Розрахунок підконтактного холодильника

Приймаємо теплообмінник з поперечними перегородками в міжтрубному просторі. Відстань між перегородками рівна 0,9 м. Площа поперечного перетину між сусідніми з'єднаннями сусідніх перегородок, рахуючи його по діаметру кожуха. Sм тр.=3,1·10¯² м²

коефіцієнт тепловіддачі для води в міжтрубному просторі.

Приймаємо теплообмінник з поперечними перегородками в міжтрубному просторі. Відстань між перегородками дорівнює 0,9 м. Площа поперечного перерізу між сусідніми з'єднаннями сусідніх перегородок, уважаючи його по діаметрі кожуха.

 

Sм тр=D h (t-d)

Sм тр=3,0 0,9 (0,048 – 0,038) = 0,577 м2.

Швидкість руху води при поперечному обтіканні:

 

Середня температура води:

Теплофізичні параметри води при tср=106,5ос у таблиці 4.

Таблиця4.

Теплофізичні параметри води при tср=106,5ос

С, Дж/кг·К	Ρ кг/м³	μ, Па·с	λ, Вт/м·К	С, Дж/кг·К
4,23	954	226·10ˉ⁶	0,684	4,23

 

- турбулентний режим

Nu = 0,4· Re⁰’⁶ · Pr⁰’³⁶;

Pr = 4,23·103·226·10ˉ⁶/0,684 = 1,397;

Nu = 0,4·25707⁰’⁶ · 1,397⁰’³⁶ = 200.

 

 

Nu = 0,24 Re0.6 Pr0,43; (18.34)

Pr = 4,23 103 226 10-6/0,684 = 1,397; (18.35)

Nu = 0,24 2819,790,6 1,3970,43 = 32,56; 

(18.36)

 

Коефіцієнт теплопередачі:

де rст – термічний опір сталевої сітки і її забруднень, м2К/Вт.

де αсм, αₑ – коефіцієнти тепловіддачі, Вт /( м²·К);

δст – товщина стінки, м;

λст – теплопровідність матеріалу стінки, Вт / (м · К);

rст – термічний опір сталевої  сітки і її забруднень, (м²·К)/Вт;

∑rст – загальний термічний опір стінки та її забруднень з двох боків, (м²·К) / Вт.

Приймаємо:

∑rст = 0,0005 (м²·К)/Вт

 

 

Поверхня теплообміну:

 

 

З врахуванням запасу і згідно стандарту: F = 35,0 м²; Lтр.= 4 м.

Запас площі:

Відстань між трубними решітками:

 

де Z – число ходів, Z=1

 

∑rст = rзагр.К.Г. + rзагр.В.

 

∑rсм = 0,0005 м2К/Вт;

 

Поверхня теплообміну:

З урахуванням запасу 10%, Lтр = 5 м.

Відстань між трубними ґратами:

Загальна висота холодильника:

H=Lтр.+h ,

де h=h₁+h₂ – висота верхньої камери + висота нижньої камери, м

Приймаємо: h₁ = 0,040+0,025  = 0,065 м;

                     h₂ = 0,106+0,025 = 0,131м.

H= 5+0,065+0,131=5,196 м.

 

4.2. Гідравлічний розрахунок

Метою розрахунку є визначення величини гідравлічного опору.

Вихідні дані:

• внутрішній діаметр обичайки – 4 м;
• кількість труб – 111 d = 25х2 мм;
• довжина 5 м;
• діаметр внутрішній вхідного штуцера – 0,15 м;
• діаметр внутрішній вихідного штуцера – 0,6 м;
• кількість перегородок в міжтрубному просторі – 3 (шт);
• витрата води – 8,7 кг/с при tср 106,5⁰С, ρ = 854 кг/м³;
• витрата контактного газу – 7 кг/с при tср = 415⁰С, ρ = 0,487 кг/м³;
• висота шару каталізатора – 0,6 мм.

 Швидкість газу в трубах  

wтр = G₂·z/(0,785·dвн²·n·⍴₂) ,

де z = 1 – число ходів;

     dвн = 0,021 м – внутрішній  діаметр труб.

                    wтр = 1.4·1/(0,785·0,021²·111·1,3) = 28 м/с.

