Расчет емкостного аппарата с рубашкой

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ГБОУ СПО МО «Московский областной профессиональный колледж инновационных технологий» ОСП№4

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Специальность 18.02.06 Технология органического синтеза

Расчет емкостного аппарата с рубашкой

Голубятниковой Анастасии



Введение

Исходные данные: Емкостной аппарат с рубашкой (теплообменник с поверхностью теплообмена, образованный стенками аппарата) снабжен лопастной мешалкой. Применить для нагревания 2мі азотной кислоты 50%. В качестве горячего теплоносителя использовать насыщенный греющий пар , подаваемый в рубашку. Давление греющего пара 0,2 МПа. Азотная кислота нагревается от 30є С до 100є С

Актуальность. Теплообменные аппараты различных типов широко используются в энергетических установках. Как и всякая техническая система, теплообменная система (теплообменный аппарат) оценивается основным показателем качества - энергетической эффективностью. Этот показатель, заложенный в стадии проектирования, характеризует также и функционирующий теплообменный аппарат.

Стремление получить наибольшую выгоду (тепловой поток) от теплообменного аппарата (системы) приводит к необходимости решения задачи экономии металла при его изготовлении, а также уменьшении эксплуатационных, прежде всего, затрат электроэнергии на прокачку теплоносителя. Поэтому в общем виде энергетическая эффективность определяется соотношением между полезным эффектом (переданным тепловым потоком) и материальными затратами (расход металла на изготовление и энергии на прокачку теплоносителя).

Основной элемент теплообменного аппарата - теплообменная поверхность. Взаимодействие потоков теплоносителя с теплообменной поверхностью характеризуется одновременным протеканием процессов переноса тепла и импульса (вязкое взаимодействие с поверхностью, вихреобразование). Эти процессы органически связаны между собой, так как имеют общий носитель энергии в направлении, перпендикулярном поверхности.

Разработка энергетически эффективных теплообменных систем, состоит в разрешении физических и технических противоречий, возникающих при проектировании и эксплуатации теплообменного оборудования. Задача эта - многофакторная, решение ее достигается оптимизацией по отдельным параметрам.

Не менее важно, с точки зрения экономии энергоресурсов и обеспечения заданных режимов работы оборудования, разработать новые конструктивные решения систем охлаждения (нагревания) корпусных деталей аппаратов. теплообменный емкостный аппарат рубашка

Актуальность решения этой задачи особенно проявляется для оборудования, являющегося объектом химического машиностроения, в силу того, что оно часто эксплуатируется в условиях агрессивных сред, высокой температуры, давления или вакуума, имеет сложную форму корпусных деталей и их значительные габариты.

Цель работы. Изучение конструкций и технологии изготовления теплообменных устройств емкостного оборудования.

Задачи работы.

1. Дать краткое описание и провести сравнительную характеристику существующих аппаратов данного типа;

2. Дать краткое описание заданного процесса и провести физико-химическую характеристику сырья и продуктов;

3. Описать проектируемый аппарат, преимущества и недостатки выбранной конструкции аппарата;

4. Систематизировать сведения по обслуживанию проектируемого аппарата;

5. Составить материальный и технологический расчет аппарата;

6. Рассчитать тепловой баланс аппарата;

7. Выполнить конструктивный чертеж аппарата (с отдельными узлами и деталями, по указанию руководителя проекта);

8. Составить аппаратурную схему установки (совмещенную с автоматизацией процесса, по указанию руководителя проекта).



1. Вводная часть

1.1 Краткое описание и сравнительная характеристика существующих аппаратов данного типа

Ни одно производство, которое имеет отношение к жидким или газообразным веществам не может обойтись без такого оборудования как стальные сварные емкостные аппараты, они являются его неотъемлемой частью. Данное оборудование применяется как самостоятельные и независимые конструкции, которые служат для хранения продуктов производства или реагентов, а так же аппараты могут быть частью одной из технологических установок. В последнем варианте главной функцией цельносварных аппаратов является - выполнение роли конечного или промежуточного резервуара.

Сварные цилиндрические сосуды, служащие для приема, хранения и выдачи газообразных и жидких субстанций (в том числе, легковоспламеняющихся и химически опасных продуктов) во внешних термических режимах от -60 до +50°С, называют емкостными аппаратами. В зависимости от расположения в пространстве, емкости могут иметь вертикальное, либо горизонтальное исполнение. Днища емкостей обладают эллиптической, плоской или конической конструкцией.

Оборудование позволяет хранить нейтральные жидкости, а также жидкости, которые характеризуются химической агрессией, температурный диапазон хранения - от +-100 С.

Использование данных емкостных аппаратов заметно и в нефте-, и в газопереработке, также они охватили металлургию, химическую промышленность, сельское хозяйство и многие другие сферы. У стального емкостного аппаратного оборудования различного назначения практически неограниченное применение.

Основная часть данного оборудования - это стальной цельносварный резервуар, который имеет люк, предназначенный для наполнений и опорожнений, а также дополнительные штуцеры. Установка резервуара обязательно предусматривает наличие удерживающих конструкций различного типа, которые для него являются главной опорой.

