1.1 — Химический состав и механические свойства стали Ст3

2. Технологические расчеты процесса и аппарата

2.1 Материальный и тепловой балансы процесса Расход испаряемого вещества кг/с.

Температура кипения этанола при Р_исп = 1,8 ата (рис. ХV), t_кuп = 92C.

Количество теплоты, поглощенное при испарении жидкости

(2.1)

где r₁ = 815 кДж/кг, теплота испарения этанола при данной температуре кипения по приложению VII.

кВт.

Количество теплоты, потребное для нагревания поступающей на испарение жидкости.

(2.2)

где с₁ = 2,5 кДж/кг· К теплоемкость жидкого этанола при средней температуре

°С.

кВт.

Тепловая нагрузка аппарата с учетом 5% потерь тепла кВт.

Температура пара при давлении р_n = 1,8 aтa по приложению LVII [2]

t_2Н = 116,3°С.

Средняя температура конденсата водяного пара

°С.

Физические параметры конденсата при t_2ср = 95,7°С (приложение I, II, III, IV) [l] :

плотность p₂ = 960 кг/м³;

вязкость м₂ = 0,284?10^-3 Па? с;

теплоемкость с₂ = 4,19 кДж/кг· К;

теплопроводность Вт/м· К;

теплота конденсации r₂ = 2237 кДж/кг.

Расход пара

(2.3)

кг/с.

2.2 Технологические расчеты Определим температуру t определяющую границу зон процесса теплообмена

(2.4)

где с₁ = 2,5 кДж/кгК — теплоемкость этанола при t_1ср = 78,5°С.

°С.

Средняя разность температур:

Для зоны испарения К;

для зоны нагревания К.

Для случая конденсации водяного пара внутри вертикальных труб значение коэффициента теплоотдачи находим по формуле 4−73а [2]

(2.5)

где q_к — удельная тепловая нагрузка при конденсации пара; l — длина труб, предварительно примем l = 4 м;

d — внутренний диаметр труб, предварительно примем мм.

Коэффициент, А при конденсации водяного пара внутри вертикальной трубы приведены на рис. 4−8.

Значение, А для пара берется при температуре t_кон = 116,3С, А = 8,0.

.

Коэффициент теплоотдачи со стороны кипящего этанола находим по формуле 4 -78.

. (2.6)

Для этанола = 0,45.

— множитель учитывающий физические свойства жидкостей При р = 1,8 кг/см².

.

При установившемся процессе теплообмена

(2.7)

(2.8)

(2.9)

(2.10)

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны конденсирующего пара

со стороны кипящего этанола [2]:

.

Теплопроводность стали .

Таким образом, термическое сопротивление стенки составит

+ + .

Так как t_ст1 и q заранее неизвестны, то далее рассчитываем методом последовательных приближений. То есть по разным принятым значениям t_ст находим зависимость q от t_ст. Величина t_ст должна находится в пределах 116°96°С. Расчет сводим в таблицу 1. Расчет находим по формуле Откуда

(2.11)

По результатам третьего расчета находим средний тепловой поток

Вт/м².

Определяем коэффициент теплопередачи

.

Необходимая поверхность теплообмена м².

Предварительно выберем испаритель по значению F без учета коэффициента теплопередачи для зоны нагрева этанола (К_наг).

2.3 Конструктивные расчеты По ГОСТ 14 248–79 наиболее близко подходит вертикальный испаритель, имеющий параметры:

Диаметр кожуха D = 800 мм;

Число ходов Z = 1;

Число труб n_T = 465;

Поверхность теплообмена F = 109 м² ;

Длина труб L = 3,0 м;

Площадь сечения трубного пространства f_тр = 0,161 м²;

Площадь сечения межтрубного пространства

(2.12)

где d_н — наружный диаметр труб, м;

м².

Периметр, смачиваемый этанолом м.

Эквивалентный диаметр межтрубного пространства

м.

Скорость движения этанола

₁ — плотность этанола при t = 78,5С, кг/м³;

м/с.

Значение критерия Re для этанола

.

режим движения переходный.

Значение критерия Nu определяется по рис. 4−1. При Re = 2488

;

Nu = 4 Pr^0,43 ,

где ₁ — вязкость этанола, ₁ =0,43 510^-3 Нс/м²; ₁ — теплопроводность этанола, ₁ = 0,145 Вт/(мК).

