РЕФЕРАТ Пояснительная записка: с., 7 рис., 3 табл., 1

РЕФЕРАТ
Пояснительная записка: с., 7 рис., 3 табл.,
1 приложение, 7 источников.
Графические материалы: технологическая схема установки,
сборочный чертёж аппарата, сборочные чертежи узлов – всего 3 листа
формата А1.
Тема проекта: « Спроектировать кожухотрубный теплообменник для
конденсации паров метанола в составе ректификационной установки ».
Приведены теоретические основы и особенности процесса
теплообмена, выполнены технологические, проектные и прочностные
расчеты, расчет гидравлического сопротивления, обоснован выбор
материалов для изготовления аппарата.
Расчетами на прочность и герметичность показана надёжность
работы запроектированного аппарата.
Ключевые слова: АППАРАТ, УСТАНОВКА, МЕТАНОЛ,
КОНДЕНСАТОР, ТРУБНЫЙ ПУЧОК, РАСЧЁТ, ОПОРА.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
5
1. Теоретические основы разрабатываемого процесса. 6
Обоснование выбора конструкции аппарата и материалов
2.Технологические и проектные расчеты аппарата
10
2.1 Описание технологической схемы установки
2.2 Устройство и принцип работы аппарата
2.3 Материальные балансы и технологические
расчеты
2.4 Конструктивные расчеты
2.5 Тепловые балансы и расчеты
2.6 Гидравлическое сопротивление аппарата
10
11
13
20
24
26
3. Прочностные расчеты аппарата
29
3.1 Расчет толщины стенки аппарата
3.2 Расчет толщины стенки крышки аппарата
3.3 Расчет и выбор опоры
29
32
33
Список литературы
36
Приложение
Изм.
Лист
№ докум.
Разраб.
Заиченко
Провер.
Юхименко
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Подпись
Дата
ПОХНП.Т.00.00.00.ПЗ
Лит.
Лист
Листов
Конденсатор
СумГУ гр. ХМ-71
ВВЕДЕНИЕ
Процессы и аппарата, общие для различных отраслей химической
технологии, получили название основных процессов и аппаратов. В
химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в
которых исходные материалы в результате химического взаимодействия,
представляют глубокие превращения, сопровождающиеся изменением
агрегатного состояния, внутренней структуры и состава веществ. Наряду с
химическими реакциями, являющимися основной химикотехнологический процессов, последние обычно включают многочисленные
физические (в том числе и механические) и физико-химические процессы.
К таким относятся: перемещение жидкостей и твёрдых материалов,
изменение и классификация последних, сжатие и транспортирование газов,
нагревание и охлаждение веществ, их перемешивание, разделение жидких
и газовых неоднородных смесей. При этом способ проведения указанных
процессов часто определяет возможность осуществления, эффективность и
рентабельность производственного процесса в целом.
Теплообменное оборудование составляет основу аппаратного парка
большинства химических и нефтехимических производств. Поэтому
рациональное проектирование этого типа оборудования и установок в
целом с применением современных методов технологических расчётов и
расчётов на прочность и надёжность существенно скажется на техникоэкономических показателях производства в целом.
Задачей данного курсового проекта является разработка
теплообменного аппарата для конденсации паров метанола в составе
ректификационной установки.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
ПОХНП.Т.00.00.00.ПЗ
5
1. Теоретические основы разрабатываемого процесса.
Обоснование выбора конструкции аппарата и материалов
Теплообменом называется процесс переноса теплоты происходящий
между телами, имеющими различную температуру. При этом теплота
переходит самопроизвольно от более нагретого к менее нагретому телу.
Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между
молекулами, а томами и свободными электронами, в результате, которого
интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее
нагретого возрастает. В результате передачи теплоты происходит и
рассматриваемый в данной работе процесс нагревания.
Тела, которые участвуют в теплообмене, называются
теплоносителями.
Теплообменные процессы могут происходить только при наличии
разности температур между теплоносителями, т. е. разность температур движущая сила процесса теплообмена.
Немаловажным фактом является также направление движения
теплоносителей. От него сильно зависит характер процесса. Существует
несколько схем движения потоков теплоносителей. Прямоточная схема —
горячий теплоноситель взаимодействует с холодным через стенку, при
этом потоки направлены параллельно друг другу и в одном направлении,
противоточная - потоки параллельны, но направлены в противоположные
стороны, и перекрёстная потоки направлены под углом относительно друг
друга.
Расчет теплообменного аппарата включает определение
необходимой поверхности тепло пере дачи, выбор типа аппарата и
нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным
технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую
поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения
теплопередачи:
F
Q
t ср  К
(1.1)
где:
F – площадь теплообмена , м2;
∆tср – средняя температура процесса;
К – коэффициент теплоотдачи;
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
ПОХНП.Т.00.00.00.ПЗ
Q – тепловая нагрузка.
тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими
условиями находят по одному из следующих уравнений:
Если агрегатное состояние теплоносителей не меняется:
Q = G·С·(t1- t2)
(1.2)
При конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата:
Q = G·г
(1.3)
При конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата:
Q = G·(I1- с2t2)
(1.4)
где I — энтальпия перегретого пара
Материалы для изготовления химических аппаратов и машин нужно
выбирать в соответствии со спецификой их эксплуатации, учитывая при
этом возможное изменение исходных физико-химических свойств
материалов под воздействием рабочей среды, температуры и протекающих
химико-технологических процессов. При выборе материалов для
аппаратуры необходимо руководствоваться отраслевым стандартом ГСТУ
3-17-191-2000.
Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.
Определяем запас поверхности по формуле [1]:
Δ=
F  Fp
F
100% 
11  10,2
100%  7,27%
11
(2.23)
2.4 Конструктивные расчеты
По формуле [3]:
d П  1,13
G
w
(2.24)
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
ПОХНП.Т.00.00.00.ПЗ
Определяем диаметры патрубков для рабочих сред при их параметрах
(затраты, скорости и плотность)
Скорости движения теплоносителей:
-для жидкостей: 0,1 - 0,5 м/с - при самотёке;
0,5 - 2,5 м/с - в напорных трубопроводах;
- для пара
15 - 40 м/с;
Диаметр патрубка для входа паров метанола в аппарат (при
плотности паров метанола ρn= 2,7 кг/м3)
1500
 0,115 м;
3600  2,7 15
d П  1,13
Принимаем равным 125 мм .
Диаметр патрубка для выхода конденсата метанола (при плотности
конденсата бензола ρa = 744 кг/м3)
d к  1,13
1500
 0,084 м.
3600  744  0,1
Принимаем равным 100 мм.
Диаметр патрубка для входа воды в аппарат
d вх  1,13
3,4
 0,093 м.
995  0,5
Принимаем равным 100 мм.
Диаметр патрубка для выхода воды из аппарата
d вх  1,13
3,4
 0,093 м.
995  0,5
Принимаем равным 100 мм.
2.5 Гидравлическое сопротивление аппарата
Проверяем условия выбора уравнение для расчета коэффициенту
трение жидкости по стенке труб. Так как значение критерия Рейнольдса
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
ПОХНП.Т.00.00.00.ПЗ
равняется Rе = 4338, этот режим движения жидкости в трубках
теплообменника есть переходной. Тогда коэффициент трения определяем
по формуле:

0,316
4
4338
 0,0389
Для приблизительных расчетов можно принимать следующие
значения абсолютной шероховатости, мм:
Трубы стеклянные и чистые цельнотянутые из латуни и меди – 0,00150,01; стальные новые – 0,06-0,1;
Стальные, которые было в использовании, с незначительной
коррозией – 0,1-0,2.
Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.3.6
Расчет и выбор опоры
Определяем максимальные нагрузки.
Масса теплообменника согласно табл. 11.10[4]:
mисп=590 кг.
Масса жидкости в теплообменнике при гидроиспытании (полное
заполнение):
mж=ρж(2Vдн+0,785∙D2lц),
(3.71)
где Vдн – объем эллиптического днища по ГОСТ 6533-78, м3,
Vдн =0,0352 м3 [2];
lц – длина цилиндрической обечайки, м;
ρж – плотность жидкости кг/м3, ρж=1000 кг/м3.
Mж=1000∙(2∙0,0352+0,785∙0,273∙4,5)=690 кг
Общая масса испарителя с жидкостью
m= mисп+mж= 590+690=1280 кг
(3.72)
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
ПОХНП.Т.00.00.00.ПЗ
Переходим к весу:
G = m∙g= 1280∙9,81=43949 Н=0,0439 МН.
(3.73)
Принимаем допущение о равномерном распределении нагрузки на
две седловые опоры. Тогда поперечная сила над опорой и максимальный
изгибающий момент в середине аппарата равны соответственно [2]:
Qmax=0,5∙Gmax=0,5∙0,0439=0,0219 МН=21,95 кН.
(3.74)
Горизонтальная сила (перпендикулярная к оси аппарата):
P1=K18 ∙Qmax=0,24∙0,0219=0,00527 MH,
(3.75)
где К18 – коэффициент, определяемый по рис. 14.21 [2] как функция
от угла  (см. рис. 3.4).
Горизонтальная сила трения (параллельная оси аппарата):
Р2=0,15∙Qmax=0,15∙0,0219=0,00328 MH.
(3.76)
Площадь опорной плиты принимается конструктивно и должна
удовлетворять условию
FnR=Qmax/[  бет]
(3.77)
где [  бет] – допускаемое напряжение сжатия бетона фундамента,
принимаемое в зависимости от марки бетона (СниП В-1-62):
Марка бетона……..
[  бет], МПа ………..
500
10
300
8
200
6
Принимаем [  бет]=8 МПа для марки бетона 300.
Расчетная площадь опорной плиты равна соответственно:
FпR=0,0219/8=0,00274 м2
Принимаем размеры плиты согласно ОСТ 26-1265-75 (см. рис. 3.4):
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
ПОХНП.Т.00.00.00.ПЗ
L1= 620 мм – длина опорной плиты,
В1= 260 мм – ширина опорной плиты.
Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.
Рисунок 3.4 – Конструктивные элементы подвижной опоры:
I - с поперечными ребрами 2, расположенными по одну сторону
продольного ребра 1;
II - с поперечными ребрами 2, расположенными по обе стороны
продольного ребра 1.
Тогда фактическая площадь опорной плиты:
Fп=L1∙В1=0,62∙0,26=0,161 м2, что больше расчетной;
(3.78)
Fп= 0,161 м2 > FпR=0,00274 м2 – условие выполнено.
При условии Fп > FпR напряжение сжатия бетона определяется по
формуле:
 бет= [  бет]∙ FпR / Fп=8∙0,00274/0,161=0,136 МПа
(3.79)
Расчетная толщина опорной плиты:
SпR= 2,45  b K19   дет / 1,1   п 
(3.80)
где К19 – коэффициент, определяемый по рис 14.23 [2] в зависимости
от отношения b/a, b/a=170/145=0,7 табл 14.5 [2];
b – ширина поперечных ребер,
а – расстояние между поперечными ребрами рис. 3.3;
[σп] =196 МПа [2] - допускаемое напряжение для материала
опорной плиты (сталь 16ГС),
К19=0,2
S nR  2,45  0,17 
0,2  0,136
 0,0047 ì . .
1,1 196
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
ПОХНП.Т.00.00.00.ПЗ
Исполнительная толщина опорной плиты:
Sп> SпR+ c = 4,7+4 = 8,7 мм,
(3.81)
принимаем Sп=10 мм (во всех случаях Sп  10 мм).
Расчетная толщина ребра 1 (рис. 3.3) из условия прочности на изгиб
и растяжение определяется по формуле:
Sp 
42  P1
42  0,00527

= 0,0021 м
1,1   D 1,1163  0,6
(3.82)
Толщина ребер 1 и 2 (рис. 3.3) проверяют на устойчивость от
действия нагрузки q. Нагрузке на единицу длины ребра:
q
1,2  Qmax
lобщ
(3.83)
Здесь lобш – общая длина всех ребер на опоре;
для опоры с расположением ребер по схеме II (рис. 3.3):
lобш=L+b∙m=0,6+0,17∙2=0,94 м
где m – число ребер в опоре, m =2 шт.
(3.84)
q=1,2∙0,0219/0,94=0,0279 МН/м.
S pR
Расчетная толщина ребер из условия устойчивости:
 q /  кр ,
 
(3.85)
где  кр  - допускаемое напряжение на устойчивость, принимаемое из
условия:
[  кр]=min{  m/3;  кр/5}=
= min {300/3=100 МПа;225/5=45 МПа}=45 МПа
(3.86)
Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.
а в случае приварной опоры:
 =0,5∙Р2∙(h1+h2)/W =0,5∙0,00328∙(0,1+0,25)/0,0046=0,125 МПа,
что меньше φ∙[  ]=147 МПа – условие выполнено.
Окончательно принимаем стандартную седловую опору с толщиной
ребра Sp=6 мм. Конструктивные размеры, согласно ОСТ 26-1265-75
(условные обозначения см. рис 3.5):
D=273 мм; R=141 мм; S1=6 мм, S2=10 мм; L=290 мм; А1=250 мм; l=190 мм;
В=120 мм; L1=310 мм, втулка для опоры М16,
Опора 20-141-1-II ОСТ 26-1265-75;
Лист опорный 4-141-ОСТ 26-1267-75.
Для приобретения полной версии работы перейдите по ссылке.
Рисунок 3.5 – Расчетная схема седловой опоры
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методические методические рекомендации и контрольные задания
для самостоятельной работы по курсу «Процессы и оборудование
химических производств». Часть 2 Массообменные процессы и
оборудование/Сост.: А.П.Врагов, Я.Э.Михайловский.- Сумы: Изд-во
СумГУ, 2002.
2. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.
Лащинский А.А., Толчинский А.Р., Л., "Машиностроение", 1970 г., 752
стр. Табл. 476. Илл. 418. Библ. 218 назв.
Лист
Лист
Изм. Лист
Лист
Изм.
№докум.
докум.
№
Подпись Дата
Дата
Подпись
ПОХНП.Т.00.00.00.ПЗ
ПОХНП.Т.00.00.00.ПЗ
36
3. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по
курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие
для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР П. Г. Романкова. – 10-е изд.,
перераб. и доп. – Л.: Химия, 1987. – 576 с., ил.
4. Лащинский А. А. Конструирование сварных химических
аппаратов: Справочник. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд – ние, 1981. –
382 с., ил.
5. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической
технологии. М., "Химия", 1973., 752с.
6. ГОСТ 14249 – 89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на
прочность.
7. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие
по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков. Ю. И. Дытнерский и др.
Под ред. Ю. И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.:Химия, 1991 –
496 с.
Приложение А
(Спецификации к чертежам)