Главными характеристиками стального емкостного аппаратного оборудования можно считать объем его резервуара, толщину стенки и вид стали, которая была использована для производства аппарата, тип поддерживающей конструкции. В качестве главных параметров стального емкостного аппаратного оборудования указывают все технические характеристики, а так же примерную сферу, в которой будет использоваться аппарат, соответствие всех деталей аппарата государственным стандартам качества.

Все оборудование подразделяется на несколько типов и видов, так выделяют аппараты вертикального и горизонтального положения. Одним из самых важных критериев подразделения на типы является форма днища, тип обозначается тремя буквами.

Вертикальные аппараты подразделяются на четыре типа: ВЭЭ, ВПК, ВПП, ВКК, а горизонтальные на три: ГЭЭ, ГКК, ГПП. Форму верхней и нижней поверхности резервуара можно узнать, посмотрев на вторую и третью букву.

Сравнительные технические характеристики аппаратов представлены в таблице 1.

Табл.1 Сравнительные технические характеристики емкостных аппаратов

Характеристики	Вээ	Вкэ	Вкп	Впп	Гээ	Гкк
Объем, м3	1-25	1-10	10-25	1-100	6,3-100	1-100
Рабочий продукт	нефтепродукты, ГСМ, масла, пищевые продукты, химические вещества
Плотность рабочей среды, кг/м3	до 2000
Класс опасности рабочей среды	1, 2, 3 и 4 по ГОСТ 12.1.007
Температура рабочей среды, єС	от -60 до +50
Рабочее давление, МПа	0,6; 0,7; 1,0; 1,6
Давление в змеевике (при наличии), МПа	до 0,06
Расположение в пространстве	вертикальное	вертикальное	вертикальное	вертикальное	горизонтальное	горизонтальное
Днища	эллиптические	эллиптическое и коническое	конические неотбортованное и плоское	плоские	эллиптические	конические неотбортованные
Конструктивные исполнения	с рубашкой/без рубашки, со змеевиком/без змеевика, с трубным пучком/без трубного пучка
Основной материал	Ст3сп5, 12Х18Н10Т, 09Г2С
Способ слива рабочей среды	самотеком или передавливанием сжатых газов
Сейсмичность района эксплуатации	до 6 баллов
Габаритные размеры	по ГОСТ 9931-85 «Корпуса цилиндрические стальных сварных сосудов и аппаратов. Типы, основные параметры и размеры»

Емкостные стальные аппараты, имеющие климатическое исполнение УХЛ1 - для районов с умеренным и холодным климатом, а так же Т1 - для тропического климата имеют три типа исполнения:

к первому типу относятся горизонтальные емкостные стальные аппараты, предназначенные для жидких сред;

ко второму типу относятся вертикальные емкостные стальные аппараты, предназначенные для жидких сред;

к третьему типу относятся вертикальные емкостные стальные аппараты, предназначенные для газовых сред.

Вертикальные аппараты ВЭЭ с рубашкой применяются на различных производствах нефтегазовой и химической отраслях. Они используются как для хранения различных жидкостей, так и для выполнения сливо-наливных операций. Отличительной особенностью данных вертикальных аппаратов ВЭЭ является наличие рубашки. Рубашка может выполнять двойную функцию в зависимости от требований производства: нагревать или охлаждать хранимый продукт. Это может быть необходимо при хранении вязких продуктов или при понижении температуры окружающей среды до того минимума, когда естественный слив жидкости затруднен. Слив жидкости может происходить как самотеком, так и передавливанием среды сжатым инертным газом или воздухом.

Условия эксплуатации вертикальных аппаратов ВЭЭ с рубашкой:

- эксплуатация в тропическом, умеренном и холодном климатах;

- температура окружающей среды: -60°С...+50°С;

- используется для хранения и выдачи: нефтепродуктов, масел, ГСМ, химических веществ, пищевых продуктов, газов;

- условное давление в вертикальном аппарате с рубашкой - 1 Мпа;

- условное давление теплоносителя в рубашке вертикального аппарата ВЭЭ - 0,6 Мпа;

- сейсмичность района эксплуатации - до 6 баллов

- не эксплуатируются в условиях подземного размещения.

Чертеж вертикального аппарата ВЭЭ с рубашкой и эллиптическими днищами представлен на рисунке 1.

Рис. 1 Чертеж вертикального аппарата ВЭЭ с рубашкой и эллиптическими днищами

В качестве основного материала для производства стального емкостного аппаратного оборудования используется высококачественная легированная сталь, которую дополнительно покрывают слоем полимерного вещества, оно наносится для повышения химической инертности.

Готовые стальные емкостные аппараты проходят обязательную процедуру тестирования на герметичность, химическую инертность, сопротивление давления и прочие характеристики.

Стальное емкостное аппаратное оборудование не предназначено для использования в качестве подземного резервуара, для транспортировки рабочих сред, в том числе для эксплуатации на передвижных устройствах. Также ограничение касается покрытия, аппараты не предназначены для футеровки, нанесения различных покрытий, кроме лакокрасочных, и гуммирования.



1.2 Краткое описание заданного процесса и физико-химическая характеристика сырья и продуктов

Физико-химические свойства безводной азотной кислоты

Чистая безводная азотная кислота - бесцветная, легкоподвижная жидкость с едким запахом, малоустойчива, разлагается при обычных температурах, дымит. Она является сильной одноосновной кислотой, существующей в трех агрегатных состояниях.

