ЗАДАНИЕ
для курсового проектирования по
Процессам и аппаратам НГП
Учащемуся 4 курса,
группы по специальности 240404 «Переработка нефти и газа»
Рассчитатьнеобходимую поверхность теплообмена и число стандартных теплообменных аппаратовтипа «труба в трубе» для нагрева нефти дистиллятом дизельного топлива приследующих исходных данных:
дистиллятдизельного топлива G1=16х103 кг/ч, р/>=0,835, n293=1,05х10-6 м2/с,n323=1х10-6 м2/с
начальнаятемпература Т1¢=538К, Т1²=433 К
нефть G2=86х103кг/ч, р/>=0,860, n293=2х10-6 м2/с,n323=1,7х10-6 м2/с
начальнаятемпература Т2¢=393К
Рассмотреть дваварианта расчёта:
наружная ивнутренняя трубы гладкие;
наружнаяповерхность внутренней трубы оребренна.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1Технологический раздел
1.1. Классификация теплообменников, применяемых внефтепереработке
1.2. Назначение теплообменника – «труба в трубе»
1.3. Теоретические основы процесса теплопередачи
1.4. Описание схемы работы теплообменника.Рабочие параметры
1.5. Обслуживание и чистка теплообменника
1.6. Техника безопасности и охрана окружающейсреды
2Расчётный раздел
2.1. Выбор конечной температуры
2.2. Температура нефти на выходе из теплообменникаи его тепловая нагрузка
2.3. Средний температурный напор
2.4. Выбор т/о
2.5. Физические параметры теплоносителей при ихсредних температурах
2.6. Коэффициенты теплоотдачи
2.7. Коэффициент теплопередачи
2.8. Поверхность теплообмена
Список используемой литературы
ВВЕДЕНИЕ
В нефтеперерабатывающей промышленности широкораспространены процессы теплообмена (нагревания и охлаждения) жидкостей и газовбез изменения их агрегатного состояния, а также испарение жидкостей иконденсация паров. Для этого существуют специальные теплообменные аппараты.
1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙРАЗДЕЛ
1.1 Классификация теплообменников,применяемых в нефтепереработке
Эти процессы осуществляют в теплообменниках,конденсаторах, холодильниках. В зависимости от способа передачи тепла различаюттри группы теплообменных аппаратов:
·поверхностные; в которых тепло передается черезповерхность, разделяющую обменивающиеся теплом среды;
·смешения, в которых тепло от одной среды к другойпередается при непосредственном соприкосновении;
·регенеративные, в которых среды нагреваются присоприкосновении с ранее нагретыми твердыми телами, заполняющими аппарат ипериодически нагревающимися другим теплоносителем.
К поверхностным теплообменникам относятсякожухотрубчатые; элементные, змеевиковые, спиральные, типа «труба в трубе» идр. Наиболее распространены кожухотрубчатые теплообменники, которые применяютпри больших расходах маловязких жидкостей или газов. Если жидкости имеютвысокую вязкость и их расход невелик; используют теплообменники типа «труба втрубе». Змеевиковые теплообменники обычно применяют при небольших тепловыхнагрузках… В конденсаторах охлаждаются пары нефтяных дистиллятов, отводимых сверха ректификационной колонны. Конденсаторы по конструкции и принципу работыделятся на трубчатые, погружные и смешения. Наиболее пожароопасны трубчатыеконденсаторы, так как при внезапном прекращении подачи охлаждающей воды наустановку пары бензина могут не сконденсироваться в аппарате. Погружныеконденсаторы широко распространены, однако на вновь строящихся установках их неприменяют, так как они громоздки и коэффициент теплопередачи их невысок. В конденсаторахсмешения пары нефтепродукта конденсируются при непосредственном смешении сохлаждающей водой. Конденсат и вода собираются внизу аппарата и разделяются надва слоя из-за разной плотности.
Холодильники на нефтеперерабатывающих заводахпредназначены для охлаждения жидких дистиллятов и остатков после перегонки нефти.По конструкцийхолодильники малоотличаются от теплообменников и бывают двух видов: трубчатые и погружные.Холодильники трубчатого типа наиболее пожароопасны, так как запас воды в них невелики трубки часто выходят из строя.
Для охлаждения аппаратов на нефтеперерабатывающихзаводах расходуется очень много воды. Чтобы уменьшить ее расход, используютоборотные системы. В настоящее время в нефтепереработке и нефтехимии объемоборотного водоснабжения составляет 85% общего расхода. Оборотные системыдовольно сложны — это водозаборы, насосные станции, очистные сооружения, сетьводопроводов и т.п. Создание и эксплуатация таких комплексов требует большихкапиталовложений. В результате поисков новых систем охлаждения были созданыаппараты воздушного охлаждения (АВО).
