Курсовой проект
На тему: «Кожухотрубчатый теплообменныйаппарат»
Содержание
Введение
1. Технологический расчет
2. Определение начальной температуры нефти
3. Выбор теплообменника
4. Теплотехническийрасчет
5. Гидравлический расчет
6. Описание схемы работыаппарата
7. Схема контроля ирегулирования
Выводы
Заключение
Список литературы
Введение
Процесс дистилляции нефти, каки любой тепловой процесс, реализуется путем подвода теплового потока вректификационную колону и отвода из нее соответствующего количества низкопотенциальноготепла.
Функцию регенерации теплагорячих потоков дистиллятов, а так же их конденсации, охлаждение,дополнительного нагрева и испарения выполняют на установках АВТ – разветвленнаясистема теплообменных аппаратов различного устройства.
Кожухотрубчатые теплообменныеаппараты являются наиболее распространенным типом теплообменников широкогоспектра технологического применения в нефтеперерабатывающей промышленности.
Поэтому для обеспечениянормального протекания предусмотренного технологического режима на установкеАВТ необходим правильный подбор теплообменного аппарата.
Целью данного курсовогопроекта является расчет теплообменного аппарата для установки АВТ по заданнымначальным данным.
1. Технологический расчет
1.Начальные данные:
/>
/>/>
/>/>
Выход фракций 230-3500 С на арланскую сыруюнефть 22%
/>/>
/>/>/>
2. Расчет физико-химических свойств нефти ифракций:
/>/>
Расчет плотности:
/>
/>
/>
2.2 Расчет теплоемкость:
/>
/>
/>
/>
Расчет коэффициента теплопроводности:
/>
/>
Расчет вязкости:
/>/>
/>/>
/>/>
/>/>
Таким образом, мы рассчитал все необходимые длядальнейшего расчета физико-химические свойства нефти и фракции при среднейтемпературе (tср н величина расчетная).
2. Определение начальнойтемпературы нефти
/>
/>
/> (с учетом 5% потерь)
/>
/>/>,
тогда средняя разность температур втеплообменнике будет равна:
/>
/>
/>/>
/>
Определим ориентировочно значение площадиповерхности теплообмена, полагая Кор = 250 Вт/м2К по [1, таб. 4.8], т. е. принявего таким же, как и при теплообмене от жидкости к жидкости (углеводороды,масла):
/>
Из величины /> = 166,9/>следует, что проектируемыйтеплообменник может быть многоходовым. Поэтому для правильности расчета нужносделать поправку />для многоходовых теплообменников.
В аппаратах с противоточным движениемтеплоносителей />при прочих равных условиях большечем в случае прямотока. При сложном взаимном движении теплоносителей />принимаетпромежуточные значения, которые учитывают, вводя поправку />к средне логарифмическойразности температур для противотока.
/>
где />
/>
/>/>
/>
/>
Рассчитаем коэффициент по формуле:
/>
/>
тогда уточним поверхность теплообмена:
/>
3. Выбор теплообменника
Выбираем теплообменник кожухотрубный, безкомпенсационных устройств [(tk-t)мах=40] для ТН, ХН, КН, ИН; табл. ХХХV) понеобходимой поверхности теплообмена и по предполагаемому количеству труб по 1табл. 4.12 «Параметры кожухотрубных теплообменников и холодильников» по ГОСТ15120-79, ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79)
К условию F
1. Теплообменник«кожухотрубный» D = 800; d = 25х2; z=1; n = 465
SВ.П.= 6,9х10-2 />;F= 219 />; l = 6 м; Sт.= 16,1х10-2 />; Sм.= 7,9х10-2 />;
2. Теплообменник «кожухотрубный» D = 800; d = 25х2; z=2; n = 442; SВ.П. = 6,5х10-2/>; F = 208 />; l = 6 м; Sм.= 7,0х10-2 />; Sт.= 7,7х10-2 />.
Для обеспечения интенсивного теплообменапопытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Нефтьнаправим в трубное пространство, фракцию — в межтрубное пространство, чтопозволит избежать трудности в эксплуатации.
Проведем теплотехнический и гидравлическийрасчеты для выбранных теплообменников.
4. Теплотехническийрасчет
Вариант 1 Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ15120-79).
