Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
doc

Студенческий документ № 070909 из Школа-студия МХАТ

Введение

Теплопередача - это наука о процессах распространения теплоты. Различают три различных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В реальных установках теплота передаётся комбинированным путём, однако вклад этих трёх составляющих в общий перенос теплоты неодинаков и определяется многими условиями: природой теплоносителя, агрегатным состоянием, температурным и гидродинамическим условиям и т.д.

В промышленности теплообмен между рабочими телами (теплоносителями) происходит в специально сконструированных аппаратах, которые называются теплообменниками. Они должны отвечать определённым общим требованиям: обладать высокой тепловой производительностью и экономичностью, обеспечивать заданные технологические условия процесса, быть просты по конструкции, компактны, обладать современным техническим и эстетическим дизайном, иметь длительный срок службы, соответствовать требованиям СНИП и ведомственным правилам Госгортехнадзора. Особые требования предъявляются к обеспечению надёжности работы аппаратов, возможности автоматического регулирования режимно-технологических параметров и аварийного отклонения.

В химической технологии теплообменные аппараты довольно широко распространены, применяются в различных производствах легкой и тяжелой промышленности. Для обеспечения того или иного технологического процесса применяются различные типы теплообменных аппаратов. Основную группу теплообменных аппаратов, применяемых в промышленности, составляют поверхностные теплообменники, в которых теплота от горячего теплоносителя передается холодному теплоносителю через разделяющую их стенку. Другую группу составляют теплообменники смешения, в которых теплота передается при непосредственном соприкосновении горячего и холодного теплоносителей.

Наибольшее распространение в химической промышленности получили теплообменные аппараты рекуперативного типа. В аппаратах этого типа теплообмен между горячим и холодным теплоносителями осуществляется через разделяющую их перегородку (стенку).

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты используются для практической реализации таких процессов, как нагревание (охлаждение), конденсация и испарение. Соответственно аппараты называются теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями.

Теплообменники предназначены для проведения процесса теплообмена между теплоносителями, которые не изменяют своего агрегатного состояния в процессе теплообмена: это газо-жидкостные и жидкостно-жидкостные аппараты для проведения процессов охлаждения и нагревания.

Холодильники предназначены для охлаждения водой или другими нетоксичными, не пожаро- и не взрывоопасными хладагентами жидких и газообразных сред. Работают, как правило, в области минусовых температур.

В соответствии с ГОСТ 1512019 и 15122-79 кожухотрубчатые теплообменники и холодильники изготавливают двух типов "Н" - с неподвижными трубными решётками и "К" - с компенсатором температурных напряжений на кожухе. Необходимость использования компенсатора определяется предельно-допустимой разностью температур стенок труб и кожуха, равной 50єС или сравнительно большой длиной теплообменных труб (более 6м).

Конденсаторы предназначены для конденсации насыщенных паров. Обычно конденсацию осуществляют на наружной поверхности пучка труб в межтрубном пространстве. В химической промышленности для нагревания жидкостей и газов за счёт теплоты конденсации насыщенных паров чаще всего используется насыщенный водяной пар.

В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образуется набором тонких штампованных гофрированных пластин, которые собраны в пакеты и разделены между собой специальной формы и профиля уплотнительной термостойкой резиной. Они могут быть разборными и полуразборными.

Спиральные теплообменники. В них поверхность теплопередачи образуется двумя листами (лентами) из углеродистой или легированной стали, свёрнутыми в виде спирали вокруг центральной перегородки.

Блочные графитовые теплообменники. Для осуществления процесса теплообмена между агрессивными химически активными теплоносителями пользуются теплообменниками, изготовленными из графита. Наибольшее распространение получили блочные графитовые теплообменники. В нашем случае по заданию необходимо провести расчёт кожухотрубчатого теплообменника.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к рекуперативным поверхностным аппаратам непрерывного действия. По конструкции они представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, закрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами с крышками, снабженнвми патрубками входа и выхода теплоносителя. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены. Теплообменники такого типа предназначены для теплообмена между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостями и газом.

Основным недостатком аппаратов такого типа является большое сечение трубного и межтрубного пространства, что обуславливает невысокие скорости движения теплоносителей и, как следствие, невысокие значения коэффициентов теплоотдачи. Для увеличения скорости движения теплоносителей, теплоносителей, теплообменники часто выполняются многоходовыми, устанавливая перегородки в трубном или межтрубном пространстве.

Основное достоинство кожухотрубчатых теплообменников - большая удельная поверхность теплообмена, то есть поверхность, приходящаяся на единицу массы аппарата, благодаря чему эти теплообменники находят самое широкое применение.

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Классификация теплообменников применяемых в НГП

В аппаратах, где идет нагрев или охлаждение, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, другой охлаждается. Поэтому их называют теплообменными аппаратами вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата - нагрев или охлаждение, какие потоки обмениваются теплом, происходит ли при этом только нагрев и охлаждение или же теплообмен сопровождается испарением или конденсацией.

Теплообменные аппараты классифицируются:

1.По назначению:

а) холодильники;

б) подогреватели;

в) испарители;

г) конденсаторы;

2.По конструкции:

-изготовленные из труб:

а) теплообменники "труба в трубе";

б) оросительные теплообменники;

в) погружные змеевиковые;

г) теплообменники воздушного охлаждения;

д) из оребренных труб;

е) кожухотрубчатые теплообменники;

-с неподвижной трубной решеткой;

-с линзовым компенсатором;

-с плавающей головкой;

-с U-образными трубами;

3.По направлению движения теплоносителя:

а) прямоточные;

б) противоточные;

в) с перекрестным движением.

4.По принципу действия теплообменные

а) рекуперативне;

б) регенеративне;

в) смесительные.

Применительно к нефтеперерабатывающей промышленности, теплообменные аппараты классифицируются по таким основным признакам, как способ передачи тепла и назначение.