Молекула HNO3 имеет следующее строение:

Относительная молекулярная масса HNO3 при 0°С и 101,3 кПа составляет 63,016 кг/кмоль, а мольный объем пара - 24,58 м3/кмоль.

В газовой фазе молекула HNO3 является плоской. Температура кристаллизации HNO3 равна - 41,58°С. При этой температуре кристаллы имеют белоснежный вид. Элементарная ячейка кристаллической решетки азотной кислоты содержит 16 молекул HN03. Плотность кристаллической HNO3 1895 кг/м3.

В пределах от -30 до +50°С плотность азотной кислоты можно определить по уравнению, предложенному Г.Л.Антипенко и др.:

р= 1549,2 - 1,83 t (1.1)

где р = плотность, кг/м3

t - температура, °С

Плотность жидкой HN03 увеличивается с повышением давления. При 20°С и давлении 0,1; 10.2 и 34,0 МПа она составляет соответственно 1512,6; 1526,4и 1547,0 кг/м3.

Вязкость жидкой HNO3 при нормальных условиях составляет 1,105 кПа*с, а поверхностное натяжение - 4, 356 Н/м. Вязкость и поверхностное натяжение безводной азотной кислоты с повышением температуры понижается.

Температура кипения чистой безводной азотной кислоты при атмосферном давлении составляет 82,6°С.

Из табл. 1 видно, что температура кипения 99,7%-ной азотной кислоты существенно повышается с ростом давления. И если при давлении, равном 6,266 кПа, она составляет 22,0°С, то при 101,325 кПа достигает 86,9°С

Процессы химических и нефтехимических производств подразделяют на физико-механические и химические.

Физико-механические процессы служат либо для подготовки исходного сырья к химическому взаимодействию, либо для разделения продуктов химических процессов и придания им требуемых параметров.

К физико-механическим процессам относятся:

- механические процессы, связанные с переработкой твердых материалов (дробление и помол, разделение материалов по размеру частиц, смешение сыпучих и пастообразных материалов);

- гидромеханические процессы, при которых происходит переработка жидких и газообразных систем (перемешивание, разделение систем путем отстаивания, фильтрации, центрифугирования, очистка газов от пыли или частиц жидкости);

- тепловые процессы, связанные с нагревом, охлаждением, испарением, конденсацией жидких и газообразных материалов;

- массообменные процессы, характеризующиеся переходом вещества из одной фазы в другую (растворение, ректификация -- разделение жидкостей путем перегонки, абсорбция-- поглощение газов жидкостью, адсорбция -- поглощение газов твердыми телами, экстракция -- извлечение жидкостей с помощью растворителей).

Химические процессы служат для синтеза искусственных продуктов с заданными свойствами.

Химические и физико-механические процессы во многих случаях сопутствуют один другому. Например, химические реакции сопровождаются тепловыми, гидромеханическими и массообменными процессами.

Технологические химические и нефтехимические процессы могут быть периодическими и непрерывными. При периодическом процессе все стадии проходят последовательно. При этом исходные вещества загружают в аппарат, а после окончания процесса из аппарата выгружают продукт. При непрерывном процессе все стадии протекают одновременно. При этом подача исходных веществ и выгрузка продукта ведутся непрерывно. Как правило, непрерывные процессы предпочтительнее периодических из-за большей производительности и возможности автоматизации.

Существуют процессы, занимающие промежуточное положение между периодическими и непрерывными, так называемые полунепрерывные, в которых один из исходных материалов загружается периодически, а другой - непрерывно.

Конструкция аппаратов для химических и физико-механических процессов должна соответствовать агрегатному состоянию исходных веществ и получаемых продуктов.

Встречаются следующие сочетания агрегатных состояний:

- твердое вещество + твердое вещество;

- твердое вещество + газ;

- твердое вещество + жидкость;

- жидкость + жидкость;

- жидкость + газ;

- газ + газ.

Сочетание «твердое вещество + твердое вещество» используется в таких процессах, как смешение, пластификация, ряде химических процессов, которые проводятся в аппаратах с гребковыми мешалками, смесителях и пластификаторах.

Сочетание «твердое вещество + газ» соответствует процессам очистки газа от пыли, сушке, а также обжигу. Для проведения этих процессов предназначены сухие электрофильтры, аппараты, заполненные твердым исходным материалом (адсорберы), гребковые печи, аппараты с «кипящим слоем» и др.

Сочетание «твердое вещество + жидкость» соответствует процессам растворения, отстаивания, фильтрации, центрифугирования, которые проводятся в емкостных аппаратах, аппаратах с размешивающими устройствами, отстойниках, фильтрах, центрифугах и др.

Сочетание «жидкость + жидкость» встречается в таких процессах, как сепарация (разделение эмульсий), экстракция (разделение жидкостей), и других, для которых применяют емкостные аппараты и аппараты змеевикового типа.

Сочетание «жидкость + газ» характерно для процессов абсорбции, мокрой газоочистки, разгонки жидкостей и ряда химических процессов. Для проведения этих процессов предназначены колонные аппараты с тарелками и другими насадками, барботажные аппараты емкостного типа, мокрые электрофильтры и другие аппараты.

