Методика повышения эффективности теплообмена в трубном пространстве. Основные вещества, используемые в качестве охлаждающего агента для кристаллизаторов. Порядок определения неизвестного массового расхода масла и основных параметров теплоносителей.
Аннотация к работе
В аппаратах, предназначенных для нагрева или охлаждения, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, а другой охлаждается. Применительно к нефтегазоперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты классифицируются по способу передачи тепла и назначению, В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы. Для повышения эффективности теплообмена в трубном пространстве используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающими и турбулизирующими движение потока в трубе. В теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» разборной конструкции сравнительно легко очищаются внутренняя и наружная поверхности труб; эти аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи и являются надежными в эксплуатации. Кристаллизатор типа «труба в трубе» предназначен для получения и роста кристаллов, поэтому в аппарате должен быть обеспечен оптимальный тепловой и гидродинамический режим.
Введение
В процессах нефте- и газопереработки для обеспечения необходимой температуры в аппаратах требуется подводить и отводить тепло. Для этого на технологических установках широко используются специальные аппараты, называемые теплообменными или теплообменниками.
В аппаратах, предназначенных для нагрева или охлаждения, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, а другой охлаждается. Поэтому вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата: нагрев или охлаждение, их называют теплообменными аппаратами.
Применительно к нефтегазоперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты классифицируются по способу передачи тепла и назначению, В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы.
Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.
Аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит при их непосредственном контакте.
В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы.
Теплообменники - в них один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в технологическом процессе и подлежащего в дальнейшем охлаждению.
Нагреватели, испарители, кипятильники - в них нагрев или частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов или специальных теплоносителей (водяной пар, масло и др.).
Холодильники и конденсаторы - они предназначены для охлаждения потока или конденсации паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.).
Кристаллизаторы предназначены для охлаждения соответствующих жидких потоков до температур, обеспечивающих образование кристаллов некоторых составляющих смесь веществ. В качестве охлаждающего агента используются вода или специальные хладагенты в виде охлажденных рассолов, испаряющихся аммиака, пропана и др.
В зависимости от характера направления потоков теплообменные аппараты делятся на прямоточные, противоточные, смешанного и перекрестного тока.
Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» по конструкции делятся на однопоточные (неразборные и разборные) и многопоточные.
Во многих случаях аппараты типа «труба в трубе» работают с более высокими тепловыми показателями, чем кожухотрубчатые теплообменники.
В теплобменных аппаратах разборной конструкции внутренние трубы в ряде случаев с наружной поверхности выполняются с оребрением, позволяющим в 4-5 раз увеличить их поверхность теплообмена. Оребрение внутренних труб используют, как правило, в тех случаях, когда со стороны одной из теплообменивающихся сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (движется газ, вязкая жидкость, поток имеет ламинарный характер и т.п.).
Для повышения эффективности теплообмена в трубном пространстве используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающими и турбулизирующими движение потока в трубе.
Недостатками теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» по сравнению с кожухотрубчатыми аппаратами являются большие габариты, а также более высокий расход металла на единицу поверхности нагрева.
Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» жесткой конструкции, так же как и кожухотрубчатые с неподвижными решетками, используются при сравнительно небольшой разности температур теплообменивающихся сред и при теплообмене незагрязненных жидкостей.
В теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» разборной конструкции сравнительно легко очищаются внутренняя и наружная поверхности труб; эти аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи и являются надежными в эксплуатации.
Кристаллизатор типа «труба в трубе» предназначен для получения и роста кристаллов, поэтому в аппарате должен быть обеспечен оптимальный тепловой и гидродинамический режим. В кристаллизаторах по внутренней трубе движется охлаждаемый раствор масла, а по кольцевому пространству - охлаждающая среда. Во избежание отложения парафина на внутренней поверхности трубы кристаллизаторы снабжены вращающимся валом со скребками, удаляющими парафин. Это необходимо, чтобы повысить эффект теплообмена.
В последнее время все более широкое применение находят поверхностные теплообменники из листового материала, главным образом спиральные и пластинчатые.
В инженерной практике при выборе теплообменного аппарата необходимо провести конструктивный и проверочный тепловые расчеты, а также гидравлический расчет теплообменных аппаратов.
