124129 (Расчет аппарата воздушного охлаждения)

Аннотация

В курсовой работе рассчитывается аппарат воздушного охлаждения, работающий в составе установки для ректификации уксусной кислоты.

В проект вошли следующие пункты:

- рассмотрение области применения аппарата;

- описание схемы производства;

- устройство аппарата;

- технологический расчет;

- расчетно-конструкторский расчет.

Курсовой проект включает:

- рисунков – 7;

- таблиц – 1;

- литературных источников – 8.

Графическая часть проекта:

- чертеж общего вида АВГ;

- сборочный чертеж секции АВГ;

- чертеж крышки;

- чертеж лопасти вентилятора;

- чертеж муфты;

- чертеж трубной решетки;

- чертеж двутавра.

Введение

Аппараты воздушного охлаждения в силу своей универсальности и экономичности имеют достаточно широкую область применения. Они работают в установках синтеза аммиака, крекинга и реформинга углеводородов, в производстве метанола, хлорорганических продуктов, в производстве метанола и многих других. В данном случае рассматривается аппарат, используемый в качестве дефлегматора в схеме ректификации уксусной кислоты.

Целью данного курсового проекта является определение необходимой поверхности теплопередачи, выборе типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, а также прочностной расчет элементов аппарата и выбор привода.

При выборе теплообменника необходимо учитывать:

- тепловую нагрузку аппарата;

- температуру и давление, при которых должен осуществляться процесс;

- агрегатное состояние и физико-химические свойства теплоносителей;

- условия теплоотдачи;

- возможность загрязнения рабочих поверхностей;

- простота и компактность конструкции;

- расход металла на единицу теплообменной поверхности;

- стоимость изготовления и эксплуатационные расходы.

Грамотный выбор типа и размера каждого теплообменного аппарата, правильная его установка и рациональная эксплуатация существенным образом влияет на величину первоначальных затрат при сооружении установок и последующих эксплуатационных расходов. Также особое внимание следует уделить вопросу условий и способов регулирования температуры технологических потоков.

1. Машинно-аппаратурная схема установки

Машинно-аппаратурная схема изображена на рисунке 1.

Рисунок 1

Данная установка включает в себя две ректификационные колонны непрерывного действия. Сырая уксусная кислота поступает в испаритель 1, откуда ее пары попадают в ректификационную колонну 3 на тарелку, расположенную несколько выше середины. Пары разбавленной уксусной кислоты проходят в дефлегматор 4 и далее в холодильник 5; пары концентрированной уксусной кислоты и высококипящих примесей отбирают из нижней части колонны и направляют в малую колонну 8, где происходит очистка.

В колонне 8 пары уксусной кислоты освобождаются от гомологов и прочих высококипящих примесей и конденсируются в дефлегматоре 9 и в холодильнике 10.

Если не требуется ледяная кислота большой чистоты, пары из нижней части колонны 3 можно частично или полностью конденсировать в холодильнике 6. этот же холодильник служит для взятия проб. Кубовые остатки из колонн 3 и 8 периодически спускают в приемники 2 и 7.

Рассматриваемый аппарат занимает позицию 9.

2. Конструкция аппарата воздушного охлаждения

2.1 Устройство и принцип работы аппарата воздушного охлаждения

Аппарат воздушного охлаждения, изображенный на рисунке 2, состоит из следующих основных узлов:

- теплообменных секций;

- осевого вентилятора с приводом;

- устройств для регулирования расхода охлаждающего воздуха;

- опорных и оградительных конструкций.

Рисунок 2

1 – привод вентилятора; 2 – коллектор; 3 – колесо вентилятора; 4 – узел увлажнения воздуха; 5 – диффузор; 6 – металлоконструкция; 7 – секция; 8 – штуцера подвода и отвода охлаждаемой жидкости; 9 – жалюзи; 10 – устройство управления жалюзи

Основным элементом аппаратов охлаждения являются теплообменные секции, теплообменную поверхность которых компонуют из оребренных труб, закрепленных в трубных решетках в четыре, шесть либо восемь рядов. Трубы обычно располагают по вершинам равностороннего треугольника, так как коридорное расположение обеспечивает намного более низкую теплоотдачу. К трубным решеткам присоединены крышки, внутренняя полость которых служит для распределения охлаждаемого потока жидкости по трубам. По сторонам секций установлены боковые рамы, которые удерживают трубы, трубные решетки и крышки в определенном положении. Секции располагают горизонтально, вертикально или наклонно, что определяет тип АВО.

