Проект газоперерабатывающего завода

.

Решая квадратное уравнение находим  конечную температуру холодного потока (нефти).t_K = 30⁰С

Схема теплообмена

T_H =312^oC                T_K =212^oC

t_K =30^oC                 t_H =10,3^oC

=282 К =201,7 К

/ = 1,4K

Так как отношение  / < 2 , вычисляем среднеарифметическую разность температур между теплоносителями

= 0,5*( + ) =(282+201,7)/2 = 241.85 K

Согласно данным справочника [3] принимаем  К=300 кДж/ (м²*ч*К).

Тогда расчетное значение необходимой поверхности теплопередачи расчитываем по формуле:

F_P= Q/ *K= 390087.14 /(241.85 *300)=10,38 м²;

где - средняя разность температур между горячим и холодным потоками в пределах аппарата, К;

Q – тепловая нагрузка аппарата, в качестве которой берется большая из двух величин – Q_X и Q_Г , Вт.

Выбираем теплообменник  для нагрева сырой нефти с  неподвижными трубами и с температурным компенсатором на кожухе, имеющий следующие основные характеристики [3] : 325 ТКГ-2,5-М1/20-3-2, ТУ 26-02-1101-89, диаметр (внутренний) корпуса D= 325мм, поверхность теплообмена F=13 м² . Трубы длиной 3 м, диаметром d=20х2 мм, расположение труб – по вершинам треугольника, число ходов по трубам n = 2, площадь проходного сечения по трубам S₁ = 0.042 м² , площадь проходного сечения в межтрубном пространстве (в вырезе перегородки) S₂ =0.95 м².

Необходимое число N таких теплообменников  найдем из условия

N =>F_P/F =10.38/13=0,8;

Примем N =1, тогда коэффициент запаса b поверхности нагрева будет равен:

B = (N*F – F_P)*100 / F_P = (1*13-10.38)*/100/10.38=22,87 %.

Варианты подачи потоков.

Холодный поток (нефть), как более  загрязненный продукт будем подавать по трубному пространству, а горячий поток (фракцию дизельного топлива)- по межтрубному пространству.

1.Холодный поток.

Если нефть прокачивать одним  потоком (n_Х =1) через теплообменник, скорость холодного потока в трубном пространстве составит:

W_X =V_X / n_X*S₁ =7.96637/1/0.042/3600 = 0.053 м/с;

При подаче холодного потока в теплообменники четырьмя параллельными потоками (n_X =4) скорость в трубном пространстве будет равна:

W_X = 0.013 м/с.

Учитывая значение оптимальных  скоростей, поток нефти целесообразно подавать в трубное пространство по первому варианту, т.е. одним потоками.

2.Горячий поток.

При последовательной перекачке горячего теплоносителя через теплообменник одним потоком (n_Г =1) скорость горячего потока в межтрубном пространстве ( в вырезе поперечной перегородки) будет равна :

W_Г =V_Г / n_Г*S₂ =2.21/1/0,45/3600 = 0.0014 м/с.

Подавать горячий поток через  теплообменник параллельно четырьмя потоками (n_Г =4) не имеет смысла, так как в этом случае скорость потока окажется в 4 раза ниже и будет слишком мала, что может резко снизить коэффициент теплопередачи.

 

Второй этап:

Сырая нефть нагревается обессоленной нефтью:

Т_н = 312⁰С;

Т_к = 212⁰С.

G = 11220т/г=1402.5 кг/ч;

= 1000*(0,8552– 0,0007*(312 – 20)) =

= 635.6кг/м³;

V=G/ = 1402.5/635.6=2.21 м³/ч.

Плотность теплоносителя при 20°°С рассчитываем по средней температуре кипения фракций

Т_ср = (350+230)/2 = 290^ОС;

0,722*(290/100)^0,159 = 0,8552 кг/м³;

где А и n – коэффициенты, которые  для малосернистых равны 0,722 и 0.159, соответственно.

