25

3.3 Технологический расчет основных аппаратов и подбор вспомогательного оборудования

3.3.1 Технологический расчет

Технологический расчет установки, отделения, цеха включает:

- материальный баланс;

- тепловой баланс;

- технологический расчет основного аппарата;

-расчет и подбор вспомогательного оборудования;

- гидравлический расчет аппаратов.

Задачей материального баланса является определение расхода материальных потоков, необходимых концентраций; теплового баланса – определение расхода нагревающих и охлаждающих агентов. Технологический расчет аппаратов выполняется с целью определения их основных размеров (диаметра, высоты, площади поверхности теплопередачи и т.д.). По рассчитанным основным размерам выбирается аппарат по нормативным документам – ГОСТу, ОСТу и т.д. Далее рассчитываются или выбираются остальные элементы аппаратов (перемешивающие и контактные устройства, штуцеры, крышки и т.д.). При необходимости в этом разделе выполняется расчет тепловой изоляции. Необходимые для выполнения расчетов физико-химические свойства перерабатываемых веществ (плотность, теплопроводность, теплоемкость, вязкость и др.) находят по справочникам или рассчитывают по формулам. В этом же разделе выполняется расчет остальных аппаратов установки (теплообменников, циклонов, барометрических конденсаторов и др.) и выбор их по каталогам и ГОСТам. Расчет гидравлического сопротивления аппаратов и трубопроводов осуществляется для расчета и выбора машин, перемещающих жидкости и газы (насосов, вентиляторов, компрессоров). Емкостное оборудование для хранения сырья и продукции рассчитывается и подбирается по нормалям, каталогам или ГОСТам с учетом конкретных условий их работы. Все расчеты должны выполняться в Международной системе единиц измерений (СИ).

3.3.1.1 Теплотехнический расчет теплообменных аппаратов

Теплообменными называют аппараты, предназначенные для передачи теплоты от более нагретого теплоносителя к менее нагретому.

В химической технологии широкое применение находят поверхностные теплообменные аппараты, к которым относятся:

-трубчатые (кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», оросительные, погружные);

- пластинчатые;

- спиральные;

- аппараты с рубашками;

- с оребренной поверхностью теплообмена.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты обозначаются индексами и классифицируются:

- по назначению (первая буква индекса):

Т – теплообменники;

Х – холодильники;

К – конденсаторы;

И – испарители;

- по конструкции (вторая буква индекса):

Н – с неподвижными трубными решетками;

К – с температурным (линзовым) компенсатором на кожухе;

П – с плавающей головкой;

U (У) – с U-образными трубками;

- по расположению (третья буква индекса):

Г – горизонтальные;

В – вертикальные.

При выборе типа и конструкции теплообменника учитываются следующие факторы:

- назначение аппарата и протекающие в нем процессы;

- удельная теплопроизводительность аппарата (количество теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме);

- гидравлическое сопротивление;

- химическая агрессивность теплоносителей к конструкционному материалу;

- степень загрязненности теплоносителей и характер отложений;

- термодинамические параметры (температура, давление, объемы и агрегатное состояние теплоносителей);

- физико-химические свойства;

- температурные напряжения, возникающие при различном тепловом удлинении различных частей теплообменника;

- конструктивное совершенство: простота устройства, малые масса и габаритные размеры, технологичность конструкции, высокий к.п.д.;

- себестоимость продукции.

Предварительный выбор типа теплообменника можно сделать, ориентируясь на данные, приведенные в табл. 3.4 и 3.5.

Таблица 3.4 – Ориентировочные условия работы теплообменных аппаратов

Вид и тип аппарата		Условное давление, МПа		Допустимая температура, оС	Рабочая среда, теплоноситель
		в трубном пространстве	в меж-трубном пространстве		в трубном пространстве	в межтрубном пространстве
1	2	3	4	5	6	7
Кожухо-трубчатые	ТН	0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0	0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0	от –30 до +350	Жидкость, газ, пар, загрязненные Коррозионные, высокого давления и температуры	Газы при низких давлениях, чистые
	ТК	0,6; 1,0; 1,6; 2,5	0,6; 1,0; 1,6			Жидкости, конденсирующиеся пары
	ТП	1,6; 2,5; 4,0; 6,4	1,6; 2,5; 4,0; 6,4	от +30 до +450		Загрязненные жидкости и газы
	ТУ	1,6; 2,5; 4,0; 6,4	1,6; 2,5; 4,0; 6,4	от –30 до +350		Чистые жидкости, кипящие жидкости
Спиральный		До 1,0		от –20 до +200	Чистые жидкости и конденсирующиеся пары
Пластинчатый		До 1,0		от +20 до +140	Жидкости с твердым осадком, растворы солей, щелочей, кислоты
Воздушного охлаждения		0,6; 2,5; 6,4		от –40 до +475	Загрязненные жидкости, конденсирующиеся пары	Атмосферный воздух

Таблица 3.5 – Сравнительная характеристика теплообменных аппаратов различных типов

Тип теплообменников	Простота и легкость изготовления	Возможность осуществления чистого противотока	Достижение высоких скоростей		Легкость очистки		Доступность для осмотра и ремонта	Поверхность нагрева на единицу объема, м2/м3	Расход металла кг/м2	Относительный расход металла на единицу передаваемой теплоты
			в трубах	в межтрубном пространстве	труб	межтрубного пространства
Кожухотрубчатые: одноходовые многоходовые батарейные	 – 	+ – +	– + +	–  	+ + +	– – –	  	18-40 18-40 7-16	35-80 35-80 35-80	1 1 1
Типа «труба в трубе»	+	+	+	+	+	–		4-15	175	1,5-4,5
Погружные	+	–	+	–	–	+	+	4-12	90-120	1,0-6,5
Оросительные	+	–	+	не требуется	–	+	+	3-6	45-60	0,45-2,0
Спиральные	–	+	+	+			–	34-72	30-50	0,2-0,9
Пластинчатые: с гладкими листами штампованный волнистый с ребрами		+	+	+	+	+		10-60 300-600 600-1800	5-20 5-10 2-4

Примечание. В таблице приняты обозначения: «+» – соответствие требованиям; «» – частное соответствие требованиям; «–»– несоответствие требованиям.

Теплотехнический расчет теплообменных аппаратов проводится в последовательности, приведенной на рисунке 3.2.

z – число ходов; n – общее количество трубок; d – диаметр трубок; l – длина трубок; D – диаметр кожуха; F_норм – поверхность нормализованного аппарата

Рисунок 3.2 – Схема расчета теплообменного аппарата