Реконструкция теплообменника в цехе N2 ЗАО "Каустик" с целью повышения эффективности

Министерство Образования Российской Федерации

Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет

Стерлитамакский Филиал

Кафедра "Оборудование

нефтехимических заводов"

К ЗАЩИТЕ ДОПУЩЕН

Зав. кафедрой, член корреспондент

рецензент АН РБ, Д.Т.Н., профессор

Реконструкция теплообменника в цехе N2 ЗАО " Каустик" с целью повышения эффективности

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Дипломник М.Н. Исхаков

Руководитель. А.Т. Гильмутдинов

Стерлитамак 2001

Реферат

Пояснительная записка проекта содержит 115 листов текста, 8 рисунков, 23 таблицы, 27 наименований источников литературы.

Дипломный проект посвящен конструкторской разработке кожухотрубчатого теплообменного аппарата, взамен существующего в настоящее время конденсатора хлора.

Разработаны рабочие чертежи на изготовление теплообменного аппарата. Произведен механический расчет основных узлов теплообменного аппарата.

Рассмотрены вопросы контроля и автоматизации технологического процесса, мероприятия по безопасности эксплуатации оборудования, проведено экономическое обоснование реконструкции.

Результаты работы могут быть использованы для практического применения на производстве.

Содержание

Задание

Реферат

Введение

1 Литературный обзор

1.1 Систематизация и критическая оценка опубликованных

отечественных и зарубежных работ по теплообменным аппаратам

1.2 Развитие процесса получения жидкого хлора, его варианты

1.3 Анализ и критическая оценка работы оборудования

отделения жидкого хлора цеха N 2 ЗАО "Каустик"

1.4 Усовершенствование оборудования отделения

жидкого хлора цеха N 2 ЗАО "Каустик"

1.5 Патентные проработки конструкций змеевиковых испарителей

2 Обоснование выбора темы проекта

3 Технологическая часть

3.1 Описание реконструируемой схемы отделения

конденсации и ее аппаратурное оформление

3.2 Подготовка исходных данных для технологических расчетов

3.3 Расчет тепловой нагрузки конденсатора

3.4 Расчет гидравлического сопротивления

кожухотрубчатого теплообменника

4 Механическая часть

4.1 Выбор конструкционных материалов для проведения реконструкции

4.1.1 Таблицы химического состава и механических

свойств конструкционных материалов

4.2 Расчет на прочность элементов конденсатора

4.2.1 Расчет на прочность цилиндрической обечайк

4.2.2 Расчет фланцевых соединений

4.2.3 Расчет трубной решетки

4.3 Основные указания по ремонту и монтажу оборудования

отделения конденсации

4.4 Методы восстановления трубок и трубных решеток

5 Автоматизация и управление техническими системами

5.1 Автоматический контроль

5.1.1 Выбор и обоснование параметров контроля

5.1.2 Выбор и обоснование средств контроля

5.2 Автоматическое регулирование

5.2.1 Выбор и обоснование параметров, управляющих

воздействий и схем65

5.2.2 Выбор и обоснование средств регулирования

5.3 Сигнализация и блокировка.

5.3.1 Выбор и обоснование параметров предупредительной и

аварийной сигнализации

5.3.2 Выбор и обоснование средств предупредительной сигнализации

5.4 Сводная спецификация средств автоматизации

6 Безопасность и экологичность проекта

Введение

6.1 Безопасность проекта

6.1.1 Общая характеристика опасностей проекта

6.1.2 Безопасность производственной деятельности

и мероприятия по ее обеспечению

6.2 Санитарно-технические мероприятия

6.2.1 Освещение

6.2.2 Вентиляция

6.2.3 Отопление

6.2.4 Бытовые помещения

6.2.5 Льготы для работающих

6.3 Экологичность проекта

6.3.1 Характеристика источников экологической опасности

6.3.2 Выбросы, их состав, количество и влияние на окружающую среду

6.3.3 Водоснабжение производства и канализация, нормы расхода воды

6.4 Безопасность и экологичность проекта в чрезвычайных ситуациях

7 Экономическая част

7.1 Расчет производственной программы

7.2 Расчет капитальных вложений

7.3 Расчет показателей по труду и заработной плате

7.3.1 Расчет годового фонда заработной платы

7.3.2 Расчет годового фонда заработной платы для ИТР

7.3.3 Расчет расходов на содержание и эксплуатацию

оборудования и цеховых расходов

7.4 Расчет себестоимости продукции

7.5 Обоснование экономической эффективности

проектного решения

8 Заключение

Список использованных источников

Ведомости спецификаций

Введение

В настоящее время, как и раньше, нефтехимии и химии неорганических соединений придается большое значение. Химическая продукция широко используется в народном хозяйстве. В связи с ограниченностью природных ресурсов и ухудшением экологии повышаются требования, предъявляемые к химической продукции.

Для выполнения этих требований производится интенсификация производства, уменьшаются затраты на производство, улучшаются свойства продукции и уменьшаются их вредные свойства.

Для получения высококачественной продукции внедряются новые разработки, используются научные и технические новшества, производится реконструкция оборудования.

В перспективы развития производства закладываются следующие требования: мало- и безотходное производство, уменьшение затрат, получение новых соединений и т.д.

Цех N 2 ЗАО "Каустик" выпускает хлор жидкий, абгазы конденсации хлора.

Хлор жидкий выпускается в соответствии с ГОСТ 6718 высшего и первого сортов.

Жидкий хлор - химическая формула “С1₂”, жидкость янтарного цвета с резким удушающим запахом. Чистый газообразный хлор при давлении 0,1 МПа и температуре минус 34,05 °С сжижается.

Жидкий хлор анализируют, пропуская пробу паров хлора через поглотитель с раствором восстановителя, в приборе, снабженном бюреткой для собирания непоглощенных примесей “нехлора”.

