Расчёт теплообменника типа «труба в трубе»

Технологическая характеристика т/оТТР7-2: диаметр внутренних труб 48 х 4 мм;

 диаметр наружных труб 89 х  5 мм;

допустимая максимальная температура  в трубном пространстве – не более 723 К;

допустимая максимальная температура  в межтрубном пространстве – не более 473 К;

Учитывая  допускаемые температуры потоков, направим по внутренним трубам дистиллят дизельное топливо, а по межтрубному пространству – нефть.

 

3.4 Рассчитать физические параметры теплоносителей при их средних температурах

 

Дистиллят дизельного топлива:

Т _ср.1 =

где Т –начальная и конечная температуры  дистиллята дизельного топлива.

Т _ср.1 = 538 + 433 = 486 К.

Коэффициент теплопроводности:

λ _ср.1 = · (1,0 – 0,00047 · Т _ср.1)

λ _ср.1 = · (1,0 – 0,00047 · 486) = 0,123 Вт/м·к.

Теплоемкость:

C _ср.1 = · (0,762 + 0,0034 · Т _ср.1)

C _ср.1 = · (0,762 + 0,0034 · 486) = 2,64 кДж/кг · К

Относительная плотность:

= р - α ·(Т _ср.1 – 293)

= 835 – 0,000725 ·(486 – 293) = 834,9

Определяем кинематическую вязкость для дистиллята дизельного топлива:

lg = nlg

где n_1, n₂ – кинематическая вязкость дистиллята дизельного топлива при Т₁= 293 Т₂= 323 К соответственно.

V₁ = V₂₉₃ = 1,05 · 10^-6 м²/c

V₂ = V₃₂₃ = 1 · 10^-6 м²/c

T₁= 293 K

T₂ = 323 K

n =

n =

Тогда кинематическая вязкость для  дистиллята дизельного топлива при 

Т _ср.1 определяется из уравнения:

V_тср.1 = 1,05 · 10^-6 = 1,05 · 10^-6 = 0,92 · 10^-6 м²/с

antilog(0,05 lg 486 – 273) antilog 0,05 lg 10,6 293 - 273

Нефть:

Средняя температура:

Т _ср.2 = +

2

Т _ср.2 = 393 + 413 = 403 K.

2

Расчеты физических параметров для  нефти:

 

λ _ср.2 = · (1,0 – 0,00047 · Т _ср.2).

λ _ср.2 = · (1,0 – 0,00047 · 403) = 0,156 · 0,812 = 0,127 Вт/м·к.

Определяем теплоемкость:

1

C _ср.2 = (0,762 + 0,0034 · Т _ср.2).

C _ср.2 = · (0,762 + 0,0034 · 403) = 2,29 кДж/кг · К.

Определяем относительную плотность:

= р - α · (Т _ср.2 – 293)

= 860 – 0,000725 ·(403 – 293) = 859,9

Определяем кинематическую вязкость для нефти:

n₂ =

n₂ =

3.5 Рассчитать коэффициент теплоотдачи от дизельного топлива

 

Коэффициент теплоотдачи α₁ от дистллята дизельного топлива к внутренней поверхности малой трубы

Скорость потока дизельного топлива (в м/c):

W₁ =

где f₁ – площадь поперечного сечения всех труб в одном ходу аппарата.

W1 = = 0,605 м/c

f_t = · N₁

где d_в – внутренний диаметр внутренней трубы;

 N₁ – число труб в одном ходу.

f_t = 0,785 · 0,04² · 7 = 0,0088 м²

Определяем критерий Рейнольдса:

Re_cp.1 =

 

Re_cp.1 = = 26304

Для турбулентного режима:

α₁ = 0,021 · · Re · Pr ·

Определяем критерий Прандтля:

Pr_cp.1 =

Pr_cp.1 = = 16

Предварительный расчет показывает, что отношение  ≈ 1.

Определяем α_1. (Вт/м²·К):

920 Вт/м²·K

Коэффициент теплоотдачи α₂ от гладкой наружной поверхности малой трубы нефти

Нефть движется в межтрубном пространстве кольцевого сечения, площадью в (м²) которого для одного хода определяется:

м²

где - внутренний диаметр наружной трубы;

  - внутренний диаметр наружной трубы.

Скорость потока нефти:

(м/c)

 м/с

Эквивалентный диаметр кольцевого сечения:

-

Критерий Рейнольдса:

Re_cp.2 =

Re_cp.2 = = 26373,6

Определяем критерий Прандтля:

Pr_cp.2 =

Pr_cp.2 = = 28,53

Принимаем по изложенным выше соображениям значение сомножителя:

≈ 1, найдем α₂ (Вт/м² · К):

α₂ = 0,021 · · Re · Pr ·

992,7 Вт/м²·K

 

Коэффициент от оребренной наружной поверхности малой трубы к нефти

Расчет в (Вт/м² · К) ведем по формуле:

=

где

h – высота ребер

β – характеристика эффективности  прямых продольных ребер

S – шаг по окружности трубы.