Для определения значений основных критериевподобия, входящих в критериальные уравнения конвективной теплопередачи, будемиспользовать формулы соответствующие турбулентному режиму течения жидкости:
Проходное сечение межтрубного пространства(межу перегородками ) Sм=7,9 х10-2, сечения одного хода трубного пространства Sт=16,1х10-2 [2табл.4.12]
а) фракции 230-350о С текущей в межтрубномпространстве:
объемный расход фракции:/>;
скорость и критерий Рейнольдса для фракции:
/>/>
критерий Прандля:/>.
Для вертикального расположения труб примем выражение(2, форм. 4.31)
/>;
Коэффициент εφ учитывает влияние углаатаки при φ=30о (1. табл.4.5)
/>;
Коэффициент теплоотдачи для фракции:
/>;
б)нефти текущей в трубном пространстве:
объемный расход нефти:/>;
скорость и критерий Рейнольдса для нефти:
/>;/>,
из значения Re также видно, что нефть в трубах течет турбулентно.
критерий Прандля:/>
Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентноготечения нефти:
/>;
где /> примем равному 1 [1, таб. 4.23],и соотношение />=1 для нагревающихся жидкостей [1,стр.152]с дальнейшей поправкой.
/>
Коэффициент теплоотдачи нефти к стенке:
/>;
Рассчитаем термическое сопротивление стенки изагрязнений [1, таб. XXXI]:
/>;
/>;
Коэффициент теплопередачи:
/>;
/>
Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
/>
/>;/>
запас />
Вариант 2. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ15120-79)
Расчет 2-го варианта теплообменника аналогиченпредыдущему:
Проходное сечение межтрубного пространства(межу перегородками ) Sм=7,0 х10-2, сечения одного хода трубного пространства Sт=7,7х10-2 [2табл.4.12]
а) фракции 230-350о С текущей в межтрубномпространстве:
объемный расход фракции:/>;
скорость и критерий Рейнольдса для фракции:
/>/>
критерий Прандля:/>.
Для вертикального расположения труб примемвыражение (2, форм. 4.31)
/>;
Коэффициент εφ учитывает влияние углаатаки при φ=30о (1. табл.4.5)
/>;
Коэффициент теплоотдачи для фракции:
/>;
б)нефти текущей в трубном пространстве:
объемный расход нефти:/>;
скорость и критерий Рейнольдса для нефти:
/>;/>,
из значения Re также видно, что нефть в трубах течет турбулентно.
критерий Прандля:/>
Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентноготечения нефти:
/>;
где /> примем равному 1 [1, таб. 4.23],и соотношение />=1 для нагревающихся жидкостей [1,стр.152]с дальнейшей поправкой.
/>
Коэффициент теплоотдачи нефти к стенке:
/>;
Рассчитаем термическое сопротивление стенки изагрязнений [1, таб. XXXI]:
/>;
/>;
Коэффициент теплопередачи:
/>;
/>
Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
/>
/>;/>
запас />
Как видно из значений величины запасаповерхности теплообмена I-ый вариант теплообменного аппарата имеет превосходство надII-мвариантом.
5. Гидравлический расчет
Расчет гидравлического сопротивления.Сопоставим два выбранных варианта кожухотрбчатых теплообменников погидравлическому сопротивлению.
Вариант 1. Скорость жидкости в трубах
/>;
Коэффициент трения рассчитываем по формуле :
/>;
/>;
где /> /> — высота выступов шероховатости наповерхности, d — диаметр трубы.
Диаметр штуцеров в распределительной камере /> - трубного пространства,/> -межтрубного пространства [2, с.55].
/>;
Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле(4.3).
/>
В трубном пространстве следующие местныесопротивления: вход в камеру и выход из нее, 5 поворотов на 180 градусов, 6входов в трубы и 6 выходов из них. В соответствии с формулой [2, форм. 2.35]получим:
/>
Рассчитаем гидравлическое сопротивление трубногопространства:
/>
Рассчитаем гидравлическое сопротивлениемежтрубного пространства:
Число рядов труб, омываемых потоком вмежтрубном пространстве, />; примем округляя в большуюсторону 13. Число сегментных перегородок x = 12 [2, таб. 2.7]
Диаметр штуцеров к кожуху /> - межтрубного пространства[2, с.55], скорость потока в штуцерах:
/>/>
Скорость потока в наиболее узком сечении /> [2, таб. 2.3]
/>
В межтрубном пространстве следующие местныесопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11сопротивлений трубного пучка при его обтекании
/>
Рассчитаем гидравлическое сопротивление: />
Вариант 2.
Скорость жидкости в трубах:
/>;
Коэффициент трения рассчитываем по формуле(4.2):
/>;
Диаметр штуцеров в распределительной камере /> - трубногопространства, /> - межтрубного пространства [2,с.55].
Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле(4.3).
/>
В трубном пространстве следующие местныесопротивления: вход в камеру и выход из нее, 3 поворотов на 180 градусов, 4входов в трубы и 4 выходов из них. В соответствии с формулой [2, форм. 2.35]рассчитаем гидравлическое сопротивление:
/>
Число рядов труб, омываемых потоком вмежтрубном пространстве, />; примем округляя в большуюсторону 13. Число сегментных перегородок x = 12 [2, таб. 2.7]
Диаметр штуцеров к кожуху /> - межтрубногопространства [2, с.55], скорость потока в штуцерах:
/>
Скорость потока в наиболее узком сечении /> [2, таб. 2.3]
/>
В межтрубном пространстве следующие местныесопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11сопротивлений трубного пучка при его обтекании.
Рассчитаем гидравлическое сопротивление: />
Таким образом, I-ой вариант имеет меньшиезначения гидравлических сопротивлений, а значит более выгодный чем II-ой вариант.
6. Описание схемы работы установки и аппарата
Теплообменные аппараты типа ТН– теплообменник с неподвижными трубными решетками относится по принципудействия к рекуперативным теплообменникам.
Существенным для теплообменныхаппаратов данного типа является наличие стенки из теплопроводного материала,разделяющей потоки теплоносителей. Эта стенка служит поверхностью теплообмена,через которую теплоносители обмениваются теплом.
Аппарат типа ТН не имееткомпенсации тепловых удлинений. Сырая нефть течет по прямым трубкам трубногопучка завальцованым в две трубные решетки, прилепленные к жесткому кожуху(корпусу) на фланцах вместе с крышками. Нагревающая фракция 230-3500 С течет вмежтрубном пространстве между пучками труб тем самым нагревая их.
На этом основан принцип работы теплообменногоаппарата.
Сама установка АВТ, в которой используетсяданный теплообменник изображена на нижеуказанной схеме.
Принципиальная схема комбинированной установки электрообессоливанияи дистилляции нефти
/>
1-6 — ректификационные колоннысоотв. отбензинивающая, атмосферная, отпарные, вакуумная, стабилизационная ивторичной перегонки бензина; 7-8 — соотв. атмосферная и вакуумная трубчатыепечи; 9 — электродегидратор; 10 — кипятильники; 11 — сепараторы; 12 — конденсаторы; 13 — холодильники; 14 — теплообменники; 15 — насосы; 16 — эжектор; AT, АВТ — соотв. атмосферная и атмосферно-вакуумная трубчатыеустановки; ВтБ — блок вторичной перегонки бензина; ЭЛОУ — блокэлектрообессоливания; I, II — соотв. сырая и отбензиненная нефть; III — мазут;IV — гудрон; V-VIII — бензиновые фракции соотв. легкая (начало кипения 85 °С),головка (кипит при 85 °С), 60-150 °С и 85-150°С; IX — сжиженный газ(пропан-бутановая фракция, С3-С4); Х — керосин (150-230°С); XI — зимнеедизельное топливо (180-320°С); XII — компонент летнего дизельного топлива(240-360°С); XIII-XV — соотв. легкий (270-360°С), средний (325-460°С) и тяжелый(380-510 °С) вакуумный газойли: XVI — компонент легкого газойля; XVII,XVIII — соотв. газ низкого (С1-C4) и высокого (C1-C3) давлений;XIX — деэмульгатор; XX — водяной пар; XXI — конденсат; XXII — вода и минеральные соли.