1. 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 путем их соприкосновения. Для изготовления теплообменных аппаратов смешения требуется, как

правило, меньше металла; кроме того, во многих случаях они обеспечивают более эффективный теплообмен. Однако, несмотря на эти преимущества, аппараты смешения часто нельзя использовать вследствие недопустимости прямого соприкосновения потоков.

2. В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы:

- теплообменники, в которых один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в процессе и подлежащего охлаждению. В таких теплообменниках нагрев одного и охлаждение другого потока позволяет сократить расход подводимого извне тепла (сократить расход топлива, греющего водяного пара и т. д.) и охлаждающего агента. К этой группе аппаратов относятся теплообменники для нагрева нефти на установке, осуществляемого за счет использования тепла отходящих с установки дистиллятов, остатка, а также промежуточного циркуляционного орошения. Сюда относятся также котлы-утилизаторы, где получают водяной пар за счет использования тепла нефтепродуктов, дымовых газов или катализатора на установках каталитического крекинга. К этой группе относятся и регенераторы холода;

- нагреватели, испарители, кипятильники, в которых нагрев или нагрев и частичное испарение осуществляются за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей (водяной пар, пары углеводородов, специальные высококипящие жидкости и др.). В таких аппаратах нагрев или испарение одной среды является целевым процессом, тогда как охлаждение горячего потока является побочным и обусловливается необходимостью нагрева исходного холодного потока. Примером аппаратов этой группы могут служить нагреватели сырья, использующие тепло водяного пара, кипятильники, при помощи которых в низ ректификационной колонны подводится тепло, необходимое для ректификации, и т. д.;

- холодильники и конденсаторы, предназначенные для охлаждения жидкого потока или конденсации и охлаждения паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.). Охлаждение и конденсация в этих аппаратах являются целевыми процессами, а нагрев охлаждающего агента - побочным. К таким аппаратам относятся холодильники и конденсаторы любой нефтеперерабатывающей установки, предназначенные для охлаждения и конденсации получаемых продуктов.

При регенерации тепла того или иного продукта его окончательное охлаждение до температуры, требуемой для безопасного транспорта и хранения, обычно завершается в холодильниках.

В зависимости от конкретных условий применения, к промышленным теплообменным аппаратам выдвигаются различные требования:

- обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении;

- компактность и наименьший расход материала;

- надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки от загрязнения;

- унификация узлов и деталей;

- технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и т. д.

1.2 Теоретические основы процесса теплопередачи

Передача тепла от одного тела к другому или между различными точками пространства может быть осуществлена тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность. Процесс передачи тепла при непосредственном соприкосновении тел или отдельных частей одного тела, имеющих разные температуры, называется теплопроводностью.

Механизм переноса тепла теплопроводностью зависит от агрегатного состояния тела. В жидкостях и твердых телах - диэлектриках - передача тепла осуществляется в результате обмена энергией теплового движения атомов и молекул между соседними частицами. В металлах теплоперенос осуществляется главным образом в результате диффузии свободных электронов. В газах теплопроводность обусловлена как обменом энергией при соударении молекул и атомов, так и их диффузией.

Количество тепла, которое передается теплопроводностью, пропорционально разности температур теплообменивающихся тел. Например, при движении по трубам теплообменника нефть получает тепло от более нагретого потока через стенку трубы в результате теплопроводности.

Конвекция. Перенос тепла из одной точки пространства в другую за счет движения среды из области с одной температурой в область с другой температурой называется конвекцией. При этом суммарный перенос тепла определяется как теплопроводностью среды, так и законами ее движения.

Различают вынужденную и свободную конвекцию. В первом случае перемещение среды обусловлено каким-либо внешним источником, например насосом, вентилятором и т.п. ; во втором случае - разностью плотностей холодных и нагретых участков среды.

Вблизи нагретой поверхности плотность среды меньше, что обусловлено более высокой температурой. тогда как в других частях плотность выше. Поэтому у поверхности нагрева наблюдается восходящий поток нагретой среды и нисходящий поток более холодной среды в удалении от нагретой поверхности. Поскольку явление конвекции связано с перемещением частиц среды одной относительно другой, его рассматривают в газах и жидкостях, включая расплавленные металлы.

Примером свободной конвекции является нагревание (охлаждение) жидкостей в резервуарах и емкостях. При принудительном движении жидкостей насосом в тех же случаях имеем принудительную конвекцию.

Теплообмен излучением. Под теплообменом излучением понимают процесс переноса тепла, обусловленный превращением энергии движения молекул тела в лучистую энергию. Количество излучаемой энергии определяется температурой тела, состоянием его поверхности, свойствами тела. Излучаемая нагретым телом энергия передается другим телам. При этом часть лучистой энергии частично

отражается от поверхности тела, ее воспринимающего, частично поглощается телом, а частично проходит сквозь тело. Поглощенная лучистая энергия превращается вновь во внутреннюю энергию, т. е. идет на повышение температуры тела.

Тело, отражающее все падающие на него лучи, называется абсолютно белым, а поглощающее все лучи - абсолютно черным. Прозрачные или диатермические тела полностью пропускают всю лучистую энергию.

Основные законы излучения получены для абсолютно черного тела в условиях теплового равновесия.

В промышленных аппаратах различные способы передачи тепла сопутствуют друг другу. Так, нагрев нефтепродукта в трубчатой печи связан с излучением тепла от нагретых продуктов сгорания к стенке трубы, передачей тепла теплопроводностью через стенку трубы и вынужденной конвекцией внутри трубы.

Основным законом теплопроводности является закон Фурье, который формулируется следующим образом: количество тепла ?Q, переданное в единицу времени через элемент поверхности ?F, пропорционально градиенту температуры :

1.3 Назначение конденсатора - холодильника

Конденсаторы предназначены для конденсации паров нефтепродуктов, следовательно, в процессе теплообмена физическое состояние одного из потоков (парового) претерпевает изменение: пар превращается в конденсат. Поэтому условия передачи тепла (температура потока, коэффициент теплопередачи) резко изменяются вдоль поверхности теплообмена.