Для принятых оребренных труб:

h = 0,013 м

δ = 0б001 м

Принимаем β = 0,348

Шаг ребер по окружности трубы:

где n = 20 – число прямых продольных ребер.

 м

Коэффициент теплоотдачи:

= = 1821,8 Вт/м2 К

 

3.6 Рассчитать коэффициент теплопередачи

 

При отсутствии оребрения  и чистых поверхностей труб

где d_ст – толщина стенки (d_ст=0,004м);

 l_ст – теплопроводность стенки (l_ст=46,5Вт/(м*К)).

K = = 476,19 Вт/м²·K

 

При отсутствии оребрения  и загрязненных поверхностей трубы

= =263,16 Вт/м²·K

где

 м²·K/Bт;

 м²·K/Bт.

 

 

При оребрении наружной поверхности  внутренней трубы и отсутствии загрязнения

Коэффициент теплопередачи, отнесенный к гладкой поверхности, определяется по формуле:

где F₁ – поверхность теплообмена (по наружному диаметру внутренней трубы, без рёбер);

F₂ – поверхность теплообмена ребристой поверхности.

 Вт/м²·K

В принятом для расчета т/о поверхность  теплообменника (по наружному диаметру внутренней трубы, без ребер) F₁.

Коэффициент оребрения (при 20 ребрах) φ = 4,3, поэтому величину ребристой  поверхности:

F₂ = φ • F₁

F₂ = 4,3 • 30 = 129 м²

 

При оребрении наружной поверхности внутренней трубы и  наличии загрязнений, принимая те же, что и в пункте «в», значения тепловых сопротивлений, находим:

Вт/м²·K

= м²

 

 

3.7 Рассчитать  поверхность теплообмена

 

В соответствии с заданием, рассчитываем поверхность т/о для двух случаев.

 

При отсутствии оребрения  и загрязненных поверхностях:

 м²

Необходимое число сдвоенных секций т/o:

С запасом принимаем:

= 1

 

При оребрении труб и  загрязненных поверхностях

м²

Необходимое число сдвоенных секций:

= 1,35

С запасом принимаем:

= 2

 

4 .ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПРОЕКТА

 

1 Конечная температура дистиллята  дизельного топлива 433К

2 Температура  нефти на выходе из теплообменника 413 К и его тепловая нагрузка 1165х10³ кВт

3 Средний температурный напор 75 К

4 Поверхность теплообмена 53 м²

5 Физические параметры при средних  температурах 486 К-дистиллят дизельного  топлива и 403К-нефть

Коэффициент теплопроводности 0,123 и 0,126 Вт/(м*К)

Теплоёмкость 2,64 и 2,30 кДж/(кг*К)

Относительная плотность 834,9 и 859,9

Кинематическая вязкость 0,92*10^-6 и 1,82*10^-6 м²/с

6 Коэффициент теплоотдачи от  дистиллята дизельного топлива  к внутренней поверхности малой  трубы 920,09 Вт/м²*К

Коэффициент теплоотдачи от гладкой  наружной поверхности малой  трубы к нефти 992,7 Вт/м²*К

Коэффициент теплоотдачи от оребрённой наружной поверхности малой трубы  к нефти 1821,8 Вт/м²*К

7 Коэффициент теплопередачи:

-при отсутствии оребрения и  читсых поверхностях 476,19 Вт/м²*К

-при отсутствии оребрения и  загрязнённых поверхностях труб 263,16 Вт/м²*К

-при оребрении наружной поверхности  внутренней трубы и отсутствии  загрязнения 769,2 Вт/м²*К

-при оребрении наружной поверхности  внутренней трубы и наличии  загрязнений 417,8 Вт/м²*К

8 Поверхность теплообменапри отсутствии  оребрения и загрязнённых поверхностях 20,2 Необходимое число сдвоенных секций т/о 1- труб и загрязнённых поверхностях 40,6 м²Необходимое число сдвоенных секций 2.при

 

4.1 Технико – экономический  раздел.

Об эффективности работы перегонных установок судят по таким показателям ,как производительность установки, продолжительность безостановочного пробега, глубина отбора целевых   фракций ( в процентах от

Потенциальногосодержания этих фракций  в нефти ), качество получаемой продукции, соблюдение норм и экономия в расходовании пара, воды, электроэнергии,реагентов.