1.2 Назначениетеплообменника – «труба в трубе»
Теплообменники типа «труба в трубе» используютсяв основном для нагрева или охлаждения теплоносителя в тех случаях, когдатребуются небольшие поверхности теплообмена (обычно до 50 м2). Онитакже могут использоваться в процессах, сопровождающихся частичным кипением иликонденсацией теплоносителя. Преимущество теплообменника «труба в трубе»заключается в разнообразии компоновок, и, кроме того, они могут быть быстрособраны из стандартных элементов на месте монтажа. При необходимостиповерхность теплообмена может быть увеличена за счет установки дополнительныхсекций. Подходящим выбором конструкции входных и выходных патрубков можнообеспечить эффективную очистку поверхностей теплообмена по обеим сторонам.Можно просто выполнять контроль распределения потоков теплоносителя по каждомуканалу теплообменника, что особенно важно при охлаждении вязких жидкостей,когда в случае необходимости один насос может быть установлен для группытеплообменников. Главными недостатками теплообменников «труба в трубе» являютсябольшой объем и стоимость. на единицу поверхности теплообмена.
Область применения
Простейший вид теплообменника «труба в трубе»представляет собой У-образную трубу, помещенную внутри трубы такой же формы.Теплообменники «труба в трубе» с продольными ребрами были разработаны в концевторой мировой войны. Теплообменники «труба в трубе» используются вместокожухотрубных теплообменников при выполнении хотя бы одного из следующихусловий:
низкий коэффициент теплоотдачи со стороны кожуха:Если отношение коэффициентов теплоотдачи внутри труб к коэффициентам вмежтрубном пространстве больше 2:1, то следует использовать развитыеповерхности. Типичным примером могут служить теплообменники с газом или вязкимижидкостями в межтрубном пространстве и водой, паром или жидкостью с низкойвязкостью в трубах. Чем больше это отношение, тем более эффективным будетприменение развитых поверхностей, поскольку при этом могут быть увеличены числои размер ребер ;
«пересечение» или близкие значения температур погорячей и холодной стороне. Конструкция теплообменников «труба в трубе»позволяет в точности воспроизвести режим противотока, И ситуация, при которойвозникает «пересечение» температур, легко устранима. Поскольку теплообменникитипа «труба в трубе» имеют модульную структуру, они могут быть смонтированыпоследовательно и параллельно с минимумом коммуникационных трубопроводов и наобщем фундаменте;
высокие давления. Для выбранной мощноститеплообменники «труба в трубе» имеют меньший диаметр наружной трубы, чемдиаметр кожуха в кожухотрубных теплообменниках. Наружные трубы обычно не имеютсварных швов, и их диаметр варьирует от 50 до 200 мм, хотя в особых случаях возможныи большие диаметры. Следовательно, при высоком давлении в наружной трубетребуется меньшая толщина стенок из-за малого диаметра;
малые мощности. Теплообменники «труба в трубе»часто используются для небольших мощностей, при которых нет необходимостиприменять оребренные трубы (например, при использовании в качестветеплоносителя воды). В этом случае применяются гладкие трубы или пучки гладкихтруб.
1.3 Теоретическиеосновы процесса теплопередачи
Тепловые процессы или теплообмен — обобщенноеназвание процессов передачи энергии в виде теплоты между телами, имеющимиразличную температуру.
Движущей силойпроцесса теплообмена является разность температур. Причем передача теплотыосуществляется от тела с большей к телу с меньшей температурой.
К тепловым процессам,используемым в промышленности, относятся процессы нагревания, охлаждения,испарения и конденсации.
Вещества и тела, участвующие в процессетеплообмена, называются теплоносителями. Теплоносители с более высокойтемпературой, отдающие теплоту в процессе теплообмена, называются горячимитеплоносителями, вещества с более низкой температурой, воспринимающие теплоту впроцессе теплообмена, называются холодными теплоносителями.
Передача теплоты может осуществляться как принепосредственном соприкосновении теплоносителей, так и через тепло-проводящуюстенку (поверхность теплообмена) и является основным расчетным конструктивнымпараметром теплообменных аппаратов (теплообменников).
Различают стационарные (установившиеся) инестационарные (неустановившиеся) теплообменные процессы.
При стационарных процессах, характерных обычнодля непрерывно действующих теплообменных устройств, температура в каждой точкерабочего объема (тела) не меняется во времени.
При нестационарных процессах, характерных дляпериодически действующего оборудования, температура, напротив, меняется вовремени.
Совокупность значений температур во всех точкахобъема (тела) называется температурным полем. Кроме трехмерного температурногополя, в зависимости от условий проведения процесса и числа используемыхкоординат могут рассматриваться двумерные, и одномерные температурные поля.
Так же, как тепловые процессы, температурное полеможет быть стационарным и нестационарным.
Изотермическая поверхность в температурном поле —поверхность, объединяющая точки с одинаковыми температурами. Из-за отсутствияразности температур теплота вдоль такой поверхности не распространяется.
Теплота в температурном поле, таким образом,может распространяться только между изотермическими поверхностями. При этомстепень интенсивности изменения температуры характеризуется температурнымградиентом, выраженным пределом отношения приращения температуры к расстояниюмежду изотермическими поверхностями, направленным по нормали к этойповерхности.
Механизмы передачи теплоты
Теплота от одного тела к другому передается:теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Теплопроводность (кондукция) — перенос теплотывследствие движения и колебаний микрочастиц, соприкасающихся друг с другом.Теплопроводностью передается теплота в твердых телах и тонких слоях жидкости игаза.