Значение критерия Pr для этанола

.

Вязкость этанола при температуре стенки Пас.

.

^{Коэффициент теплоотдачи для жидкого этанола}

(2.13)

d_{экв 1} = d_н = 0,025 м.

.

Коэффициент теплопередачи для зоны нагрева

.

Расчетная поверхность теплообмена

м².

Т.к. отличие F_p от ранее принятого незначительно, то оставляем ранее принятый испаритель.

2.4 Гидравлическое сопротивление аппарата

^{Объемный расход греющего пара}

(2.14)

где _п — плотность пара, кг/м³.

м³/с.

Действительная скорость пара м/с.

Величина критерия Re

.

следовательно, режим движения находится в переходной области.

Для данного движения пара в круглых трубах коэффициент трения

.

Потеря давления на трение в прямых трубах

где n — число ходов.

Па.

Коэффициенты линейных сопротивлений:

Входная и выходная камера ,

Вход в трубы или выход из них .

Потери давления на местных сопротивлениях

Па.

Общая потеря давления в трубном пространстве Па.

2.5 Выбор вспомогательного оборудования Выполним расчет центробежного насоса для подачи этанола в испаритель.

Расход этанола

м³/с.

В испарителе под избыточным давлением 0,025 Па. Температура этанола20С; геометрическая высота подъема 2 м. Длина трубопровода на линии всасывания 3 м, на линии нагнетания 10 м. На линии всасывания установлен один нормальный вентиль, на линии нагнетания — один нормальный вентиль и дроссельная заслонка, имеется также два колена под углом 90. Примем скорость бензола во всасывающем и нагнетательном трубопроводах одинаковой, равной 1 м/с. Тогда диаметр трубопровода

(2.29)

где — скорость этанола, м/с;

м.

Принимаем трубопровод из стали марки 12Х13, диаметром 45?3 мм.

Определяем величину критерия Re

. (2.30)

следовательно — режим движения турбулентный.

Принимаем абсолютную шероховатость стенок труб, e = 0,2 мм [2], степень шероховатости

.

По рис 1.5 [2, с. 22] находим значение коэффициента трения .

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений [4, c.26]:

для всасывающей линии

— вход в трубу = 0,5;

— нормальный вентиль, для d = 0,039 мм, = 5,4;

;

для нагнетательной линии

— выход из трубы =1,0;

— нормальный вентиль = 5,4;

— дроссельная заслонка = 0,9;

— колено под углом 90⁰ = 1,6.

Следовательно, Определяем потери напора:

во всасывающей линии

м.

нагнетательной линии

м.

Общие потери напора

м.

Определяем полный напор [2]

(2.31)

где Дp — избыточное давление, Па; Н_г — геометрический напор.

м.

Полезная мощность насоса

(2.32)

где V — расход бензола, м³/с;

кВт.

Мощность на валу двигателя

(2.33)

где _н — к.п.д. насоса; _п — к.п.д. передачи.

кВт.

Установочная мощность двигателя с учетом пусковых моментов

кВт.

Устанавливаем при V = 0,174 м³/с = 6,26 м³/ч центробежный насос марки ХМ 8/40 со следующей характеристикой: производительность 0,0022 м³/с, напор 30 м. Насос снабжен электродвигателем номинальной мощностью 1,1кВт и частотой вращения 2900 об/мин.

Далее осуществляем выбор промежуточной емкости для этанола, предназначенной для обеспечения бесперебойной подачи этанола в испаритель.

Принимаем, что запас этанола в промежуточной емкости должен обеспечивать его подачу в течении часа, т. е. требуемая емкость сосуда

м³.

Обычно соотношение длины L сосуда к его диаметру D

тогда при принятом соотношении L = 2,5D

определим диаметр сосуда.

Имеем

м³,

откуда диаметр сосуда

м. (2.34)

Принимаем стандартное значение внутреннего диаметра сосуда D = 1400 мм.

Тогда длина обечайки сосуда

м, принимаем L = 3,0 м.

3. Расчеты аппарата на прочность и герметичность

3.1 Расчет толщины стенки и крышки Примем коэффициент прочности сварных швов = 0,9 (ручная дуговая электросварка), напряжение для стали Ст3 при t = 116 °C, = 130 МПа.

Для листового материала допускаемое напряжение МПа.