Отличают следующие характерные участки теплообмена: охлаждение перегретых паров до температуры начала конденсации, собственно конденсацию и охлаждение конденсата. Первый участок характеризуется большим перепадом температур и малым коэффициентом теплопередачи, второй участок - незначительным перепадом температур и максимальным коэффициентом теплопередачи. На третьем участке условия работы такие же, как при обычном теплообмене между двумя жидкими средами.

1.4 Технологическая схема и её описание

Исходная смесь из промежуточной емкости 13 центробежным насосом 12 подается в теплообменник 1, где подогревается до температуры кипения насыщенным водяным паром. Нагретая смесь поступает на разделение в реакционную колонну 2 на тарелку питания (верхнюю тарелку исчерпывающей части колонны), где смешивается с флегмой из укрепляющей зоны.

Стекая вниз по колонне жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 11. В результате этого из жидкости удаляется легколетучий компонент. Пар, обогащенный НК, поднимается вверх по колонне и поступает в дефлегматор 3. Из дефлегматора сконденсировавшийся пар поступает распределительный стакан 4, где конденсат разделяется на два потока: один (флегма) возвращается на орошение колонны, второй (дистиллят) поступает в холодильник дистиллята 5 и далее в промежуточную емкость 7.

Из кубовой части колонны непрерывно отводится кубовый остаток продукт, обогащенный ВК, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в емкость 9.

Подогреватель исходной смеси и кипятильник обогреваются насыщенным холодным паром, образовавшийся конденсат возвращается на ТЭЦ.

Охлаждающая вода нагревается в холодильниках и дефлегматоре и поступает для охлаждения на градирню. После охлаждения вода возвращается в цикл.

В рассмотренной схеме не учитывается возможность рационального использования теплоты.

Схема автоматизирована. Основными регулируемыми параметрами являются: 1) состав жидкости в верхней и нижней частях колонны; 2) расход и температура исходной смеси; 3) давление в верхней части колонны; 4) температура и уровень жидкости в кубе.

Стабилизация состава жидкости в верхней части колонны осуществляется путем изменения расхода флегмы, в нижней части колонны - расходом греющего пара.

Расход исходной смеси стабилизируется при помощи регулятора расхода.

Диафрагма и исполнительное устройство этого регулятора устанавливаются до теплообменника, так как после нагрева исходной смеси до температуры кипения поток жидкости в теплообменнике содержит паровую фазу, что нарушает работу диафрагмы и исполнительного устройства.

Если исходная смесь поступает в колонну с меньшей температурой чем температура кипения, то ее нужно подогреть парами, идущими из нижней части колонны. Конденсация паров при этом увеличивается, что нарушает весь режим процесса ректификации. Поэтому температура исходной смеси стабилизируют изменением расхода пара, подаваемого в подогреватель 1.

Стабилизация давления в верхней части колонны необходима не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамического режима колонны. Давлением стабилизируется путем изменения подачи охлаждающей воды, подаваемой в дефлегматор.

При уменьшении температуры жидкости в кубе при помощи регулятора температуры увеличивается расход пара в кипятильнике. Уровень жидкости в кубе стабилизируется путем изменения расхода кубового остатка.

Схемой предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках.

В процессе ректификации контролируются расходы, давления, температуры технологических потоков при помощи контрольно-измерительных приборов (КИП).

1.5 Обслуживание и чистка конденсатора-холодильника

Наиболее часто отложения зависят от температуры, и при фиксированной мощности теплообменник с развитой поверхностью имеет меньшую температуру металла, чем в случае применения гладких труб. Тем самым снижается скорость образования отложений. Продольный поток также не имеет застойных зон, в которых могут накапливаться отложения. Наконец, когда на поверхности накапливаются отложения (уменьшаются коэффициенты теплоотдачи), увеличивается эффективность оребрения и тем самым частично компенсируются потери в теплоотдаче.

Ремонт и очистку теплообменной аппаратуры от накипи и загрязнений проводят в сроки, предусмотренные инструкциями. Перед началом работ полностью освобождают теплообменную аппаратуру от нефтепродуктов, открывают крышку, промывают трубное и межтрубное пространство водой, продувают паром и только после этого приступают к механической или химической очистке. Вместо промывки аппаратов обычными углеродами - растворителями (керосином, сольвентом и т.п.), целесообразно применять пожаробезопасные моющие средства.

Одной из причин ухудшения работы теплообменной аппаратуры является нарушение работы системы оборотного водоснабжения, в том числе повышение надёжности и экономичности процессов конденсации и охлаждения дистиллятов в нефтеперерабатывающей промышленности стали широко применять теплообменные аппараты воздушного охлаждения.

Следует, однако, отметить, что аппараты воздушного охлаждения обладают специфической опасностью, обусловленной наличием мощного вентиляционного агрегата. Уже отмечен случай, когда отрыв лопасти вызвал повреждение теплообменной системы, выхода горючих жидкостей и газов наружу, возникновение крупного пожара на блоке теплообменной аппаратуры.

1.6 Техника безопасности и охрана окружающей среды

Теплообменные аппараты, как и многие другие технологические аппараты нефтепереработки, создают пожарную опасность двойке рода:

? во-первых, они сами, могут послужить местом возникновения развития пожара;

? во-вторых они существенно влияют на пожарную опасность связанных с ними технологических аппаратов и установок в целом.

Пожары и загорания на теплообменных аппаратах возникают главным образом в результате образования неплотностей и повреждений при чрезмерном повышении давления, температурных деформациях и коррозии.

Повышенное давление в теплообменном аппарате может образовываться при отсутствии контроля и регулирования подачи нагреваемого продукта, образовании пробок в трубках или в линии за теплообменником из-за отложений, неправильной регулировке подачи теплоносителя.