+0,0035 = 0,8587кг/м³;

Сырая нефть (исходная смесь):

массовый расход   g = 6476.74 кг/ч;

плотность    rr = 813.01кг/м³ ;

температура   t = 10,3°°С;

объемный расход  V = G/rr = 7.96637 м³/ч.

g₁₀=0.00077*g_10.3=0.00079;

0,81301+0.00079(10.3-20)=0.8053 кг/м³;

0,8053+5*0.00079=0.8092 кг/м³;

Удельные энтальпии горячего потока (h,кДж/кг) и холодного потока (h, кДж/кг) вычисляем по эмпирической формуле Крега :

Начальная и конечная энтальпия  горячего потока – фр. 230-350°°С

= (1,687*312+0,0017*312²)/0,8587^{1/ 2} =

= 746.538 кДж/кг;

= (1,687*212+0,0017*212²)/0,8587^{1/ 2} =

= 468.401 кДж/кг;

Начальная энтальпия холодного  потока сырой нефти:

= (1,687*10,3+0,0017*10,3²)/0,8092^{1/ 2} =

= 19.517 кДж/кг;

Количество тепла, отданное горячим  потоком, составит:

Q_Г = G*(H_Н – H_К) = 1402.5 *(746.538 – 468.401) = 390087.14 кДж/ч ;

С учетом потерь тепла (приблизительно 5%%) количество тепла, полученного холодным потоком, можно найти из теплового баланса

Q_X =0,95*Q_Г =390087.14 *0,95 = 370582.79 кДж/ч ;

С другой стороны, можем написать: Q_X = g*(h_K-h_H), откуда определяем конечную энтальпию h_K холодного потока (нефти):

h_K = h_H +Q_X/g =19.517+370582.79 /6476.74 = 76.73 кДж/кг.

По известным значениям h_K (кДж/кг) и относительной плотности 0,8053 г/см³ используя формулу Крега , находим конечную температуру нефти:

Формула Крега:

Представляем это уравнение  в виде квадратного:

.

Решая квадратное уравнение находим  конечную температуру холодного потока (нефти).t_K = 30⁰С

Схема теплообмена

T_H =312^oC                T_K =212^oC

t_K =30^oC                 t_H =10,3^oC

=282 К =201,7 К

/ = 1,4K

Так как отношение  / < 2 , вычисляем среднеарифметическую разность температур между теплоносителями

= 0,5*( + ) =(282+201,7)/2 = 241.85 K

Согласно данным справочника [3] принимаем  К=300 кДж/ (м²*ч*К).

Тогда расчетное значение необходимой  поверхности теплопередачи расчитываем по формуле:

F_P= Q/ *K= 390087.14 /(241.85 *300)=5,38 м²;

где - средняя разность температур между горячим и холодным потоками в пределах аппарата, К;

Q – тепловая нагрузка аппарата, в качестве которой берется  большая из двух величин – Q_X и Q_Г , Вт.

Выбираем Блок теплообменников  для нагрева сырой нефти с  неподвижными трубами и с температурным компенсатором на кожухе, имеющий следующие основные характеристики [3] : 325 ТКГ-1,6-М1/20-4-2, блок V1/2 ТУ 26-02-1105-89,АТК 24.202.10-90 диаметр (внутренний) корпуса D= 325мм, поверхность теплообмена F=2,25 м² . Трубы длиной 4 м, диаметром d=20х2 мм, расположение труб – по вершинам треугольника, число ходов по трубам n = 2, площадь проходного сечения по трубам S₁ = 0.042 м² , площадь проходного сечения в межтрубном пространстве (в вырезе перегородки) S₂ =0.95 м².

Необходимое число N таких теплообменников  найдем из условия

N =>F_P/F =5.38/2.25=2.39;

Примем N =3, тогда коэффициент запаса b поверхности нагрева будет равен:

B = (N*F – F_P)*100 / F_P = (3*2.25-5.38)*/100/5.38=25,46 %.

Варианты подачи потоков.

Холодный поток (нефть), как более  загрязненный продукт будем подавать по трубному пространству, а горячий поток (фракцию дизельного топлива)- по межтрубному пространству.

1.Холодный поток.

