Практическая работа по дисциплине «Машины и аппараты нефтегазопереработки» для СибГУ

Практическое занятие № 10   Тема практических занятий: Тепловой расчет теплообменных аппаратов План практических занятий: Расчет основных тепловых параметров теплообменных аппаратов   Одним из основных видов технологического оборудования в нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических, газовых и смежных производствах является теплообменная аппаратура, составляющая примерно 30—40 % (по весу) всего оборудования. Теплообменные аппараты на заводах нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности используют для регенерации тепла горячих потоков и нагрева холодных, конденсации, охлаж­дения, испарения, кристаллизации, плавления. На установках АВТ продукты, выходящие из ректификацион­ных колонн, имеют довольно высокие температуры, например на АХ —от 100 до 300 °С, а на ВТ —от 300 до 400 °С. Использование тепла этих горячих продуктов целесообразно с точки зрения эко­номии топлива на нагрев сырья и экономии воды на охлаждение этих продуктов до температур, безопасных при их транспортиро­вании и хранении. Целесообразность регенерации тепла потока зависит от конкретных условий. Теплообменные аппараты класси­фицируют в зависимости от назначения (теплообменники, конден­саторы, холодильники, кипятильники, испарители), способа пере­дачи тепла (поверхностные и смешения), а также от конструктив­ного оформления (кожухотрубные жесткой конструкции с плава­ющей головкой, с U-образными трубками; погружные змеевиковые, секционные; оросительные; типа «труба в трубе»; конденса­торы смешения с перфорированными полками, с насадкой; воздуш­ного охлаждения горизонтального, шатрового, зигзагообразного, замкнутого типа; рибойлеры с паровым пространством с плава­ющей головкой, с U-образными трубками). Погружные и ороси­тельные теплообменные аппараты применяют в качестве конденса­торов¹ и холодильников. Кожухотрубные аппараты можно исполь­зовать как конденсаторы, холодильники, теплообменники; по кон­струкции они мало различаются. Такие теплообменные аппараты обеспечивают более интенсивный теплообмен при меньшем рас­ходе металла на единицу теплопередающей поверхности, чем ап­параты погружного типа, что обусловило широкое их использова­ние. В последнее время в качестве конденсаторов и холодильников широко используют аппараты воздушного охлаждения.   Тепловой расчет При проектировании технологических установок для нефтеперера­батывающих заводов чаще всего проводят поверочный расчет стандартных (нормализованных) теплообменных аппаратов, т. е. определяют необходимое число стандартных аппаратов с поверх­ностью, полученной при расчете. Теплообменные аппараты можно рассчитывать по следующей схеме.

1. Выбирают тип теплообменника и направление движения тепловых потоков.
2. Выбирают конечную температуру одного из теплоносителей, которая должна обеспечить достаточно высокий средний темпе­ратурный напор в аппарате.
3. Составляют тепловую нагрузку теплообменника и определя­ют энтальпию, а затем температуру теплоносителя, для которого эти величины были неизвестны.
4. Определяют средний температурный напор в теплообменни­ке.
5. Определяют или подбирают по практическим данным коэф­фициент теплопередачи.
6. Определяют поверхность теплообмена и необходимое число стандартных теплообменных аппаратов по нормам Гипронефтемаша.

Тип теплообменного аппарата следует выбирать так, чтобы скорость потоков была достаточно большой, что обеспечит высо­кий коэффициент теплопередачи. Однако при этом следует пом­нить, что с увеличением скорости потоков резко растет сопротив­ление. Максимальная скорость потока по трубам в кожухотрубных теплообменниках допускается до 2 м/с. Так, оптимальная скорость для легких бензиновых фракций 1,5 м/с, для светлых нефтепродук­тов 1 — 1,2 м/с, для холодной нефти 0,8—0,95 м/с. В теплообменни­ках типа «труба в трубе» скорость движения потоков 1 —1,5 м/с, в межтрубном пространстве этих теплообменников она несколько меньше. При выборе схемы использования тепла на установке необхо­димо учесть следующее.

1. С усилением степени использования тепла отходящих с ус­тановки продуктов увеличивается необходимая поверхность теп­лообменников, причем она возрастает не пропорционально коли­честву использованного тепла, а более резко. В основном это объ­ясняется падением средней разности температур.
2. У теплообменников 1 м² поверхности в 6—8 раз дешевле, чем 1 м² огневой поверхности нагрева. Однако установка теплообмен­ника практически выгодна, только если теплонапряженность его будет не менее 8380 кДж/(м²·ч), или 2326 Вт/м².