 

Коефіцієнт тертя визначаємо за залежністю:

λ=0,25{lg[е/3,7+(6,81/Re)⁰’⁹]}ˉ²,

   де е =∆ /dвн = 0,2/21 = 0,0095 – відносна шорсткість,

        ∆ = 0,2 мм –  абсолютна шорсткість для труб  з незначною корозією.

 

λ = 0,25{lg[(0,0095/3,7)+(6,81/30576)⁰’⁹]}ˉ² = 0,0545.

 

Швидкість руху газу  в штуцерах:

wшт = G₂/(0,785·dшт²·⍴₂) = 1,4/(0,785·0,250²·1,3) = 21,9 м/с

Гідравлічний опір трубного простору:

Підбір насоса для подачі газу.

Об’ємна витрата газу й напір, який повинен розвивати насос:         

                        Q₂ = G₂/⍴₂ = 1,4/1,3 = 0,08 м³/с,

                        Н = ∆Ртр/⍴g + h =8567,2  /(1,3·9,8) + 5 = 677,5 м.

 По об’ємній витраті і напору вибираємо відцентровий насос Х20/18,  який забезпечує Q = 0,08 м3/с і Н = 677,5 м.

 

 

4.3. Конструктивний розрахунок

Ціль розрахунку - визначення розмірів окремих елементів, що забезпечують безпечну експлуатацію апарата за рахунок настановної механічної міцності, щільності розрахункових з'єднань, стійкості до збереження форми й необхідної довговічності.

Назначаємо матеріал для обичайки і труб – нержавіюча сталь Х18Н10Т, яка має границю міцності [σ] = 230 МПа.

Розрахунок товщини обичайки:

 де D = 0,4 м – внутрішній діаметр апарату;

    P = 0,6 МПа – надлишковий тиск в апараті;

      [σ] = 230 МПа – допустиме напруження для сталі Х18Н10Т;

    φ = 0,8 – коефіцієнт ослаблення  обичайки із-за зварного шву;

    Ск = 0,001 м – добавка на корозію.

Згідно рекомендаціям теплообмінник виготовляють з труб діаметром 426ˣ12. Таким чином, товщина обичайки 12 мм.

Днища

Рис. 7. Днища теплообмінника

Розрахунок штуцерів

Діаметр штуцерів розраховується за рівнянням:

де G – масова витрата теплоносія, кг/с;

ρ – густина теплоносія, кг/м³;

w – швидкість руху теплоносія  у штуцері, м/с.

Значення швидкостей руху продуктів у таблиці 5.

Таблиця 5.

Продукти	Призначення патрубка	Температура, ⁰С	Щільність, кг/м³	Швидкість, м/с	Витрата, кг/с
Конденсат Конденсат	вхід вихід	90 123	996 954	1,6 50	10,5 10,5
Спирто - повітряна суміш Контактні гази	вхід     вихід	100     180	0,940     0,818	30     30	7     7

 

Приймаємо швидкість води у штуцері 0,29 м/с; швидкість газу 28 м/с, тоді:

– діаметр штуцерів для входу і виходу газу:

d = [1,4/(0,785·28·1,3)]⁰’⁵ = 0,221 м;

приймаємо d = 250 мм;

– діаметр штуцера для входу газу:

d = [1,4/(0,785·0,29·954)]⁰’⁵ = 0,080 м;

приймаємо d = 80 мм;

До всіх штуцерів приварюються фланці згідно з ГОСТ 12820 –80.

Конструкції і розміри фланців приведені на рис. 4.

 

Рис.8. Конструкція фланців

Опори апарата

Апарат по конструкції є вертикальним циліндровим апаратом. У таких випадках застосовуються опори, які розміщуються знизу апарату. Розрахунок опорних лап проводимо по максимальній силі тягарю апарату при заповнення його водою для проведення його гідравлічного випробування.

 

Максимальна маса апарата:

Gmax = Ga+Gв ,

            де Ga  – маса апарата, кг;

               Gв – маса води, що заповнює апарат під час гідравлічного випробовування.

Маса бічної поверхні апарата:

Gб. = π·D·H·δ·⍴м = 3,14·0,426·5,196·0,012·7800 = 650,6 кг,

де D  – діаметр апарата, м;

     Н – висота апарата, м;

     δ – товщина обичайки, м;

     ⍴м – густина матеріалу, ⍴ сталі,  приймаємо 7800 кг/м³.

