Расчет теплообменника «гсс-гпс»
Сырьевые теплообменники предназначены для нагрева газосырьевой смеси продуктами реакции, выходящими из реактора.
Исходные данные для расчета:
- Расход ГСС – 213500 кг/ч,
в том числе: сырье – 199005 кг/ч
ЦВСГ – 13499 кг/ч
СВСГ – 996 кг/ч
- Расход ГПС – 213500 кг/ч
в том числе: дизельное топливо – 192179 кг/ч
бензин-отгон – 5016 кг/ч
УВГ – 756 кг/ч
сероводород – 2050кг/ч
ЦВСГ – 13499 кг/ч
- Температура ГСС на входе в теплообменник - 50°С
- Температура ГПС на входе в теплообменник - 375°С
- Темпераутура ГПС на выходе из теплообменника - 180°С
Схема теплообмена
380С
180С
tx
С
Температуру нагрева ГСС определяем из теплового баланса теплообменника:
Qпр=Qрасх.
Рассчитываем с помощью ПВЭМ мольную долю отгона для ГПС при 6,8 МПа и 150°С. Принимаем, что сырье при 50°С находится полностью в жидкой фазе. Результаты расчета приведены в табл.5.21. Материальный баланс ГПС на выходе из теплообменника дан в табл.5.27. Принимаем, что при 375°С ГПС находится в паровой фазе.
Количество принятого и переданного в теплообменнике тепла найдем по формулам:
Энтальпия жидкого нефтепродукта вычисляем по формуле:
,
где
-количество
принятого тепла, кДж/кг;
- расход дизельного
топлива при 375°С
=192179кг/ч
- энтальпия
дизельного топлива при 375°С
=1133 кДж/кг
- расход дизельного
топлива при 150°С
=3104
кг/ч
=448
кДж/кг
- расход дизельного
топлива в жидкой фазе, кг/ч;
=189075 кг/ч
- энтальпия
дизельного топлива в жидкой фазе, кДж/кг;
=318,3 кДж/кг;
- расход бензин-отгона
в парах при 375°С
=5016 кг/ч
- энтальпия
бензин-отгона в парах при 375°С
=1208 кДж/кг
- расход бензин-отгона
в парах при 180°С;
- энтальпия
бензин-отгона в парах при 180°С;
=537 кДж/кг;
- расход бензин-отгона
в жидкой фазе при 180°С;
=115 кг/ч;
- энтальпия
бензин-отгона в жидкой фазе, кДж/кг;
= 335,2 кДж/кг;
- расход сероводорода
топлива при 375°С;
=
2050 кг/ч;
- энтальпия
сероводорода при 375°С
= 406 кДж/кг
- энтальпия
сероводорода топлива при 180°С;
= 152 кДж/кг;
- расход ЦВСГ
топлива при 375°С;
= 13499 кг/ч;
- энтальпия ЦВСГ
при 375°С
= 5062 кДж/кг
- энтальпия ЦВСГ
при 150°С;
= 2024 кДж/кг;
- расход УВГ топлива
при 375°С;
= 756 кг/ч;
- энтальпия УВГ
при 375°С
= 2170 кДж/кг
- энтальпия УВГ при 180°С;
= 1042 кДж/кг;
- расход сырья при
температуре tx,
кг/ч;
- энтальпия сырья
при температуре tx,
кДж/кг;
- расход сырья в
жидкой фазе при температуре tx,
кг/ч;
- энтальпия сырья
в жидкой фазе при температуре tx,
кДж/ч;
- расход сырья в
жидкой фазе при 50°С, кг/ч;
= 199005 кг/ч;
- энтальпия сырья
в жидкой фазе при 50°С, кДж/кг;
= 96,8 кДж/кг;
- энтальпия ЦВСГ
при температуре tx
- энтальпия ЦВСГ
при 50°С;
= 484,8 кДж/кг
- расход СВСГ, кг/ч;
= 996 кг/ч;
- энтальпия СВСГ
при температуре tx
- энтальпия СВСГ
при 50°С;
= 273,6 кДж/кг
- КПД теплообменника;
=0,95
Таблица 2.23
Определение состава паровой и жидкой фаз газопродуктовой смеси на выходе из теплообменника ГСС-ГПС при 180°С и 6,8 МПа
Наименование |
Расход, кг/ч |
Мi, кмоль/кг |
Ni, кмоль/ч |