По привесу поглотителя и объему “нехлора” рассчитывают вес. %С1₂. Нехлор далее анализируют на содержание СО₂, О₂, Н₂.

Абгазы конденсации хлора по своему составу должны отвечать следующим требованиям:

Содержание хлора, % не менее 65;

Содержание водорода, I не более 4;

Содержание инертных газов остальное.

Абгазный хлор используется внутри объединения в смеси с электролитическим.

В таблице 1 приведена характеристика сырья, материалов и полупродуктов.

Хлор находит широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Хлор применяется в производстве ядохимикатов - ДДТ, гексахлорана, хлорофоса, металлилхлорида и других веществ, применяемых для борьбы с вредителями сельского хозяйства - уничтожении сорняков.

Хлор применяется в производстве цветных и редких металлов, цинка, титана, в производстве сильных растворителей, красителей, синтетических моющих средств, лекарственных средств.

Кроме того, хлор употребляется в текстильной промышленности для отбеливания тканей, в бумажной промышленности для отбеливания целлюлозы и бумаги. Применяется хлор для хлорирования воды.

Таблица 1 - Характеристика сырья, материалов и полуфабрикатов.

Наименование	ГОСТ или ТУ	Показатели, обязательные для проверки перед использованием в производстве	Показатели пожаровзрыво-безопасности и токсичности	Примечания
Хлоргаз электро-лити-ческий	По регламен-ту цеха диафраг-менного электро-лиза	С12 - 94-96% Объемных Н2 - не более 0,5% Влага - не более 0,011%вес (0,3 г/куб.м) Аэрозоли - не более 10 мг/куб.м	Смеси хлора и водорода, содержащие от 5,8 до 88,5% водорода в хлоре, являются взрывоопасными, ПДК хлора - 1мг / куб м. Класс опасности – 2
Азот	ГОСТ 9293	РИЗГ - 1,2 МПа	Непожароопасен, невзрывоопасен. На организм человека действует удушающе.	Влага не более 0,01%
Раствор хлорис-того кальция	По регламен-ту цеха по производ-ству хлора	Температура минус 28°С	Пожаро и взрывоопасен

1 Литературный обзор 1.1 Систематизация и критическая оценка опубликованных отечественных и зарубежных работ по теплообменным аппаратам

В отечественной и зарубежной технической литературе объемно рассматриваются теплообменные процессы и аппараты, их осуществляющие.

В большинстве процессов нефтеперерабатывающей промышленности используется нагрев исходного сырья, а также применяемых при его переработке растворителей, реагентов, катализаторов и т.д.

Полученные в результате того или иного технологического процесса целевые продукты или полуфабрикаты обычно требуется охлаждать до температуры, при которой возможны их хранение и транспортировка.

На современных нефтехимических и химических предприятиях, где осуществляется глубокая переработка химического сырья, на изготовление аппаратов, предназначенных для нагрева и охлаждения, затрачивается до 30% общего расхода металла на все технологические установки. Высокая эффективность работы подобных аппаратов позволяет сократить расход топлива и электроэнергии, затрачиваемой на тот или иной процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические показатели. Поэтому изучению устройства и работы данных аппаратов, а также освоению методов их расчета уделяется особое внимание.

В аппаратах, где идет нагрев или охлаждение, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, другой охлаждается. Поэтому их называют теплообменными процессами вне зависимости, что является целевым назначением аппарата: нагрев или охлаждение, какие потоки обмениваются теплом, происходит ли при этом только нагрев или охлаждение или же теплообмен сопровождается испарением или конденсацией.

Применительно к химической и нефтехимической промышленностям, теплообменные аппараты классифицируются по таким основным признакам:

1) способ передачи тепла;

2) назначение.

В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы.

1) Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.

2) Аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется путем их соприкосновения. Для изготовления теплообменных аппаратов смешения, требуется, как правило, меньше металла; кроме того, во многих случаях они обеспечивают более эффективный теплообмен. Однако, несмотря на эти преимущества, аппараты смешения часто нельзя использовать вследствие недопустимости прямого соприкосновения теплообменивающихся потоков.

В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы.

1) Теплообменники, в которых один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в процессе и подлежащего охлаждению. В таких теплообменниках нагрев одного и охлаждение другого потока позволяет сократить расход подводимого извне (сократить расход топлива, греющего водяного пара и т.д.) охлаждающего агента.

К этой группе относятся теплообменники для нагрева нефти на нефтеперерабатывающих установках, осуществляемого за счет использования тепла отходящих с установки дистиллятов, остатка, а также промежуточного циркуляционного орошения. Сюда относятся также котлы-утилизаторы, где получают водяной пар за счет использования тепла нефтепродуктов, дымовых газов или катализатора на установках каталитического крекинга. К этой группе относятся и регенераторы холода.

2) Нагреватели, испарители, кипятильники, в которых нагрев или нагрев и частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей (водяной пар, растворы неорганических элементов и т.д.).

В таких аппаратах нагрев или испарение одной среды является целевым процессом, тогда как охлаждение горячего потока является побочным и обуславливается необходимостью нагрева исходного холодного потока.

Примером аппаратов этой группы могут служить нагреватели сырья, использующие тепло водяного пара, кипятильники, при которых в низ ректификационной колонны подводится тепло, необходимое для ректификации.

3) Холодильники и конденсаторы, предназначенные для охлаждения жидкого потока или конденсации и охлаждения паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.). Охлаждение и конденсация в этих аппаратах являются целевыми процессами, а нагрев охлаждающего агента - побочным. К таким аппаратам относятся холодильники и конденсаторы любой химической и нефтехимической установки, предназначенные для охлаждения и конденсации получаемых продуктов.