Маса днища апарата:

Gд.=π·Dд²/4·δ·⍴м=3,14·0,526²/4·0,012·7800 = 81,3 кг ,

де Dд – діаметр днища апарата, Dд +0,1= 0,526 м.

Маса апарата:

Ga = Gб.+2Gд.=650,6+2·81,3=813,2 кг

Маса води,що заповнює апарат:

Gв= ⍴в·Lтр. ·(π·d²)/4=954·5·(3,14·0,426²)/4 = 679,5 кг ,

де ⍴в – густина води, приймаємо 954 кг/м³;

    Lтр. – довжина труб, м.

Отже, максимальна маса апарата:

Gmax = 813,2 + 679,5  = 1492,7 кг = 14643,9 Н = 0,014 МН.

Приймаємо,що апарат встановлено на двох опорах, тоді навантаження на одну опору:

Gоп=  G/2=0,014/2=0,007 МН.

Вибираємо опору з допустимими навантаженнями 0,01 МН.

Рис. 9. Опора апарата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. ОХОРОНА ПРАЦІ

Характеристика робочого місця з точки зору ОП

Хімічне виробництво відноситься до галузі промисловості, яка представляє потенційну небезпеку професійних захворювань і отруєнь тих, що працюють.

Робота в цеху формаліну, водометанолового розчину формальдегіду, безбарвної прозорої рідини з різким подразнюючим запахом, характеризуєть-ся наступними небезпеками:

- Газонебезпекою. Метанол, формальдегід, природний газ, азотна кислота  можуть створити загазованість і служити причиною отруєння при вдиханні їх пари;

- Вибухо- і пожежо-небезпекою. Можливе  утворення вибухонебезпеч-них сумішей  метанолу, формальдегіду і природного  газу з повітрям. Наприклад, в  разі зниження концентрації метанолу  в спиртоповітряній суміші, а також при пропусках метанолу, формаліну і природного газу через нещільність устаткування і комунікацій. Азотна кислота в певних умовах нітрує матеріали, підвищуючи їх пожежонебезпекою;

- Можливістю здобуття хімічних  опіків їдким натром, азотною  кислотою і формаліном при попаданні їх на шкіру;

- Можливістю здобуття термічних  опіків паровим конденсатом або  при зіткненні з нагрітими  поверхнями устаткування і трубопроводів;

- Можливістю поразки електричним  струмом при доторканні до  струмоведучих частин електроустаткування або при несправності ізоляції електроустаткування і електропроводки;

- Можливістю здобуття механічних  травм при проведенні робіт  на висоті, при обслуговуванні  устаткування і ремонті механізмів.

При розміщенні устаткування враховуються наступні технологічні вимоги: зручність обслуговування устаткування і можливість демонтажу апаратів і їх деталей при ремонтах; забезпечення максимально коротких трубопроводів між апаратами при необхідності самопливу; раціональне вирішення внутрішньозаводського транспорту. При цьому необхідно дотримувати будівельні норми, вимоги природної освітленості, техніку безпеки і охорону праці, санітарні норми.

 

Заходи з питань техніки безпеки

Особливо небезпечні стадії у виробництві формаліну:

- приготування метаноло-повітряної суміші - у випарнику можливе утворення вибухонебезпечних сумішей;

-  синтез формальдегіду - в контактному  апараті  можливий вибух і термічні  опіки;

- установка термічного знешкодження  для здобуття гарячої води  з температурою до 140°С протікає з вживанням як паливо природного газу, здатного утворювати вибухонебезпечні суміші з повітрям.

В цілях виключення виникнення вибухів, пожеж, отруєнь, опіків, травм при експлуатації виробництва повинні дотримуватися обов'язкові  умови.

Для виконання робіт по монтажу, демонтажу, чищенню і заміні трубних пучків підігрівачів, холодильників, конденсаторів, комунікацій передбачаються відповідні засоби механізації. Максимально механізовано завантаження і вивантаження отруйних і вибухонебезпечних речовин, а також подачу речовин в небезпечні зони. У виробництві виключені ручні операції при транспортуванні і навантажувально-розвантажувальних роботах.