Расчетная толщина стенки кожуха

(3.1)

где р — давление пара в межтрубном пространстве, р = 1,8 ата = 0,18 МПа.

мм.

Расчетное давление при проведении гидравлических испытаний

(3.2)

где []_п — пробное давление при гидравлических испытаниях при допускаемом напряжении

МПа.

Тогда МПа.

С учетом гидростатического давления

(3.3)

где Н — высота уровня жидкости в аппарате, м.

кПа МПа 0,03 МПа.

МПа.

В этом случае расчетная толщина стенки кожуха

(3.4)

мм.

Примем прибавку к расчетной толщине за весь срок службы аппарата (10 лет) с = 0,0115 = 0,15 мм.

Тогда

s = s_р + с = 0,65 + 0,15 = 0,8 мм.

По ГОСТ 15 121–79 минимальная толщина обечайки для аппаратов D = 800 мм составляет s = 4,0 мм, на этой толщине и останавливаем свой выбор.

Расчетная толщина стенки крышки при проведении гидравлических испытаний

(3.5)

мм.

Исполнительная толщина крышки мм.

По ГОСТ 15 121–79 принимаем s_кр = 4,0 мм.

3.2 Расчет толщины трубной решетки Исходные данные для расчета:

— внутренний диаметр D = 800 мм;

— расчетное давление в трубном пространстве p_т = 0,18 МПа;

— расчетное давление в межтрубном пространстве p_мт = 0,18 МПа;

— допускаемое напряжение при изгибе для стали Ст. 3 [_и] = 146 МПа;

— диаметр труб d = 25×2 мм;

— количество труб n_т = 465.

Минимальный шаг между трубками мм.

Коэффициент ослабления решетки отверстиями

(3.6)

где D_п — средний диаметр уплотняющей прокладки, м; z — число труб на диаметре решетки, определяемое по формуле [4]

(3.7)

.

Тогда

.

Толщина трубной решетки (4, IV.27)

(3.8)

где K — коэффициент, зависящий от типа решетки; с — прибавка на коррозию.

Для решетки типа I (4, с.80) K = 0,47,

следовательно м.

Высота решетки снаружи (4, IV.29)

(3.9)

где K₁ = 0,28 — коэффициент для решеток типа I.

м.

Принимаем стандартные значения толщины решетки

h = 40 мм и h₁ = 30 мм.

3.3 Расчет фланцевого соединения Фланцевое соединение крышки и корпуса аппарата при D_вн = 800 мм и р = 0,18 МПа выбирается по ОСТ 26−426−79 с плоскими приварными фланцами и уплотнительной поверхностью типа «шип-паз» .

Толщина втулки фланца

где s = 4 мм — толщина обечайки аппарата.

мм.

Принимаем s₀ = 6 мм.

Проверяем выполнение условия

— условие выполняется.

Определяем диаметр болтовой окружности, c.263

(3.10)

где d_б = 20 мм — диаметр болтов при D_вн = 800 мм и р = 0,18 МПа (табл. 1.40 [6]); u = 6 мм — нормативный зазор между гайкой и втулкой (u = 4? 6, табл.9 [8]).

м, принимаем D_б = 0,88 м. (см. с. 263 [8]).

По с. 264 наружный диаметр фланца

где, а = 40 мм (табл.13.27 [8])

м, принимаем D_ф = 0,92 м (с. 264 [8]).

Наружный диаметр прокладки определяется по формуле [8]

где е = 30 мм (табл.13,27 [8]);

м.

Средний диаметр прокладки [8]

где b_п = 20 мм — ширина прокладки (табл.1.42 [6]);

м.

Эквивалентная ширина прокладки

(при b_п > 15 мм);

мм.

Применяем материал прокладки — Паронит по ГОСТ 481–80 толщиной 2 мм.

Количество болтов, необходимое для обеспечения герметичности соединения, определяется по формуле [8]

(3.11)

где t_б — шаг болтов, t_б = (4,2? 5) d_б = 4,5 20 = 90 мм (табл.13.20 [8])

.

Принимаем ближайшее большее кратное четырем значение Z_б = 32 мм.

Высота фланца определяется по формуле

(3.12)

где л = 0,35 — коэффициент (рис. 13.14 [8]); s_е — эквивалентная толщина втулки фланца

s_е =? s₀,

где? = 1,0 — для плоского приварного фланца мм;

м, принимаем h = 30 мм.

