6.7. Пример расчета кипятильника (испарителя) кубового остатка
Произвести тепловой расчет и выбрать по каталогу основные конструктивные размеры теплообменника для испарения кубового остатка. Количество кубового остатка W = 3069 кг/ч. Содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке хw = 0,02.
Кубовый остаток подается в трубное пространство, а горячий теплоноситель в межтрубное.
В качестве горячего теплоносителя используется насыщенный водяной пар (Р = 2 атм, х = 0,05).
t = 119,60C r = 2,208·106 Дж/кг
Физические свойства конденсата
ρ = 943 кг/м3 = 0,233·10-3 Па·с
6.7.1. Предварительный тепловой расчет
6.7.1.1. Тепловую нагрузку аппарата и расход греющего пара берем из пункта 5.1.5
Qк = 2,66 ·105 Вт Gп = 0,131 кг/с
6.7.1.2. Средняя температура
tср = tг - tx tг = 119,60С
tx определяем из t-x,y диаграммы
tx
=
= 75,40C
tср = 119,6 – 75,4 = 44,20С
Для определения ориентировочной поверхности теплообменника зададимся К = 300…2500 Вт/(м2·К) [2, с.172]
Примем К = 1200 Вт/(м2·К)
5.1.3. Поверхность теплообмена
По [6, с.51] выберем одноходовый теплообменник с F = 6,0 м2
D = 273 мм d = 25х2 мм n = 37 L = 2,0 м
6.7.2. Уточненный тепловой расчет
Для уточнения величины поверхности теплообмена определим q.
6.7.2.1. Зададимся первым приближением удельной тепловой нагрузки
Определим коэффициенты А и В уравнения 6.1.
(6.1)
(6.2)
(6.3)
Так как в кубовом остатке содержание ссl4 = 98%, то будем определять свойства как для чистого вещества с t = 75,40C
= 0,0979Вт/(м·К) [2, с.561]; с = 941,2Дж/(кг·К ) [2, с.562]
= 1481,58кг/м3 [2, с.512]; = 0,499·10-3Па·с [2, с.517]
= 20,152·10-3н/м [2, с.527]; п0 = 6,875кг/м3 [8, с.558]
r = 195,625·103 Дж/кг [2, с.543]
6.7.2.2. Толщина труб 2·10-3 м, материал – нержавеющая сталь
ст = 17,5 Вт/м·К [2, с.529]
6.7.2.3. Рассчитываем
значение величины
по формуле 6.1
6.7.2.4. Примем второе приближение q2 = 42000 Вт/м2,
6.7.2.5. Третье уточненное значение q3 определим по формуле (6.4)
(6.4)
6.7.2.6. Проверим q3, подставив его в уравнение (6.1)
Такую точность можно считать достаточной, а удельную тепловую нагрузку q = 44644,99 Вт/м2 можно считать истинной тепловой нагрузкой.
6.7.2.7. Требуемая площадь поверхности
6.7.2.8. Окончательно выбираем теплообменник одноходовой с F=6,0 м2 и параметрами
D = 273 мм d = 25x2 мм L = 2,0 м
6.8. Конструктивный расчет
Общей задачей конструктивного расчета является определение основных размеров теплообменного аппарата и его частей.
Размеры отдельных деталей необходимо показать на эскизных чертежах.
Конструктивный расчет поводить в следующей последовательности.
6.8.1. Выписать из каталога для выбранного после уточненного расчета теплообменника диаметр аппарата, длину, диаметр и число труб, толщину стенок труб [6, с.51].
6.8.2. Выбрать схему расположения труб и определить шаг размещения труб в трубной решетке [13,14 или приложение 14].
Схему расположения труб представить на эскизной схеме.
6.8.3. Руководствуясь рекомендациями [15, с.7], выбрать сочетание типа камер (днищ). В теплообменных аппаратах, работающих под внутренним давлением, чаще всего используются эллиптические днища (камеры), основные размеры которых приведены в таблице [15, с.34 - 36], или плоские днища [15, с.37].
Размеры днищ (камер) представить на эскизной схеме.
6.8.4. В соответствии с рекомендациями [15, с.18] выбрать патрубки и штуцера, основные размеры которых приведены в таблице [15, с.48 - 52].
6.8.5. Принять по каталогам величину вылета патрубков и штуцеров [15, с.21].
Определить их привязочные размеры [15, с.21].
6.8.6. В зависимости от давления, токсичности и агрессивности сред выбрать тип фланцевых соединений для крышек теплообменника и штуцеров. При давлениях до 2,5 мн/м2 для нетоксичных и неагрессивных сред обычно применяют фланцы с плоской уплотнительной поверхностью. Размеры нормализованных плоских фланцев для штуцеров и крышек теплообменника приведены в таблицах [15, с.43 - 57].
Для теплообменников, через которые проходят летучие, огнеопасные, токсичные и агрессивные вещества или вещества при высоких давлениях, следует применять фланцевые соединения с уплотнительными поверхностями типа Шип-паз, размеры которых приведены в таблицах [15, с.43 - 57].
6.8.7. Руководствуясь рекомендациями [15, с.28 – 32, 39 - 44] в зависимости от давления, температуры и характера среды выбрать материал прокладок.
6.8.8. Произвести расчет опорных лап. Опоры рассчитывают на максимальную массу аппарата, которая обычно создается во время испытания, когда аппаратура заполнена опрессовывающей жидкостью плотностью ж = 1200 кг/м3:
Ммакс = М + Мж
где М – масса незаполненного аппарата;
Мж – масса жидкости.
М = М1 + М2
М1 – суммарная масса камер, трубных решеток и штуцеров
определяется по таблице [15, с.25];
М2 – масса одного погонного метра труб и обечайки
определяется по таблице [15, 26, 27].
Для вычисления массы жидкости (Мж) необходимо знать объем трубного и межтрубного пространства, а также объем камер.
Объем трубного пространства V1
V1 = 0,785 . dвн2 . l . n + 2Vкам
Объем камер (Vкам = Vдн) определяют по таблице [15, с.33 – 38].
Объем межтрубного пространства V2 определяют по формуле
V2 = 0,785 (Д2 – nd2) . l
Если Vкам состоит из объема днища Vдн и объема цилиндрической части Vц, то
Vкам = Vц+ Vдн = S . Нц + Vдн ;
Нц = Н1 – (hв + h),
где Н1 – высота камеры;
hв – высота эллиптической части днища;
h – высота борта днища, приведена в [15, с. 33-38]
Масса жидкости в полностью заполненном аппарате
Мж = (V1 + V2 ) . ж
По конструктивным и техническим соображениям задаются числом опорных лап nоп (обычно 2 или 4) и вычисляют нагрузку, приходящуюся на одну опорную лапу
6.8.9. По величине нагрузки на одну опору определить размеры нормализованных опорных лап [15, с.59 – 63], представить эскизы опорных лап.