Сочетание «газ + газ» соответствует высокотемпературным химическим процессам. Большинство из них протекает в присутствии катализатора, на поверхности которого происходит контактирование газов.

В ряде случаев процесс проводят с нагревом обрабатываемых продуктов.

Оборудованием для таких процессов служат различные контактные аппараты, колонны синтеза аммиака и карбамида, печи пиролиза и др.

Кроме агрегатного состояния исходных веществ и конечных продуктов, на конструктивное оформление аппаратуры прямо влияют основные параметры процесса - давление и температура.

Химические и нефтехимические процессы в современном производстве протекают в больших диапазонах давлений (от глубокого вакуума до 2500 кгс/см2) и температур (от минусовых до Н-1500° С).

Процесс теплопередачи

Согласно задания необходимо нагреть азотную кислоту с 20 до 60°С. Процесс нагревания является процессом теплопередачи. Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого -- возрастает. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов - нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания - и имеют большое значение для проведения многих массообменных (процессы перегонки, сушки и др.), а также химических процессов, протекающих с подводом иле отводом тепла. Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла. Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае перемешивания ее мешалкой. Тепловое излучение - это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения. В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой (как в кожухотрубчатом теплообменнике между паром и стенкой) средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей. В непрерывно действующих аппаратах температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные, процессы теплообмена. В данном проекте наиболее подходящим способом нагрева будет являться нагревание паром. Данным способом можно нагревать пар до 180°С.

Нагревание паром.

Водяной пар является наиболее распространенным горячим теплоносителем для нагревания до температур 150-170 С. Преимущества водяного пара: 1) высокий коэффициент теплоотдачи; 2) большое количество тепла выделяемое при конденсации единицей количества пара; 3) возможность транспортировки по трубопроводам; 4) равномерность обогрева; 5) легкое регулирование обогрева. Нагревание водяным паром производится путем применения острого или глухого пара. При обогреве острым паром его вводят непосредственно в нагреваемую жидкость, и образующийся конденсат смешивается с нею. При обогреве глухим паром обогреваемая жидкость не соприкасается с паром, а отделена от него стенкой, через которую передается тепло. Для удаления из аппарата конденсата без выпуска с ним пара применяют специальные устройства - конденсатоотводчики (водоотводчики). Наибольшее распространение имеют конденсационные горшки. В корпусе всегда погруженная в конденсат. При заполнении корпуса горшка конденсатом поплавок всплывает и клапан закрывает выходное отверстие для конденсата. Когда в поплавке наберется достаточное количество конденсата, он опускается, и клапан открывает выходное отверстие и конденсат вылавливается из поплавка давлением пара через трубу и отверстие. После удаления большей части конденсата поплавок снова всплывает, клапан закрывает выходное отверстие и начинается следующий цикл находится поплавок, представляющий собой открытый стакан, в днище которого укреплен шток, заканчивающийся сверху клапаном. К крышке горшка прикреплена труба. Существует два вида нагревания паром острым и глухим. Нагревание острым паром: наиболее простым способом передачи тепла является нагревание острым паром, т. е. паром, который вводится непосредственно в нагреваемую жидкость. В моем проекте будет использоваться нагревание глухим паром: Если свойства обогреваемого материала или условия проведения процесса не позволяют вести нагревание острым паром, применяют устройства для нагрева через стенки, разделяющие пар и нагреваемую жидкость, т. е. ведут нагревание глухим паром. Такой нагрев ведется через двойные днища или рубашки, змеевики, трубчатые и спиральные теплообменники и др. Обычно поступающий в теплообменник пар отдает всю скрытую теплоту парообразования стенкам аппарата и истекает в виде конденсата. Нагревание горячей водой: применяется значительно реже, чем водяным паром, хотя по своим теплотехническим свойствам вода почти не отличается от пара. Это объясняется тем, что для нагрева воды необходимы пар или дымовые газы, причем горячая вода должна иметь более высокую начальную температуру, чем пар, так как она охлаждается в процессе нагревания, а пар отдает скрытую теплоту конденсации при постоянной температуре. Для обогрева применяют, главным образом, отработанную горячую воду или паровой конденсат. Топочные газы: применяются в качестве высокотемпературного теплоносителя. Практически температура газов составляет 700--1000°С. Их получают сжиганием в печах природного или генераторного газа. Нагревание топочными газами отличается существенными недостатками, к которым относятся трудность точного регулирования температуры, низкий коэффициент полезного действия и низкий коэффициент теплоотдачи, громоздкость обогреваемых установок. Поэтому вместо топочных газов предпочитают, по возможности, применять другие теплоносители. Исходя из всех достоинств других способов нагревания для данного процесса лучше подойдет нагревание водяным паром так как для нагрева с 20 до 60°С удобней нагревать паром. Паром вещество нагревают до 180°С.

1.3 Описание проектируемого аппарата, преимущества и недостатки выбранной конструкции аппарата

Вертикальные цельносварные аппараты с эллиптическими днищами предназначены для приема, хранения и выдачи жидких и газообразных сред при условном давлении в сосуде 0,6; 1,0 и 1,6 МПа.