При регенерации тепла того или иного продукта его окончательное охлаждение до температуры, требуемой для безопасного транспорта и хранения, обычно завершается в холодильниках.

4) Кристаллизаторы, предназначенные для охлаждения соответствующих жидких потоков, сопровождающегося выделением кристаллов вещества. В зависимости от температурного режима кристаллизации в этих аппаратах в качестве охлаждающего агента используется вода и специальные хладагенты в виде рассолов, испаряющихся аммиака, пропана и др.

В нефтепереработке кристаллизаторы используются при депарафинизации масел, обезмасливании парафинов и др.

Поверхностные теплообменные аппараты классифицируются в зависимости от их конструкции. К их числу относятся следующие.

1) Кожухотрубчатые аппараты с неподвижными трубчатыми решетками. Схема данного аппарата представлена на рисунке 1.1. Такие аппараты имеют цилиндрический кожух 1, в котором расположен трубный пучок 2; трубные решетки 3 с развальцованными трубками крепятся к корпусу аппарата. С обеих сторон теплообменный аппарат закрыт крышками 4.

Аппарат оборудован штуцерами 5 для ввода и вывода теплообменивающихся сред; одна среда идет по трубкам, другая проходит через межтрубное пространство.

Существенное различие между температурами трубок и кожуха в этих аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожухом, что обуславливает возникновение напряжения в трубной решетке 3, нарушает плотность вальцовки труб в решетке и ведет к попаданию одной теплообменивающейся среды в другую. Поэтому теплообменники этого типа применяют при разности температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство, не более плюс 50 °С и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому теплообменники данного типа применяются в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, неагрессивной, т.е. когда нет необходимости в чистке.

Достоинством аппаратов этого типа является простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость,

2) Теплообменные аппараты с температурным компенсатором.

Схема этого теплообменного аппарата представлена на рисунке 1.2. Данный теплообменник имеет неподвижные трубные решетки и снабжен устройствами в виде линз для компенсации различия в удлинении кожуха и труб, возникающего вследствие различия их температур.

Теплообменный аппарат с плавающей головкой, изображенный на рисунке 1.3. Является наиболее распространенным типом поверхностных аппаратов.

Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса. В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут возникать лишь при существенном различии температур трубок.

В теплообменных аппаратах подобного типа трубные пучки сравнительно легко могут быть удалены из корпуса, что облегчает их ремонт, чистку или замену.

3) Теплообменники с U-образными трубками. Схема теплообменника класса представлена на рисунке 1.4. Данные аппараты имеют одну трубную решетку, в которую ввальцованы оба конца U-образных трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении температуры. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней поверхности труб, вследствие которой они используются преимущественно для чистки продуктов.

4) Теплообменные аппараты с двойными трубками. В таких аппаратах имеются две трубные решетки, размещенные с одной стороны аппарата. В одной трубной решетке развальцованы трубы меньшего диаметра, в другой - трубы большего диаметра, нижние концы которых заглушены. Такая конструкция обеспечивает независимое удлинение труб.

В аппаратах этого типа одна из теплообменивающихся сред поступает через штуцер в пространство между крышкой и верхней трубной решеткой, откуда направляется вниз по трубкам малого диаметра. По выходе из них поток возвращается по кольцевому пространству между трубками, собирается в пространстве между трубными решетками, а затем выводится из аппарата.

В зависимости от типа и числа перегородок описанные выше кожухотрубчатые теплообменники делятся на:

а) одноходовые;

б) двухходовые;

в) многоходовые.

Как в трубном, так и в межтрубном пространстве аппараты с перегородками:

а) продольными и поперечными в межтрубном пространстве;

б) секторными;

в) сегментными;

г) кольцевыми.

1 - корпус; 2 - трубки; 3 - трубная решетка; 4 - крышка; 5 - штуцер.

Рисунок 1.1 - Теплообменный аппарат с неподвижными трубными решетками

Рисунок 1.2 - Кожухотрубчатый теплообменник с линзовыми компенсаторами 1

Рисунок 1.3 - Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой

В зависимости от расположения теплообменных труб различают теплообменные аппараты типов;

а) горизонтального;

б) вертикального.

Эффективность кожухотрубчатых теплообменник аппаратов повышается с увеличением скорости движения теплообменивающихся потоков и степени их турбулентности. Для повышения скорости потоков теплообменивающихся потоков, лучшей обтекаемости поверхности теплообмена и создания большей турбулентности потоков в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах применяют специальные перегородки. Увеличение скорости движения жидкости в трубках при неизменной производительности достигается размещением перегородок в крышках распределительной камеры теплообменного аппарата, в связи с чем изменяется число ходов потока жидкости, проходящей через трубки. Схемы поперечных перегородок трубного пучка представлены на рисунке 1.5.

Таким путем могут быть созданы аппараты с любым числом ходов. При помощи продольных перегородок можно изменять число ходов теплоносителя в межтрубном пространстве, тем не менее такие перегородки не получили широкого распространения так как трудно обеспечить герметичность между перегородками и корпусом.

Наибольшее распространение получили сегментные перегородки. Важно, чтобы зазор между внутренней поверхностью кожуха и перегородкой был минимальным, что позволяет сократить утечку жидкости проходящей через межтрубное пространство и не участвующей в теплообмене. Вместе с этим зазор должен быть достаточным для удобства извлечения пучка труб при его ремонте.

Рисунок 1.4-Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубками

а) сегментная; б) секторная; в) кольцевая; г) поперечная в межтрубном пространстве.

Рисунок 1.5 - Типы перегородок

В зависимости от характера направления потока, теплообменные аппараты делятся на:

а) прямоточные;

б) противоточные;

в) смешанного тока;

г) перекрестного тока.

