Проектирование теплообменника типа ККВ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

От эффективности  работы технологического оборудования во многом зависит качество и объем  выпускаемой продукции, а также  безопасность производственного процесса.

Технологическое оборудование современного нефтегазоперерабатывающего предприятия представляет собой  совокупность аппаратов, машин и  вспомогательных устройств, предназначенных  для осуществления основного  технологического процесса и выполнения других функций, связанных с подготовкой, перемещением и иным воздействием на исходные, промежуточные, вспомогательные  и конечные продукты.

Аппараты  предназначены для осуществления  в них физических, химических, физико-химических процессов – ректификации, абсорбции, адсорбции, растворения, теплообмена  без изменения агрегатного состояния, испарения, конденсации, кристаллизации, химических реакций и т.д. В зависимости  от назначения аппаратам присваивается  название: ректификационная (абсорбционная) колонна, экстрактор, испаритель, ребойлер, подогреватель, кристаллизатор и т.д.

В большинстве  процессов нефтегазопереработки используется нагрев исходного сырья, а также  применяемых при его переработке  растворителей, реагентов, катализаторов  и др. Полученные в результате того или иного технологического процесса целевые продукты или полуфабрикаты  обычно требуется охлаждать до температуры, при которой возможны их хранение и транспорт.

На современном  нефтеперерабатывающем заводе, где  осуществляется глубокая переработка  нефти, 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 технологический  процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические показатели. Поэтому изучению устройства и работы этих аппаратов, а также освоению методов их расчета необходимо уделять особое внимание.

Одним из базовых процессов в технологии нефтяной отрасли промышленности является процесс теплообмена. Теплообменные  аппараты подразделяются в зависимости  от назначения, вида теплоносителей, способа  передачи теплоты. В соответствии с  последним показателем их можно  классифицировать на: поверхностные (рекуперативные), смесительные (контактные), и регенеративные. Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее значительную и важную группу теплообменных аппаратов. В  поверхностных теплообменниках  теплоносители разделены стенкой, причем теплота передается через поверхность этой стенки. Если поверхность теплообмена в таких теплообменниках формируется из труб, то их называют трубчатыми.

Конденсаторы предназначены для конденсации сред в технологических процессах нефтяной, химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Конденсация в этих аппаратах является целевым процессом, а нагрев теплоносителя побочным.

Теплообменник с линзовым компенсатором на корпусе применяют при значительных относительных перемещениях кожуха, поскольку в нем толщина стенки компенсатора меньше толщины стенки корпуса, и он может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях

Конструирование химического оборудования необходимо производить с максимальным использованием стандартизованных и нормализованных  узлов и деталей, проверенных  в изготовление и хорошо зарекомендовавших  себя в эксплуатации.

Конструкция аппарата или машины разрабатывается  исходя из основных технических требований, предъявляемых к оборудованию, и  условий его эксплуатации. К числу  основных требований относятся назначение и среда, техническая характеристика (производительность, емкость), параметры технологического процесса (давление, температура).

Конструкция сосудов должна обеспечивать надежность, долговечность и безопасность эксплуатации в течение расчетного срока службы и предусматривать возможность  проведения технического освидетельствования, очистки, промывки, полного опорожнения, продувки, ремонта, эксплуатационного  контроля металла и соединений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Характеристика  аппарата (конструкция, размеры,  назначение, рабочая среда, технические  условия на изготовление)

 

Исходные  данные:

Внутренний диаметр корпуса D_вн = 600 мм;

Диаметр и толщина труб d_тхS=25х2,5 мм;

Длина труб L_тр=3000 мм;

Число ходов  – 4.

Давление трубное p₁ = 3,0 МПа;

Давление межтрубное p₂ = 2,5 МПа;

Температура трубной среды t₁ =70 ºС;

Температура межтрубной среды t₂ =130 ºС;

Материальное  исполнение Б2 по ГОСТ 14244-79;

Конденсатор типа ККВ предназначен для конденсации сред в технологических процессах нефтяной, химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. ККВ – конденсатор вертикальный с температурным компенсатором на кожухе. Основные элементы и схема движения сред в теплообменнике показаны на рисунке 1.

Аппарат используется для конденсации водяного пара с использованием мазута.

 

 

 

 

 

1 – распределительная камера; 2 – кожух; 3 – днище эллиптическое;

4 – крышка распределительной камеры; 5 – опорные лапы; 6 – фланец; 7 – трубная решетка; 8 – линзовый компенсатор; А – вход мазута; Б – выход мазута; В – вход  пара; Г – выход продукта

Рисунок 1 – Конденсатор типа ККВ

2 Выбор  конструкционных материалов

 

При выборе конструкционного материала основными критериями являются его химическая и коррозионная стойкость в заданной среде. Обычно выбирают материал, абсолютно или достаточно стойкий в среде при ее рабочих параметрах, и к расчетным толщинам добавляют на коррозию соответствующие прибавки в зависимости от срока службы аппарата. Вместе с тем следует учитывать и другие виды коррозии (межкристаллитную, точечную, коррозионное растрескивание), которым подвержены некоторые материалы в агрессивных средах.

Другим  критерием при выборе материала  является расчетная температура  стенок аппарата, а также, если эта  температура является положительной, для аппаратов, устанавливаемых  на открытой площадке или в неотапливаемом  помещении, необходимо учитывать абсолютную минимальную зимнюю температуру наружного воздуха (для географического района  установки аппарата), при которой аппарат может находиться под давлением или вакуумом.

Для данного аппарата, исходя из заданных технологических параметров и материального исполнения Б2, выбираем стали:

1. кожух – 16ГС+12Х18Н10Т (ГОСТ 10885-75);
2. распределительная камера – 16ГС (ГОСТ 5520-79);
3. теплообменные трубы – 12Х18Н10Т (ГОСТ 9941-72);
4. Трубная решетка – 12Х18Н10Т (ГОСТ 7350-77);
5. Крышка – 16ГС (ГОСТ 5520-79).