Нефть подают насосом через блок ЭЛОУ втеплообменники, где нагревают до 200-220С, и направляют в колонну 1 (диаметр до4,5 м, давление 300-400 кПа, 20-25 тарелок), из к-рой отбирают сверху в парах(105-115°С) легкую бензиновую фракцию и углеводородный газ. Из ниж. части этойколонны отбензиненную нефть (230-240 °С) прокачивают через трубчатую печь 7,нагревают в ней до 350-365 °С (доля паровой фазы 45-55%) и подают в основнуюатм. колонну 2 (диаметр до 7 м, давление 120-160 кПа, 40-50 тарелок). Из верх.ее части в парах (115-125 °С) отбирают бензин (VI), в виде боковых дистиллятовчерез отпарные колонны 3 — керосин (X), зимнее дизельное топливо (XI) икомпонент летнего дизельного топлива (XII). Смесь сконденсир. паров бензинов изколонн 1 и 2 после нагревания до 80-100 °С поступает в колонну стабилизации 5(диаметр до 2 м, давление 700-800 кПа, 40 тарелок), где из нее сверху (60-70°С) выделяют легкие углеводороды в газовой фазе (C1 — С3) и в сжиженномсостоянии (С3—С4). Стабильный бензий в колонне 6 (диаметр до 2,8 м, давление300 кПа, 30 тарелок) разделяют на легкий головной погон и бензиновую фракцию(85-150 °С) для каталитич. риформинга.Остаток (мазут) из ниж. части колонны 2 — фракцию с т-рой 315-330 °С, кипящую выше 350 °С, прокачивают через печь 8, гденагревают до 400-410 °С (доля паровой фазы 60-65%), и направляют в вакуумнуюколонну 4 (диаметр до 10 м, давление в верх. части 6-8 кПа, 18-14 тарелок). Вкачестве боковых дистиллятов в ней получают вакуумные газойли — легкий (XIII),средний (XIV) и тяжелый (XV) — исходные продукты в произ-ве масел или сырье длякаталитич. крекинга (смесь потоков XIV и XV). В этом случаелегкий газойльиспользуют как компонент дизельных топлив в смеси с потоком XII. Давление ввакуумной колонне снижают эжектором, откачивающим смесь легких углеводородныхгазов (образуются в кол-ве 0,1-0,2% при нагреве в печи 8 мазута за счетчастичного его разложения) и воздуха, подсасываемого через неплотности системы.Пары легких газойлевых фракций (70-90°С), выходящие в небольшом кол-ве из верх.части колонны в смеси с водяным паром, конденсируются до эжектора в аппарате12. В колонны 2-4 под ниж. тарелки в качестве инертного отпаривающего агентаподают перегретый водяной пар (соотв. 1,5, 1,0 и 0,8% в расчете на сырье). Длясоздания градиентов т-р и концентраций по высоте колонн теплоту отводят наверх. тарелках испаряющимся, «острым» орошением — флегмой (колонны 1,2, 5, 6) либо неиспаряющимся, циркуляционным (колонна 4). Кроме того, в колоннах2 и 4 с помощью циркуляц. орошения теплота отводится на промежут. тарелках.
7. Схема контроляи регулирования
кожухотрубчатый теплообменный аппарат
Любой технологический процессв том числе и процесс обмена тепла между фракцией 230-3500 С и сырой нефть,протекающий в кожухотрубчатом теплообменном аппарате нуждается в контроле ирегулирование.
Для этого непосредственноперед теплообменным аппаратом располагают необходимую арматуру (вентили,задвижки), разные измерительные приборы (мановакууметры, расходомеры,тепломеры).
Данные со всех измерительныхприборов и приводы гидравлических запорных устройств, сводится в один щитуправления или подаются на пульт диспетчеру установки. Откуда можнонепосредственно вести контроль и регулирование различными составляющимиагрегатами установки, в том числе и теплообменным аппаратом.
Выводы
Таким образом, в результатепроделанной работы в рамках курсового проекта, было рассчитано два основныхнаиболее подходящих варианта теплообменника, из которых, по результатамтеплотехнического и гидравлического расчетов, I-ый вариант наиболее предпочтителен.
Заключение
В данном документе были произведеныматериальные, тепловые, экономические и гидравлические расчеты на основаниикоторых были сделаны выводы. Был выбран наиболее оптимальный теплообменныйаппарат. Также во введении были отражены основные законы теплообмена и теченияжидкостей.
Литература
1. Павлов К.Ф., РоманковП.Г., Носков А.А., «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химическойтехнологии». Л.: Химия, 1983.
2. Борисов Г.С., БрыковВ.П., Дытнерский Ю.И. и другие, «Основные процессы и аппараты химическойтехнологии». М.: Химия, 1991
3. «Справочник химика» подред. Никольского т.3, Л.: Химия, 1971
4. Авербух Я.Д., ЗаостровскийФ.П., Матусевич Л.Н., «Процессы и аппараты химической технологии: курс лекций»Ч.2: «Теплообменные и массообменные процессы». Свердловск: изд. УПИ, 1973
5. Локотанов Н.С.«Процессы и аппараты химической технологии: Методические указания к курсовомупроектированию». Свердловск: изд. УПИ, 1985
6. ЛащинскийА.А., Толчинский А.Р., «Основы конструирования и расчета химическойаппаратуры». Л.: Машиностроение, 1970