Конвекция — перенос теплоты путем перемещениямакрообъектов жидкости или газов. Перемещение возможно за счет разностиплотностей, обусловленной неодинаковой температурой отдельных участков объемасистемы (естественная, или свободная, конвекция), а также путем принудительногоих перемещения в результате внешних механических воздействий с помощью насосов,компрессоров, воздуходувок и т. п, (вынужденная конвекция).
Тепловое излучение (лучеиспускание) — переностеплоты в виде электромагнитных волн, излучаемых нагретым телом.
Указанные механизмы распространения теплоты редковстречаются в чистом виде. Обычно они сопутствуют друг другу — происходит такназываемый сложный теплообмен.
Конвекция — процесс распространения теплоты вжидкости или газе от поверхности твердого тела или наоборот. Процесс передачитеплоты одновременно конвекцией и теплопроводностью называют теплоотдачей.
При теплоотдаче теплота передается от стенкичерез тонкий пограничный слой теплопроводностью, а затем в поток (ядро)жидкости конвекцией.
Основным законом теплоотдачи является законНьютона, согласно которому количество теплоты dQK0HB, переданноеконвекцией от поверхности к окружающей среде (или наоборот), пропорциональноповерхности теплообмена dF, разности температур поверхности tст иокружающей среды tf и времени dx проведения процесса: dQKOHB= a(tCT-tf)dFdт.
Коэффициент пропорциональности называетсякоэффициентом теплоотдачи и показывает, какое количество теплоты передается оттеплообменной поверхности 1 м2 в окружающую среду или наоборот втечении 1 с при разности температур теплообменной поверхности и окружающейсреды 1 К.
Коэффициент теплоотдачи не является постояннойвеличиной для рассматриваемой среды и зависит в первую очередь от гидродинамическихусловий течения жидкости вдоль теплопередающей поверхности, а также плотности,вязкости, удельной теплоемкости и других параметров. Теплопередача — процесспередачи теплоты от более нагретой среды к менее нагретой среде через стенку.
Коэффициент теплопередачи показывает, какое количествотеплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретомутеплоносителю через разделяющую их стенку с площадью поверхностью 1 м2при разности температур между теплоносителями один градус.
В случае рассмотрения процессапередачи теплоты через стенку цилиндрической формы механизм теплопередачиостается прежним, а количество теплоты, передаваемой на каждой стадии.
1.4 Описание схемы работы теплообменника. Рабочиепараметры
В разборных конструкциях теплообменников типа«труба в трубе» внутренние трубы при повышении температуры могут удлинятьсянезависимо от наружных. Конструкция аппаратов позволяет осуществлять регулярнуюмеханическую очистку внутренней поверхности теплообменных труб от загрязнений,а также при необходимости вынимать трубы для их замены или механической очисткинаружной поверхности.
В многопоточных теплообменных аппаратахраспределительная камера служит для распределения потока по теплообменнымтрубам. Между решетками теплообменных и кожуховых труб расположенараспределительная камера для среды, протекающей по кольцевому пространству вкожуховых трубах. Многопоточные теплообменники имеют два хода по внутреннимтрубам и два по наружным.
В аппарате этого типа легче обеспечить большие, чемв кожухотрубчатых теплообменниках, скорости движения потоков, что позволяетиметь и более высокие коэффициенты теплопередачи и большие значениятеплонапряженности поверхности нагрева. Кроме того, в аппаратах типа «труба втрубе» легче осуществить противоток между теплообменивающимися средами, чтотакже способствует более высокой эффективности теплообмена.
Поверхность теплообменных аппаратоврассматриваемого типа в меньшей степени подвержена загрязнению продуктамикоррозии и механическими примесями, содержавшимися в теплообменивающихсясредах. Во многих случаях аппараты типа «труба втрубе» работают с более высокими тепловыми показателями, чемкожухотрубчатые теплообменники.
В теплообменных аппаратах разборной конструкциивнутренние трубы в ряде случаев с наружнойповерхности выполняются с оребрением, позволяющим в 4 —5 раз увеличить ихповерхность теплообмена. Оребрение внутренних труб используют, как правило, втех случаях, когда со стороны одной из теплообменивающихся сред труднообеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (движется газ. вязкая жидкость,поток имеет ламинарный характер и т.п.). В этом случае оребренпе поверхности состо- роны такой теплообменивающейся среды позволяет значительно увеличитьколичество переданного тепла.
Варианты оребрения трубы: ребра можно изготовитьв виде штампованных корыт, приваренных контактной сваркой или из полос, которыевставляют в канавки, а затем закрепляют обжатием кромок (завальцовка реберроликами). Ребра могут быть получены накаткой иливыдавливанием из металла трубы. Применяют также ребристые трубы сприварными штамп.