Конструктивный тепловой расчет проводится для того, чтобы выбрать теплообменный аппарат при их серийном производстве на заводах или спроектировать новый аппарат. В результате конструктивного расчета выбирается тип аппарата, его конструкция, схема течения теплоносителей, материал для изготовления отдельных элементов и определяется размер и масса теплообменного аппарата.
Проверочный тепловой расчет проводится с целью определить мощность теплообменного аппарата и конечные температуры теплоносителей, омывающих поверхность нагрева теплообменного аппарата, конструкция и площадь поверхности нагрева которого известны. Проверочный расчет обычно выполняется тогда, когда необходимо выяснить возможность использования уже установленного или проектируемого теплообменного аппарата в условиях, отличных от расчетных.
Гидравлический расчет теплообменного аппарата необходим для определения перепадов давлений теплоносителей и мощностей насосов и компрессоров, перекачивающих теплоносители. Скорости течения теплоносителей при этом выбираются такими, чтобы перепады давлений не превышали допустимых значений, указанных в проектном задании.
1. Конструктивный тепловой расчет
Определение неизвестного массового расхода масла G1 и параметров теплоносителей.
Табл. 1
ТеплоносительG, кг/сt`, Ct``, Ctcp , C
Горячий теплоноситель (мазут)?16987128
Холодный теплоноситель (нефть)11219357
1) Для нахождения мощности ТА записываем уравнение теплового баланса:
IMG_076c9cba-f510-4f27-b057-32c017817de3 Q1 = Q2
IMG_b142a520-e407-4d09-8fa8-436103f3f65e
IMG_9622b1c6-a0fc-4008-800a-d91b21a9b796
мощность теплообменного аппарата Q по исходным данным:
IMG_1bbd1c02-cea8-434a-9e29-20b65636adab
IMG_54b559a7-d149-4ae4-8186-c43c14f67457
- коэффициент, учитывающий потери тепла в окруж. среду.
Направляем нефть в трубное пространство, а мазут в межтрубное.
2) Средней разности температур между теплоносителями
IMG_4ba133c8-64ed-4a33-86b9-0dc502680c8c по уравнению Грасгофа:
IMG_bffc7376-14a8-4bc4-b547-08198e1bda64
IMG_06559874-2925-4bef-9f37-1610d208faca
IMG_f72cca56-ff9c-4afe-bb1c-e4ee74d88cda
IMG_5927029f-6a8c-4145-bda4-181ce9f3c64c
a) оптимального диапазона площадей проходных сечений трубного
IMG_958478dd-75d0-4e1c-85ae-a5a7b4fea142 пространства ТА:
IMG_189a4621-9f23-46ee-a0b1-7576e6930642 ;
IMG_da2bfdbf-4d7c-4c5f-aecb-6a62313954e1
где
IMG_8bc391fb-0b8a-412c-8c33-13d48c0ea1f5 и
IMG_4ff5679c-3a95-473c-b15d-0f02dc5939c0 максимальная и минимальная рекомендуемые скорости потоков теплоносителей: wmin= 0,5 м/с и wmax= 1 м/с
IMG_7ddcf8c0-2e75-4040-bb28-f360799a2b6c
IMG_fb95b58a-f023-48d2-8def-4c185f382dfe b) Минимального индекса противоточности Pmin ТА:
IMG_1c0ab60d-91f5-4ce5-aa7b-b503d9dbc337
Выбираем противоток
IMG_b4c2d835-d65b-4016-b666-23ef50027db1
P > Pmin ; 1 > 0,2 c) Определение водяного эквивалента:
IMG_e555c88c-62a9-4859-be01-ac1721be3f04
3) Площади поверхности F теплообмена теплообменного аппарата:
IMG_f26d2ee7-e84d-493b-a635-ce322a654845 , где
IMG_d0abc986-167d-44f9-8390-f312387d10db и
IMG_1e45b56c-6fe4-4c67-a435-62a4503b9920 коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве. Принимаем
IMG_24f8f718-5074-4c4d-9f31-1da26ecc882b =300
IMG_b1e5ef9f-b123-4131-a729-86cdc374ce6f для нефти и
IMG_c7ebe2df-7e07-48fb-8c0a-0c92299cb035 =400
IMG_bda3bfa0-5169-46c4-9426-b0eeba9e29f3 для мазута. Толщина стенки:
IMG_3f6a9776-7998-498a-8794-0b67f003b2fa =2*10-3,
IMG_489bf2bf-c208-463f-ac6c-c59838782d1d = 57,7
IMG_4242de71-1dc1-4f4d-a25c-93a04491db23
Сталь 08.