использование тепла потока горячих продуктов зависит от за­паса у него тепла, т. е. от его массы и температуры.

• Регенерация тепла паров нефтепродуктов не всегда рекомен­дуется, так как обычно при работе на нефтях, содержащих серу, наблюдается коррозия пародистиллятных теплообменников.
• При выборе направления движения потока следует учиты­вать, что более загрязненный поток целесообразно направлять по трубам, так как их легче чистить во время ремонта теплообмен­ника.
• Коррозионно-активные среды рекомендуется направлять по трубам, так как замена части труб или всего пуска экономически выгоднее, чем замена корпуса аппарата.

Тепловую нагрузку аппарата определяют, составляя тепловой баланс   ,                        (10.1)   где Q —тепловая нагрузка аппарата, кДж/ч; G₁ ,G₂ — массы горячего и холод­ного теплоносителя, кг/с или кг/ч; I_t1, I_t2 —энтальпия горячего теплоносителя при температурах входа и выхода из аппарата, кДж/кг; η — к. п. д. теплообменни­ка; практически он равен 0,95—0,97; I_t3, I_t4 — энтальпия холодного теплоносите­ля при температурах входа и выхода из аппарата, кДж/кг. Поверхность теплообмена определяют из уравнения теплопере­дачи   ,                                            (10.2) откуда ,   где F — поверхность теплообмена, м²; К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²-К); τ_ср —средняя логарифмическая разность температур. Коэффициент теплопередачи К (Вт/м²·К) характеризует про­цесс теплопередачи в теплообмеином аппарате. Величину К опре­деляют расчетом [1, 2, 3, 4, 5] или принимают на основании прак­тических данных (Приложение 4). Для неоребренных и чистых поверхностей труб коэффициент теплопередачи можно определить по формуле   ,                                       (10.3)   где а₁, а₂ — коэффициент теплоотдачи со стороны горячего и холодного продукта, Вт/(м²-К); δ —толщина стенки, м; λ — коэффициент теплопроводности металла труб, Вт/(м·К). При загрязнении труб формула (10.3) будет иметь вид   ,                 (10.4)   где а₁ —коэффициент   теплоотдачи   со   стороны   охлаждаемого продукта, Вт/(м²·К); — тепловое сопротивление   внутреннего   слоя загрязнений, (м²·К)/Вт; — тепловое сопротивление металла стенки трубы, (м²·К)/Вт; ^— тепловое сопротивление   наружного   слоя   загрязнений, (м²·К)/Вт; f_ст — поверхность стенки гладкой трубы (по ее наружному диаметру), прихо­дящаяся на 1 м длины трубы, м²/м; f — наружная поверхность 1 м оребренной трубы, м²/м; а_пр — приведенный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К). Средняя разность температур в случае противотока и прямото­ка (логарифмическая) выражается уравнением (τ_ср)   ,                                      (10.5)   где Δτ_в, Δτ_н — высшая и низшая разности температур между потоками у концов теплообменного аппарата. Когда отношение наибольшей разности температур к наимень­шей меньше или равно 2, среднюю разность температур можно рассчитать как среднеарифметическую величину по формуле   .                                        (10.6)   Кроме того, среднюю разность температур можно определить по графику. Движение потоков в теплообменнике противотоком дает воз­можность более эффективно использовать тепло греющего потока. Рисунок 10.2 — Поправочный коэффициент г для определения средней логарифмической разности температур в случае перекрестного потока Рисунок 10.3 — Поправочный коэффициент е для определения среднелогарифмической разности температур в случае смешанного потока (один ход в корпусе и два и более хода в трубном пространстве)   Контрольные вопросы   1 От чего зависит регенирация тепла потока? 2 По какой схеме можно рассчитать теплообменные аппааты? 3 Как следует выбирать тим теплообменного аппарата? 4 Что нужно учитывать при выборе схемы использования тепла на установке?   Задачи   1 Определить среднюю разность температур τ_ср при противоточной схеме теплообмена, если горячий теплоноситель охлаждается с 300 до 150 ºС, а холодный нагревается от 20 до 120 °С. 2 В теплообмеином аппарате противотоком движутся два теплоносителя. Горячий охлаждается с 345 до 147°С, холодный нагревается от 80 до 170 °С. Определить среднюю разность температур т_ср. 3 В теплообмеином аппарате противотоком движутся два теплоносителя. Горячий охлаждается с 210 до 105°С, холодный нагревается от 60 до 150 °С. Определить среднюю разность температур т_ср.