5) Теплообменные аппараты типа "труба в трубе" могут иметь жесткую конструкцию (рисунок 1.6) или быть разборными (рисунок 1.7). В таких аппаратах теплообмен происходит между средами, двигающимися по трубкам и кольцевому пространству, которое образуется между трубами большого и малого диаметров. В аппарате этого типа легче, чем в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах обеспечиваются более высокие скорости движения, что позволяет иметь более высокие коэффициенты теплопередачи и значения теплонапряженности поверхности нагрева. Кроме того, в аппаратах типа "труба в трубе" легче обеспечить противоток между теплообменивающимися средами.

Теплообменные аппараты "труба в трубе" состоят из ряда последовательных элементов, образуемых двумя соосными трубками разных диаметров. Один из теплоносителей движется по внутренней трубке, а второй - кольцевом пространстве между наружной поверхностью внутренней трубки и внутренней поверхностью внешней трубки. Элементы соединяются между собой калачами, образуя плоский змеевик любой требуемой длины, прямые участки которого имеют рубашки.

Внешние трубы соединяются посредством патрубков с фланцами, чем создается длинный путь теплоносителя в кольцевом пространстве. Благодаря такому способу соединения отдельных элементов аппарат может быть легко демонтирован для очистки поверхности теплообмена и ремонта.

Кроме жесткого соединения соосных труб каждого элемента, при необходимости частой чистки всех поверхностей применяют разъемное соединение труб. В случае больших разностей температур обоих теплоносителей разъемное соединение труб осуществляется при помощи сальников, обеспечивающих компенсацию термического расширения.

Достоинством рассматриваемых теплообменных аппаратов является возможность создания высоких и даже одинаковых скоростей обоих теплоносителей и, следовательно, больших коэффициентов теплоотдачи. К числу их недостатков относятся большое гидравлическое сопротивление и значительная металлоемкость.

6) Спиральные аппараты. Своеобразной разновидностью поверхностных теплообменных аппаратов является аппарат, принципиальное устройство которого представлено на рисунок 1.8.

Спиральные теплообменники состоят каждый из двух спиральных каналов, навитых из рулонного металла вокруг центральной перегородки (керна), разделяющей полости входа одного и выхода другого теплоносителя. Спирали образуют каналы прямоугольного сечения, боковыми стенками которых служат две тщательно уплотняемые торцевые крышки. Теплоносители движутся по спиральным каналам в противоположных направлениях! один от центра к периферии, другой - от периферии к центру. Ширина прямоугольного сечения канала бывает от 0,2 до 1,5 м, высота - 8 и 12 мм; толщина рулонного листа зависит от рабочего давления аппарата, поверхность теплообмена достигает 100 м². Крышки аппарата легко снимаются, так что каналы доступны для механической очистки. Благодаря постоянному поперечному сечению каналов по всей их длине и отсутствию резких изменений направления спиральные теплообменники могут применятся для нагревания и охлаждения шламов, жидкостей с взвешенными твердыми примесями, а также высоковязких жидкостей. Достоинствами рассматриваемых аппаратов являются также компактность и небольшие потери тепла в окружающую среду. К их недостаткам относятся высокая стоимость и затруднительность эксплуатации (сложность или даже невозможность ремонта в случае появления течи в сварных швах, местной коррозии и т.п.).В качестве конденсаторов или подогревателей жидкостей и газов конденсирующимися парами спиральные теплообменники не имеют

 преимуществ перед другими аппаратами и применяются редко.

Рисунок 1.8 - Спиральный теплообменный аппарат

7) Пластинчатые теплообменные аппараты. Их удельная рабочая поверхность достигает 1500 мг/м³. Аппарат состоит из набора стягиваемых гофрированных пластин, разделенных эластичными прокладками, образующими изолированные (герметичные) каналы для встречного движения двух теплоносителей. Пластины располагаются с шагом 3-6 мм. Благодаря гофрированной форме пластин каналы имеют волнистые стенки, обусловливающие интенсивную турбулизацию потока и, следовательно, рост коэффициентов теплоотдачи, а также компактное размещение поверхности теплообмена.

Существует множество других форм профиля пластин, часто направленных на увеличение их жесткости путем создания взаимных опор по множеству равномерно расположенных точек.

Каждая пластина имеет большую прокладку по периметру, ограничивающую канал для данного теплоносителя, и два угловых отверстия для его входа и выхода, а также две малые прокладки, изолирующие два других угловых отверстия для прохода второго теплоносителя. Таким образом, в углах стянутого пакета пластин образуются четыре канала для раздельного входа и выхода обоих теплоносителей. Аппарат может работать не только с параллельным распределением потоков по всем каналам; при необходимости каждый поток может проходить последовательно через все каналы или отдельные группы их. Достоинством рассматриваемого аппарата, помимо компактности и интенсивности теплообмена, является возможность полной его разборки для механической очистки. К числу недостатков относятся необходимость очень тщательной сборки для герметизации большого числа каналов, а главное - ограниченная тепловая и коррозионная стойкость доступных прокладочных материалов.

8) Неразборные аппараты. К ним относится пластинчатый аппарат с волнообразными каналами и перекрестным движением теплоносителей. Аппарат собирается из штампованных листов с прерывистыми овалообразными или полусферическими выступами, при сварке которых образуются каналы различной волнообразной формы для потоков в продольном и поперечном направлениях. Объем стоимость аппарата в несколько раз меньше, чем у кожухотрубного с той же теплопроводностью.

9) Широкое применение получили пластинчато - ребристые теплообменные аппараты, компактность которых достигает 2000 мг/м³. Большими достоинствами этих аппаратов являются: возможность осуществления теплообмена между тремя, четырьмя, и более теплоносителями; наименьший вес и объем по сравнению с другими аппаратами. По своему устройству пластинчато-ребристые теплообменники представляют собой набор тонких пластин, между которыми располагаются тонкие гофрированные листы, припаянные к каждой пластине. Таким образом, образуются оребренные поверхности теплообмена, а теплоноситель разбивается на ряд мелких потоков. Аппарат может быть собран из любого числа пластин, а теплоносители могут двигаться либо прямотоком, либо перекрестным током. Ребра бывают:

а) гофрированные;

б) рифленые;

в) прерывистые;

г) чешуйчатые;

д) шиловидные.