IMG_b847b59a-8ea6-4801-8558-a96856975f35
IMG_1e77afc3-686c-4fce-9c4e-b25c6bfc3832
Определим расчетную площадь поверхности теплообмена:
IMG_86a6a120-6b73-4f05-8efc-428dcb8b13d7
2. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу а) Выбираем теплообменник с неподвижными трубчатыми решетками. б) По значениям вязкости и плотности теплоносителей нефть в трубное, а мазут в межтрубное пространство. в) По диапазону площадей проходных сечений трубного пространства, а также по величине расчетной площади поверхности теплообмена, предварительно выбираем шестиходовой аппарат с площадью теплообмена
IMG_df477241-82f5-45b4-a5d7-a67e84263e14 .
Табл. 3. Конструктивные характеристики выбранного аппарата
Диаметр кожуха
IMG_2d3c7ab2-92d3-499f-86c4-d4930804d308 , мм Наружный Внутренний - 800
Наружный диаметр теплообменных труб
IMG_9ee94aad-b1fd-4e33-a286-e30832f5c3c9 , мм20
Число ходов по трубам,
IMG_929d15b1-331f-47ac-98d9-b38ad3ac9bd46
Площади проходного сечения одного хода:
По трубам
IMG_7e190d1b-9db8-4c93-94db-438fa3d88338 ,
IMG_cba371e6-fffc-488b-830d-59931409a6c32,0·10-2
В вырезе перегородки
IMG_5c5ec177-a676-4d5d-978d-777ddeb7e917 ,
IMG_a7526477-d76e-4f12-8ca3-23b35e76fa596,5·10-2
Между перегородками
IMG_d9c31cb0-8f1c-43a1-a4d2-937f7ec3d120 ,
IMG_c21570aa-9f8a-40ac-88f5-a0c714f703ab7,0·10-2
Расчет коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке ?1 и от стенки к холодному теплоносителю ?2 , термических сопротивлений стенки трубы и загрязнений
IMG_cebd56df-7452-471a-add7-e8a5314caad8 .
IMG_b2e10384-d51a-4afc-b370-ecec05308dcc
Рассчитаем
IMG_53d49cd0-aa23-4d5e-af07-966d8c8955d9 и
IMG_28fae5f0-88bd-4aeb-b11b-7c2e25649715 .
IMG_e9daeb16-0197-4956-95be-d0564b2d0720
где Re, Pr - числа подобия теплоносителя, движущегося в трубах ТА, при среднеарифметической температуре потока. Prc - число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА при средней температуре стенки труб.
IMG_2a8b7b14-5307-46ac-82f0-0d4d568bf037 - коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в трубах ТА.
IMG_e2b8907c-a1b0-4eb8-a334-91150f79404a и
IMG_d73507b8-3fd6-4ea1-86d4-1eebf380aca6 - наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб.
Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве:
IMG_5cf6a495-21a2-46d8-83c2-73a4d2aeb033
Число Рейнольдса:
IMG_947e1fd8-6ba6-4dbc-b88a-1f6f06602a6e -ламинарный режим
Число Грасгофа:
IMG_b5a5c9df-2b8f-47cb-a7db-d430b28db5f2
IMG_4ee1c095-1bac-4aa4-bc1e-e23114c791be
IMG_102ebfb3-79a7-4b23-93e1-46dfb4770e80
IMG_c82cfac0-175f-4a64-a8b2-0fd114fbd71f
Коэф-ент Pr для нефти при тср неф.=57 ЄС: Pr=75
Gr*Pr = 85921*75 = 6444091 > 80 000
Из таблицы определяем следующие константы: C=0.15; j=0.33; y=0.43; i=0,1;
Определим
IMG_a1dd2013-3177-4ea0-a780-3c2c094822b1 стенки из таблицы при
IMG_0ae1b20f-5e96-4a63-a9b6-809ccea96ffe :
IMG_5a0f1663-0883-4877-869d-a0fba268029b
IMG_e092f9af-9327-40a2-bb05-4d65249ebf4e
Подставим:
IMG_07b1dca7-a91d-4878-88cc-0b981cc2272f
IMG_c1d1cc1f-ad85-480c-85b3-8d651253674a
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи теплоносителя в межтрубном пространстве:
IMG_b1637076-7a1d-447f-b4cc-da132d8cab31
IMG_1238d80d-0a72-4254-a26a-7d1e8c5a4fd4 , где значения коэффициентов С, Cz, C1, m, n выбираются из таблицы в зависимости от расположения труб в пучке и значения числа Рейнольдса: Выберем расположение труб в пучке в виде треугольника.