Для повышения эффективности теплообмена в трубномпространстве используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающимии турбулизирующими движение потока в трубе. Это различного рода турбулизирующиевставки, вял ленточные, завихрители, установленные по всей длине трубы,обеспечивают закрутку потока, что является одним из эффективных способовинтенсификации теплообмена в трубах. Широкое распространение из-за простотыизготовления получили ленточные завbхрители. Наиболее эффективная закруткапотока при этом реализуется, если лента вставлена в трубу практически беззазора. Дополнительный эффект в этом случае заключается в том. что винтоваявставка увеличивает поверхность теплообмена и воспринятое ею тепло посредствомтеплопроводности передается в стенку трубы.
Отечественные машиностроительные заводы освоилипроизводство диафрагмированных труб, которые изготавливаются путем нанесения нагладкие трубы поперечных вертикальных (см. ХХП-14 a) или наклонных спиральных(см. ХХП-14. а) канавок. Вместо наклонных канавок можно устанавливать внутритруб турбулизаторы, представляющие собой спиральную проволоку. Приведентурбулизатор, применяемый при движении внутри трубы вяких продуктов или тогда,когда при необходимости требуется обеспечить на большой длине небольшоегидравлическое сопротивление.
Недостатками теплообменных аппаратов типа «трубав трубе» по сравнению с кожухотрубчатыми аппаратами являются большие габариты,а также более высокий расход металла на единицу поверхности нагрева.
Теплообменные аппараты типа «труба в трубе»жесткой конструкции, так же как и кожухотрубчатые с неподвижными решетками,используются при сравнительно небольшой разности температур теплообменивающихся сред и при теплообмене незагрязненных жидкостей (частая очисткакольцевого пространства не требуется).
В теплообменных аппаратах типа «труба в трубе»разборной конструкции сравнительно легко очищаются внутренняя и наружнаяповерхности труб; эти аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи иявляются надежными в эксплуатации.
Коэффициент теплоотдачи.
Важнейшей и наиболее трудоемкой частьютехнологического расчета поверхности теплообменного аппарата являетсявычисление коэффициентов теплоотдачи. Методы определения этих величин изучаютсяв специальном курсе теплопередачи, здесь же приводится ряд формул, которыми ирекомендуется пользоваться при расчете теплообменных аппаратов. Коэффициенттеплоотдачи от движущегося жидкого или газообразного потока зависит от режима движения:при ламинарном (струйном) потоке коэффициенты теплоотдачи обычно малы, а притурбулентном потоке более высоки и возрастают с увеличением степенитурбулентности. Режим потока устанавливается в зависимости от значениябезразмерного критерия Рейнольдса.
Поверхность теплообмена.
При известных количествах переданного тепла,средней разности температур между теплообменивающими средами и коэффициентетеплопередачи поверхность теплообмена определяется делением тепла напроизведение средней разности температур и коэффициента теплопередачи.
Это справедливо для плоской стенки, а также длятруб, если толщина стенки мала по сравнению с диаметром. Этим же уравнениемследует пользоваться и для труб с относительно большой толщиной стенки, но вэтом случае поверхность теплообмена должна вычисляться по среднему диаметру.
Если коэффициент теплопроводности стенки трубыдостаточно высок (стенка металлическая), а коэффициенты теплоотдачи а
Наконец, если один из коэффициентов теплоотдачизначительно превосходит другой, то средний диаметр практически равенвнутреннему или наружному диаметру трубы.
Средний температурный напор.
В большинстве производственных процессов теплопередается при переменных температурах одного или обоих теплообменивающихсяпотоков. Очевидно, в этом случае разность температур, или температурный напор,пропорционально которому передается тепло, также будет величиной переменной,меняющейся вдоль поверхности нагрева. В связи с этим возникает необходимостьопределения средней разности температур (среднего температурного напора) междутеплообменивающимися средами. Это среднее значение температурного напора,естественно, зависит от характера изменения температур потоков вдольповерхности теплообменного аппарата, который может быть различным К наиболеехарактерным случаям относятся: прямоток, противоток, перекрестный ток исмешанный ток.
Сопоставление температурных режимов работытеплообменных аппаратов при прямотоке и противотоке позволяет отметить, что припрямотоке максимальный температурный напор наблюдается у входа в теплообменныйаппарат затем этот напор уменьшается, достигая своего минимального значения увыхода из аппарата. В противоположность этому при противотоке температурныйнапор более равномерно распределяется вдоль поверхности. Вследствие такогораспределения температурного напора при прямотоке поверхность теплообмена втепловом отношении загружена неравномерно при противотоке тепловая нагрузкаявляется более равномерной.
Еще одно важное достоинство противотока: конечнаятемпература нагревающейся среды может быть выше конечной температурыохлаждающейся среды. Это обстоятельство позволяет при регенерации теплаобеспечить более высокий подогрев нагреваемой среды а при охлаждении снизить расходохлаждающего агента и при том же его расходе понизить конечную температуруохлаждаемого продукта.
Таким образом, обеспечение противотока втеплообменном аппарате является желательным, однако часто с целью упрощенияконструкции аппарата и по некоторым другим причинам приходится применять идругие схемы теплообмена.