10) Блочные аппараты. Их применяют для теплообмена между химически агрессивными жидкостями, не допускающими контакта с доступными конструкционными материалами. В блоках прямоугольного или круглого сечения во взаимно перпендикулярных плоскостях просверлены сквозные вертикальные и горизонтальные каналы диаметром 15 - 28 мм. Аппарат состоит из нескольких блоков, торцевых и боковых металлических (обычно чугунных) крышек, зажатых стальными стяжками движение теплоносителей возможно одно- и многоходовое.

11) Погружные аппараты. Специфической особенностью аппаратов этого типа является наличие емкости - ящика, в которую погружены теплообменные трубы. В ящике находится охлаждающая среда, например вода. Аппараты данного типа используют в качестве холодильников или холодильников - конденсаторов.

Различают змеевиковые и секционные аппараты.

К недостаткам аппаратов подобного типа относится их громоздкость и повышенный расход металлам. Кроме того, в ящике свободное сечение для прохода воды велико, вследствие чего скорость движения воды мала и относительно малы коэффициенты теплоотдачи от стенок змеевика к воде.

12) Оросительные теплообменники. Они представляют собой змеевик, состоящий из соединенных двойниками труб, которые расположены горизонтальными и вертикальными рядами.

1.2 Развитие получения жидкого хлора, его варианты

Современное производство жидкого хлора оборудовано аппаратами и устройствами, обеспечивающими довольно высокие качественные показатели, требуемые разработанными стандартами и техническими условиями на производимую хлорную продукцию.

В настоящее время получение жидкого хлора методом конденсации производится теплообменными аппаратами типа “элементный кожухотрубчатый”.

С учетом недостатков, указанных в разделе 1.1 настоящего дипломного проекта применительно к теплообменным аппаратам типа " элементный кожухотрубчатый ", возможны варианты замены данных теплообменников на аппараты других типов.

Повышаются требования к получаемому жидкому хлору, такие как:

а) уменьшение доли влаги в хлоргазе.

б) увеличение коэффициента сжижения хлора.

1.3 Анализ и критическая оценка работы оборудования отделения жидкого хлора цеха N 2 ЗАО "Каустик"

Анализ работы оборудования отделения жидкого хлора цеха N 2 ЗАО "Каустик" показал, что имеются некоторые недостатки в существующем на настоящее время оборудовании.

В частности подвергался критической оценке конденсатор - теплообменный аппарат типа элементный кожухотрубчатый. Были указаны следующие недостатки:

а) большая площадь, занимаемая существующими конденсаторами

б) большое количество конденсаторов;

в) большое количество металла на единицу поверхности;

г) малое время между проведением ремонтных работ.

Также подвергся анализу существующий испаритель. К нему тоже была предъявлена критическая оценка, в частности указывались недостатки:

а) громоздкость;

б) повышенный расход металла на единицу оборудования;

в) малая скорость движения воды;

г) малый коэффициент теплоотдачи от стенок змеевика к воде.

На основании проведенного анализа работы оборудования отделения конденсации хлора цеха N 2 ЗАО "Каустик" и полученных критических оценок было предложено заменить существующий в настоящее время теплообменный аппарат типа элементный кожухотрубчатый на новый - кожухотрубчатый вертикальный.

1.4 Усовершенствование оборудования отделения конденсации цеха N 2 ЗАО "Каустик"

В настоящее время в отделении конденсации жидкого хлора цеха N2 ЗАО "Каустик" установлено оборудование, позволяющее получать жидкий хлор в соответствии с ГОСТ 6718 и абгазы конденсации.

В технологическую схему отделения входят;

а) ресивер хлора;

б) конденсатор типа элементный кожухотрубчатый;

в) абгазоотделитель;

г) танк жидкого хлора;

д) испаритель змеевиковый;

е) бак для рассола.

Было решено провести усовершенствование данного отделения путем его реконструкции и произвести замену существующего конденсатора на кожухотрубчатый.

Замена элементного конденсатора на кожухотрубчатый позволило бы уменьшить количество конденсаторов, что должно отразиться на занимаемой отделением площади, уменьшить содержание влаги в сконденсировавшемся хлоре, увеличить время между ремонтами и т.д.Также было предложено заменить существующий змеевиковый испаритель на прямоугольный, что также при внедрении его в производство позволило бы улучшить качество получаемого хлора. Усовершенствование оборудования отделения заменой конденсатора на новый является темой для данного дипломного проекта.

1.5 Патентные проработки конструкций змеевиковых испарителей

Змеевиковый испаритель для испарения части жидкого хлора, полученного в результате конденсации, представляет собой теплообменный аппарат, в котором холодный теплоноситель - жидкий хлор поступает в змеевик, горячий теплоноситель - вода находится внутри емкости.

Были предложены различные авторские предложения и оформлены патенты по улучшениям конструкций испарителя и змеевика для повышения производительности паров, экономии материалов.

Ниже приведена патентная проработка конструкций змеевиковых испарителей за последние 15 лет. Приведено задание на проведение патентных исследований и справка о поиске.

Авторами [22] был предложен теплообменный аппарат, содержащий корпус с коаксиально расположенными трубчатыми змеевиками, чередующимися с цилиндрическими перегородками, отличающимся тем, что, с целью интенсификации теплообмена, каждая из перегородок выполнена составной из частей, соединенных одна с другой с возможностью разъема и образующих герметичные полости, заполненные теплоаккумулирующим веществом. Аппарат по п. 1, отличающийся тем что перегородки выполнены из эластичного материала и имеют контакт со змеевиками с образованием спирального канала для теплоносителя.