Расчетная длина болта между опорными поверхностями головки болта и гайки

;

;

мм;

мм;

с учетом толщины трубной решетки принимаем l_б = 90 мм.

Нагрузка, действующая на фланцевое соединение

(3.13)

где р_R = 0,18 МПа — внутреннее давление в аппарате; D_ср.п = 0,83 м — средний диаметр прокладки МН.

Реакция прокладки при рабочих условиях [8]

(3.14)

^{где m = 2,5 — коэффициент, зависящий от материала прокладки (табл.13.28 [8]);}

МН.

Усилие, возникающее от температурных деформаций

(3.15)

где б_ср = 12,5 · 10-⁶ 1/?С — коэффициент линейного расширения материала фланца; б_б = 12,5 · 10-⁶ 1/?С — коэффициент линейного расширения материала болтов; t_б = 0,96 t_р = 0,96 · 116 = 112? С — расчетная температура неизолированных болтов; г — безразмерный коэффициент; Z_б — количество болтов; f_б = 2,35 · 10-⁴ м² — расчетная площадь поперечного сечения болта по внешнему диаметру; Е_б = 1,91· 10⁵ МПа — модуль продольной упругости стали 20к при t_б = 112? С.

(3.16)

где У_б — линейная податливость болта.

(3.17)

м/МН;

(3.18)

где У_п — линейная податливость прокладки; У_ср = У_ф1 = У_ф2 — угловая податливость фланца;

(3.19)

м/МН;

(3.20)

где щ — безразмерный параметр; ₂ — коэффициент, определяемый по рис. 13.17.

(3.21)

где ₁, j — коэффициенты

;

— для плоских фланцев;

;

;

. (с. 226 [8])

Тогда

;

м/МН;

МН/м;

Следовательно

;

усилие, возникающее от температурных деформаций

МН.

Определим коэффициент жесткости фланцевого соединения

(3.22)

.

Определим болтовую нагрузку. В условии монтажа [8]

(3.23)

где р_пр — пробное давление сжатия прокладки, для паронита по табл. 4 р_пр = 20 МПа.

МН.

При рабочих условиях [8]

(3.24)

МН.

Проверка прочности и герметичности соединения

условие прочности болтов [8]

(3.25)

(3.26)

где [у_б]²⁰ = 200 МПа — для материала болтов при температуре 20? С; [у_б] = 140 МПа — для материала болтов при температуре 112? С.

= 69 200 — условие выполняется;

= 72 140 — условие выполняется.

Определим приведенный изгибающий момент по формуле 1.145 [6]

(3.27)

МПм.

По формуле 1.141 для прокладки из паронита

(3.28)

где p_пр — допускаемое давление на прокладку по табл. 1.44 р_пр = 130 МПа;

(3.29)

МН.

МПа 130 МПа,

условие прочности выполняется.

Для сечения, ограниченного размером s_о проверяем условие по формуле 1.147 [6]

(3.30)

где — максимальное напряжение в сечении, ограниченном размером s_0, определяемой по формуле 1.148 [6]; = 0,95 — коэффициент прочности сварных швов; - допускаемое напряжение для фланца в сечении s при количестве нагружений соединения (сборка-разборка) не более 2· 10³; - тангенциальное напряжение во втулке от внутреннего давления; - меридиальное напряжение во втулке от внутреннего давления;

по формуле 1.149 [6]

(3.31)

МПа;

по формуле 1.149 [6]

(3.32)

МПа;

по формулам 1.143 и 1.148 [6]

(3.33)

где = 1 — для плоских приварных фланцев; Т_ср — безразмерный коэффициент; по формуле 1.144 [6]

(3.34)

где D_н = 0,85 м — наружный диаметр прокладки;

.

МПа;

[]₀ = 0,003Е = 0,003· 1,9·10⁵ = 570 МПа.

Условие прочности

213 < 542 — условие прочности выполнено.

Окружное давление в кольце фланца

(3.35)

МПа.

Определяем угол поворота фланца по формуле 1.150 [6]

(3.36)

где [И] = 0,009 рад — допускаемый угол поворота фланца

рад,

т.е. условие герметичности соединения выполняется.

3.4 Расчет и выбор опоры

Масса обечайки кожуха

(3.37)

где = 7860 кг/м³ — плотность стали.