Опасность потери герметичности особенно велика при пусках остановках теплообменных аппаратов. При этом наиболее вероятны две причины повреждения аппарата: в результате теплового расширения несжимаемой жидкости элементов и неравномерных температурных деформаций аппарата. В теплообменном аппарате (например, в кожухотрубчатом теплообменнике), предназначенном для подогрева жидких продуктов, опасеенных труб, заполненных жидким продуктом. Находящаяся внутри отключенных труб жидкость при нагревании значительно увеличивается в объеме.

Неравномерные температурные деформации в теплообменном аппарате возникают в результате разности температур нагрева конструктивных элементов, жёстко связанных между собой. Для предотвращения опасных температурных деформаций ограничивают длину теплообменников, а при превышении безопасной длины в конструкции теплообменников предусматривают температурные компенсаторы (плавающая головка, сальниковое устройство, изогнутые трубки, линза).

В случае прохода через теплообменники высоковязких жидкостей с высокой температурой нагрева (например гудроновые теплообменники типа "труба в трубе") наружные поверхности теплообменных аппаратов, нагретые выше температуры самовоспламенения нефти и нефтепродуктов, могут послужить источниками зажигания при утечке жидкостей, паров и газов в атмосферу. Тепловая изоляция не устраняет эту опасность, если фланцевые соединения или другие фасонные детали теплообменников оставлены неизолированными.

Компактное расположение большого количества теплообменных аппаратов в блоках, наличие фланцевых соединений и задвижек, быстро теряющих герметичность во время пожара, а так же наличие тепловой изоляции, пропитанной нефтепродуктами, способствует быстрому развитию пожара.

Фундаменты для теплообменных аппаратов выполняют из негорючих и огнестойких материалов. Если теплообменники размещают на металлических конструкциях, то их защищают термоизоляцией или обкладывают у основания бетоном. Теплообменники ограждают у основания сплошной негорючей стеной высотой не менее 0,3 м, или кольцевым кюветом на расстоянии 0,5 м от выступающих частей аппаратуры.

Поверх теплоизоляции теплообменника рекомендуется надевать кожух из листвой стали, окрашенной в светлый цвет.

Периодически кожухи очищают от загрязнений, а при износе отдельных листов - заменяют новыми на работающем аппарате.

На пожарную опасность других технологических аппаратов и установок в целом теплообменные аппараты влияют прежде всего при ухудшении условий теплообмена. В результате уменьшения теплоотвода и степени конденсации в технологических аппаратах и трубопроводах, связанных с теплообменниками, конденсаторами и холодильниками, значительно возрастает давление, что означает пожароопасное нарушение технологического режима.

Нормальной работы установки необходимо выполнять все требования Федерального Закона "Об основах охраны труд в РФ" и Федерального Закона "О промышленной безопасности опасных производственных объектов".

Основные правила безопасности ведения технологического процесса. Безопасная работа зависит от квалификации и внимательности работающего персонала, а также от строгого соблюдения производственных инструкций и требований настоящего регламента.

К работе допускаются только те лица, которые прошли необходимую подготовку, сдали экзамены на допуск к рабочему месту и прошли инструктаж по охране труда и промышленной безопасности, стажировку не менее 10 смен.

Все действующие инструкции и положения по охране труда и промышленной безопасности должны быть в наличии, знание и их соблюдение персоналом должны постоянно контролироваться.

Работать разрешается только на исправном оборудовании, на исправных коммуникациях, арматуре и приборах КИП.

Систематически следить за исправностью и включением в работу приборов контроля и автоматики, систем сигнализации и автоматических блокировок. Постоянно следить за исправностью и работой сигнализаторов взрывоопасных концентраций. Не допускать загазованности территории и помещений.

Следить за работой насосов, своевременно устранять пропуски торцовых уплотнений и фланцевых соединений. Систематически контролировать работу предохранительных клапанов, Отбор проб осуществлять через специальные вентили с помощью герметизированных пробоотборников.

При переработке нефти в атмосферу могут выделиться вредные вещества - углеводороды, сероводород, оксид углерода и азота, аммиак. Основными источниками загрязнения являются резервуарные парки нефти нефтепродуктов, сливо-наливные эстакады, узлы оборотного водоснабжения и очистительные сооружения, факельные свечи для открытого сжигания газа, предохранительные клапана, системы вытяжной вентиляции. Свыше 40% от всего выброса приходится на долю резервуарных парков. Резкого снижения углеводородов можно добиться, применяю для хранения нефти и светлых нефтепродуктов резервуары с понтонами или с плавающей крышей. Это мероприятие позволяет понизить потерю углеводородов на 85-90%. Предотвращению потере углеводородов способствует также соединение резервуаров между собой газоуравнительными линиями. В этом случае пары вытисняемый из резервуара, в который закачивается продукт, вытесняются по уравнительной линии в соседний резервуар.

2 РАСЧЕТНЫЙ РАЗДЕЛ

2.1 Последовательность технологического расчёта теплообменников

Технологический расчет конденсатора-холодильника включает в себя тепловой и гидравлический расчеты, в результате которых определяют необходимую поверхность теплообмена и основные размеры аппарата.

В конденсатор-холодильник поступает с верха колонны насыщенный пар, который полностью конденсируется, и затем конденсат охлаждается до требуемой температуры. Расчет подобного аппарата необходимо вести с учетом двух зон, отличных по условиям теплообмена (зоны конденсации и зоны охлаждения). График распределения температур в конденсаторе-холодильнике показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - График температурного режима конденсатора-холодильника

I зона - зона конденсации; II зона - зона охлаждения конденсата;

T1 и Т2 - начальная и конечная температуры горячего теплоносителя, ?С;

Тк - конечная температура конденсации смеси, ?С.

t1 и t2 - начальная и конечная температура холодного теплоносителя, ?С;

? - промежуточная температура воды, ?С.