Авторами [23] была предложена конструкция теплообменного змеевика, содержащего вертикальные ряды горизонтальных труб, установленных с возможностью взаимного перемещения и снабженных поперечными опорными ребрами имеющими горизонтальные кромки и размещенными в вертикальных плоскостях, отличающегося тем, что, с целью повышения надежности каждой трубе опорные ребра установлены под углом к ее оси, а в смежных рядах ребра наклонены в противоположные стороны.

Авторами [24] был предложен вертикальный теплообменный аппарат, содержащий корпус с размещенными внутри змеевиковыми трубами, навитыми на полый центральный сердечник и подключенными к коллекторам, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и надежности, над центральным сердечником размещен второй сердечник, одним из торцов прикрепленный к внутренней стенке корпуса, имеющий радиальные отверстия на боковой поверхности и снабженный индивидуальным кожухом с днищем на одном торце присоединенным другим торцом к внутренней стенке корпуса с образованием камеры, в которой размещены дополнительные трубчатые змеевики, навитые на второй сердечник, при этом днище кожуха снабжено патрубком, введенным внутрь центрального сердечника, а на боковой поверхности кожуха выполнены отверстия, расположенные под дополнительными трубчатыми змеевиками.

Авторами [25] был предложен теплообменник, содержащий корпус с размещенными внутри него пучком переплетенных между собой полимерных трубок подключенных к раздающему и собирающему коллекторам и образующих коаксиально установленные полые цилиндры, отличающийся тем, что с целью повышения эксплуатационной надежности, трубки переплетены попарно с организацией в них противоточного движения и установлены с образованием автономных змеевиковых секций в каждом полом цилиндре.

Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что трубки в каждой секции расположены с шагом, равным 1,2 - 1,3 их наружного диаметра.

Авторами [26] был предложен испаритель, содержащий цилиндрический корпус с соосно установленным внутри него с образованием кольцевой полости полым вытеснителем с навитыми змеевиком и патрубки для подвода и отвода низкотемпературного агента высокого давления и высокотемпературного агента, один из которых размещен по оси вытеснителя и сообщается с кольцевой полостью, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности теплообмена, он снабжен патрубками для подвода и отвода паров низкотемпературного агента низкого давления, расположенными соответственно в нижней и верхней частях вытеснителя, при этом змеевик соединен с патрубками для подвода и отвода высокотемпературного агента, а патрубок для подвода паров низкотемпературного агента высокого давления размещен по оси вытеснителя.

Испаритель по п.1, отличавшийся тем, что вытеснитель выполнен в виде цилиндрической трубы с навалыдованной винтообразной канавкой.

Авторами [27] был спроектирован испаритель, содержащий корпус с патрубками отвода парогазовой смеси и подвода конденсата, расположенным в его верхней части, патрубком подвода горячего теплоносителя, расположенным в его верхней части, плоские вертикально установленные теплообменные элементы с трапецеидальным продольным сечением и заглушенными верхними торцами элементов и патрубком подвода охлаждающего теплоносителя, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы путем интенсификации теплообмена, он дополнительно снабжен наклонными перегородками, установленными одна над другой с образованием чередующихся проемов с противоположными боковыми стенками теплообменных элементов и конфузорных каналов между соседними перегородками, верхние поверхности перегородок снабжены пористыми накладками, а шаг между соседними перегородками уменьшается снизу вверх.

ЗАДАНИЕ

на проведение патентных исследований

 

Наименование темы поиска: Реконструкция отделения

конденсации жидкого хлора ЗАО "Каустик"

Задача патентных исследований: Поиск конструкции теплообменного аппарата

Краткое содержание работы	Срок исполнения	Отчетный документ
Разработка конструкции теплообменного аппарата	с 15.03.2001 по 20.05.2001	Справка о поиске

Руководитель дипломного проекта: А.Т. Гильмутдинов

Студент группы МЗ-96-31 М.Н. Исхаков

Эксперт (информатор) патентного отдела Р.В. Ильясова

2 Обоснование выбора темы дипломного проекта

На основании произведенного анализа работы оборудования отделения конденсации хлора цеха N 2 ЗАО "Каустик" и вынесенной ему оценки, было решено дать задание на проектирование реконструкции отделения в настоящем дипломном проекте.

Было предложено произвести проектирование на замену существующего в настоящее время конденсатора хлора на новый теплообменный аппарат - кожухотрубчатый.

3 Технологическая часть 3.1 Описание реконструируемой части схемы отделения конденсации и ее аппаратное оформление

Технологический процесс получения жидкого хлора состоит из следующих стадий:

а) сжижение осушенного хлора в конденсаторах;

б) хранение жидкого хлора;

в) испарение жидкого хлора;

г) налив жидкого хлора в железнодорожные цистерны.

Сжижение осушенного хлора в конденсаторах производится следующим образом: сжатый до 0,3 МПа осушенный хлоргаз из цеха диафрагменного электролиза подается на сжижение в конденсатор поз. 2. Хлоргаз поступает в трубное пространство конденсаторов, а в межтрубное пространство подается рассол-раствор хлористого кальция с температурой минус 28 °С и давлением 0,4 МПа из аммиачно-холодильного цеха. Сконденсировавшийся в трубном пространстве жидкий хлор с абгазами, образовавшимися от неполного сжижения хлора, поступает в абгазоотделитель поз. 3, в котором жидкий хлор отделяется от абгазов конденсации.

Абгазы конденсации, содержащие не менее 65% хлора, подаются из верхней части абгазоотделителя потребителям, а жидкий хлор самотеком сливается в танки поз. 8.