кг.

Масса крышки и днища

(3.38)

кг.

Масса труб

(3.39)

кг,

Масса фланца с решеткой

(3.40)

где D_ф — наружный диаметр фланца, h_ф — высота фланца.

кг,

Объем межтрубного пространства

(3.41)

м³.

При коэффициенте заполнения = 0,7 масса этанола

(3.42)

кг.

Сила тяжести аппарата в рабочем состоянии

(3.43)

19 500 Н = 19,5 кН.

Принимаем количество опор n = 3 шт.

Нагрузка на одну опору

(3.44)

кН.

Выбираем опору с допускаемой нагрузкой Q = 10 кН тип 1, обозначение опоры — 1−1000 ОСТ 26−665−79.

3.5 Расчет укрепления отверстия Наибольший диаметр отверстия, не требующий укрепления в эллиптической крышке аппарата определяется по формуле

(3.45)

(3.46)

где В₀ — ширина зоны укрепления; s = 4 мм — исполнительная толщина стенки крышки; s_R = 0,65 мм — расчетная толщина стенки крышки; с = 0,15 мм — прибавка; D_R — расчетный диаметр укрепляемого элемента.

Рассчитываем укрепление отверстия для пара D_у = 100 мм.

(3.47)

где D_вн = 800 мм — внутренний диаметр крышки; х — расстояние до оси отверстия, x = 200 мм мм;

мм;

мм.

Расчетный диаметр отверстия

(3.48)

где с = 0,15 мм — прибавка на коррозию;

мм.

Т.к. d_R < d_0R (101,3 < 112) то дальнейших расчетов по укреплению одиночного отверстия не требуется.

4. Монтаж и ремонт аппарата

4.1 Монтаж аппарата Кожухотрубчатые теплообменники состоят из цилиндрического кожуха и помещенного в нем пучка труб, поэтому, несмотря на конструктивное разнообразие, монтаж этих теплообменников зависит только от их массы, размеров и пространственного расположения.

Масса и размеры выпускаемых в настоящее время кожухотрубчатых теплообменников позволяют транспортировать их к месту монтажа в полностью собранном на заводе-изготовителе виде. Для транспортирования используют железнодорожные платформы, трейлеры, автомашины, сани и т. п.

Теплообменники устанавливают горизонтально или вертикально на различных отметках в соответствии с проектом. Опорной конструкцией для них могут служить: фундаменты в виде двух бетонных или железобетонных столбов с анкерными болтами (при низком горизонтальном положении) и балки высотных металлоконструкций (при горизонтальном расположении на больших высотах и вертикальном положении).

К корпусу аппарата приваривают две опоры, расстояние между которыми соответствует нормалям. Для установки теплообменника на фундамент расстояние между опорами можно изменять в небольших пределах. Между корпусом и опорами аппарата должны помещаться подкладки из листовой стали, предотвращающие вмятины на корпусе.

В подавляющем большинстве случаев теплообменники устанавливают в проектное положение с помощью самоходных кранов. Если в конкретных условиях подъема грузоподъемность кранов недостаточна, то практикуется установка теплообменников двумя кранами, работающих строго согласовано.

Теплообменники, размещенные в два яруса и больше, целесообразно поднимать крупными блоками из нескольких аппаратов после их взаимной трубопроводной обвязки, если это позволяют подъемные средства. Для стыковки однотипных теплообменников и унификации их трубопроводной обвязки строго выдерживают при изготовлении установочные размеры штуцеров на корпусе и на распределительной камере. При подъеме блок обвязаных теплообменников заключают в решетчатый контейнер, за который и производят строповку.

К трубопроводной обвязке приступают после окончательной проверки положения корпуса и закрепления болтов, соединяющих его опоры с постаментом. Положение теплообменника выверяют с помощью уровня или отвеса, подкладывая, если это необходимо, под опорные плоскости стальные планки.

При горизонтальном расположении теплообменников температурные деформации корпуса между опорами могут достигать нескольких миллиметров, поэтому одна из опор должна быть подвижной. Неподвижную опору, обычно устанавливаемую со стороны неподвижной трубной решетки, закрепляют намертво; гайки болтов подвижной опоры, имеющей овальные вырезы, не затягивают на 1−1,5 мм, но фиксируют контргайками. Зазор между болтами должен и овальными вырезами должен быть расположен в сторону возможного удлинения теплообменника. Поверхности скольжения защищают так, чтобы исключить защемление.