Xoi=Ni/ΣNi |
Кi |
Кi-1 |
Xi=X0i/1+е (Кi-1) |
Yi=Ki-Xi |
Водород |
4603 |
2,00 |
2301,46 |
0,64 |
17,00 |
16,00 |
0,05 |
0,89 |
Сероводород |
2050 |
34,00 |
60,29 |
0,02 |
1,70 |
0,70 |
0,01 |
0,02 |
Метан |
1548 |
16,00 |
96,78 |
0,03 |
12,00 |
11,00 |
0,00 |
0,04 |
Этан |
2126 |
30,00 |
70,86 |
0,02 |
2,80 |
1,80 |
0,01 |
0,02 |
Пропан |
2229 |
44,00 |
50,67 |
0,01 |
1,60 |
0,60 |
0,01 |
0,02 |
Бутаны |
808 |
58,00 |
13,93 |
0,00 |
0,95 |
-0,05 |
0,00 |
0,00 |
изо-бутан |
808 |
59,00 |
13,69 |
0,00 |
0,80 |
-0,20 |
0,00 |
0,00 |
изо-пентан |
649 |
72,00 |
9,02 |
0,00 |
0,08 |
-0,92 |
0,01 |
0,00 |
Пентан |
972 |
72,00 |
13,50 |
0,00 |
0,04 |
-0,96 |
0,01 |
0,00 |
н-гексан |
512 |
86,00 |
5,95 |
0,00 |
0,03 |
-0,97 |
0,01 |
0,00 |
Бензин-отгон |
5016 |
106,77 |
46,98 |
0,01 |
0,01 |
-0,99 |
0,04 |
0,00 |
Гидрогенизат |
192179 |
209,15 |
918,86 |
0,26 |
0,01 |
-0,99 |
0,84 |
0,01 |
Итого |
213500 |
|
3601,98 |
1,00 |
|
|
1,00 |
1,00 |
мольная доля отгона равна 0,701
Таблица 2.24
Материальный баланс однократного испарения газопродуктовой смеси на выходе из теплообменника ГСС-ГПС при 180°С и 6,8 МПа
Компоненты |
Мi, кг/ кмоль |
Приход |
Расход |
||||||||||
Парожидкостная смесь |
Паровая фаза |
Жидкая фаза |
|||||||||||
Расход, кг/ч |
Массовая доля |
кмоль/ч |
Мольная доля |
Расход кг/ч |
Массовая доля |
кмоль/ч |
Мольная доля |
Расход кг/ч |
Массовая доля |
кмоль/ч |
Мольная доля |
||
Водород |
2,00 |
4603 |
0,02 |
2301,46 |
0,64 |
4490 |
0,29 |
2245,14 |
0,89 |
113 |
0,00 |
56,31 |
0,05 |
Сероводород |
34,00 |
2050 |
0,01 |
60,29 |
0,02 |
1639 |
0,10 |
48,20 |
0,02 |
411 |
0,00 |
12,09 |
0,01 |
Метан |
16,00 |
1548 |
0,01 |
96,78 |
0,03 |
1495 |
0,09 |
93,46 |
0,04 |
53 |
0,00 |
3,32 |
0,00 |
Этан |
30,00 |
2126 |
0,01 |
70,86 |
0,02 |
1845 |
0,12 |
61,49 |
0,02 |
281 |
0,00 |
9,36 |
0,01 |
Пропан |
44,00 |
2229 |
0,01 |
50,67 |
0,01 |
1760 |
0,11 |
40,01 |
0,02 |
469 |
0,00 |
10,66 |
0,01 |
Бутаны |
58,00 |
808 |
0,00 |
13,93 |
0,00 |
558 |
0,04 |
9,61 |
0,00 |
250 |
0,00 |
4,31 |
0,00 |
изо-бутан |
59,00 |
808 |
0,00 |
13,69 |
0,00 |
527 |
0,03 |
8,93 |
0,00 |
281 |
0,00 |
4,76 |
0,00 |
изо-пентан |
72,00 |
649 |
0,00 |
9,02 |
0,00 |
103 |
0,01 |
1,42 |
0,00 |
547 |
0,00 |
7,59 |
0,01 |
Пентан |
72,00 |
972 |
0,00 |
13,50 |
0,00 |
83 |
0,01 |
1,16 |
0,00 |
889 |
0,00 |
12,34 |
0,01 |
н-гексан |
86,00 |
512 |
0,00 |
5,95 |
0,00 |
30 |
0,00 |
0,35 |
0,00 |
481 |
0,00 |
5,59 |
0,01 |
Бензин-отгон |
106,77 |
5016 |
0,02 |
46,98 |
0,01 |
115 |
0,01 |
1,08 |
0,00 |
4901 |
0,02 |
45,90 |
0,04 |
Гидрогенизат |
209,15 |
192179 |
0,90 |
918,86 |
0,26 |
3104 |
0,20 |
14,84 |
0,01 |
189075 |
0,96 |
904,02 |
0,84 |
Итого |
|
213500 |
1,00 |
3601,98 |
1,00 |
15749 |
1,00 |
2525,20 |
1,00 |
197751 |
1,00 |
1076,77 |
1,00 |
Температуру нагрева ГСС в теплообменнике найдем методом подбора с помощью уравнения:
где
- количество тепла ГСС при температуре
tx,
кДж/ч;
Для нахождения
температуры tx
построим зависимость
(рис.