1.5 Обслуживание ичистка теплообменника
Эксплуатация
Наиболее часто отложения зависят от температуры ипри фиксированной мощности теплообменник с развитой поверхностью имеет меньшуютемпературу металла, чем в случае применения гладких труб. Тем самым снижаетсяскорость образования отложений. Продольный поток также не имеет застойных зон,в которых могут накапливаться отложения. Наконец, когда на поверхностинакапливаются отложения (уменьшаются коэффициенты теплоотдачи), увеличиваетсяэффективность оребрения и тем самым частично компенсируются потери втеплоотдаче.
Теплообменники «труба в трубе» имеют небольшуюмассу и легко устанавливаются при использовании минимального количествамонтажного оборудования. Они не требуют больших фундаментов и часто могут бытьприсоединены к существующим устройствам. Стандартные опоры имеют болтовыеотверстия со всех четырех сторон. Это означает, что многосекционные аппаратылегко могут быть смонтированы вместе. Трубы кожухов, соединенныепоследовательно, нуждаются только в прокладках, а для соединения внутреннихтруб можно использовать простые поворотные переходники. Простота конструкции,использование болтовых соединений, легкость оребренных труб и минимальное числоузлов обеспечивают минимум стоимости. Отдельные элементы могут быть легко ибыстро заменены, особенно если имеется в наличии запасной элемент такого жетипа. Это позволяет производить очистку загрязненного элемента, не останавливаявсего технологического процесса.
Ремонт и очистку теплообменной аппаратуры отнакипи и загрязнений проводят в сроки, предусмотренные инструкциями. Передначалом работ полностью освобождают теплообменную аппаратуру от нефтепродуктов,открывают крышку, промывают трубное и межтрубное пространство водой, продуваютпаром 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 теплообменнойаппаратуры является нарушение работы системы оборотного водоснабжения, в томчисле повышение надёжности и экономичности процессов конденсации и охлаждениядистиллятов в нефтеперерабатывающей промышленности стали широко применятьтеплообменные аппараты воздушного охлаждения.
Следует, однако, отметить, что аппаратывоздушного охлаждения обладают специфической опасностью, обусловленной наличиеммощного вентиляционного агрегата. Уже отмечен случай, когда отрыв лопастивызвал повреждение теплообменной системы, выхода горючих жидкостей и газовнаружу, возникновение крупного пожара на блоке теплообменной аппаратуры.
1.6 Техникабезопасности и охрана окружающей среды
Теплообменные аппараты, как и многие другиетехнологические аппараты нефтепереработки, создают пожарную опасность двойкерода:
·во-первых, они сами, могут послужить местомвозникновения развития пожара;
·во-вторых они существенно влияют на пожарную опасностьсвязанных с ними технологических аппаратов и установок в целом.
Пожары и загорания на теплообменных аппаратахвозникают главным образом в результате образования неплотностей и поврежденийпри чрезмерном повышении давления, температурных деформациях и коррозии.
Повышенное давление в теплообменном аппаратеможет образовываться при отсутствии контроля и регулирования подачинагреваемого продукта, образовании пробок в трубках или в линии затеплообменником из-за отложений, неправильной регулировке подачи теплоносителя.
Опасность потери герметичности особенно великапри пусках остановках теплообменных аппаратов. Ори этом наиболее вероятны двепричины повреждения аппарата: в результате теплового расширения несжимаемойжидкости элементов и неравномерных температурных деформаций аппарата. Втеплообменном аппарате (например, в кожухотрубчатом теплообменнике),предназначенном для подогрева жидких продуктов, опасен горячий (т. е. сподогревом) пуск при случайно оставленных, закрытыми задвижках на концахтеплообменных труб, заполненных жидким продуктом. Находящаяся внутриотключенных труб жидкость при нагревании значительно увеличивается в объеме.
Неравномерные температурные деформации втеплообменном аппарате возникают в результате разности температур нагреваконструктивных элементов, жёстко связанных между собой. Для предотвращенияопасных температурных деформаций ограничивают длину теплообменников, а припревышении безопасной длины в конструкции теплообменников предусматриваюттемпературные компенсаторы (плавающая головка, сальниковое устройство,изогнутые трубки, линза).
В случае прохода через теплообменникивысоковязких жидкостей с высокой температурой нагрева (например гудроновыетеплообменники типа «труба в трубе») наружные поверхности теплообменныхаппаратов, нагретые выше температуры самовоспламенения нефти и нефтепродуктов,могут послужить источниками зажигания при утечке жидкостей, паров и газов ватмосферу. Тепловая изоляция не устраняет эту опасность, если фланцевыесоединения или другие фасонные детали теплообменников оставленынеизолированными.
Компактное расположение большого количестватеплообменных 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 выполняютиз негорючих и огнестойких материалов. Если теплообменники размещают наметаллических конструкциях, то их защищают термоизоляцией или обкладывают уоснования бетоном. Теплообменники ограждают у основания сплошной негорючейстеной высотой не менее 0,3 м, или кольцевым кюветом на расстоянии 0,5 м отвыступающих частей аппаратуры.
Поверх теплоизоляции теплообменника рекомендуетсянадевать кожух из листвой стали, окрашенной в светлый цвет.
Периодически кожухи очищают от загрязнений, а приизносе отдельных листов – заменяют новыми на работающем аппарате.