Монтируемые теплообменники должны быть опрессованы на пробное давление на заводе-изготовителе, поэтому на монтажной площадке их отдельно не опрессовывают, ограничиваясь проверкой общей системы теплообмена вместе с трубопроводной обвязкой после завершения монтажных работ. В тех случаях, когда отсутствует акт заводского испытания или аппарат долгое время хранился на складе или монтажной площадке, перед монтажом теплообменник подвергают ревизии и, если в этом есть необходимость, ремонту.

Способы выявления и устранения дефектов зависят от конструктивного выполнения нового или бывшего в эксплуатации теплообменника.

При выверке установки горизонтальных теплообменных аппаратов на фундаменте или другом основании отклонения от проектных осей и отметок, а также горизонтальности и вертикальности не должны превышать:

— главных осей аппарата в плане — ±20 мм;

— фактической высотной отметки установленного аппарата — ±10 мм;

— от горизонтальности и заданного положения (уклона) — 0,5 мм на 1 м.

Выверка правильности установки горизонтальных аппаратов и каркасов (опорных металлоконструкций) в проектное положение на фундаменте или другом основании должна проводиться:

— аппаратов, секций — гидростатическим или брусковым уровнем и контрольной линейкой;

— осей опорных стоек, каркасов — отвесом;

— плоскостей кронштейнов опорных стоек (несущих трубы или секции) от расположения их в одной горизонтальной плоскости — по натянутой струне.

При выверке установки каркаса (опорной металлоконструкции) аппарата на фундаменте или других основаниях отклонения от проектных размеров, а также горизонтальности и вертикальности не должны превышать:

— осей опорных стоек между собой — ±3 мм;

— оси опорных стоек от вертикальности — 1 мм на 1 м, но не более 3 мм;

— плоскостей опорных стоек, несущих трубы или секции, от расположения в одной горизонтальной плоскости — не менее 2 мм.

В процессе длительной работы теплообменные аппараты подвергаются загрязнению и износу. Поверхность их покрывается накипью, отложениями солей, маслом и т. п. С увеличением отложений увеличивается термическое сопротивление стенки и ухудшается теплообмен.

4.2 Ремонт аппарата Износ теплообменного аппарата выражается в следующем:

— уменьшение толщены стенки корпуса, трубных решеток, крышек;

— выпучины и вмятины на корпусе и крышках;

— свищи, трещины на корпусе, трубах и фланцах;

— увеличения диаметра отверстий для труб в трубной решетке;

— прогиб трубных решеток и деформация трубок;

— заклинивание плавающих головок и повреждение их струбцин;

— нарушение гидрои термоизоляции.

Подготовка к ремонту включает в себя следующие мероприятия:

— снижается избыточное давление в аппарате до атмосферного и аппарат освобождается от продукта;

— отключается арматура, ставятся заглушки на всех подводящих и отводящих трубопроводах;

— проводится продувка азотом или водяным паром с последующей промывкой водой и продувкой воздухом;

— выполняется анализ на наличие ядовитых и взрывоопасных продуктов;

— составляется план и получается разрешение на огневые работы, если они необходимы в процессе ремонта;

— составляется акт сдачи в ремонт.

Далее выполняются следующие работы:

— снятие крышек аппарата, люков, демонтаж обвязки и арматуры;

— выявление дефектов вальцовки и сварки, а также целостности трубок гидравлическим и пневматическим испытаниями на рабочее давление;

— частичная смена или отключение дефектных трубок, крепление труб вальцовкой или сваркой;

— ремонт футеровки и антикоррозионных покрытий деталей с частичной заменой;

— ремонт или замена износившейся арматуры, трубопроводов, регулировка предохранительных клапанов;

— смена уплотнений разборных соединений;

— извлечение трубок, чистка внутренней поверхности корпуса аппарата и теплообменных трубок, зачистка отверстий в трубных решетках, зачистка концов трубок;

— замена части корпуса, крышек и изношенных деталей;

— изготовление новых трубок;

— монтаж трубного пучка и вальцовка труб в решетке;

— ремонт плавающих головок;

— монтаж резьбовых соединений;

— гидравлическое испытание межтрубной и трубной частей аппарата пробным давлением;

— пневматическое испытание аппарата.