Вертикальные цельносварные аппараты с эллиптическими днищами, с рубашкой предназначены для приема, хранения и выдачи жидких и газообразных сред при условном давлении в сосуде 1,0 МПа с постоянным или периодическим подогревом или охлаждением. Давление теплоносителя не более 0,6 МПа.

Выдача жидких сред может осуществляться как самотеком, так и передавливанием среды сжатым воздухом, технологическим или инертным газом.

Сосуды могут быть использованы в качестве отстойников. Внешний вид аппарата представлен на рисунке 2.

Рис.2 Вертикальный цельносварной аппарат с эллиптическим днищем

Рассмотрим технические характеристики аппарата ВЭЭ2-3-3,2-1,0 ТУ 3615-001-64790212-2012, где:

- ВЭЭ - аппарат вертикальный с эллиптическими днищами;

- 2 - разъёмный;

- 3 - с рубашкой;

- 3,2 - номинальный объем, м3;

- 1,0 - условное давление, МПа.

Основные габаритные размеры вертикального аппарата ВЭЭ2-3-3,2-1,0 ТУ 3615-001-64790212-2012 представлены в таблице 2.



Таблица 2 Основные габаритные размеры вертикального аппарата ВЭЭ2-3-3,2-1,0 ТУ 3615-001-64790212-2012

Объем, м3	Площадь поверх. теплообмена, м3	Размеры, мм	Условное обозначение
номинальный	рабочий		D	D1	S2	S3	h	R
3,2	2,9	7,3	1400	1500	14	8	1445	520	ВЭЭ2-3-3,2-1,0

Таким образом, аппараты емкостные цилиндрические для жидких и газовых неагрессивных сред со скоростью коррозии углеродистых и низколегированных марганцовистых и марганцевокремнестых сталей не более 0,1 мм/год (в дальнейшем аппараты) с номинальными объемами от 2 до 200 м3, с условными давлениями от 0,8 до 2,5 МПа (от 8 до 25 кгс/см2) и температурами сред от минус 60 до 3000 С, предназначены для применения в технологических установках химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, нефтяной и газовой отраслях промышленности.

Класс опасности рабочих сред - 2,3 и 4 по ГОСТ 12. 1. 007.

Жидкость должна иметь плотность не более 1000 кг/ м3, температуру, не превышающую температуру кипения при рабочем давлении, и температуру, при которой давление упругости паров не превышает рабочее давление аппарата. Допускается использование аппаратов для хранения жидких и газообразных сред без давления.

Аппараты не предназначены для хранения сжиженных углеводородных газов в складских условиях, для перевозки жидких и газовых сред, для использования их с футеровкой, гуммированием или нанесением других внутренних покрытий. Аппараты могут оборудоваться наружными или внутренними теплообменными устройствами, по АТК 24. 218. О7-90

Аппараты типов 2 предназначены для установки до U района по скоростному напору ветра включительно по СНиП 2.01.07-85. Вертикальные аппараты типа 2 высотой менее 10 м предназначены для установки в районах с сейсмичностью до 9 баллов по 12-ти бальной шкале, а высотой более 10 м - при условии подтверждения расчетом на прочность от сейсмических воздействий.

Климатическое исполнение аппаратов:

- при поставке в районы с умеренным или холодным климатом - УХЛ1 по ГОСТ 15150;

- при поставке в районы с тропическим климатом - Т1 по ГОСТ 15150.

Выбор аппаратов для конкретных условий эксплуатации осуществляет проектная организация, применяющая аппарат в своих проектах, при этом должны учитываться требования «Правил безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении» конкретных веществ.

1.4 Краткие сведения по обслуживанию проектируемого аппарата

Стандартная резервуарная емкость рассчитана на хранение жидкостей при обычном атмосферном давлении, однако, разные вещества, в зависимости от свойств, с целью сохранения качества, нуждаются в определенных условиях содержания. Некоторые виды жидких и газообразных сред требуют соблюдения строгих значений давления в сосуде, и с этой целью разработан особый класс хранилищ - емкостные аппараты. По расположению в пространстве, емкостные аппараты бывают горизонтальными и вертикальными. Сферу применения резервуаров этого класса во многом определяет конструкция днищ, которая может иметь плоскую, коническую и эллиптическую форму.

Вертикальные аппараты ВЭЭ с эллиптическими днищами изготавливаются в версиях для работы с условным давлением 0,6; 1 и 1,6 МПа. Конструкции этого типа используют в качестве хранилищ, накопителей или временных отстойников жидких и газообразных веществ, с плотностью не более 1600 кг/м3. Содержимым баков вполне могут быть отходы производства, токсичные, химически агрессивные и взрывоопасные материалы. Активное применение ВЭЭ нашли на предприятиях химического синтеза, используясь для хранения реагентов и готовой продукции.

Аппарат ВЭЭ представлен цилиндрической ёмкостью с выпуклым дном. Сосуды предусматривают оборудование разнообразными устройствами для обслуживания, приема, выдачи и контроля содержимого. С этой целью вертикальные аппараты ВЭЭ с эллиптическими днищами оснащаются специальными штуцерами.