На пожарнуюопасность других технологических аппаратов и установок в целом теплообменныеаппараты влияют прежде всего при ухудшении условий теплообмена. В результатеуменьшения теплоотвода и степени конденсациив технологических аппаратах и трубопроводах, связанных с теплообменниками,конденсаторами и холодильниками, значительно возрастает давление, что означаетпожароопасное нарушение технологического режима.
Нормальной работы установки необходимо выполнятьвсе требования Федерального Закона «Об основах охраны труд в РФ» и ФедеральногоЗакона «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
Основные правила безопасности ведениятехнологического процесса. Безопасная работа зависит от квалификации ивнимательности работающего персонала, а также от строгого соблюденияпроизводственных инструкций и требований настоящего регламента.
К работе допускаются только те лица, которыепрошли необходимую подготовку, сдали экзамены на допуск к рабочему месту ипрошли инструктаж по охране труда и промышленной безопасности, стажировку неменее 10 смен.
Все действующие инструкции и положения по охранетруда и промышленной безопасности должны быть в наличии, знание и их соблюдениеперсоналом должны постоянно контролироваться.
Работать разрешается только на исправномоборудовании, на исправных коммуникациях, арматуре и приборах КИП.
Систематически следить за исправностью ивключением в работу приборов контроля и автоматики, систем сигнализации иавтоматических блокировок. Постоянно следить за исправностью и работойсигнализаторов взрывоопасных концентраций. Не допускать загазованноститерритории и помещений.
Следить за работой насосов, своевременноустранять пропуски торцовых уплотнений и фланцевых соединений. Систематическиконтролировать работу предохранительных клапанов, Отбор проб осуществлять черезспециальные вентили с помощью герметизированных пробоотборников.
Оператор ТУ 5 разряда обязан.
Перед началом смены производить осмотробслуживаемого блока, проверять:
— чистоту и порядок на рабочем мест, впроизводственных вентиляционных и складских помещениях;
— исправность оборудования, коммуникаций,аппаратов, приборов КИША;
— средства пожаротушения и газозащиты;
— наличие и исправность ограждений,предохранительных клапанов, блокировочных и сигнализирующих устройств, средствиндивидуальной и групповой защиты;
— состояние проходов, переходов, площадок,лестничных устройств,
Докладывать в течении смены оператору ТУ 6разряда: о выявленных неисправностях оборудования, приборов, электрическихсетей и устройств, арматуры, коммуникаций и ограждений, а также о возникновенииотклонений в режиме технологического процесса;
Обо всех случаях обнаружения неработоспособностипредохранительных, блокировочных, сигнализирующих и других защитных ипротивоаварийных устройств, средств пожаротушения и индивидуальной защиты;Точно и своевременно выполнять распоряжения оператора ТУ 6 разряда иначальника.
— Прием и сдачу смены производить в строгомсоответствии с инструкцией, во время смены заполнять режимный журнал;
— Предупреждать и устранять отклонения процессаот заданного режима;
— Контролировать соблюдение технологическогорежима, качество сырья и вырабатываемых продуктов по показаниямконтрольно-измерительных приборов и результатам анализов;
— Вести контроль над учетом расхода сырья, материалов,топливно-энергетических ресурсов, вырабатываемых продуктов;
— Контролировать полноту отбираемых анализов втечение смены, согласно графике аналитического контроля;
При переработкенефти в атмосферу могут выделиться вредные вещества — углеводороды,сероводород, оксид углерода и азота, аммиак. Основными источниками загрязненияявляются резервуарные парки нефти нефтепродуктов, сливо-наливные эстакады, узлыоборотного водоснабжения и очистительные сооружения, факельные свечи дляоткрытого сжигания газа, предохранительные клапана, системы вытяжнойвентиляции. Свыше 40% от всего выброса приходится на долю резервуарных парков.Резкого снижения углеводородов можно добиться, применяю для хранения нефти исветлых нефтепродуктов резервуары с понтонами или с плавающей крышей. Этомероприятие позволяет понизить потерю углеводородов на 85-90%. Предотвращениюпотере углеводородов способствует также соединение резервуаров между собойгазоуравнительными линиями. В этом случае пары вытисняемый из резервуара, вкоторый закачивается продукт, вытесняются по уравнительной линии в соседнийрезервуар.
2 РАСЧЁТНЫЙ РАЗДЕЛ
2.1 Выбор конечнойтемпературы
На основании практических данных примем конечнуютемпературу дистиллята дизельного топлива = 433 К. Во всех последующихрасчетах, за исключением специально оговоренных случаев, в обозначениях величиннижний индекс «1» относится к горячему теплоносителю (дистиллят – дизельноетопливо), а нижний индекс «2» — к холодному теплоносителю (нефти).
2.2 Температура нефти на выходе их теплообменника и его тепловаянагрузка
Запишем уравнение теплового баланса аппарата вследующем виде:
G1 · /> -q/>) · η = G2 ·(q/> - q/>)/>
где q/>, q/> - энтальпия дистиллятадизельного топлива при начальной (/>) иконечной (/>) температурах, кДж/кг;
q/>, q/>– энтальпия нефти при начальной (/>) и конечной (/>) температурах,кДж/кг;
η — коэффициент использования тепла, равный0,93-0,97.
