Гидравлический расчет

5. Гидравлический расчет

Выбор диаметра штуцеров для трубного и межтрубного пространств

Для расчета диаметров штуцеров необходимо принять значение допустимой скорости в штуцерах, которая зависит от того, является трубопровод напорным или самотечным. Уходящий с верха колонны пар конденсируется и самотеком поступает в емкость. Из этой емкости жидкость насосом по одному трубопроводу направляется на верх колонны для создания орошения, а по второму (нашему) прокачивается через холодильник и далее на склад. Таким образом, скорость во всех штуцерах берем как для напорных трубопроводов wдоп = 1,5 м/с.

Диаметр штуцеров для трубного пространства

; (28)

.

Диаметр штуцеров для межтрубного пространства

; (29)

.

По ГОСТу выбираем стандартный условный диаметр :

 ;

; .

Перед проведением гидравлического расчёта уточняем скорость потока в штуцере.

Скорость потока для трубного пространства

; (30)

.

Скорость потока для межтрубного пространства

; (31)

.

Определим коэффициент трения  для шероховатых труб:

; (32)

.

Отсюда получаем:

Вычислим гидравлическое сопротивление трубного пространства.

Под термином «гидравлическое сопротивление» принято понимать величину разности статических давлений на входе потока в рассматриваемый аппарат и на выходе из него в зависимости от средней скорости потока, свойств веществ потока, геометрических размеров и конфигурации аппарата, через который протекает поток.

; (33)

.

Вычислим гидравлическое сопротивление межтрубного пространства:

; (34)

6. Элементы механического расчета

Расчет толщины кожуха

Главным составным элементом корпуса большинства химических аппаратов является кожух (обечайка). Наибольшее распространение получили цилиндрические кожухи, которые отличаются простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.

Цилиндрические кожухи из стали при избыточном давлении среды в аппарате р следует рассчитывать по формуле:

δ = D ∙ p / (2 ∙ σ_д ∙ φ) + С_к + С_окр ,

где D – внутренний диаметр кожуха, м;

σ_д – допускаемое напряжение на растяжение для материала кожуха, МН/м² (σ_д = 140 МН/м²).

Коэффициент φ учитывает ослабление кожуха из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий, φ = φ_ш = 0,95.

Прибавка толщины с учетом коррозии С_к определяется формулой: С_к = П∙τ_а ,

П = 0,1 мм/год; τ_а = 10 лет, а суммарное значение толщины округляется до ближайшего нормализованного значения добавлением С_окр.

 

C_к = П ^. τ_а = 0,1 ^. 10 = 0,001 м.

Границей применимости формулы для расчета кожуха является условие:

 

(δ - С_к) / D ≤ 0,1.

Толщина кожуха с учетом запаса на коррозию и округления равна:

δ = 0,8 ∙ 0,392 / (2 ∙ 140 ∙ 0,95) + 0,001 = 0,0022 м = 2,2 мм.

Условие (0,0022 - 0,001) / 1 < 0,1 выполняется.

На основании данных практического использования кожухотрубчатых теплообменных аппаратов принимаем толщину стенки кожуха равной 4мм.=0,004м.

Допускаемое избыточное давление в обечайке можно определить из формулы:

 

р_д = 2 ∙ σ_д ∙ φ ∙ (δ - С_к ) / (D + (δ - С_к )) =

= 2 ∙ 140 ∙ 0,95 ∙ (0,0022 - 0,001) / (0,8 + (0,0022 - 0,001))= 0,39 МПа.

Расчет толщины днища

Составным элементами корпусов химических аппаратов являются днища, которые обычно изготавливаются из того же материала, что и кожуха, и привариваются к ней. Днище неразъемно ограничивает корпус горизонтального аппарата с боков. Форма днища может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой днищ для цилиндрических аппаратов является эллиптическая. Днища такой формы изготавливаются из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до 10 МПа. Толщину стандартных эллиптических днищ, работающих под внутренним избыточным давлением р, рассчитывают по формуле, которая справедлива при условии: (δ - Ск) / D ≤ 0,125.

Примем, что днище у аппарата стандартное отбортованное эллиптическое сварное и в нем нет неукрепленных отверстий.

Примем φ = φш = 0,95.

Толщина днища:

δ = D ∙ p / (2 ∙ σд ∙ φ) + Ск + Сокр = 0,8∙ 0,3924 / (2 ∙ 140 ∙ 0,95) + 0,001= 0,0022 м = 2,2 мм.

Требуемое условие (0,0022 - 0,001) / 1 < 0,125 выполняется. Исходя из условия, по которому толщина стенки полусферического днища должна быть не меньше толщины стенки кожуха принимаем толщину стенки днища равной 5мм.=0,005м.