Охлаждение различных жидких теплоносителей осуществляется за счет теплообмена с воздухом. Процесс достаточно интенсивный, так как используются оребренные трубы, оснащенные турбулизаторами воздушного потока (рисунок 3), площадь наружной поверхности которых в 10 - 25 раз больше площади их внутренней поверхности.

Рисунок 3

а – трубы с накатанным оребрением; б – с завальцованным оребрением; в – L-обертка; г – двойная ступенчатая L-обертка; д – трубы с накатанным оребрением с разрезными ребрами; е – с накатанным оребрением с разрезными ребрами формы «полуинтеграл»; ж – с накатанным оребрением с разрезными ребрами зигзагообразной формы; з – с накатанным оребрением с разрезными ребрами формы «интеграл».

Трубы для стандартизованных отечественных аппаратов воздушного охлаждения имеют наружное оребрение двух типов исполнения. Это:

- биметаллическая труба, состоящая из внутренней гладкой (стальной или латунной) и наружной (алюминиевой) с накатанным винтовым ребром исполнение Б;

- монометаллическая (алюминиевая) труба с накатанным винтовым (спиральным) ребром исполнение М.

Вторым необходимым элементом любого типа АВО является вентилятор, который, вращаясь в полости коллектора, нагнетает воздух через межтрубное пространство секций. Значительные расходы воздуха в аппаратах воздушного охлаждения при сравнительно небольших статических напора (100 - 400 Па) обеспечиваются осевыми вентиляторами с числом лопастей 4, 8 и диаметром 0,8 - 6,0 м. Лопасти вентилятора закрыты цилиндрическим коллектором, служащим для лучшей организации движения воздушного потока. Коллектор соединяется с теплообменными секциями посредством диффузора, форма которого способствует выравниванию потока воздуха по сечению теплообменной секции. Диффузор и коллектор вентилятора крепятся к раме, на которой установлены теплообменные секции. Осевой вентилятор с приводом смонтирован на отдельной раме.

Опорные конструкции, на которых монтируются элементы аппарата, выполняются металлическими или железобетонными. Они включают продольные и поперечные опорные балки, выполняемые, как правило, из стандартных двутавров, стойки (обычно отрезки стандартных труб на опорных пластинах), косынки и ребра жесткости. Стойки смонтированы на фундаменте и закреплены на нем анкерными болтами.

В связи с переменным характером нагрузки аппарата, зависящей от технологического режима, температуры и влажности воздуха, вентиляторы должны иметь возможность регулирования расхода воздуха в широком диапазоне.

Система регулирования должна обеспечивать требования технологии независимо от изменения режима работы вентилятора. Регулирование расхода воздуха производится несколькими способами:

1) изменением расхода охлаждающего воздуха, подаваемого в теплообменные секции;

2) подогревом воздуха (в зимний период) на входе в АВО;

З) перепуском части технологического потока по байпасным линиям через регулирующие клапаны;

4) увлажнением охлаждающего воздуха и поверхности теплообмена, позволяющим снизить температуру охлаждающего воздуха при высокой его темпеpатypе в летний период.

Наиболее распространенным способом регулирования является изменение расхода охлаждающего воздуха, которое осуществляется:

- путем использования двухскоростных электродвигателей, что позволяет иметь две локальные величины расхода воздуха и третью - минимальную величину при остановленном вентиляторе (в зимний период при низкой температуре окружающего воздуха аппарат может работать с отключенным вентилятором, при этом охлаждение продукта происходит за счет естественной конвекции). Данный способ является наиболее практичным и экономичным;

- путем плавного регулирования скорости вращения вентилятора применением электродвигателя с переменным числом оборотов, гидропривода, гидромуфт, вариатора, коробки скоростей и т.д.;