Наиболее трудоемкими операциями при ремонте теплообменной аппаратуры является: демонтаж резьбовых соединений; очистка теплообменной аппаратуры; извлечение трубных пучков; ремонт и изготовление трубных пучков и их установка; испытание теплообменников.

Снижение трудоемкости работ по демонтажу резьбовых соединений достигается применением пневматических и гидравлических гайковертов. После разбалчивания снимается крышка аппарата. Уменьшение трудозатрат на опускание и подъем тяжелой крышки обеспечивается изготовлением поворотных кронштейнов, которые позволяют после разбалтывания отвести в сторону крышку и распределительную головку.

Очистка трубок от отложений включает обработку как внутренних, так и внутренних поверхностей. Используются следующие методы очистки: химические, абразивные (для нерастворимых отложений), специальные.

Химическая очистка выполняется без вскрытия и разборки теплообменника. Для очистки от накипи применяют 5−15% раствор соляной кислоты с добавками ингибиторов. Для очистки от органических отложений используются углеводородные растворители. Очистка от твердых отложений оказывается эффективной при заполнении теплообменника на сутки 5%-ным раствором соляной кислоты с добавкой жидкого стекла. Твердый осадок разрыхляется в этом растворе и затем легко смывается водой.

Абразивные методы очистки — механические, гидропневматические, гидромеханический (струей воды высокого давления) и пескоструйный.

Механическая чистка осуществляется при помощи шомполов, сверл, щеток, шарошек, резцов, буров с подачей воды или воздуха для удаления продуктов очистки. Простейшим приспособлением является стальной пруток с ершом из стальной проволоки, приваренным к прутку.

Гидромеханическая очистка заключается в следующем. Насосом высокого давления по напорным шлангам вода подается в полую штангу, на конце которой установлено сопло с несколькими отверстиями. Струя воды выходит из сопла под большим давлением, режет и отрывает отложения от стенок очищаемых поверхностей. Достоинство такого метода — возможность очистки внутренней и наружной поверхностей трубок, а также корпуса непосредственно на месте установки аппарата. При этом достигаемая степень очистки значительно выше, чем при других методах.

Время очистки одной трубы составляет 10−15 с. Установки изготовляются обычно передвижными. Широкий диапазон изменения давления (от 15−70 МПа) дает возможность удалять отложения практически любой сложности.

Пескоструйная очистка позволяет добиться наиболее полной очистки труб, в результате чего коэффициент теплопередачи восстанавливается до значений, соответствующих отсутствию термических сопротивлений обусловленных загрязнениями. Сущность пескоструйной очистки заключается в обработке очищаемой поверхности взвесью песка в воздухе или воде, подаваемой с большой скоростью. Засасывание песка осуществляется эжекционными установками.

К специальным методам относится ультразвуковая очистка. Ультразвуковые преобразователи через посредство головок с вибраторами, устанавливаемыми в жидкости (воде) в нутрии очищаемого объема, позволяет полностью удалить твердые отложения, разрушаемые под действием ультразвуковых колебаний и вымываемые звукопередающей средой.

При ремонте трубного пучка допускается установка пробок на 15% трубок в каждом потоке пучка. При выходе из строя более 15% трубок все они заменяется полностью. Выбор материала трубок осуществляется с учетом характеристики среды, ее параметров и в соответствии с действующими нормами. Применение бывших в употреблении трубок допускается, если они потеряли в следствие износа не более 30% первоначального веса.

При замене завальцованной трубки, не выступающей над решеткой, отрезают ножовкой или специальным приспособлением за трубной решеткой. Трубки, выступающие над трубной решеткой, отрезают головкой с резцом. Оставшиеся в гнездах решеток концы трубок сплющивают и выбивают.

Вставляемые новые трубки отрезают по длине трубного пучка с прибавкой 8−10 мм длины. Концы трубок зачищают до металлического блеска на длину, равную толщине решетки с прибавкой 10 мм на сторону. В трубной решетке все отверстия зачищают от заусенцев, ржавчины и грязи. Наличие продольных рисок в отверстиях трубной решетки не допускается. Перед установкой трубок отверстия в решетке продувают воздухом и насухо протирают. Зазор между наружным диаметром трубки и отверстием в решетке должен быть не более 1,5% диаметра трубки.

