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

Практическое занятие № 12   Тема практических занятий: Апараты воздушного охлождения План практических занятий: Расчет основных параметров аппаратов воздушного охлаждения   Основное количество воды на нефтеперерабатывающих и нефте­химических производствах расходуется на конденсацию и охлаж­дение технологических продуктов. Расход воды на современном заводе, оснащенном рядом укрупненных установок, достигает 200—500 млн. м³/год. Большая потребность в воде   и необходи­мость стоков для значительных объемов канализируемых вод вы­нуждает располагать нефтеперерабатывающие заводы вблизи крупных водоемов. Один кубический метр сточных вод загрязняет несколько сотен кубических метров воды-сырья. Огромных расходов воды, загрязнений водоемов, а также боль­ших капитальных и эксплуатационных затрат на очистные соору­жения, градирни, насосные и на электроэнергию, расходуемую на перекачку воды, можно избежать при переходе от водяного охлаж­дения к воздушному, применяя конденсаторы и холодильники воз­душного охлаждения, теплообмен в которых осуществляется вслед­ствие обтекания воздухом секций, собранных из оребренных труб. Использование воздушного охлаждения позволяет модернизиро­вать действующие установки, повысить их производительность, не затрагивая системы водоснабжения и канализации, не увеличивая потерь продукта и сброса сточных вод. Площадь, занимаемая ап­паратами воздушного охлаждения, составляет 1,4—2,45% терри­тории завода, тогда как для сооружения водного хозяйства необ­ходимо 13—15% этой территории. Аппараты воздушного охлаждения классифицируют по двум основным признакам — назначению и конструкции. В зависимости от назначения аппаратуры воздушного охлаждения (АВО) делят на конденсаторы (КВО) и холодильники (ХВО) для маловязких и вязких продуктов. В зависимости от конструкции (способа рас­положения теплопередающей поверхности) аппараты делят на го­ризонтальные, шатровые, зигзагообразные, вертикальные и замк­нутые. Воздух нагнетается или просасывается (индуцируется) осе­выми вентиляторами. Конденсаторы и холодильники воздушного охлаждения состо­ят из двух основных частей: поверхности охлаждения и системы подачи воздуха, включающей вентилятор и регулирующее устрой­ство. Поверхность охлаждения компонуют из оребренных труб, собранных в секции и развальцованных в решетках, к которым присоединены крышки. Оребрение увеличивает (в 5—20 раз) на­ружную поверхность трубы, компенсируя недостаточную теплоот­дачу со стороны воздуха, улучшая теплообмен. Для улучшения коэффициента теплоотдачи воздух увлажняют. Наиболее эффективные АВО работают при снижении темпера­туры нефтепродукта до 6°С. Охлаждение до необходимой темпера­туры проводят обычно в концевом водяном холодильнике. В целях пожарной безопасности нефтепродукты рекомендуется охлаждать до следующих температур: ºС Бензиновыефракции………….35—40 Керосиновые и дизельные фракции………………………50—60 Масляные дистилляты……….60 – 70 Мазуты, гудроны…………….90   При расчете АВО [1, 2] определяют поверхность теплообмена и по ГОСТ подбирают тип аппарата. В основу расчета воздушных конденсаторов и холодильников воздушного охлаждения положе­ны соотношения   Q=Q_пр=Q_в ,                                             (12.1)   Q=G_пр(I_t1-I_t2)=G_в C_рв Δt_в ,                              (12.2)   F=Q/Kτ_ср ,                                            (12.3)   где Q— количество отнимаемого тепла, кДж/ч; Q_в — расход воздуха, кг/ч, кг/с; G_рв —удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг·К); Δt_в — разность температур воздуха на выходе и входе в аппарат, °С; F — внешняя теплопередающая по­верхность труб, м²; К — общий коэффициент теплопередачи, кДж/(м²·ч·К); τ_ср — среднелогарифмическая разность температур охлаждаемого продукта и воздуха. В зависимости от требуемой точности воздушные конденсато­ры и холодильники можно рассчитывать двумя методами. Первым методом можно упрощенно определить основные размеры этих ап­паратов; вторым — более точно произвести требуемые расчеты. При расчете по первому методу принимают значения температу­ры воздуха, скорости его прохождения через пучок и общий ко­эффициент теплопередачи. Можно рекомендовать следующую по­следовательность упрощенного расчета.

