Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление: 18.01.03 Химическая технология.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе/проекту

по дисциплине Основные процессы и аппараты химической технологии

(Название дисциплины)

на тему Расчет кожухотрубного испарителя уксусной кислоты

Выполнил студент гр. 2Д03 Губерт А.А,

(Номер группы) (Подпись) (Ф.И.О.)

Дата сдачи пояснительной записки преподавателю 2023 г.

Руководитель : доцент НОЦ Н.М.Кижнера Долинина А.С., Фролова И.В.

(ученая степень, должность) (Ф.И.О)

_____________________ _______________________________

(Оценка руководителя) (Подпись)

_____ _____________ 2023 г.

(Дата проверки)

Курсовой проект/работу студент Губерт А.А. выполнил и защитил

(Ф.И.О.)

с оценкой ______________.

Члены комиссии: Фролова И.В

Долинина А.С.

Тихонов В.В

___________________

(дата защиты )

Томск 2023 г.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа новых производственных технологий

Направление подготовки

УТВЕРЖДАЮ:

Заведующий кафедрой - руководитель научно-образовательного центра на правах кафедры

НОЦ Н.М. Кижнера

________ Е.А.Краснокутская

« » __________ 2022г.

ЗАДАНИЕ

на выполнение курсового проекта(В-5)

Студенту гр. 2Д03 Губерт Амалии Андреевне

^{(ФИО полностью в дательном падеже)}

1. Тема курсового проекта: Расчет кожухотрубного испарителя уксусной кислоты

2. Срок сдачи студентом выполненного проекта:

3. Исходные данные к курсовому проекту:

3.1. Производительность – 210 тонн/сутки

3.2. Содержание низкокипящего компонента (% массовые) – -%

3.3. Температура смеси :

- на входе – 15

- на выходе – t_кип.

3.4. Давление: 1 атм

4. Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов, в том числе индивидуальное задание):

4.1. Введение (обоснование выбора аппарата)

4.2. Технологический расчет аппарата

4.3. Конструктивно-механический расчет

4.4. Гидравлический расчет

4.5. Расчет толщины тепловой изоляции

4. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей):

5.1. Сборочный чертеж аппарата, лист 1, формат А1.

5.2.

4. Дата выдачи задания на выполнение курсового проекта по линейному графику –

Задание выдал:

Руководитель: Долинина А.С.

^{(Степень, звание, должность) (Подпись) (Ф.И.О.) (Дата)}

Задание принял:

Студент гр. 2Д03 ____________ _____Губерт А.А. _________

^{(Подпись) (Ф.И.О.) (Дата)}

Содержание

Введение 5

Основные конструктивные требования к испарителям: 5

Типы испарителей 5

Кожухотрубный тип испарителя 5

Исходные данные 6

1 Технологический расчет 7

1.2 Ориентировочный расчет теплообменника 10

1.3 Уточненный расчет поверхности теплопередачи 10

2 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 15

2.1 Расчёт гидравлических сопротивлений трубного пространства 15

2.2 Гидравлический расчет межтрубного пространства 17

3 КОНСТРУКТИВНО-МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ 20

3.1 Выбор материала 20

3.2 Расчет обечайки корпуса аппарата 20

3.3 Расчет толщины днища и крышки теплообменника 22

3.4 Расчет штуцеров 24

3.5 Расчет трубной решетки 28

3.6 Расчет опор 29

4 РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ 33

Заключение 35

Список литературы 36

Введение

Испаритель - это теплообменный аппарат в составе холодильного оборудования для передачи теплоты от охлаждаемой рабочей среды к хладагенту. В этом термодинамическом процессе происходит кипение и испарение хладагента. Именно испаритель отвечает за эфективное понижение температуры либо воздуха, либо жидкости выступающих в роли рабочей среды.