Концы трубок крепятся в трубных решетках развальцовкой. При этом отверстие под развальцовку обрабатываются не ниже 7 класса шероховатости. Концы трубок должны выступать на 3−5 мм у наружного торца каждой решетки и быть отбортованными. Ввиду того, что трубки при развальцовке удлиняются, сначала развальцовывают все концы трубок в одной решетке, а потом в другой. При этом вальцуют 4 трубки крест-накрест, затем все трубки по периметру и далее остальные.

Корпус аппарата, имеющий различные выпучины и вмятины, выправляется ударами кувалды по медной подкладке. Устранение небольших вмятин при толщине стенки корпуса или крышки, выполненных из углеродистой стали, не более 3−4 мм осуществляется нагревом. Если невозможно устранить указанные выше дефекты ударами и нагревом, то поврежденные части либо удаляются, либо на них ставятся накладки.

Дефектные штуцеры и трубные решетки при достижении максимальных величин износа и прогиба подлежат замене.

Свищи и трещины устраняются путем заварки или постановкой накладок с предварительным удалением дефектного участка.

При помощи цветной дефектоскопии определяют протяженность и положение концов трещин, обнаруженных в корпусе. Эти концы до заварки засверливаются сверлами диаметром 3−4 мм. Несквозные трещины глубиной не более 0,4 толщины стенки разделывается под заварку односторонней вырубкой на максимальную глубину трещины со снятием кромок под углом 50−60?. При трещине более 100 мм сварку ведут обратноступенчатым методом. Сквозные и несквозные трещины глубиной более 0,4 толщины стенки разделывают на всю толщину вырубкой зубилом или газорезкой. При появлении гнездообразной трещины поврежденные места вырезаются и закрываются заплатами, которые не должны иметь острых углов. Заплаты ввариваются заподлицо с основным металлом. Площадь заплаты не должна превышать одну третью площади листа аппарата.

При частичной замене корпуса аппарата необходимо выполнять следующие требования:

— материал для изготовления новых частей корпуса должен быть по механическим и химическим свойствам одинаков с материалом ремонтируемого корпуса;

— толщиной листа заменяемой части должна быть не меньше проектной;

— электроды должны соответствовать свариваемому материалу;

— замыкающие обечайки должны бать шириной не менее 400 мм;

— продольные швы в горизонтальных аппаратах не должны быть в нижней части аппарата;

— кромки поверхности обечайки и основного металла на ширине 10 мм должны быть зачищены перед сваркой до чистого металла;

— продольные швы в отдельных обечайках цилиндрической части аппарата, а также меридиональные или хордовые швы днищ, примыкающие к обечайкам, должны быть смещены относительно друг друга не менее чем на 100 мм;

— расстояние между продольными швами в отдельных обечайках должно быть не менее 200 мм;

— при сварке стыков необходимо предусмотреть плавный переход от одного элемента к другому.

Опрессовка теплообменников жесткой конструкции производится при снятых крышках. Вода при гидравлическом испытании подается в межтрубное пространство. Появление воды в любой из трубок или в месте вальцовки трубки в трубной решетке указывает на дефекты ремонта. В теплообменниках с плавающей головкой одна из трубных решеток не прикреплена к корпусу. При гидравлическом испытании со стороны плавающей головки снимается крышка теплообменника и на ее место устанавливается сальниковое приспособление, предназначенное для создания герметичности между корпусом и плавающей головкой.

ректификационный испаритель конденсация труба

1. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. Москва, Химия, 1968, 848 с.

2. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Ленинград, Химия, 1987, 576 с.

3. Соколов В. Н. Машины и аппараты химических производств. Примеры и задачи. Ленинград, Машиностроение, 1982, 384 с.

4. Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Москва, Химия, 1983, 272 с.

5. Генкин А. Э. Оборудование химических заводов. Москва, Высшая школа, 1978, 272 с.

6. Михалев М. Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи. Ленинград, Машиностроение, 1984, 301 с.

7. Иоффе И. Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. Ленинград, Химия, 1991, 352 с.

8. Лащинский А. А. Конструирование сварных химических аппаратов, Справочник. Ленинград, Машиностроение, 1981, 382 с.

9. Стабников В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств. Москва, Легкая и пищевая промышленность, 1983, 328 с.

10. Бакластов А. М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок. Москва, Энергия, 1970, 568 с.

11. Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. Ленинград, Машиностроение, 1970, 752 с.