5.5). Задаемся tx=200°С
и tx=300°С
и рассчитываем долю отгона ГСС при этих
температурах и давлении 7,0 МПа с помощью
ПВЭМ. Результаты расчетов даны в
табл.5.18-5.21
Рассчитаем количество переданного тепла при 200°С по формуле:
где
- расход сырья при температуре 200°С,
кг/ч;
=13072 кг/ч;
- энтальпия сырья
при температуре 200°С, кДж/кг;
=591,3 кДж/кг;
- расход сырья в
жидкой фазе при температуре 200°С, кг/ч;
=185933 кг/ч;
- энтальпия сырья
в жидкой фазе при температуре 200°С,
кДж/ч;
=466,9 кДж/кг;
- расход сырья в жидкой фазе при 50°С, кг/ч;
= 199005 кг/ч;
- энтальпия сырья в жидкой фазе при 50°С, кДж/кг;
= 96,8 кДж/кг;
- энтальпия ЦВСГ
при температуре 200°С, кДж/ч;
=1278,2 кДж/кг;
- энтальпия ЦВСГ при 50°С;
= 484,8 кДж/кг
- расход СВСГ, кг/ч;
= 996 кг/ч;
- энтальпия СВСГ
при температуре 200°С, кДж/ч;
=1455,4 кДж/кг;
- энтальпия СВСГ при 50°С;
= 273,6 кДж/кг
Рассчитаем количество переданного тепла при 300°С по формуле:
где
- расход сырья при температуре 300°С,
кг/ч;
=60537 кг/ч;
- энтальпия сырья
при температуре 200°С, кДж/кг;
=955,3 кДж/кг;
- расход сырья в
жидкой фазе при температуре 300°С, кг/ч;
=138468 кг/ч;
- энтальпия сырья
в жидкой фазе при температуре 300°С,
кДж/ч;
=759 кДж/кг;
- расход сырья в жидкой фазе при 50°С, кг/ч;
= 199005 кг/ч;
- энтальпия сырья в жидкой фазе при 50°С, кДж/кг;
= 96,8 кДж/кг;
- энтальпия ЦВСГ
при температуре 300°С, кДж/ч;
=1776,8 кДж/кг;
- энтальпия ЦВСГ при 50°С;
= 484,8 кДж/кг
- расход СВСГ, кг/ч;
= 996 кг/ч;
- энтальпия СВСГ
при температуре 300°С, кДж/ч;
=2063 кДж/кг;
- энтальпия СВСГ при 50°С;
= 273,6 кДж/кг
Рис. 2.8
По рис. 5.10 tx=265°С
Определяем поверхность теплообмена по формуле:
F=
,
где F – поверхность теплообмена, м2;
Q – тепловая нагрузка, кДж/ч;
К – коэффициент теплопередачи, Вт/м К;
Tср. – средняя логарифмическая разность температур.
Дальнейший расчёт поверхности теплообмена ведём по Qгпс.
Схема теплообмена
375С 180С
265С
С
tmin = 110C tmax = 130C
определяем среднюю разность температур из уравнения
ср =
,
где ср – средняя разность температур, С.
ср =
= 120С.
Определяем поверхность теплообмена по формуле
F
=
,
где F – поверхность теплообмена, м2;
Q
– тепловая нагрузка ГПС, Q
= 133,510
кДж/ч;
К – коэффициент теплопередачи, К = 211 Вm/м2К;
ср – средняя разность температур, ср = 112,5С.
F
=
= 1 464 м
.
По найденному значению общей площади поверхности теплообмена выбираем горизонтальный, цилиндрический кожухотрубчатый аппарат, одноходовой по трубному и межтрубному пространству.
