Практические работы № 9

Тема: Расчет теплообменников для подогрева нефтей и водонефтяных эмульсий. Расчет потерь давления в теплообменных аппаратах.

Цель занятия: Определить необходимую поверхность теплообмена, основные размеры аппарата и потери напора при движении потоков

При сборе и подготовке тяжелых и вязких нефтей, а также нефтяных эмульсий обратного типа (В/Н) на промыслах широко применяются теплообменники.

Рис. 10.1. Изменение Температуры жидкости по длине теплообменника: а—при прямотоке; б— при противотоке

Технологический расчет теплообменных аппаратов включает тепловой и гидравлический расчеты, в результате которых определяют необходимую поверхность теплообмена, основные размеры аппарата и потери напора при движении потоков. В теплообменных аппаратах могут наблюдаться различные схемы движения потоков: прямоток, противоток (рис. 10.1), перекрестный и смешанные

токи.

При выборе схемы потоков в теплообменнике предпочтение следует отдавать противотоку, позволяющему нагревать сырье до более высоких температур при меньшей поверхности нагрева.

Жидкость, отдающая теплоту, а также жидкость, воспринимающая ее, могут двигаться в теплообменниках как в трубках, так и по затрубному пространству (рис. 10.2, а).

В зависимости от принятой схемы движения жидкости-теплоносителя и нагреваемой жидкости по теплообменнику тепловые и гидравлические расчеты его существенно меняются.

Расчет потер давления в теплообменных аппаратах

В межтрубном пространстве гидравлическое сопротивление можно рассчитать по формуле:

ΔΡ_мтп = ∑ζ_мтп (ω² _мтп / 2) ρ_мтп (11.1)

Скорость жидкости в межтрубном пространстве определяют из выражения:

ω_мтп = G_мтп / (Ѕ_мтп ρ_мтп) (11.2)

где Ѕ_мтп - самое узкое сечение межтрубного пространства (в сечении АВ);

ρ_мтп - плотность жидкости в межтрубном пространстве;

G_мтп - расход жидкости в межтрубном пространстве.

Коэффициенты местных сопротивлений потоку, движущемуся в межтрубном пространстве:

ζ_мтп1 = 1,5 – вход и выход жидкости;

ζ_мтп2 = 1,5 – поворот через сегментную перегородку;

ζ_мтп3 = 3m / Re^0,2_мтп – сопротивление пучка труб

Re_мтп = G_мтп d /( Ѕ_мтп μ_мтп),

m – число рядов труб, преодолеваемых потоком теплоносителя.

Таким образом, расчетная формула для определения гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве имеет вид:

ΔΡ_мтп = (3m(x + 1)/ Re^0,2_мтп) · ((ρ_мтп ω² _мтп)/2) + 1,5х((ρ_мтп ω² _мтп)/2) + 3((ρ_мтп ω²_мтпш)/2) (11.3)

где х – число сегментных перегородок;

ω² _мтпш – скорость теплоносителя в штуцерах.

Гидравлические потери давления при движении жидкости в трубках определяются по известной формуле Дарси-Вейсбаха

ΔΡ_тр = n_х λ ((l/ d) · (υ²/ 2)) · ρ·n_т (11.4)

а местные сопротивления по формуле:

ΔΡ_мтп = (∑ζ (υ²/2)· ρ) · n_т (11.5)

где, n_т – число теплообменников при последовательном включении; n_х – число ходов в трубках; λ – коэффициент сопротивления трения; l – длина трубок; υ – скорость потока, м/с; ρ – плотность потока при средней температуре, кг/м³; ζ – коэффициент местных сопротивлений, принимаемый из табл.11.1.