2.2 Исходные данные на проектирование

Рассчитать конденсатор-холодильник ректификационной колонны для разделения смеси этиловый и бутиловый спирты при следующих исходный данных: содержание низкокипящего компонента (НКК) в парах поступающих в конденсатор-холодильник- 94% масс; их количество 21500 кг/час. Среднее давление в аппарате 800 мм.рт.ст. Холодный теплоноситель - вода.

2.3 Определение температур холодного и горячего теплоносителей

Холодный теплоноситель - вода.

Начальная температура охлаждающей воды зависит в основном от ее источника и климатических условий. В летних условиях ее рекомендуется принимать в пределах 2025?С. Принимаю для расчета .

Очень важным является вопрос о конечной температуре воды. Чем она будет выше, тем меньше потребуется воды для охлаждения. Но это кажущаяся выгода, т.к. при более высокой конечной температуре воды происходит заметное выделение растворенных в ней солей, загрязняющих теплообменные поверхности, что приводит к увеличению их термического сопротивления. Кроме того, при более высокой температуре воды возрастают ее потери за счет испарения. Поэтому рекомендуется обеспечивать такой режим охлаждения, при котором температура воды, выходящей из аппарата, составит . Принимаю для расчета .

Горячий теплоноситель - смесь этилового и бутилового спиртов.

При определении начальной температуры горячего теплоносителя T1 задача сводится к определению температуры на верху ректификационной колонны, из которой насыщенные пары смеси этилового и бутилового спиртов поступают в конденсатор-холодильник.

Эту температуру определяем по уравнению изотермы паровой фазы методом последовательных приближений (для ускорения расчета можно использовать графическую интерполяцию).

(17)

где - мольная доля i-компонента в смеси;

- константа фазового равновесия:

(18)

- давление насыщенного пара i-компонента;

- давление в аппарате.

С целью некоторого упрощения расчета давления в аппарате принимается постоянным. В реальных условиях давление на входе в аппарат выше на величину гидравлических сопротивлений.

По условию состав смеси задан в % масс. Произведем перерасчет в мольные доли по уравнению:

(19)

где y1 и y2 - массовые доли этилового и бутилового спиртов в смеси;

М1 и М2 - их мольные доли, соответственно М1=46 и М2=74.

(20)

Задаюсь рядом температур в области температуры кипения чистого этилового спирта (НКК) при P=800 мм.рт.ст.: 80, 90, 100?С. Для этих температур давление насыщенных паров (ДНП) составят соответственно: для этилового: 813,1187, 1692 мм.рт.ст. ; для бутилового спирта: 165,225,386 мм.рт.ст.

Рассчитываю

80?С:

90?С:

100?С:

Строю график - (Рисунок 3).

Из построения при температура смеси на входе в конденсатор-холодильник T1=83,4?С.

Температура Тк в конце первой зоны конденсатора-холодильника. Это температура конца однократной конденсации смеси. Она определяется по уравнению изотермы жидкой фазы также методом последовательных приближений (при полной конденсации ):

или

Проведя аналогичные вычисления для приведенных выше температур, графической интерполяцией определим Тк, она будет равна 82,4?С.

Температура конденсата в конце второй зоны принимается на выше температуры холодного теплоносителя на входе в аппарат.

Принимаю:

(21)

2.4 Тепловая нагрузка конденсатора-холодильника

Общая тепловая нагрузка конденсатора-холодильника складывается из тепловых нагрузок обеих зон.

Тепловая нагрузка первой зоны с достаточной точностью может быть определена из выражения:

(22)

где Y1 - количество горячего теплоносителя, определяется:

(23)

r - скрытая теплота конденсации исходной смеси, определяется по правилу аддитивности:

(24)

где x1 и x2 - массовые доли этилового и бутилового спиртов в смеси;

r1 и r2 - их теплоты конденсации при температуре Тк.

r=851*0.94+633*0.06=837.92 кДж/кг

Тепловая нагрузка второй зоны определяется из выражения:

(25)

где С- удельная теплоемкость смеси,

Удельная теплоемкость смеси С определяется по правилу аддитивности при средней температуре конденсата во второй зоне.

(26)

где С=3,22 кДж/(кг * град), С=2,98 кДж/(кг*град)- удельные теплоемкости соответственно этилового и бутилового спиртов

Общая тепловая нагрузка конденсатора-холодильника составляет:

(27)

2.5 Расход воды в конденсаторе-холодильнике

Расход воды определяется из уравнения теплового баланса аппарата. Без учета потерь в окружающую среду (аппарат покрыт теплоизоляцией) все тепло, отданное горячим теплоносителем, будет принято холодным теплоносителем, т.е. :

(28)

где Y2 - расход воды, ;

Св = 4,190 - удельная теплоемкость воды при ее средней температуре в аппарате.

Откуда:

(29)

Промежуточная температура воды ? в конце первой или в начале второй зоны определяется из уравнения теплового баланса любой из зон.

Тепловой баланс первой зоны имеет вид:

(30)

Откуда:

(31)

Для ориентировочного выбора типа конденсатора-холодильника из уравнения теплопередачи рассчитывается поверхность теплообмена аппарата

, (32)

где К - коэффициент теплопередачи, ;

?tср - средний температурный напор, ?С.

На основании практических данных для водяного конденсатора-холодильника принимаем коэффициент теплопередачи К= 300 .

Средний температурный напор (средняя разность температур) определим по формуле Грасгоффа:

,

где:

?tб = T1 - t2 = 83,4-40 = 34?С

?tм = T2 - t1 = 40 - 25 = 15?С

Тогда поверхность теплообмена будет равна:

Руководствуясь рекомендациями по проектированию поверхностных теплообменников, направляем холодный теплоноситель - воду в трубное пространство, а горячий - в межтрубное. Примем скорость воды в трубах и определим площадь сечения одного хода по трубам, обеспечивающего принятую скорость

, (36)

где - плотность воды при её средней температуре в аппарате

По полученному числовому значению поверхности теплообмена и площади сечения одного хода по трубам выбираем конденсатор - холодильник с неподвижными трубными решетками, горизонтальный. ГОСТ 15121, ГОСТ 15118.