Выпуклое днище аппаратов обусловливает установку на опоры, которыми могут быть лапы или стойки. Выбор конструкции опор для фиксации сосуда к фундаменту или грунтовой поверхности зависит от эксплуатационных свойств ВЭЭ. Кроме того, вид опор определяет габаритные размеры готовых сооружений.

Объем резервуара является одной из важнейших его характеристик. Типовые проекты ВЭЭ предусматривают производство аппаратов с номинальной вместимостью 1 м3, 2 м3, 3,2 м3, 5 м3, 6,3 м3, 10 м3, 16 м3, 25 м3. Материальное исполнение зависит от назначения емкостей и условий их содержания, в связи с чем, для изготовления сооружений используют углеродистые, кислотостойкие, низколегированные и нержавеющие стали.

Для хранения вязких продуктов, реагирующих на перепады температуры окружающей среды изменением консистенции, используются версии, оснащенные рубашками - специальными устройствами, обеспечивающими нагрев или охлаждение содержимого емкостей с целью сохранения качества веществ и облегчения слива. Аппараты с нагревательными элементами рассчитаны на работу при условном давлении 1 МПа.

В качестве дополнительной оснастки, аппараты емкостные оборудуются устройствами подогрева или охлаждения - рубашками, змеевиками, трубными пучками, а также, погружными насосами.

К основным характеристикам емкостных аппаратов, определяющим сферу применения оборудования, относится объем сосуда, толщина и марка стали стенок, номинальное давление, конструкция поддерживающих опор, расположение штуцеров. Материальное исполнение вертикальных конструкций определяется температурными условиями эксплуатации. Для производства цистерн используется, как углеродистая сталь, так и кислотостойкие и низколегированные сплавы.

Аппараты емкостные не предназначены для подземной установки и транспортировки хранимых веществ. В качестве защиты рабочих поверхностей запрещено использовать любые технологии, за исключением лакокрасочных покрытий.

Слив жидкостей в сооружениях ВЭЭ выполняется самотеком, либо передавливанием вещества сжатым воздухом или инертным газом.



2. Расчетная часть

Рассчитать емкостной аппарат (реактор) по следующим данным:

Аппарат снабжен рубашкой Механической мешалкой для перемешивания.

Аппарат предназначен для нагревания или охлаждения растворов.

В рубашку аппарата подается греющий пар.

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них.

В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

- поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передастся через поверхность стенки;

- регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

- смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

В химической промышленности наибольшее распространение получилиповерхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций. Наиболее часто встречаются емкостные теплообменные аппараты с мешалками, используемые для проведения многих технологических процессов (плавления, кристаллизации, нагревания, охлаждения). Механические мешалки позволяют значительно интенсифицировать перечисленные выше процессы. Конструкции мешалок весьма разнообразны и выбор того или иного вида перемешивающего устройства производится в каждом отдельном случае с учетом формы и размера аппарата и физико-химических свойств перемешиваемой среды.

В качестве нагревательных устройств обычно применяются рубашки или змеевики, последние могут быть смонтированы как снаружи, так и внутри аппарата. Обогрев аппарата может быть проведен также "острым" паром или при помощи электрической энергии.

Наибольшее распространение в качестве греющего агента в теплообменниках получил насыщенный водяной пар, имеющими целый ряд достоинств:

- высокий коэффициент теплоотдачи;

- большое количество тепла, выделяемое при конденсации пара;

- равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре;

- легкое регулирование обогрева.

Емкостной аппарат с рубашкой и лопастной мешалкой для нагревания 2м3

20%-ного р-ра

C6H6

Начальная температура 20°С конечная 80 °С.

Давление греющего пара 0,3 МПа

1. Технологический расчет аппарата.

Полный необходимый объем аппарата:

Vп = Vр/? = 2,0/0,75 = 2,9 м3 ,

где ? = 0,75 - коэффициент заполнения аппарата [1 c. 64].

Принимаем аппарат с эллиптическим отбортованным днищем согласно каталога

эмалированного оборудования. [3 с. 74]

номинальной емкостью 3,2 мі (объем аппарата);

- внутренний диаметр 1600 мм (D)

- высота цилиндрической части - 1250 мм;

- общая высота - 1650 мм.(Н)

- толщина стенки 16 мм. (S)

Принимаем рубашку диаметром (D1 )1750 мм с поверхностью теплообмена 7,93 м2

2. Тепловой расчет аппарата.

Составляем тепловой баланс процесса нагревания.

УQ прих = УQ расх (формула 1)

Где Q прихода - это тепло приносимое с греющим паром.

Q прих = Dr (формула 2)

Q расхода это тепло, которое затрачивается на нагревание раствора, аппараты и на потери.

УQ расх = Qр-ра + Qап + Qпот (формула 3)

Принимаем потери в окружающую среду = 3%

Тепловая нагрузка аппарата будет иметь вид:

D·r = 1,03·[G2*c2*(t2к - t2н) + Gа*cа*(tак -- tан)]

(формула 4) где D - массовый расход греющего пара,

r = 2181 кДж/кг - теплота конденсации греющего пара,[2 с. 821] (определяем из паровых таблиц)

G2, Gа, - масса раствора и аппарата

c2, cа, - теплоемкость раствора и материала аппарата

t2к,t2н, tак, tан, - начальные и конечные температуры раствора и аппарата

Для определения теплоемкости раствора находим среднюю разность температур.