- путем регулирования угла поворота лопасти вентилятора. Изменение угла производится вручную при остановленном вентиляторе переустановкой каждой лопасти отдельно или автоматически при использовании пневматического или электромеханического привода. Ступенчатое изменение угла поворота лопастей с остановкой вентилятора предусматривают для сезонного регулирования. Автоматическое регулирование позволяет поддерживать выходную температуру охлаждаемого продукта с точностью до ± 1^оС;

- установкой специальных жалюзийных устройств, располагаемых как до вентилятора, так и после теплообменных секций. Жалюзийные устройства могут снабжаться ручным или пневматическим приводом. При повороте жалюзийных элементов уменьшается расход воздуха и увеличивается диапазон рабочих режимов, но при этом такое регулирование сопровождается снижением КПД вентилятора.

2.2 Выбор конструкционных материалов

С учетом высокой коррозионной активности насыщенных паров уксусной кислоты, величины рабочего давления и рабочей температуры для аппарата воздушного охлаждения принимается исполнение Б4. Материалы элементов для данного исполнения:

- внутренние трубы – сталь 10Х17Н13М3Т ГОСТ 9941-81;

- наружные трубы – сплав АД1 ГОСТ 18475-82;

- трубные решетки– сталь 10Х17Н13М3Т ГОСТ 9941-81;

- крышки – сталь 10Х18Н9ТЛ ГОСТ 977-88,

- прокладки – паронит;

- шпильки – сталь 35Х ГОСТ 1050-88.

3. Технологический расчет аппарата воздушного охлаждения

3.1 Исходные данные

Мощность установки G = 24 т/сут;

рабочая среда – уксусная кислота;

давление (абсолютное) насыщенных паров рабочей среды Р = 0,22 МПа;

температура конденсации - t_н = 144^о С [1, с. 565];

место расположения аппарата – г. Уфа;

коэффициент оребрения К_ор = 14,6;

конечная температура конденсата уксусной кислоты t_к = 60^оС.

3.2 Тепловой и материальный баланс

Массовый расход уксусной кислоты в кг/с:

G = 24000/3600 = 6,67 кг/с.

Трубное пространство аппарата разделяем на две зоны: зону конденсации и зону охлаждения.

По всей зоне конденсации температура постоянна и равна t_н = 144^о С, при данной температуре конденсат имеет следующие теплофизические свойства:

плотность ρ₁₄₄ = 904 кг/м³ [3, c. 556];

теплопроводность λ₁₄₄ = 0,149 Вт/м^.К [2, c.95];

динамический коэффициент вязкости μ₁₄₄ = 0,00028 Па^.с [2, c.54];

удельная теплоемкость с₁₄₄ = 2514 Дж/кг^.К [1, c.544];

удельная теплота конденсации r₁₄₄ = 372643 Дж/кг [2, c.215].

Теплофизические свойства конденсата в зоне охлаждения определяем по средней температуре:

t_ср = (t_н + t_к)/2; (1)

t_ср = (144 + 60)/2 = 102^о С:

плотность ρ₁₀₂ = 958 кг/м³ [3, c. 556];

теплопроводность λ₁₀₂ = 0,156 Вт/м^.К [2, c.95];

динамический коэффициент вязкости μ₁₀₂ = 0,00044 Па^.с [2, c.54];

удельная теплоемкость с₁₀₂ = 2346,4 Дж/кг^.К [1, c.544].

Тепловая нагрузка аппарата:

- для зоны конденсации:

Q₁ = G^.r; (2)

Q₁ = 6,67^.372643 = 2485500 Вт = 2485,5 кВт;

- для зоны охлаждения:

Q₂ = G^.(с₁₄₄^.t_н - с₁₀₂^.t_к); (3)

Q₂ = 6,67^.(2514^.144 – 2346,4^.60) = 1475600 Вт = 1475,6 кВт.

За начальную температуру воздуха принимаем температуру на 2-3^оС выше средней июльской температуры t_н^в = 22^оС [4, с. 74].

Выбираем значение теплонапряженностей:

- для зоны конденсации при разности t_н - t_н^в = 144 – 22 = 122 К q₁ ≈ 3000Вт/м² [4, с. 94];