Краткая техническая характеристика аппарата:

Диаметр кожуха внутренний, мм 1200

Диаметр труб наружный, мм 20

Толщина стенки труб, мм 2

Длина трубы, мм 4000

Число ходов по трубам 6

Общее число труб, шт 1544

Площадь сечения одного хода по трубам, м2 0,03

Площадь самого узкого сечения потока в межтрубном пространстве 0,093

Поверхность теплообмена, м2 388

Общая поверхность теплопередачи равна суммарной поверхности двух зон

F = F1 + F2

2.6 Температурный напор по поверхностям нагрева

Горячий и холодный теплоносители движутся в аппарате перекрестным током, поэтому с достаточной точностью средний температурный напор для каждой зоны можно определить по формуле Грасгоффа для случая чистого противотока (смотреть рисунок 1):

В большинстве критериальных уравнений теплоотдачи значения теплофизических констант теплоносителя отнесены к его средней температуре, которая определяется следующим образом.

Для того теплоносителя, у которого температура изменяется в теплообменнике на меньшее число градусов, средняя температура определяется как средняя арифметическая между начальной и конечной температурами

(38)

Для второго теплоносителя среднюю температуру находят из выражения

(39)

В рассматриваемом случае (смотреть рисунок 1):

I зона:

(40)

(41)

II зона:

(42)

(43)

2.7 Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи по зонам конденсатора-холодильника

Коэффициент теплоотдачи со стоны воды в первой зоне зависит от режима ее движения, определяемого критерием Рейнольдса

, (44)

где ?в1 и ?в1 - плотность и вязкость воды при ее средней температуре в рассматриваемой зоне конденсатора-холодильнике (32,7?С)

dв - внутренний диаметр трубы;

w - скорость воды в трубах:

, (45)

где fтр = 0,03 м2 - площадь сечения одного хода по трубам

dв = 0,016 м

Режим движения развитый турбулентный, поэтому коэффициент теплоотдачи со стороны воды определяем по уравнению:

(46)

где - критерий Прандтля;

Св1 - удельная теплоемкость воды;

?в1 - коэффициент теплопроводности воды

Множитель (Pr/Prст), учитывающий направление теплового потока, близок к единице, когда температуры жидкости и стенки не сильно отличаются друг от друга. У капельных жидкостей с возрастанием температуры величина критерия Pr уменьшается. Следовательно, для капельных жидкостей при нагревании Рr/Рrст>1, а при охлаждении Pr/Prст 100.

?1,?1,r1,?1 - соответственно коэффициент теплопроводности, плотность, удельная теплота конденсации и вязкость конденсата при температуре конденсации (Tк);

g - ускорение силы тяжести, м/с2;

q - удельный тепловой поток, Вт/м2;

dн = 0,020 м - наружный диаметр трубы.

, (48)

где x1=0,94 и x2=0,06 % масс. этилового и бутилового спиртов в конденсате;

; .

, (49)

где ?гек = 726 кг/м3; ?геп = 758 кг/м3

, (50)

где ;

, (51)

где rэт = 832 кДж/кг; rбут = 621 кДж/кг

Таким образом, коэффициент теплопередачи зависит от удельного теплового потока, величину которого определяют методом последовательных приближений. При этом учитывают, что при установившемся режиме процесса теплопередачи, количество тепла, выделяемого при конденсации пара, должно равняться количеству тепла, передаваемого через стенку и загрязнения, и количеству тепла, отдаваемого холодному теплоносителю.

Из основного уравнения теплопередачи и уравнения аддитивности термических сопротивлений следует, что

Подставляя сюда выражения для , можно получить одно уравнение относительно неизвестного теплового потока

, (52)

где А=35244 - для рассматриваемого случая;

, (53)

?cт = 0,002 м - толщина стенки трубы;

- теплопроводность углеродистой стали;

- тепловая проводимость загрязнений со стороны конденсата;

- тепловая проводимость загрязнений со стороны воды.

; , тогда:

В качестве первого приближения принимаю ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки равной

, (54)

Принимаю второе значение :

Принимаю третье значение :

Принимаю четвертое значение :

Строю график зависимости f(q) - q (Рисунок 4).

Из построения для f(q)=0 .

Коэффициент теплопередачи в первой зоне будет равен

Во второй зоне происходит охлаждение конденсата. Теплоотдача от конденсата к наружной поверхности трубного пучка происходит при поперечном омывании труб. Выбор формулы для подсчета коэффициента теплоотдачи ?2 от горячего теплоносителя к наружной поверхности пучка труб также зависит от величины критерия Рейнольдса при средней температуре конденсата в этой зоне равной Тср2 = 55,9?С.

Порядок определения теплофизических свойств конденсата при этой темпертуре аналогичен приведенному выше.

Они будут равны:

теплопроводность ;

динамическая вязкость ;

теплоемкость ;

плотность .

Скорость конденсата в узком сечении межтрубного пространства:

, (55)

где fмтр = 0,069 м2 - площадь самого узкого сечения потока в межтрубном пространстве

.

В случае поперечного омывания пучка труб теплоносителем за определяющий линейный размер при определении критерия Рейнольдса в межтрубном пространстве аппарат принимается наружный диаметр труб.

Тогда:

, (56)

Полученное числовое значение критерия Рейнольдса указывает на переходный режим движения теплоносителя и на необходимость расчета коэффициента теплоотдачи от конденсата к наружной поверхности пучка труб по уравнению:

(57)

Поскольку в рассматриваемой зоне конденсат охлаждается, то последний множитель в данном уравнении принимаю равным 0,93. Критерий Прандтля равен:

, (58)

Тогда:

, (59)

.