Если нефть прокачивать одним потоком (n_Х =1) последовательно через три теплообменника, скорость холодного потока в трубном пространстве составит:

W_X =V_X / n_X*S₁ =7.96637/1/0.042/3600 = 0.053 м/с;

При подаче холодного потока в теплообменники четырьмя параллельными потоками (n_X =4) скорость в трубном пространстве будет равна:

W_X = 0.013 м/с.

Учитывая значение оптимальных  скоростей, поток нефти целесообразно подавать в трубное пространство по первому варианту, т.е. одним потоками.

2.Горячий поток.

При последовательной перекачке горячего теплоносителя через теплообменники одним потоком (n_Г =1) скорость горячего потока в межтрубном пространстве ( в вырезе поперечной перегородки) будет равна :

W_Г =V_Г / n_Г*S₂ =2.21/1/0,45/3600 = 0.0014 м/с.

Подавать горячий поток через теплообменники параллельно четырьмя потоками (n_Г =4) не имеет смысла, так как в этом случае скорость потока окажется в 4 раза ниже и будет слишком мала, что может резко снизить коэффициент теплопередачи.

 

Третий этап:

Сырая нефть нагревается водяным паром:

Т_н =260⁰С;

Т_к =160⁰С.

= 1000*(0.8955 –0,00066*(260 – 20)) = 737.1 кг/м  ³.

V=G/ = 13950:737.1 =18.93 м³/ч.

Плотность при 20°°С рассчитываем по средней температуре кипения фракций

0,722*(210/100)^0.159 = 0,812 г/см³.

где А и n – коэффициенты, которые  для малосернистых равны 0,722 и 0,159, соответственно.

Т_СР = (Т_н+Т_к )/2 = (260+160)/2 = 210 ⁰С.

+0,0035 = 0,8155 г/см³.

Сырая нефть (исходная смесь):

массовый расход   g = 6476.74 кг/ч;

плотность

0,8068 г/см³.

r_71..5=1000*(0,6898 –0,0009*(71.5 – 20)) = 643.5 кг/м ³.

температура   t=71.5^oC;

объемный расход  V=g/rr=10.06 м³/ч.

Находим начальную и конечную энтальпию горячего потока – фр.выше 350°°С

=(1,687*260+0,0017*260²)/0,8155^1/2 =612.97кДж/кг;

=(1,687*160+0,0017*160²)/0,8155^{1/ 2}=347.09кДж/кг;

Находим начальную энтальпию холодного  потока сырой нефти:

= (1,687*55+0,0017*55²)/0,6435^{1/ 2} = 161.2 кДж/кг;

Количество тепла, отданное горячим  потоком, составит:

Q_Г = G*(H_Н – H_К) = 1/5*13950*(612.97-347.09)=741805.2 кДж/ч;

С учетом потерь тепла (приблизительно 5%%) количество тепла, полученного холодным потоком, можно найти из теплового баланса

Q_X =0,95*Q_Г = 0,95*741805.2  = 704714.94 кДж/ч;

С другой стороны, можем написать: Q_X = g*(h_K-h_H), откуда определяем конечную энтальпию h_K холодного потока (нефти):

h_K = h_H +Q_X/g = 161.2+(704714.94 /6476.74) = 270 кДж/кг;

По известным значениям h_K (кДж/кг) и относительной плотности используя формулу Крега , находим конечную температуру нефти.

Формула Крега:

Представляем это уравнение  в виде квадратного:

.

Решая квадратное уравнение находим  конечную температуру холодного потока (нефти).t_K =109.4⁰С

 

Схема теплообмена

T_H =260^oC               T_K =160^oC

t_K =109.4^o           C t_H =71.5^oC

=150.6 ^oC =88.5 ^oC

/ = 1,6 ^oC

Так как отношение  / < 2 , вычисляем среднелогарифмическую

разность температур между теплоносителями

= ( + )/2 = (150.6+88.5)/2 = 119.55 ^oC

Согласно данным принимаем К=300.Тогда  расчетное значение необходимой поверхности теплопередачи рассчитываем по формуле:

F_P= Q/ *K=741805.2 /300*119.55 = 20.68 м².