Из этого уравнения определим энтальпию q/>нефти и затемее конечную температуру />;
G1, G2 — расходы дизельноготоплива и нефти соответственно.
Для дальнейших расчетов необходимо относительныеплотности теплоносителей пересчитать с р/>на р/>для нефти и для дистиллятадизельного топлива.
Энтальпии теплоносителей определим по (Приложению 2):
q/>= 618 кДж/кг.
q/>= 342 кДж/кг.
q/>= 244 кДж/кг.
Подставляя найденные величины в уравнениетеплового баланса, найдем q/>[кДж/кг]
q/>= G1· (q/> — q/>) · η = G2·( q/>-244)
q/>= /> +244 = 292 кДж/кг.
Принимаем />=413 K при найденной энтальпии.
Определим тепловую нагрузку т/o (кДж/ч) и (кВт):
Q1 = G1 · (q/> — q/>) η
Q1 = 16000 · (618 – 342) · 0,95 =4195000 кДж/ч
Q1 = 4195000/3,6 = 1165000 кВт
2.3 Среднийтемпературный напор
Средний температурный напор ∆Тср в т/оопределяем по формуле Грасгофа, имея ввиду, что в аппарате осуществляетсяпротивоток теплоносителей по схеме:
Дистиллят ДТ
(538 К) />®/> (433 К)
Нефть
(413 К) />¬/> (393К)
∆Тmax =125 ∆Tmin = 40
∆Tcp =∆Тmax — ∆Tmin
/>
∆Tcp = />K
2.4 Выбор т/o
Для того чтобы выбрать один из т/о аппаратов типа«труба в трубе», следует ориентировочно определить необходимую поверхность т/о.
Примем на основании практических данныхкоэффициент теплопередачи в т/о к = 290 Вт/(м2 · К). Тогдапредполагаемая поверхность т/о определяется по формуле:
F = />
F = />м2
Выбираем т/o «труба в трубе» ТТР7-2 споверхностью т/o по наружному диаметру внутренней трубы (без ребер).
Технологическая характеристика т/оТТР7-2:
диаметр внутренних труб 48 х 4 мм.
диаметр наружных труб 89 х 5 мм.
допустимая максимальная температура в трубномпространстве – не более 723 К.
допустимая максимальная температура в межтрубномпространстве – не более 473 К.
Учитывая допускаемые температуры потоков,направим по внутренним трубам дистиллят дизельное топливо, а по межтрубномупространству – нефть.
2.5 Физические параметры теплоносителей при их среднихтемпературах
Дистиллят дизельного топлива:
Т ср.1 = />
где Т –начальная и конечная температурыдистиллята дизельного топлива.
Т ср.1 = 538 + 433 = 486 К.
Коэффициент теплопроводности:
λср.1 = /> · (1,0 – 0,00047 · Т ср.1)
λср.1 = /> · (1,0 – 0,00047 · 486) =0,123 Вт/м·к.
Теплоемкость:
Cср.1 = · (0,762 + 0,0034 · Т ср.1)
/>
Cср.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 дистиллятадизельного топлива:
lg /> =nlg />
где n1, n2– кинематическая вязкость дистиллята дизельного топлива при Т1= 293и Т2= 323 К соответственно.
V1 = V293 = 1,05 · 10-6м2/c
V2 = V323 = 1 · 10-6м2/c
T1= 293 K
T2 = 323 K
n = />
n = />
Тогда кинематическая вязкость для дистиллятадизельного топлива при
Т ср.1 определяется из уравнения:
Vтср.1 = 1,05 · 10-6=1,05 · 10-6= 0,92 · 10-6 м2/с
antilog(0,05 lg 486 – 273) antilog 0,05 lg10,6 293 — 273
Нефть:
Средняя температура:
Т ср.2 = />+ />
2
Т ср.2 = 393 + 413 = 403 K.
2
Расчеты физических параметров для нефти:
λср.2 = /> · (1,0 – 0,00047 · Т ср.2).
λср.2 = /> · (1,0 – 0,00047 · 403) =0,156 · 0,812 = 0,127 Вт/м·к.
Определяем теплоемкость:
1
Cср.2 = (0,762 + 0,0034 · Т ср.2).
/>
Cср.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 = />
2.6 Коэффициенттеплоотдачи от дизельного топлива
2.6.1 Коэффициент теплоотдачиα1 от дистллята дизельного топлива к внутренней поверхностималой трубы
Скорость потока дизельного топлива (в м/c):
W1 = />
где f1 – площадь поперечного сечениявсех труб в одном ходу аппарата.
W1 = /> =0,605 м/c
ft = />·N1
где dв – внутренний диаметр внутреннейтрубы;
N1 – число труб в одном ходу.
ft = 0,785 · 0,042 · 7 =0,0088 м2
Определяем критерий Рейнольдса:
Recp.1 = />
Recp.1 = /> =26304
Для турбулентного режима:
α1 = 0,021 · /> · Re/> · Pr/> · />
Определяем критерий Прандтля:
Prcp.1 = />
Prcp.1 = />= 16
Предварительный расчет показывает, что отношение />≈ 1.