Расчет фланцевых соединений

Подсоединение трубопроводов к сосудам и аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Штуцерные соединения могут быть разъемными и неразъемными. Наиболее употребительны разъемные соединения с помощью фланцевых штуцеров. Стальные фланцевые штуцера представляют собой короткие куски труб с приваренными к ним фланцами либо с фланцами, удерживающимися на отбортовке, либо с фланцами, откованными заодно со штуцером. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров могут быть тонко- или толстостенными. Штуцера не рассчитывают на прочность, а выбирают. Типы штуцеров определены действующими стандартами, сводную таблицу которых можно найти в справочнике.

По назначению все фланцевые соединения в химическом аппаратостроении подразделяются на фланцы для трубной арматуры и труб и фланцы для аппаратов. Фланцевое соединение состоит из двух симметрично расположенных фланцев, уплотнительного устройства и крепежных элементов.

Конструкцию фланцевого соединения принимают в зависимости от рабочих параметров аппарата: при р ≤ 2,5 МПа и t ≤ 300˚С применяют плоские приварные фланцы (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Конструкция плоского приварного фланцевого соединения

Во фланцевых соединениях при р ≤ 2,5 МПа и t ≤ 300˚С применяют болты.

Опоры служат для установки аппаратов на фундамент. Опора имеет обечайку цилиндрической или конической формы и фундаментное кольцо из полосовой стали, приваренное к кожуху. Опору приваривают к корпусу аппарата сплошным швом.

При установке аппарата внутри помещения на полу применяются отдельные опорные лапы обычно 4. Выбирают лапы по нормали в зависимости от нагрузки. Подвесные опорные лапы рекомендуется располагать выше центра масс аппарата.

Выбор конструкции опор аппарата

Опоры служат для установки аппаратов на фундамент. Опора имеет обечайку цилиндрической или конической формы и фундаментное кольцо из полосовой стали, приваренное к кожуху. Опору приваривают к корпусу аппарата сплошным швом.

При установке аппарата внутри помещения на полу применяются отдельные опорные лапы обычно 4. Выбирают лапы по нормали в зависимости от нагрузки. Подвесные опорные лапы рекомендуется располагать выше центра масс аппарата.

Выбор типа опоры аппарата зависит от ряда условий: места установки аппарата, соотношения высоты и диаметра аппарата, его массы и т.д. При установке колонных аппаратов на открытой площадке, когда отношение высоты опоры к диаметру аппарата меньше или равно 5, то рекомендуют использовать опоры в виде ножек. Для горизонтальных аппаратов, устанавливаемых в помещениях, рекомендуют применять седловые опоры. Руководствуясь этими рекомендациями, мы выбираем седловые опоры.

Расчет трубных решеток

Одним из основных элементов кожухотрубчатых теплообменников являются трубные решетки. Они представляют собой перегородки, в которых закрепляются трубы и которыми трубное пространство отделяется от межтрубного.

Для большинства типов неподвижно закрепленных решеток их высоту рассчитывают по формуле:

 

h = K ∙ D √ p / φ₀σ_и.д + С_к + С_окр,

где К = 0,45;

D = D_п – средний диаметр цилиндрической обечайки кожуха аппарата:

м;

 

р = 0,392 МПа – рабочее давление;

σ_и.д = 140 МН/м² – допускаемое напряжение на изгиб материала решетки;

С_к = 0,001 м;

φ₀ – коэффициент ослаблений решетки отверстиями:

 

φ₀ = (D_п – z_р∙ d_н) / D_п = (0,805 -10 ∙ 0,02) / 0,805= 0,75,

где z_р – число труб на диаметре решетки;

d_н – наружный диаметр труб.

 

h = 0,45 ∙ 0,805 ∙ √0,392 / (0,75 ∙ 140) + 0,001 = 0,023 м = 23 мм.

Высоту решетки снаружи определяют по формуле:

h₁ = K₁ ∙ D_п √ p / σ_и.д + С_к + С_окр,

h₁ = 0,36 ∙ 0,805 ∙ √0,392 / 140 + 0,001 = 0,016 м = 16 мм.

где K₁= 0,36; D_п = 0,805 м; р = 0,392 МПа.

Минимальный шаг между трубами t рекомендуется принимать соответственно диаметру труб: d_н = 25 мм, t = 1,3 ∙ d_н

 

t = 1,3 ∙ 25 = 32,5 мм.

Высоту трубной решетки принимаем 32 мм

Заключение

В данном курсовом проекте я произвел подбор и расчет теплообменной установки, предназначенной для использования в производстве крепленого вина. Мной был произведен технологический, гидравлический расчет, а также элементы механического расчета. Исходя из полученных данных был подобран по каталогу нормализованный четырехходовой кожухотрубчатый теплообменник. Кроме того была подробна рассмотрена технологическая схема теплообмена.

Список литературы

1.    Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1991. 496с.

2.    Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов/ К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков//Под ред. Чл-корр. АН СССР П.Г. Романкова.- 10-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1987. 576с.

3.    Расчет теплообменных аппаратов: Учеб. пособ./ В.Д. Измайлов, В.В. Филиппов; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2006. 108с.