 

3 Определение  расчетной температуры и расчетного  давления

3.1 Определение  расчетной температуры

 

Расчетная температура t_рас  - это наибольшее значение температуры стенки сосуда и аппарата. Обычно t_рас принимают равной рабочей температуре, но не менее 20˚С, то есть:

 

                           t_рас = max{ t_раб , 20˚С },                                 (3.1)

 

t_рас1 = max{130˚С , 20˚С } =  130˚С,

 

t_рас2 = max{70˚С , 20˚С } =  70˚С,

 

где t_рас1 – расчетная температура в межтрубном пространстве;

       t_рас2 – расчетная температура в трубном пространстве.

 

 

3.2 Определение  расчетного давления для рабочих  условий

 

Расчетное давление Р_расч – это давление, на которое производится расчет сосудов и аппаратов на устойчивость и прочность. Для рабочих условий определяется  по формуле:

 

                                       Р^t_рас = Р_{раб i},                                                (3.2)

 

где  Р_раб – рабочее давление в аппарате,

Р_раб1 =2,5 МПа – рабочее давление в межтрубном пространстве,                 Р_раб2 =3,0 МПа – рабочее давление в трубном пространстве.

 

 

3.3 Определение  расчетного давления для условий испытания

 

 

Расчетное давление для условий испытаний  определяется по формуле:

 

                                        Р_рас = Р_пр,                                                 (3.3)

 

 где Р_пр – пробное давление, которое рассчитывается по формуле:

 

                                Р_пр = 1,25· Р^t_рас ,                                         (3.4)

 

где [σ]_t – допускаемое напряжение материала аппарата (16ГС) при расчетной температуре, [σ]₁₃₀ = 151 МПа;

       [σ]₂₀ – допускаемое напряжение материала аппарата при 20 ⁰С,    [σ]₂₀=163 МПа.

 

Пробное давление в межтрубном пространстве:

 

Р_пр = 1,25·2,5·10⁶·163·10⁶/151·10⁶=3,5 МПа;

 

Р¹³⁰_рас = Р_пр1=3,5 МПа.

 

Пробное давление в трубном пространстве:

 

Р_пр = 1,25·3,0·10⁶·163·10⁶/151·10⁶=4,05 МПа;

 

Р⁷⁰_рас = Р_пр2=4,05 МПа.

4 Расчет  деталей на прочность и подбор  стандартных или унифицированных  деталей

4.1 Расчет  толщины стенки корпуса цилиндрической  обечайки

 

Расчетная толщина стенки обечайки находится по формуле:

 

                                  S_р =

,                                           (4.1)

где р – давление в зависимости от условий нагружения; для рабочих условий – р_раб1=2,5 МПа (для кожуха), р_раб2=3,0 МПа (для распределительной камеры), для условий гидроиспытаний – р_пр1=3,5 МПа (для кожуха), р_пр2=4,05 МПа (для распределительной камеры);

     D – внутренний диаметр аппарата;

     φ – коэффициент прочности  сварных швов.

 

Для кожуха:

для рабочих  условий:  S_р = =6,02 мм.

Для условий гидроиспытаний: S_р = =5,5 мм.

S_p=max{S^раб._р ; S^гидр._р}=max{6,02;5,5}=6,02 мм.

 

Исполнительная  толщина обечайки сосуда, мм находится по формуле

 

                                                   S ≥ S_р + С,                                        (4.2)

 

                                                    С = С₁+С₂+С₃,                                   (4.3)

 

где  С₁ – прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм:

С₁ =2 мм;

        С₂ – прибавка для компенсации минусового предельного отклонения по толщине листа, мм:

С₂ = 0,8 мм;

       С₃ - прибавка технологическая (компенсация утонения стенки при технологических операциях – вытяжке, штамповке, гибке труб и т.д.), мм:

С₃ = 0мм.

Тогда :

С = 2+0,8+0=2,8 мм

Дополнительная  прибавка С₀ прибавка при округлении расчетной толщины S_р до стандартной толщины листа (в меньшую сторону не более чем на 3% расчетной толщины).

S = 6,02 + 2,8 = 8,82;

 

округляем до ближайшего стандартного значения S=10 мм.

Выбираем толщину стенки по ГОСТ 8732-78.

Проверяем условие применимости расчетных  формул:

 для обечаек и труб при  D ≥ 200 мм,

(10 – 2,8) / 600 = 0,012 < 0,1.

 

Для распределительной  камеры:

для рабочих  условий:  S_р = =6,02 мм.

Для условий  гидроиспытаний: S_р = =5,5 мм.

S_p=max{S^раб._р ; S^гидр._р}=max{6,02;5,5}=6,02 мм.

 

Исполнительная  толщина обечайки сосуда, мм находится по формуле

 

S ≥ S_р + С,

С₁ =2 мм;

С₂ = 0,8 мм;

С₃ = 0 мм.

С = 2+0,8+0=2,8 мм

S = 6,02 + 2,8 = 8,82;

округляем до ближайшего стандартного значения S=10 мм.

Выбираем толщину стенки по ГОСТ 8732-78.

Проверяем условие применимости расчетных  формул:

 для обечаек и труб при  D ≥ 200 мм,

(10 – 2,8) / 600 = 0,012 < 0,1.

 

4.2 Расчет толщины стенки эллиптического  днища

 

Расчетная толщина  стенки эллиптического днища, мм:

 

                             S_р=

,                                               (4.4)

 

Толщина стенки днища кожуха:

для рабочих условий: S_р = =6 мм.