Определяем α1. (Вт/м2·К):
/> 920 Вт/м2·K
2.6.2 Коэффициенттеплоотдачи α2 от гладкой наружной поверхности малой трубы кнефти
Нефть движется в межтрубном пространствекольцевого сечения, площадью в (м2) которого для одного ходаопределяется:
/>
/>м2
где /> -внутренний диаметр наружной трубы;
/> -внутренний диаметр наружной трубы.
Скорость потока нефти:
/> (м/c)
/> м/с
Эквивалентный диаметр кольцевого сечения:
/> — />
Критерий Рейнольдса:
Recp.2 = />
Recp.2 = /> =26373,6
Определяем критерий Прандтля:
Prcp.2 = />
Prcp.2 = /> = 28,53
Принимаем по изложенным выше соображениямзначение сомножителя:
/>≈ 1, найдем α2 (Вт/м2· К):
α2 = 0,021 · /> · Re/> · Pr/> · />
/> 992,7 Вт/м2·K
2.6.3 Коэффициент /> от оребренной наружнойповерхности малой трубы к нефти
Расчет /> в (Вт/м2· К) ведем по формуле:
/>= />
где
h – высота ребер
β – характеристика эффективности прямыхпродольных 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
2.7 Коэффициенттеплопередачи
2.7.1 При отсутствииоребрения и чистых поверхностей труб
/>
где dст – толщина стенки (dст=0,004м);
lст – теплопроводность стенки (lст=46,5Вт/(м*К)).
K = /> =476,19 Вт/м2·K
2.7.2 При отсутствииоребрения и загрязненных поверхностей трубы
/>
/> = /> =263,16Вт/м2·K
где/>
/> м2·K/Bт;
/> м2·K/Bт.
2.7.3 При оребрениинаружной поверхности внутренней трубы и отсутствии загрязнения
Коэффициент теплопередачи, отнесенный к гладкойповерхности, определяется по формуле:
/>
где F1 – поверхность теплообмена (понаружному диаметру внутренней трубы, без рёбер);
F2 – поверхность теплообменаребристой поверхности.
/> Вт/м2·K
/>В принятом для расчета т/оповерхность 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
2.7.4 При оребрениинаружной поверхности внутренней трубы и наличии загрязнений, принимая те же,что и в пункте «в», значения тепловых сопротивлений, находим: /> Вт/м2·K
/>= />м2
2.8 Поверхностьтеплообмена
В соответствии с заданием, рассчитываемповерхность т/о для двух случаев.
2.8.1 При отсутствииоребрения и загрязненных поверхностях:
/>
/> м2
Необходимое число сдвоенных секций т/o:
/>
/>
С запасом принимаем:
/> = 1
2.8.2 При оребрении труб и загрязненных поверхностях
/>
/>м2
Необходимое число сдвоенных секций:
/> = />1,35
С запасом принимаем:
/>= 2
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПРОЕКТА
1 Конечнаятемпература дистиллята дизельного топлива 433К
2 Температуранефти на выходе из теплообменника 413 К и его тепловая нагрузка 1165х103кВт
3 Среднийтемпературный напор 75 К
4 Поверхностьтеплообмена 53 м2
5 Физическиепараметры при средних температурах 486 К-дистиллят дизельного топлива и403К-нефть
Коэффициенттеплопроводности 0,123 и 0,126 Вт/(м*К)
Теплоёмкость2,64 и 2,30 кДж/(кг*К)
Относительнаяплотность 834,9 и 859,9
Кинематическаявязкость 0,92*10-6 и 1,82*10-6 м2/с
6 Коэффициенттеплоотдачи от дистиллята дизельного топлива к внутренней поверхности малойтрубы 920,09 Вт/м2*К
Коэффициенттеплоотдачи от гладкой наружной поверхности малой трубы к нефти 992,7 Вт/м2*К
Коэффициенттеплоотдачи от оребрённой наружной поверхности малой трубы к нефти 1821,8 Вт/м2*К
7 Коэффициенттеплопередачи:
-при отсутствииоребрения и читсых поверхностях 476,19 Вт/м2*К
-при отсутствииоребрения и загрязнённых поверхностях труб 263,16 Вт/м2*К
-при оребрениинаружной поверхности внутренней трубы и отсутствии загрязнения 769,2 Вт/м2*К
-при оребрениинаружной поверхности внутренней трубы и наличии загрязнений 417,8 Вт/м2*К
8 Поверхностьтеплообмена
-при отсутствииоребрения и загрязнённых поверхностях 20,2 м2
Необходимоечисло сдвоенных секций т/о 1
-при оребрениитруб и загрязнённых поверхностях 40,6 м2
Необходимоечисло сдвоенных секций 2
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1Молоканов Ю.К., Скобло А.И., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппаратынефтегазопереработки и нефтехимии
2Молоканов А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа.
3 КузнецовА.А. Нефтеперерабатывающая промышленность.
4 ВихманА.Г. Процессы и аппараты
5Баранов Д.А. и Кутепов А.М. Процессы и аппараты.