Вычислим среднюю скорость теплоносителя в межтрубном пространстве:
IMG_9ceb6b49-9739-4570-8d8f-309691a829b5
Посчитаем число Рейнольдса:
IMG_ab6b6eb7-f7f9-4711-b3fc-fb1f89af7df7
Коэф-ент Pr для мазута при тср1.=128 ЄС: Pr=100
Выбираем коэффициенты из таблиц в конце методички: m=0,5; n=0,36; C1=0,71
IMG_174e0585-2152-4922-986d-e2bf4247d88c для мазута при
IMG_3c16487d-8709-48d1-8ffc-d7dc8befb2cc
IMG_48c0a75d-18e5-4a89-a479-21888202fa9c
IMG_4c66c726-b674-4dac-a403-0680ccc41d44
IMG_1b45e100-0410-4e15-95de-786fb19e18c8
IMG_d0511963-1665-491b-826d-c087604d9084
Рассчитаем
IMG_e263a9c1-3b79-4010-9434-4dfb863c737c
IMG_324107d7-e4b2-446a-b60c-b4aa00cc5943
IMG_339c8392-9ac3-417f-8659-a1ffe0002259
IMG_ff623719-48f3-4bd8-9b5b-eff47c15966f
Уточняем k:
IMG_afe56d00-dc90-4671-a88e-7a481a36fe4b
IMG_bc984400-9bb0-442c-9d94-b9c1ec225446
Уточняем Fрасч.:
IMG_9135902a-5f6d-4974-b9cf-cf3f0f3d8070 ;
Окончательный выбор теплообменника: Так как расчетная площадь ТА не соответствует предварительному рассчитанному значению, выбираем другой ТА с теми же параметрами за счет изменения длины труб:
Табл. 4
Диаметр кожуха
IMG_f31a44b0-c1cb-4b67-bf57-9475eb7f9625 , мм Наружный Внутренний - 800
Наружный диаметр теплообменных труб
IMG_60e3fa43-71e4-44ee-a034-3ca8f69906e6 , мм20
Число ходов по трубам,
IMG_579c07b7-302d-4c58-8640-b875c09b90756
Площади проходного сечения одного хода:
По трубам
IMG_df939883-9a18-4607-8d82-e6807d1c7733 ,
IMG_c2abf272-6f31-4ab5-8186-c8f2612932782,0·10-2
В вырезе перегородки
IMG_0c83879c-97f0-4e17-b670-5d405a351d53 ,
IMG_2e5743d2-810b-45a7-9595-69c0eff341156,5·10-2
Между перегородками
IMG_2c7c86ed-f556-4847-81fd-d71b723e1ad8 ,
IMG_4135c60a-c9b9-47b2-ab1d-44737321107a7,0·10-2
Площадь поверхности теплообменника равна 349 м2, Длина трубы: l = 9 м.
IMG_a8618e3d-e90c-4365-8116-ceae619529a9
Список литературы
кристаллизатор трубный теплоноситель
1) «Расчет и выбор конструкции кожухотрубного теплообменного аппарата» Калинин А.Ф., Москва, «РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина» 2002.
2) «Термодинамические и теплофизические свойства рабочих тел теплоэнергетических установок» Трошин А.К., Москва, «МПА - Пресс» 2006.
3) «Термодинамика и теплопередача» Поршаков Б.П., Москва, «Недра» 1987.
4) Конспект лекций по курсу «Термодинамика и теплотехника».