Характеристика теплообменника:
Температура в корпусе - З80°С
Температура в трубках - 429°С
Поверхность теплообмена-по межтрубному пространству - 1 пучка 710 м2
Длина т/о в сборе 11120 мм
Таблица 2.25
Определение состава паровой и жидкой фаз газосырьевой смеси на входе в теплообменник ГСС-ГПС при 200°С и 6,8 МПа
Наименование |
Расход, кг/ч |
Мi, кмоль/кг |
Ni, кмоль/ч |
Xoi=Ni/ΣNi |
Кi |
Кi-1 |
Xi=X0i/1+е (Кi-1) |
Yi=Ki-Xi |
Водород |
5462 |
2,00 |
2730,91 |
0,69 |
11,50 |
10,50 |
0,08 |
0,91 |
Метан |
1259 |
16,00 |
78,68 |
0,02 |
8,50 |
7,50 |
0,00 |
0,03 |
Этан |
2003 |
30,00 |
66,77 |
0,02 |
3,30 |
2,30 |
0,01 |
0,02 |
Пропан |
2096 |
44,00 |
47,65 |
0,01 |
2,10 |
1,10 |
0,01 |
0,01 |
Бутаны |
778 |
58,00 |
13,41 |
0,00 |
1,20 |
0,20 |
0,00 |
0,00 |
изо-бутан |
778 |
59,00 |
13,18 |
0,00 |
1,49 |
0,49 |
0,00 |
0,00 |
изо-пентан |
643 |
72,00 |
8,92 |
0,00 |
0,70 |
-0,30 |
0,00 |
0,00 |
Пентан |
965 |
72,00 |
13,41 |
0,00 |
0,50 |
-0,50 |
0,01 |
0,00 |
н-гексан |
512 |
86,00 |
5,95 |
0,00 |
0,40 |
-0,60 |
0,00 |
0,00 |
Сырье |
199005 |
209,15 |
951,49 |
0,24 |
0,02 |
-0,98 |
0,89 |
0,02 |
Итого |
213500 |
|
3930,37 |
1,00 |
|
|
1,00 |
1,00 |
мольная доля отгона равна 0,746
Таблица 2.26
Материальный баланс однократного испарения газосырьевой смеси на входе в теплообменника ГСС-ГПС при 200°С и 6,8 МПа
Компоненты |
Мi, кг/ кмоль |
Приход |
Расход |
||||||||||
Парожидкостная смесь |
Паровая фаза |
Жидкая фаза |
|||||||||||
Расход, кг/ч |
Массовая доля |
кмоль/ч |
Мольная доля |
Расход кг/ч |
Массовая доля |
кмоль/ч |
Мольная доля |
Расход кг/ч |
Массовая доля |
кмоль/ч |
Мольная доля |
||
Водород |
2,00 |
5462 |
0,03 |
2730,91 |
0,69 |
5304 |
0,21 |
2652,18 |
0,91 |
157 |
0,00 |
78,73 |
0,08 |
Метан |
16,00 |
1259 |
0,01 |
78,68 |
0,02 |
1210 |
0,05 |
75,64 |
0,03 |
49 |
0,00 |
3,04 |
0,00 |
Этан |
30,00 |
2003 |
0,01 |
66,77 |
0,02 |
1815 |
0,07 |
60,51 |
0,02 |
188 |
0,00 |
6,26 |
0,01 |
Пропан |
44,00 |
2096 |
0,01 |
47,65 |
0,01 |
1803 |
0,07 |
40,98 |
0,01 |
293 |
0,00 |
6,66 |
0,01 |
Бутаны |
58,00 |
778 |
0,00 |
13,41 |
0,00 |
605 |
0,02 |
10,44 |
0,00 |
172 |
0,00 |
2,97 |
0,00 |
изо-бутан |
59,00 |
778 |
0,00 |
13,18 |
0,00 |
633 |
0,02 |
10,72 |
0,00 |
145 |
0,00 |
2,46 |
0,00 |
изо-пентан |
72,00 |
643 |
0,00 |
8,92 |
0,00 |
432 |
0,02 |
6,00 |
0,00 |
211 |
0,00 |
2,93 |
0,00 |
Пентан |
72,00 |
965 |
0,00 |
13,41 |
0,00 |
574 |
0,02 |
7,97 |
0,00 |
392 |
0,00 |
5,44 |
0,01 |
н-гексан |
86,00 |
512 |
0,00 |
5,95 |
0,00 |
276 |
0,01 |
3,21 |
0,00 |
236 |
0,00 |
2,74 |
0,00 |
Сырье |
209,15 |
199005 |
0,93 |
951,49 |
0,24 |
13072 |
0,51 |
62,50 |
0,02 |
185933 |
0,99 |
888,99 |
0,89 |
Итого |
|