При теплообмене между греющим паром и жидкостью температура жидкости меняется только во времени, а температура насыщенного пара постоянна, как по времени так и по поверхности нагрева, поэтому среднюю разность температур можно считать, как для установившегося режима.

Температура конденсации пара при давлении 0,25 МПа tк =127,4 °С.

Разности температур в начале и конце процесса.

Дt max = tк - t2н = 133,5- 20 = 113,5єС (формула 5)

Дt min = tк - t2к = 133,5- 80 = 53,5єС (формула 6)

Так как отношение Дtmax/Дt min = 113,5/53,5 = 2,12 > 2, то

Средняя разность температур: (формула 2)

Дtср = (Дtmax - Дtmin)/ 2,3·ln(Дtmax/Дtmin) = (113,- 53,5)/ 2,3·ln(113,5/53,5) = 79,05 єС

Средняя температура раствора:

t2ср = tк - Дtср = 133,5- 79,05 = 55 єC.

Определяем тепло затраченное на нагрев раствора с учетом потерь.

Масса раствора:

G2 = Vр*с2 = 2,0·845 = 1690 кг, ( 7 )



где с2 = 845 кг/м3

- плотность раствора C6H6 при t2ср при t2ср

с2 = 3,28 кДж/кг·К - теплоемкость раствора C6H6

C6H6 20%

t2к= tак = 80 °С - конечная температура раствора C6H6 20%

Подставляем значения в формулу №4

Qр = 1,03·[1690*·(80 - 20) ] = кВт.

Определяем тепло затраченное на нагрев аппарата (его отдельных частей)

Массу аппарата принимаем Gа = 2500 кг (каталог химического оборудования, эмалированные аппараты).

са = ср = 0,5 кДж/кг*К - теплоемкость стали [1c.527].

Принимаем

t2н = tан = 30 °С

- начальная температура, ( равна температуре воздуха в цехе) t2к= tак = 80 °С - конечная температура раствора и аппарата, tрк = 133,5 °С - конечная температура рубашки. Данные подставляем в формулу № 4.

Q ап = 1,03·[2500*0,5·(133- 20)] = 115875 кВт.

УQ расх = Qр + Q ап = 187995 + 145487 = 333483 кВт. (формула 8)

Расход греющего пара

D = Qрасх/r = 333483/1129,5= 295,2 кг (формула 9)



3. Расчет перемешивающего устройства

Определяем мощность потребляемой мешалкой и выбираем электродвигатель для мешалки.

Выбираем двухлопастную мешалку. (Лопастные мешалки относятся к тихоходным устройствам. Процесс перемешивания выполняется двумя лопастями, сечение которых имеет прямоугольную форму. Если смешивание производится в емкости с большим значением по высоте, то лопасти мешалки могут быть установлены на двух-трех уровнях. Как правило, Мешалка Лопастная (МЛ) широко используются в химической промышленности, а также на предприятиях, где они необходимы по технологическим особенностям производства.)

Лопастные мешалки .( это самый старый тип мешалок).

В основном они состоят из двух лопастей, укрепленных на вращающемся валу аппарата. Лопасти лежат в плоскости вала или наклонены к горизонту под углом, обычно равным 45 ° или 60 °. Окружная скорость мешалки 1,5-4 м/с. Вязкость перемешиваемой жидкости 0,001- 0,02 Па · с.

Рис 3.1 b - Ширина мешалки d - диаметр мешалки D - внутренний диаметр аппарата. Диаметр лопастей мешалки определяется по формулу № 10



d = (0,5 - 0,7) D ( формула 10)

Диаметр лопастей мешалки

d = D· 0,5 = 1600·0,5 = 800 мм = 0,8 м.

Ширина мешалки: b = 0,1·dм = 0,1*0,8 = 0,08 м.

Рекомендуемое значение окружной скорости w = 1,5ч2 м/с, принимаем w = 2 м/с.

Число оборотов мешалки:

n= w/ рdм = 2 /2,512 = 0,8 об/с. (11)

Определяем режим движения перемешивания по значению критерий Рейнольдса

Критерий Рейнольдса:

Re = сndм 2 /µ = 845*0,79*0,8 /0,53*10-3 = 2 060 190(12)

где µ = 0,53*10-3 Па*с - вязкость раствора HNO3 50% при температуре 100 єC. [3c.94]. Для расчета мощности потребляемой мешалкой применим уравнение следующего вида:

K= c Re m

Где КN - критерий мощности зависит от типа мешалки и критерия Рейнольдса. Значение коэффициента с и показателя степени m определяются из опытов. Они зависят от типа мешалки, конструкции аппарата и режима перемешивания. Для упрощенных расчетов воспользуемся их следующими значениями и подставим в формулу

Критерия мощности. где с = 6,80; m = 0,20 Критерий мощности. (формула 13)

K= c/Re m= 6,8/2060190^2=0,37.

Мощность, потребляемая мешалкой при установившемся режиме: определяется по формуле №14

N = Kсn 3 d 5 = 0,37*845*1,3^3 *0,8^5 =419 Вт. (формула 14)

Принимаем КПД передачи от электродвигателя к валу мешалки зм = 0,9, коэффициент запаса мощности (на случай перегрузок) f = 1,2 и определяем мощность электродвигателя.