1. Определяют количество отводимого тепла (Q, кДж/ч).
2. Задаются желаемым повышением температуры воздуха (Δt_в), которое равно разности температур воздуха на выходе из аппарата и входе в него. Расчетную температуру воздуха нужно выбирать из условия получения требуемой температуры охлаж­даемого продукта в наиболее жаркий период года в данной мест­ности. Снижение расчетной температуры воздуха приводит к по­нижению производительности установок летом, а завышение — к увеличению капитальных затрат. Температуру охлаждающего воздуха рекомендуют принимать равной средней температуре су­хого воздуха в 13 ч самого жаркого месяца в данной местности. Для расчета берут температуру воздуха на 2—3°С выше средней температуры. Средняя температура самого жаркого месяца (в °С): для Баку 27,9, Волгограда 28,8, Воронежа 24,1, Горького 21,6, Ленинграда 20,3, Москвы 21,4, Рязани 22,8, Саратова 25,1, Харькова 25,1.
3. Вычисляют среднелогарифмическую разность температур (τ_ср ) .
4. Общий коэффициент теплопередачи К, кДж/(ч·м² К), вы­числяют по формулам

  Q_c+Q_в.п=Q_D+Q_R+Q_cp,     .   или берут, исходя из практиче­ских данных (см. Приложение 5).

5. Определяют внешнюю поверхность теплообмена гладких труб (F, м²). Задаваясь диаметром трубы и ее длиной, определяют поверхность одной трубы и число труб.
6. Вычисляют расход воздуха G_в, (кг/ч, кг/с) из уравнения теп­лового баланса

  ,                   (12.4)   где G_н — масса охлаждаемого нефтепродукта, кг/ч; —энтальпия нефте­продукта соответственно при температурах входа (t1) и выхода (t2) из холодиль­ника, кДж/кг; G_в — расход воздуха, кг/ч; С»_p, С’_р— средние теплоемкости (при постоянном давлении) воздуха соответственно при его конечной и начальной температурах  (см. Приложение 1), кДж/(кг·К); t3 и t4 — соответственно конечная и начальная температуры воздуха.

6. Вычисляют расход воздуха из уравнения теплового баланса холодильника. Затем, определив плотность воздуха при его на­чальной температуре, находят расход воздуха в м³/ч. Плотность воздуха (ρ_в, кг/м³) при его начальной температуре t₃ и Ро= 0,101 МПа может быть определена из Приложения 1 или ра­венства

  ,   где ρ₀ — плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м⁵.

7. По объему расходуемого воздуха с учетом существующей производительности вентиляторов выбирают вентилятор по ката­логу.
8. Определяют расход электроэнергии (N_э, кВт) для вентиля­тора по формуле

  ,                                 (12.5)   где V_в— производительность вентилятора, м³/ч; ΔP— напор, создаваемый вен­тилятором, Па; η — к. п. д. вентилятора (принимается равным 0,62—0,65). Напор, развиваемый вентилятором, можно определить по ка­талогу в соответствии с выбранным вентилятором или определить по формуле   ,                         (12.6)   где γ — плотность воздуха при его начальной температуре, кг/м³; g — ускорение силы тяжести, м/с²; и_в — скорость воздуха в узком сечении пучка труб (6— 8 м/с); т — число горизонтальных рядов в пучке; S — шаг ребер, м; D — наруж­ный диаметр труб, м; Rе — критерий Рейнольдса, отнесенный к наружному ди­аметру трубы  D. При подборе электродвигателя расчетную мощность необходи­мо увеличить на 10% —на случай его возможных перегрузок. Более точный и подробный расчет аппаратов воздушного ох­лаждения дан в «Методике теплового и аэродинамического расче­та аппаратов воздушного охлаждения» (ВНИИнефтемаш, 1971 г.).   Контрольные вопросы   1Для чего преднезначены АВО? 2 По каким признакам классифицируются АВО? 3 При какой температуре АВО работают наиболее эффективно? 4 Методы расчета воздушных конденсаторов и холодильников.   Задачи   1 Рассчитать расход воздуха и поверхность конденсатора холодильни­ка воздушного охлаждения, в который при 125 °С поступают из колонны сле­дующие продукты: 102 055 кг/ч паров нестабильного бензина (d₄²⁰=0,740), 17 916 кг/ч жирного газа, 9629 кг/ч водяного пара. Конечная температура продуктов 40°С; температура воздуха на входе и выходе из аппарата соот­ветственно 20 и 60 °С. Согласно заводским данным, коэффициент теплопере­дачи K=232 Вт/(м²∙К). Теплоемкость жирного газа при нормальных усло­виях С =1,91 кДж/(кг∙К). 2 Рассчитать горизонтальный воздушный холодильник, предназначенный для охлаждения 17 600 кг/ч нефтепродукта (d₄²⁰=0,870) со 150 до 50 °С. Начальная температура воздуха (су­хого) 29 °С, конечная 70 °С. Коэффициент теплопередачи 56 Вт/(м²·К). 3 Рассчитать горизонтальный воздушный холодильник, предназначенный для охлаждения 12 700 кг/ч нефтепродукта (d₄²⁰=0,560) со 108 до 30 °С. Начальная температура воздуха (су­хого) 19 °С, конечная 50 °С. Коэффициент теплопередачи 36 Вт/(м²·К).