Определяю коэффициент теплоотдачи со стороны воды во второй зоне при средней ее температуре tср2 = 26?С.

Физические параметры воды при этой температуре:

плотность ;

вязкость ;

теплопроводность ;

теплоемкость .

, (60)

.

Поскольку плотность воды в первой и второй зонах мало изменяется, то и объемный расход ее и, следовательно, скорость останутся прежними, т.е. w=3,09 м/с. Тогда:

, (61)

.

Режим движения теплоносителя турбулентный, поэтому коэффициент теплоотдачи со стороны воды нахожу по уравнению:

,

.

Коэффициент теплопередачи во второй зоне с учетом тепловых сопротивлений стенки и загрязнений труб будет равен

, (63)

2.8 Поверхность конденсатора-холодильника

Для первой зоны:

Для второй зоны:

Общая поверхность теплопередачи:

F = F1 + F2 = 132 + 68 = 200 м2

у

В результате уточненного расчета поверхности теплопередачи принимаем по ГОСТ 15121, ГОСТ 15118 кожухотрубчатый конденсатор-холодильник, с неподвижными трубными решетками, горизонтальный.

Диметр кожуха, мм 800

Диаметр труб наружный, мм 20

Длина труб, мм 4000

Число ходов по трубам 6

Поверхность теплообмена, м2 155

= 2.9 Гидравлический расчет

Расчет гидравлических сопротивлений необходим для определения затрат энергии на перемещение жидкостей, паров или газов и подбора машин, используемых для их перемещения: насосов, компрессоров и т.д.

Гидравлические сопротивления обусловлены сопротивлением трения и местными сопротивлениями, возникающими при изменениях скорости потока по величине или направлению.

Потери давления ?Р на преодоление сопротивления трения и местных сопротивлений в трубном пространстве определяется по формуле:

, Па (64)

где ? - коэффициент трения;

L - длина пути жидкости;

dэ - эквивалентный диаметр;

??м.с. - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

? - плотность вещества потока, кг/м3;

w - скорость потока, м/с.

Формулы для расчета коэффициента трения ? зависят от режима движения жидкости и шероховатости труб. При Reтр > 2300 его можно определить по формуле:

,

где e = ?/d - относительная шероховатость труб;

? - высота выступов шероховатостей (в расчетах можно принять ? = 0,2*10-3 м - это стальные трубы, бывшие в эксплуатации, с незначительной коррозией).

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в требном пространстве:

?тр1 = 1,5 - входная или выходная камеры;

?тр2 = 2,5- поворот между ходами;

?тр3 = 1,0 - вход в трубы или выхода из них.

Местные сопротивления на входе в распределительную камеру и на выходе из нее следует рассчитывать по скорости жидкости в штуцерах.

Диаметр штуцеров определяют из уравнения расхода:

, м (66)

где V - объемный расход теплоносителя, м3/с;

Y - массовый расход теплоносителя, кг/с;

w - допустимая скорость потока, м/с;

? - плотность вещества потока, кг/м3.

В случае паро-жидкостного потока плотность его определяют из выражения:

, (67)

где ?ж- плотность жидкой фазы, кг/м3;

?п- плотность паровой фазы, кг/м3;

е - доля отгона (массовая доля паровой фазы в смеси).

Величина допустимой скорости потока для расчета диаметра штуцеров (а также трубопроводов и других деталей и узлов химических аппаратов) принимается по опытным данным скоростей движения жидкостей и газов в промышленных условиях, приведенных в таблице 1.

Таблица 1 - Ориентировочные значения допустимой скорости потока

Среда и условия движения Скорость м/с Маловязкие жидкости (до 0,01 Па с) при перекачивании насосом 0,5 - 3,0 Вязкие жидкости (свыше 0,01 Па с) при перекачивании насосом 0,2 - 1,0 Жидкости (конденсаты) при движении самотеком 0,1-0,5 Пар насыщенный 15 - 25 Пар перегретый (газы) 20 - 50 Паро - жидкостный поток в пересчете на однофазный жидкостный поток 0,5 - 1,0

По рассчитанным значениям диаметров штуцеров принимают нормализованные диаметры, значения которых приведены ниже:

dш; мм - 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 800.

Для принятых значений диаметров уточняются скорости потоков в штуцерах.

Общая длина пути жидкости в трубах равна

, м (68)

где lтр - длина труб в аппарате, м;

Z - число ходов по трубам.

Критерий рассчитывают по внутреннему диаметру трубы, т.е. dэ = dв

, (69)

где ?тр; ?тр - плотность и вязкость потока при его средней температуре.

Скорость жидкости в трубах определяют из уравнения:

, (70)

где fтр - площадь сечения одного хода по трубам, м2.

Расчетная формула для определения потерянного давления в трубном пространстве окончательно примет вид

. (71)

В межтрубном пространстве потери давления можно рассчитать по формуле:

. (72)

Скорость жидкости в межтрубном пространстве определяется по формуле:

, (73)

где fмтр - самое узкое сечение межтрубного пространства, м2.

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в межтрубном пространстве:

?мтр1 = 1,5 - вход или выход потока;

?мтр2 = 1,5- поворот через сегментную перегородку;

-коэффициент сопротивления пучка труб; (74)

где ; Yмтр - массовый расход потока в межтрубном пространстве;

?мтр ;?мтр - плотность и вязкость его;

dн - наружный диаметр трубы (при расчете критерия Re в межтрубном пространстве за эквивалентный диаметр принимается наружный диаметр трубок);

m - число рядов труб, омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве.

Учитывая, что теплоноситель в межтрубном пространстве лишь часть пути движется поперек труб и, кроме того, он может протекать через щели между перегородками и кожухом или трубками, принимают приближенно число рядов труб, омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве, равным половине числа труб в диагонали шестиугольника "b", которое с достаточной точностью определяется из выражения:

, (75)

где n - общее число труб в пучке теплообменника.