Nэл.дв= N*f/м м*1000 = 419*1,2 /0,9*1000 =0,559КВт (15)



4. Расчет времени нагрева

Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к стенке б1 по формуле 16

A1=1,15 4v0,14^3*950^2*2203940*9,8/0,258*10^-3*10*1,1=446,31 Вт/м2 *К.

где а = 1,15 - для вертикальной поверхности, t стенки меньше температуры пара на 5 -- 10 градусов С, t ст = 120 -- 10 = 110 єС л1 = 0,14 Вт/м*К - теплопроводность конденсата при температуре стенки 110єС [2c.810], с1 = 905,5 кг/м3 - плотность конденсата пара, [2c.804], µ1 = 0,258*10-3 Па*с - вязкость конденсата, [2c.809], ?t1 = 10 °С - разность температур между t пара и t стенки = (5 -- 10) °С Н = 1,1 - высота вертикальной поверхности конденсации.

Определяем коэффициент теплоотдачи б2 от стенки к раствору HNO3 по критерию Нуссельта.

Критерий Нуссельта Nu (формула 17)

Nu = CRemPr0,3

где Pr - критерий Прандтля, считается по формуле (18) учитывающей физические параметры раствора HNO3.

Pr = **c * = 0,53· 10Їі· 3016,8/0,4 = 3,9

где с -- теплоемкость 50% раствора HNO3.

Pr =3,9 - критерий Прандтля, Принимаем для аппаратов с рубашками С = 0,36; m = 0,67 и подставляем в формулу № 17

Nu = 0,36·1156180^ 0,67 *3,9^0,36 = 18464,8 ,



б2 = Nu·л/D = 18464,8*0,4/1,6 = 4616,2 Вт/м2 *К,

Коэффициент теплопередачи: K= 1/(1/446,31 +0,016/50+1/4616,2) = 1327,5 Вт/м2 *К. у- толщина стенки реактора = 16 мм= 0,016м. л ? теплопроводность стали 50 Вт/м*К

Определяем время нагрева раствора:

ф = Q/K?tcpF = 657663,24 *10^3 /1327,5 *20,28*7.93 = 796c

Q- затрачивается на нагревание раствора, аппараты и на потери F - поверхность теплообмена реактора 7,93 м



5. Поверочный расчет поверхность теплообмена

Для определения поверхности нагрева реакционного аппарата воспользуемся следующей формулой: [1 с.71]

F= G*c*2,3*lg T ?t1 T ?t2/ K* ф

F = (2424 · 3016 · 2.3 lg (120 -- 20)/(127,4 -- 90))/ (1327,5 · 796) =6,7 мІ

где T -- температура пара в (град) = 127,4Сє

t1 и t2 начальная и конечная температура раствора (град.)

К -- коэффициент теплопередачи (Вт/мІ·град)

F -- поверхность теплопередачи (мІ)

ф -- время нагрева (сек) 796c G = G2-- масса раствора (кг.) С = С2-- удельная теплоемкость раствора HNO3 50% = 3016 (Дж/кг·град.)

По каталогу оборудования принимаем поверхность теплообмена = 7.93 мІ > 5 мІ Аппарат подобран верно.

Диаметр штуцеров рассчитывается по формуле:

d =v G/ 0,785wp

, где G - массовый расход теплоносителя,

с - плотность теплоносителя,

w - скорость движения теплоносителя в штуцере. Принимаем скорость жидкости в штуцере w = 1,0 м/с, скорость пара в штуцере 15 м/с. Массовый расход пара G1 = 1303/796 = 1,6 кг/с

диаметр штуцера для входа пара: d1,2 = (1,6/0,785*15*1,26) ^0,5 = 0,107 м, = 330 мм

принимаем d1 = 330 мм; (таблица №3)

диаметр штуцера для выхода конденсата: d1,2 = (1,6/0,785*1*934)^ 0,5 = 0,046 м,= 46 мм принимаем d2 = 46 мм;

Принимаем время загрузки раствора 10 мин = 600 с, тогда диаметр штуцера для входа и выхода раствора: d3,4 = (2424/600*0,785*1,0*1212)^ 0,5 = 0,065 м, = 65мм принимаем d3,4 = 65 мм. Диаметр технологического люка принимаем равным 300 мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80, конструкция и размеры которых приводятся ниже:

Рис. 5.1

Настоящий стандарт распространяется на стальные плоские приварные фланцы трубопроводов и соединительных частей, а также на присоединительные фланцы арматуры, соединительных частей машин, приборов, патрубков аппаратов и резервуаров на условное давление Ру от 0,1 до 2,5 МПа (от 1 до 25 кгс/см2) и температуру среды от 203 до 573 К (от минус 70 до плюс 300 °С).



Рис. 5.2



Литература

1.М.Н. Кувшинский, А.П. Соболева «Курсовое проектирование по предмету процессы и аппараты химической промышленности» М «Высшая школа» 1980.

2. А.П. Планоский, В.М. Рамм, С.З. Каган «Процессы и аппараты химической технологии» «Химия» М 1966.

3. Каталог эмалированной аппаратуры

4. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник.

5.К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии».

Размещено на Allbest.ru

...