Сжижение ведется таким образом, чтобы содержание водорода в абгазах не превышало 4% объемных. Регулирование содержания водорода в абгазах производится изменением расхода рассола на конденсаторы, т.е. изменением температуры сжижения, а также изменением давления в системе.

Далее жидкий хлор поступает на хранение. Жидкий хлор самотеком сливается в танк из абгазоотделителей. Давление в танке должно быть от 0,03 до 0,05 МПа ниже, чем в абгазоотделителях.

Избыточное давление, создаваемое в танках поступающим жидким хлором, беспрерывно стравливается в линию абгазов конденсации и далее потребителю. Для подготовки танков к ремонту предусмотрено стравливание избыточного давления в линию абгазов и далее на очистку от хлора в отделение корпуса 107 на абсорбцию.

Для обеспечения необходимого запаса хранения жидкого хлора в отделении установлено 5 танков поз.8 емкостью по 125 куб.м. каждый.

Один из пяти танков является резервным и не подлежит заполнению.

Из танков жидкий хлор передавливается с помощью сухого азота давлением 1,2 МПа на испарительную станцию и на налив в железнодорожные хлорные цистерны. Контроль за поступлением жидкого хлора в танк осуществляется по прибору КИП. Наполнение танка жидким хлором производится по 1,25 кг жидкого хлора на 1 литр сосуда и составляет 156 т.

Часть полученного жидкого хлора отправляется на испарение. Узел испарения предназначен для испарения хлора и подачи его внутризаводским потребителям.

Жидкий хлор из танков давлением азота до 1,2 МПа подается в испаритель поз.4. Испаритель представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, заполненный водой. Внутри аппарата размещен змеевик, по которому проходит и испаряется жидкий хлор.

Температура воды в испарителях поддерживается автоматически в пределах не более плюс 70 °С поступающим острым паром. Выходящий из змеевика испаренный хлоргаз с температурой не более плюс 65 °С под давлением 0,4 МПа поступает потребителю.

После завершения всех стадий переработки хлора жидкий хлор поступает на налив в желез,нодорожные цистерны. Налив в железнодорожные цистерны должен вестись в соответствии с действующей инструкцией по безопасной эксплуатации цистерн, контейнеров (бочек) и баллонов для жидкого хлора.

Готовая цистерна для наполнения жидким хлором устанавливается на весы. Башмаки устанавливаются на рельсы с обеих сторон весов в упор к колесам цистерны. Все вентили на верхнем люке цистерны должны быть закрыты. Со стороны железнодорожного пути должны быть поставлены сигналы размером 400x500 мм с надписью "Стой, проезд запрещен, производится налив цистерны".

Стрелку железнодорожного пути запереть на замок.

Цистерну наполняют через сифонный вентиль. Масса нетто заполненной цистерны 46700 кг (при емкости котла 38,1 куб.м.). При наполнении цистерны сброс абгазов производится через один из двух абгазных вентилей, к которому присоединен абгазный трубопровод. Во время налива давление в цистерне не должно превышать 0,7 МПа по манометру на цистерне. После налива цистерны необходимо произвести проверку герметичности запорных вентилей, предохранительного клапана и всех фланцевых соединений. Проверка производится аммиаком. При обнаружении пропусков они должны быть ликвидированы. Только после этого можно продолжать налив цистерны. При обнаружении неисправности в заполненной цистерне жидкий хлор необходимо передавить обратно в танк сухим азотом давлением 0,12 МПа.

После окончания наполнения цистерны абгазную и наливную линии продуть сжатым азотом со сбросом на очистку абгазов. Все вентили на цистерне и на линиях закрыть, отсоединить абгазную и сливную линии. На вентили цистерны и на линиях ставятся заглушки.

Обслуживающий цистерну персонал должен иметь при себе противогазы и надевать их при наличии или возможном выделении газа. При наполнении цистерны при отсоединении линий, при установке заглушек на вентилях цистерны и на трубопроводах хлора работу необходимо вести в противогазах и в рукавицах. Ответственным лицом за соблюдение всех правил при наполнении цистерны является старший аппаратчик отделения.

3.2 Подготовка исходных данных для технологических расчетов

Для проведения технологического расчета теплообменного аппарата в отделении жидкого хлора ЗАО "Каустик" необходимо определить параметры исходного сырья и получаемых продуктов переработки.

В качестве горячего теплоносителя используется хлоргаз, поступающий в трубное пространство конденсатора.

В качестве холодного теплоносителя применяется раствор хлористого кальция.

Из отделения диафрагменного электролиза электролитический хлоргаз поступает в отделение конденсации жидкого хлора со следующими режимными параметрами:

а) температура, °С 30

б) давление, МПа 0,21

в) количество хлоргаза поступающего в конденсатор, м³/ч 3340

В данном состоянии хлор имеет плотность:

r =4,11 кг/м³

На выходе из конденсатора жидкий хлор имеет температуру минус 26,7 °С.

Коэффициент сжижения, % 79

Рассол, поступая в конденсатор, имеет температуру минус 30 °С и нагревается до температуры минус 27 °С.

Рассол подается под давлением, МПа 0,3

3.3 Расчет тепловой нагрузки конденсатора

Примем индекс “1” для горячего теплоносителя (хлоргаза), индекс “2” для холодного теплоносителя (рассола).

Среднюю температуру t₂, °С, рассола определяем согласно [19,С.214]:

t₂ = 0,5×( t_2n + t_2k ), (3.1)

где t_2n - температура рассола на входе, °С;

t_2k - температура рассола на выходе, °С.

t₂ = 0,5×[(-30) + (-27)] = -28,5 °С.