213500 |
1,00 |
3930,37 |
1,00 |
25724 |
1,00 |
2930,10 |
1,00 |
187775 |
1,00 |
1000,27 |
1,00 |
Таблица 2.27
Определение состава паровой и жидкой фаз газосырьевой смеси на входе в теплообменник ГСС-ГПС при 300°С и 6,8 МПа
Наименование |
Расход, кг/ч |
Мi, кмоль/кг |
Ni, кмоль/ч |
Xoi=Ni/ΣNi |
Кi |
Кi-1 |
Xi=X0i/1+е (Кi-1) |
Yi=Ki-Xi |
Водород |
5462 |
2,00 |
2730,91 |
0,69 |
12,00 |
11,00 |
0,07 |
0,84 |
Метан |
1259 |
16,00 |
78,68 |
0,02 |
7,20 |
6,20 |
0,00 |
0,02 |
Этан |
2003 |
30,00 |
66,77 |
0,02 |
3,66 |
2,66 |
0,01 |
0,02 |
Пропан |
2096 |
44,00 |
47,65 |
0,01 |
2,60 |
1,60 |
0,01 |
0,01 |
Бутаны |
778 |
58,00 |
13,41 |
0,00 |
2,10 |
1,10 |
0,00 |
0,00 |
изо-бутан |
778 |
59,00 |
13,18 |
0,00 |
1,90 |
0,90 |
0,00 |
0,00 |
изо-пентан |
643 |
72,00 |
8,92 |
0,00 |
1,30 |
0,30 |
0,00 |
0,00 |
Пентан |
965 |
72,00 |
13,41 |
0,00 |
1,10 |
0,10 |
0,00 |
0,00 |
н-гексан |
512 |
86,00 |
5,95 |
0,00 |
0,60 |
-0,40 |
0,00 |
0,00 |
сырье |
199005 |
209,15 |
951,49 |
0,24 |
0,10 |
-0,90 |
0,90 |
0,09 |
Итого |
213500 |
|
3930,37 |
1,00 |
|
|
1,00 |
1,00 |
мольная доля отгона равна 0,814
Таблица 2.28
Материальный баланс однократного испарения газосырьевой смеси на входе в теплообменник ГСС-ГПС при 300°С и 6,8 МПа
Компоненты |
Мi, кг/ кмоль |
Приход |
Расход |
||||||||||
Парожидкостная смесь |
Паровая фаза |
Жидкая фаза |
|||||||||||
Расход, кг/ч |
Массовая доля |
кмоль/ч |
Мольная доля |
Расход кг/ч |
Массовая доля |
кмоль/ч |
Мольная доля |
Расход кг/ч |
Массовая доля |
кмоль/ч |
Мольная доля |
||
Водород |
2,00 |
5462 |
0,03 |
2730,91 |
0,69 |
5360 |
0,07 |
2679,83 |
0,84 |
102 |
0,00 |
51,08 |
0,07 |
Метан |
16,00 |
1259 |
0,01 |
78,68 |
0,02 |
1220 |
0,02 |
76,26 |
0,02 |
39 |
0,00 |
2,42 |
0,00 |
Этан |
30,00 |
2003 |
0,01 |
66,77 |
0,02 |
1885 |
0,03 |
62,85 |
0,02 |
118 |
0,00 |
3,93 |
0,01 |
Пропан |
44,00 |
2096 |
0,01 |
47,65 |
0,01 |
1927 |
0,03 |
43,79 |
0,01 |
170 |
0,00 |
3,85 |
0,01 |
Бутаны |
58,00 |
778 |
0,00 |
13,41 |
0,00 |
701 |
0,01 |
12,09 |
0,00 |
76 |
0,00 |
1,32 |
0,00 |
изо-бутан |
59,00 |
778 |
0,00 |
13,18 |
0,00 |
694 |
0,01 |
11,76 |
0,00 |
84 |
0,00 |
1,42 |
0,00 |
изо-пентан |
72,00 |
643 |
0,00 |
8,92 |
0,00 |
546 |
0,01 |
7,59 |
0,00 |
96 |
0,00 |
1,34 |
0,00 |
Пентан |
72,00 |
965 |
0,00 |
13,41 |
0,00 |
799 |
0,01 |
11,10 |
0,00 |
166 |
0,00 |
2,31 |
0,00 |
н-гексан |
86,00 |
512 |
0,00 |
5,95 |
0,00 |
370 |
0,01 |
4,31 |
0,00 |
141 |
0,00 |
1,64 |
0,00 |
Сырье |
209,15 |
199005 |
0,93 |
951,49 |
0,24 |
60537 |
0,82 |
289,44 |
0,09 |
138468 |
0,99 |
662,05 |
0,90 |
Итого |
|
213500 |
1,00 |
3930,37 |
1,00 |
74040 |
1,00 |
3198,72 |
1,00 |
139459 |
1,00 |
731,65 |
1,00 |