Число горизонтальных рядов труб в пучке теплообменника равно числу труб в диагонали шестиугольника. Таким образом, принимают:

. (76)

Сопротивление входа и выхода в межтрубное пространство следует также определять его по скорости потока в штуцера, расчет диаметра которых аналогичен выше приведенному.

Тогда расчетная формула для определения потерянного давления в межтрубном пространстве окончательно имеет вид:

, (77)

где x - число сегментных перегородок.

Число сегментных перегородок зависит от длины и диаметра аппарат. Поперечные перегородки в межтрубном пространстве часто размещают на таком расстоянии друг от друга, чтобы живое сечение продольного потока в сегментном вырезе перегородки было равно живому сечению поперечного потока у края перегородки. В стандартизированных теплообменниках это расстояние принимают половине внутреннего диаметра кожуха Dв. Тогда число сегментных перегородок равно

, (78)

где lтр - длина трубы.

Технические характеристики конденсатора - холодильника:

Диаметр кожуха внутренний, мм 800

Диаметр труб наружный, мм 20

Диаметр труб внутренний, мм 16

Длина трубы, мм 4000

Число ходов по трубам 6

Общее число труб, шт 618

Площадь сечения одного хода по трубам, м2 0,03

Площадь самого узкого сечения потока в межтрубном пространстве, м2 0,065

2.10 Расчет диаметра штуцеров

В трубное пространство в рассматриваемом случае подается вода в количестве Y2 =92,55 кг/с.

Учитывая незначительное изменение плотности воды с изменением температуры, примем ее значение при средней температуре воды в аппарате ?в = 995 кг/м2. В этом случае диаметры входного и выходного штуцеров трубного пространства будут равными.

Ориентировочное значение скорости воды в штуцерах согласно таблице 2.1 примем равным 2 м/с. Тогда:

Принимаю стандартизированное значение ГОСТ dш = 300 мм.

Уточненное значение скорости в штуцерах составит:

. В межтрубном пространстве поступает смесь этилового и бутилового спиртов в количестве 5,972 кг/c в виде насыщенных паров при температуре 76? и давлении 800 мм.рт.ст.

Плотность поступающей смеси на основании уравнения Менделеева-Клапейрона может быть рассчитана по формуле:

, кг/м3 (79)

где P - давление, Па;

Т - температура, ?К;

- универсальная газовая постоянная;

М - средняя мольная масса смеси, кг/кмоль.

(80)

В рассматриваемом случае М1 = 46; М2 =74 - мольные массы соответственно этилового и бутилового спиртов.

; - их мольные доли в смеси.

Тогда плотность поступающей смеси в аппарат будет равна:

Ориентировочное значение скорости насыщенного пара во входном штуцере согласно таблице 2.1 принимаю равным 20 м/с. Тогда:

Принимаю dмтрш1 = 500 мм.

Уточненное значение скорости во входном штуцере составит:

Из межтрубного пространства выходит конденсат смеси при температуре 40? в количестве 5,972 кг/с. Плотность его при этой температуре равна 772 кг/м3. Ориентировочное значение скорости его в выходном штуцере примем равным 0,5м/c. Тогда:

Принимаем dмтрш2 = 150 мм.

Уточненное значение скорости в выходном штуцере составит:

Из технологического расчета Reтр = 61243, wтр = 3,09 м/с.

Рассчитываю коэффициент трения:

2.11 Определение потерь в трубном и межтрубном пространстве

Потерянное давление в трубном пространстве будет равно:

При пленочной конденсации на наружной поверхности труб основной объем межтрубного пространства занимает пар. Поэтому пучок труб оказывает гидравлическое сопротивление главным образом движению потока пара. Следовательно, при расчете потерянного давления в межтрубном пространстве необходимо использовать физические параметры насыщенного пара смеси при температуре конденсации. Плотность смеси при температуре 83,4?С равна 1,696 кг/м3 (расчет проведен выше). Вязкость паров при этой температуре равно 0,0059*10-3 Па*с определена по формуле:

,

где Мсм, М1 и М2 - соответственно мольные массы смеси этилового и бутилового спиртов;

?1 = 0,0039*10-3 Па*с; ?2 = 0,0059*10-3 Па*с - динамические вязкости этилового и бутилового спиртов при температуре 83,4?С

Мсм = 0,96 * 46 + 0,04 * 74 = 47,12.

,

откуда ?мтр = 0,0039*10-3 Па*с.

Тогда:

.

Число сегментных перегородок равно:

Для расчета принимаю x = 6.

Теперь я имею все данные, необходимые для расчета потерянного давления в межтрубном пространстве по уравнению, приведенному выше:

3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПРОЕКТА

Таким образом, гидравлический расчет конденсатора - холодильника показал, что сопротивление трубного пространства составило221513 Па; межтрубного пространства 61817 Па.

Диаметры входного и выходного штуцеров холодного теплоносителя одинаковы и равны 300 мм. Диаметр входного штуцера горячего теплоносителя равен 500мм, а выходного 150мм.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Эрих В.Н., Расина М.Г., Рудин М.Г. Химия и технология нефти и газа. М., Химия, 1965г.

2. Сарданашвили А.Г., Львова А.И. примеры и задачи технологии переработки нефти и газа. М., Химия 1973г.

3. Регламент УПГ

4. Эрмиджанов Р.Т. Примеры расчётов нефтезаводских процессов и апппаратов. Баку, Азнефтеиздат, 1957г.

5. Рудин М.Г. Справочник нефтепереработчика. Ленинград, Химия, 1980г.

6. Кузнецов А.А. Расчёты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Ленинград, Химия, 1974г.

Показать полностью… https://vk.com/doc18723048_395256132
704 Кб, 28 мая 2015 в 1:38 - Россия, Москва, Школа-студия МХАТ, 2015 г., doc
Рекомендуемые документы в приложении