Среднюю температуру хлоргаза, t_l, °C, определяем согласно [19,С.214]:

t_l - t₂ + dt_cp, (3.2)

Среднюю разность температур при противотоке теплоносителей dt_cp, °C, определяем согласно [19,С.214]

dt_cp = ( dt_б - dt_м ) / ln ( dt_б / dt_м ), (3.3)

где dt_б - большая разность температур, °С;

dt_м - меньшая разность температур, °С.

Для определения большей и меньшей разностей температур, рассмотрим температурные переходы при теплопередаче

хлоргаз

+30 ———> -26,7

рассол

-27 <——— -30

dt= 57 dt= 3,3

Соответственно принимаем:

dt_б = 57 °C dt_м = 3,3 °C

Тогда средняя разность температур при противотоке составит:

dt_cp = ( 57- 3,3 ) / ln ( 57 / 3,3 ) = 18,85 °С

Средняя температура хлоргаза составит:

t₁ = -28,5 + 18,85 = -9,65 °С

С учетом потерь холода в размере 5%, тепловую нагрузку определяем согласно [19,С.45]:

Q = 1,05 × U₁× r₁×( H_lн – c₁ × t_1к ), (3.4)

где Q - тепловая нагрузка конденсатора, Вт;

U₁ - объемный расход хлоргаза, м³/ч;

r₁ - плотность хлоргаза при его средней температуре, кг/м³;

Н_1н - энтальпия перегретого пара хлоргаза, Дж/кг;

c_l - удельная теплоемкость хлоргаза, Дж/(кг×£);

t_1k - конечная температура хлора, С.

Согласно исходных данных объемный расход хлоргаза:

U₁ = 3340 м³/ч

Согласно [2,С.10] плотность хлоргаза при его средней температуре составит:

р₁ = 4,11 кг/м³.

Согласно [2,С.10] энтальпия перегретого пара хлоргаза составит:

Н_1н= 529000 Дж/кг

Согласно [2,С.12] удельная теплоемкость хлоргаза составит:

c_l = 355 Дж/(кг×°С)

Тепловая нагрузка конденсатора:

Q = 1,05 × 3340 × 4,1 × [52900 - 355 × (-26,7)] /3600 = 231860,9 Вт

Массовый расход холодного теплоносителя G₂, кг/с, определили согласно [17,С.19]:

G₂ = Q / с₂ × (t_2k - t_2h); (3.5)

где Q - тепловая нагрузка конденсатора, Вт;

с₂ - удельная теплоемкость рассола, Дж/(кг×°С);

t_2k - температура рассола на выходе из конденсатора, °С;

t_2h - температура рассола на входе в конденсатор.

Удельная теплоемкость рассола с₂, Дж/(кг×°С), определили согласно [2,С.15]:

с₂ = 2706,74 Дж/(кг×°С)

G₂ = 231860,9 / ( 2706,74 × [ (-27) - (-30) ] ) = 28,56 кг/с

Массовый расход хлоргаза, G₁, кг/с, определили согласно [19,С.216]:

G_l = U₁ × r₁, (3.6)

где U₁ - объемный расход хлоргаза, м3/ч;

r₁ - плотность хлоргаза при его средней температуре, кг/м³.

Объемный расход хлоргаза приняли:

U₁ = 3340 м³/ч

Согласно [2,С.10] плотность хлоргаза при его средней температуре составит:

р₁ = 4,11 кг/м³

Массовый расход хлоргаза составит:

G₁ = 3340 × 4,11 / 3600 = 3,54 кг/с

Объемный расход рассола определяем согласно[16,С.216]:

U₂ = G₂ / p₂ (3.7)

где G₂ – массовый расход рассола, кг/с;

р₂ - плотность рассола при температуре минус 28,5 °С.

Массовый расход рассола определили в формуле (3.5) настоящего диплома:

G₂ = 28,56 кг/с

Определим варианты теплообменных аппаратов согласно ГОСТ 15118, ГОСТ 15120 и ГОСТ 15122.

Для этого приняли ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая что, согласно [12,С.47] коэффициент теплопередачи:

К_ор = 60 Вт / (м × °С)

т.е. приняв его таким же, как и при теплообмене от газа к жидкости.

Согласно [19,С.216] ориентировочная площадь поверхности F_ор теплообмена в конденсаторе:

F_ор = Q / ( К_ор × dt_ср ) (3.8)

где Q – тепловая нагрузка конденсатора, Вт;

К_ор – значение ориентировочного коэффициента теплопередачи, Вт/(м×°С);

t_ср – средняя разность температур при противотоке, °С.

Тепловую нагрузку конденсатора определили в формуле (3.4) настоящего диплома:

Q = 231860,9 Вт

Согласно [12,С.47] значение ориентировочного коэффициента теплопередачи от газа к жидкости:

К_ор = 60 Вт/ (м × °С)

Среднюю разность температур при противотоке теплоносителей определили в формуле (3.3) настоящего диплома:

dt_cp = 18,85 °С

Ориентировочная площадь поверхности теплообмена в конденсаторе:

F_op = 231860,9 / ( 60 × 18,85 ) = 215,6741 м² = 216 м²

Согласно ГОСТ 15118, ГОСТ 15120 и ГОСТ 15122 наметили наиболее оптимальные варианты теплообменных аппаратов для полученной площади теплообмена

1	2	3	4	5	6	7	8	9
800	“25*2”	1	465	219	0,07	0,079	0,161	6,0

где 1 - диаметр кожуха D_k, мм;

2 - диаметр труб, мм;

3 - число ходов;

4 - общее число труб в штуках;

5 - площадь теплообмена при длине трубы, указанной под индексом 9, м²;

6 - площадь поперечного сечения потока в вырезе перегородок, м²;

7 - площадь поперечного сечения потока между перегородками, м²;

8 - площадь поперечного сечения одного хода по трубам, м².

Произвели выбор теплообменника с площадью теплообмена, наиболее приближенной к ориентировочной, т.е.:

F =226 м².