Основные конструктивные требования к испарителям:

• интенсивный теплообмен (чем выше коэффициент теплопередачи, тем лучше)

• надежность и безопасность

• простота и низкая цена

Типы испарителей

Испарители разделяют на типы по видам охлаждаемой среды:

• воздушные (охлаждается воздух, используются в кондиционерах)

• жидкостные (охлаждается вода или гликоль, используются в чиллерах)

• твердые тела (в скороморозильных аппаратах)

Жидкостные испарители по конструкции делятся на 3 типа:

• кожухотрубные

• пластинчатые

• пленочные

Кожухотрубный тип испарителя

Кожухотрубный тип испарителя подходит для широкого спектра хладагентов: аммиак, фреоны. Это изделие представляет собой стальной цилиндр, внутри которого проходит множество трубок диаметром около двух сантиметров. Трубки могут иметь вертикальное и горизонтальное направление. Для повышения эффективности охлаждения имеется оребрение трубок. В затопленном типе кожухотрубного испарителя хладагент заполняет пространство между трубками, охлаждаемая среда протекает внутри трубок.  Другой вариант - хладагент кипит внутри трубок (незатопленный тип). Простая конструкция, эффективная теплопередача, нетребовательность к качеству воды или гликоля - основные плюсы данного оборудования. Габариты и эксплутационные риски (замораживание воды при аварии) - минусы.

В кожухотрубчатых испарителях в трубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель. Согласно ГОСТ 15119—79 эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25 2  мм. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Схема одноходового кожухотрубчатого теплообменника

Исходные данные

В таблице 1 представлены исходные данные варианта 4.

Таблица 1 – Исходные данные

Тип аппарата			испаритель
Производительность, т/c			210
Среда			Уксусная кислота
Температура смеси	вход	15
	выход	tкип
Давление в трубном пространстве, ат			1,0 (0,1 МПа)

1 Технологический расчет

Основная задача данного расчета – определение основных размеров аппарата, обеспечивающих провдение заданного химико-технологического процесса на оптимальном уровне режимных параметров.

1. Расчёт тепловой нагрузки

Цель теплового расчета определить требуемую поверхность теплообмена и подобрать стандартизованный аппарат. Для достижения цели выполняют предварительный (ориентировочный) тепловой расчет и уточненный тепловой расчет [3].

Температура кипения уксусной кислоты t₁ = 118^оС

Согласно таблице 4.11 [1, 2] при 0,1 Мпа для испарителей с неподвижными трубными решётками в трубном пространстве - испаряемая среда (уксусная кислота), а в межтрубном - греющая среда (водяной пар).

Переведем производительность по смеси (𝐺_см) в кг/с:

В качестве греющего теплоносителя выбран насыщенный водяной пар. Из таблицы LXII подберем его параметры [1]:

P_абс=5,428 кг•с/см² = 0,55Мпа; Т_кип=130С; r₁=2179 кДж/кг

На рисунке 1.2 и в таблице 1 представлен вариант схемы двухходового кожухотрубчатого испарителя и таблица теплового баланса.

Рисунок 1.2 - Схема двухходового кожухотрубчатого испарителя

Таблица 1 - Тепловой баланс

Статьи расхода теплоты, (ВТ)	Статьи прихода тепоты, (ВТ)
Q1= G1 r1 ,где G1= расход насыщенного водяного пара, кг/с; r1= удельная теплота парообразования, Дж/кг.	Q2= ,где G2 - расход уксусной кислоты, кг/с; r2= 404,5 кДж/кг, - удельная теплота испарения уксусной кислоты. Cp=2409,3 Дж/кг∙К – удельная теплоемкость уксусной кислоты при tкип. Qп – тепловые потери.
=Q1	=Q2++Qп

Уравнение теплового баланса:

=

Q₁= Q₂₊+Q_п

Если принять потери в 5%, то

Q_п=0,05Q₁

Тогда уравнение теплового баланса имеет вид:

G₁ r₁ = + 0,05G₁ r₁

0,95G₁ r₁ =

Выразим массовый расход водяного пара:

G₁=

G₁= кг/с.

Тепловая нагрузка аппарата с учетом потерь тепла 5 %:

Для определения движущей силы процесса необходимо построить схему теплообмена между двумя теплоносителями (Рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Температурная схема для противотока теплоносителей.

Средний температурный напор для противотока в области нагрева (уравнение противотока):

Δt_ср = = = 45, 57C