Увеличчением продолжительности  безостановочной  эксплуатации, ростом  производительности  установки,  снижение расхода энергоресурсов

Добиваютс  снижениясебестоимости  продукции  ,повышения  прои зводительностим  труда.

Многие  атмосферно-вакуумные  трубчатые  установки, построенные

в  послевоенные  годы  на отечественных нефтеперерабатывающих заводах

,значительно превысили проектную  мощность.

Значительное увеличение мощности достигается в результате реконструкции

и  модернизации действующих установок. Основные направления реконструкции : увеличение поверхности теплообменной  аппаратуры, установкаболее мощных электродвигателейкнасосам, размещение дополнительных труб в печах, замена некоторых устаревших видов оборудования ( например, погружных конденсаторов аппаратами воздушного охлаждения , паровых насосов- насосами с электродвигателями  и т. д.).

Такой путь наращивания мощностей по первичной  перегонке нефти весьма эффективен. Увеличение мощности установки АТ-6 на 30-35 % за счётеё реконструкции обеспечивает по сравнению со строительством отдельной новой установки: рост производительности труда в 1,3 раза, снижение удельных

капитальных затрат на 25 % , а удельных эксплуатационных расходов – на 6,5 %.Схемы установок первичной перегонки за последние 20- 25 лет

 стабилизировались и не претерпевают серьёзных изменений . В практике отечественной нефтепереработки наиболее распостранена схема двукратного испарения , за рубежом строятся установки и однократного , и двукратного испарения .

Преимущественное распостранение в нашей стране схемы с двукратным испарением объясняется тем ,что  в связи с бурным ростом добычи нефти отстаёт ввод в эксплуатацию промысловых установок по подготовке нефти , и на нефтеперерабатывающие заводы продолжает поступать недостаточно хорошо подготовленное сырьё . Как уже указывалось , для такого сырья двукратное испарение предпочтительнее.

Основные тенденции в проектировании и строительстве установок первичной  перегонки состоят в следующем:

1. Совершенствование технологических узлов установок ( стабилизации, вакуумной перегонки и др. );
2. Повышение производительности вновь сооружаемых и интенсификация рабаты действующих установок;
3. Оснащение установок высокоэффективным оборудованием;
4. Оснащение установок прогрессивными средствами контроля и автоматики ,разработка и внедрение схем комплексной автоматизации управления процессом с вовлечением в системы управления процессамиэлектронных вычислительных машин;
5. Комбинирование технологически связанных машин;
6. Повышение коэффициента использования энергоресурсов за счёт более полного использования тепла отходящих продуктов.

 
     2.1 Общие   расчётные сведения .

Так  как  теплоемкость  зависит  от  температуры,  то  различают истинную  теплоёмкость  при данной  температуре  и среднюю  теплоёмкость в некотором  интервале  температур

где : Q- количества тепла ,  сообщаемого единице количества  вещества  при   изменении температуры   тепловой  поток , или тепловая нагрузка ,-равно:

Если  процесс   теплообмена   происходит, в  первой  среде,  фазовые   или 

 

Химические  превращения  (испарения жидкости, конденсация 

 

пара,  плавление,  химические  реакции, и т.п.),   то  уравнение  теплового 

 

баланса  имеет  следующий вид  :  

При наличии фазовых или химических превращений  в

 

Теплообменнике количество тепла, переданного от одной

 

среды к другой,

 

 

где - энтальпия  продуктов превращения при температуре выхода  .

 

Количество  передаваемого тепла определяется законом 

 

  Ньютона:

 

 

 где - коэффициент теплоотдачи

 

Согласно закону Фурье:

 

 Тепловой поток от первой среды к стенке

 

  через стенку: 

 

 от стенки ко второй среде : 

 

совместное решение уравнений дает:

 

 

В уравнении величина :

 

 

При конденсации пара на поверхности вертикальных  труб :

 

где : - разность  между температурами конденсаций пара

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1 Молоканов Ю.К., Скобло А.И., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии

2 Молоканов А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа.

3 Кузнецов А.А. Нефтеперерабатывающая промышленность.

4 Вихман А.Г. Процессы и аппараты

5 Баранов Д.А. и Кутепов А.М.  Процессы и аппараты.

 

Параметр	Горячий теплоноситель	Холодный теплоноситель
r [кг/м3]
сp [Дж/(кг×К)]
l [Вт/(м×К)]
m [Па×с]
b [град-1]

       

№ п/п	Расход теплоносителя (в ед. шкалы ротаметра)				Температура теплоносителя
	Заданный		Действит.		Холод. вода		Горячая вода
	хол.	гор.	хол.	гор.	нач.	кон.	нач.	кон.
1
2
3
Усредненные значения