где   - средняя разность температур между горячим и холодным потоками в пределах аппарата, К;

Q – тепловая нагрузка аппарата, в качестве которой берется большая из двух величин – Q_X и Q_Г , Вт.

Выбираем кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой, 325 ТПГ-2.5-М1/20-3-2 ТУ 26-02-1101-89 имеющий следующие основные характеристики: диаметр кожуха D= 325 мм, поверхность теплообмена F=13 м². Трубы длиной 3 м, диаметром d=25х2 мм, расположение труб – по вершинам квадрата, число ходов по трубам n = 6, площадь проходного сечения по трубам S₁ =0,043 м ², площадь проходного сечения в межтрубном пространстве (в вырезе перегородки) S₂ =0,056 м².

Необходимое число N таких теплообменников  найдем из условия

N =>F_P/F =20.68/13=1.59

Примем N =2, тогда коэффициент запаса b поверхности нагрева будет равен:

B = (N*F – F_P)*100 / F_P = (2*13-20.68)*100/20.68=+25.73

Варианты подачи потоков.

Холодный поток (нефть), как более  загрязненный продукт будем подавать по трубному пространству, а горячий поток (фракцию выше 350°°С)- по межтрубному пространству.

1.Холодный поток.

Если нефть прокачивать одним  потоком (n_Х =1) последовательно через оба теплообменника, скорость холодного потока в трубном пространстве составит:

W_X =V_X / n_X*S₁ = 10.06/1*3600*0,043 = 0.065м/с;

При подаче холодного потока в теплообменники четырьмя параллельными потоками (n_X =4) скорость в трубном пространстве будет равна:

W_X = 0.016 м/с.

Учитывая значение оптимальных  скоростей, поток нефти целесообразно подавать в трубное пространство по второму варианту, т.е. четырьмя параллельными потоками.

2.Горячий поток.

При последовательной перекачке горячего теплоносителя через теплообменники одним потоком (n_Г =1) скорость горячего потока в межтрубном пространстве ( в вырезе поперечной перегородки) будет равна :

W_Г =V_Г / n_Г*S₂ = 18.93/3600*0.056*1 = 0.094 м/с.

Подавать горячий поток через  теплообменники параллельно четырьмя потоками (n_Г =4) не имеет смысла, так как в этом случае скорость потока окажется в 4 раза ниже и будет слишком мала, что может резко снизить коэффициент теплопередачи.

2.8.3 Расчет теплообменника для нагрева  свежей воды

 

Свежая вода нагревается бензиновой фракцией, прошедшей, через теплообменник:

Т_н = 96 ⁰С;

Т_к = 60 ⁰С.

Т_СР = (Т_н+Т_к )/2 = (96+60)/2 = 78 ⁰С.

G = 472.5кг/ч.

= 1000*(0,695 – 0,00089*(96 – 20)) = 652.4 кг/м³.

V=G/ =472.5/652.4 = 0.72 м³/ч.

Плотность при 20°°С рассчитываем по средней температуре кипения фракций

0,722*(78/100)^0,159 = 0,695 г/см ³.

где А и n – коэффициенты, которые  для сернистых нефтей равны 0,722 и 0,159, соответственно.

+0,0035 = 0,6985 г/см ³.

Свежая вода:

массовый расход   g =756.31 кг/ч

плотность    1000 кг/м ³.

температура   t_н = 4^oC; t_к =70^oC

объемный расход  V=g/rr= 0.7563 м³/ч.

Находим начальную и конечную энтальпию  горячего потока – фр. авиакеросина:

= (1,687*96+0,0017*96²)/0,6975^{1/ 2} =212.7 кДж/кг;

= (1,687*60+0,0017*60²)/0,6975^{1/ 2} = 128.6 кДж/кг;

Количество тепла, полученное холодным потоком, составит:

Q_Г = G*(H_Н – H_К) = 472.5 *(212.7 – 128.6) = 39737.25Вт/ч;

Количество тепла, отданное горячим потоком, составит:

Q_х.в. = g*c_в*(t_к – t_н) = (472.5 /3600)*4,19*10 ³*(70 – 4) = 36295.88Вт/ч,