Таблица 11.1. Значение коэффициентов местных сопротивлений

№№	Местные сопротивления	ζ
1	Вход и выход камеры	1,5
2	Поворот между ходами на 1800	2,5
3	Поворот на 1800 через колено из аппарата в аппарат	2,0

Задач 10.1. Определить длину теплообменника для нагревания G₁ = 15000 кг/ч раствора от температуры t^′₁ = 15⁰С до t^″₁ =90°С. Удельная теплоемкость раствора с_p = 4050 дж/(кг ∙ ^ОС). Для нагревания используется G₂ = 34000 кг/ч парового конденсата при температуре t^′₂ = 120 °С. Теплообменник имеет 109 труб диаметром 25 х 2 мм. В межтрубном пространстве установлены перегородки. Коэффициенты теплоотдачи: для раствора, движущегося по трубкам, α₁ = 520 Вт/(м² ∙ ^ОС), для конденсата, движущегося в межтрубном пространстве, α₂ = 2300 Вт/(м²∙ °С); теплопроводность стенки труб λ_ст = 45 Вт/(м ∙ °С), толщина слоя отложений на стенках труб δ_отл = 0,4 мм, а их теплопроводность λ_отл = 1,5 Вт/(м ∙ °С).

Задача 11.1. Определить поверхность противоточного теплообменника, в котором 3000 кг/ч горячей нефти охлаждается от 100 до 25°С холодной жидкостью, нагревающейся от 20 до 40°С. При этом известно, что коэффициент теплопередачи следующим образом изменяется с температурой нефти [20]:

Т°С …………………...1000 80 60 40 30 25

К, Вт/ (м²∙ °С) ………..354 350 342 308 232  166

Удельная теплоемкость нефти 1670 Дж/(кг ∙ °С).

Таблица 11.2

Т, ºС	t, °С	Т- t, °С	К, Вт/(м·°С)	1/ (К(Т-t))·104м2/Вт
100	40,0	60,0	354	0,47
80	34,7	45,3	350	0,63
60	29,3	30,7	342	0,95
40	24,0	16,0	308	2,30
30	21,3	8,7	232	4,96
25	20,0	5,0	166	12,07

Таблица 11.3

Т, ºС	n	y=1/ (К(Т-t))·104м2/Вт	Т, ºС	n	y=1/ (К(Т-t))·104м2/Вт
25	0	12,07	70	6	0,74
32,5	1	3,85	77,5	7	0,65
40	2	2,30	85	8	0,58
47,5	3	1,60	92,5	9	0,50
55	4	1,13	100	10	0,47
62,5	5	0,85

Рис. 11.3. Интегральная кривая

Таблица 11.4. Результаты определения температуры начала конденсации углеводородов (точки росы) методом подбора

Компоненты	Молярная доля компонентов при принятой температуре, ºС
	50	60	57
С3 Н8 р1	(0,2 · 0,2)/1,89 = 0,021	0,0191	0,020
i- С4 Н10 р2	(0,2 · 0,1)/0,75 = 0,027	0,0221	0,025
С4 Н10 р3	(0,2 · 0,3)/0,50 = 0,121	0,0800	0,085
i- С5 Н12 р4	(0,2 · 0,4)/0,20 = 0,383	0,2760	0,316
С5 Н12 р5	(0,2 · 0,55)/0,18 = 0,640 Σ1,192 > 1 температура мала	0,5500 Σ 0,9472 < 1 температура высокая	0,550 Σ0,996 ≈ 1 t = 57 ºС

Рис. 11.4. Зависимость давления насыщения паров нормальных метановых углеводородов от температуры

Задача 10.2. В конденсаторе при давлении 0,2 МПа конденсируется смесь паров следующего молярного состава( в долях): пропан Nc₃н₈ = 0,2; изобутан Nic₄н₁₀ = 0,1; бутан Nc₄н₁₀ = 0,3; изопентан Nic₅н₁₂ = 0,4; пентан Nc₅н₁₂ = 0,55. Пары поступают из сепараторов второй ступени и концевого сепаратора при температуре насыщения. Одноходовой конденсатор имеет 160 трубок диаметром 25 х 2 и длиной = 3000 мм. Диаметр кожуха конденсатора D = 700 мм.

Для охлаждения нефтяного газа в межтрубное пространство подается воздуходувкой холодный воздух с начальной температурой t_н =—30°С и конечной t_к =15°С. Объемный расход воздуха при нормальных условиях (0°С и р== 101 325 Па) составляет V= 10 000 м³/ч. По трубкам протекает охлаждаемый газ. Конденсатор установлен вертикально. Плотность воздуха при нормальных условиях p_в 1,293 кг/м³.

Определить максимальное количество пара, которое можно сконденсировать в данном конденсаторе.