Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Кубанский государственный технологический университет»

(ФГБОУ ВПО «КубГТУ»)

Институт нефти, газа и энергетики

Кафедра технологии нефти и газа

Расчёт рекуперативного теплообменника

методические указания к практическим занятиям

по дисциплине

Расчёт процессов и оборудования переработки нефти и газа

для студентов

направления 18.04.01 Химическая технология

профиль Химическая технология топлива и газа

Краснодар, 2015

Составитель: канд. хим. наук, доц. А.Г. Колесников

Расчёт рекуперативного теплообменника: методические указания к практическим занятиям по дисциплине Расчёт процессов и оборудования переработки нефти и газа для направления 18.04.01 Химическая технология, (профиль Химическая технология топлива и газа) / Сост.: А.Г. Колесников. Кубан. гос. техн. ун-т. Каф. Технологии нефти и газа. – Краснодар, 2015. – 44 с.

Методические указания представляет собой руководство по расчёту и выбору стандартного теплообменного аппарата для рекуперации теплоты продуктов установок переработки нефти. Для оптимизации подбора аппарата используется алгоритм расчётов в программной среде Microsoft Excel.

Библиогр.: 12 назв, прил. 13.

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Ю.П. Ясьян

(кафедра технологии нефти и газа);

ПАО «НИПИгазпереработка»

ПО АГПЗ Управление проектирования

технологических установок.

Эксперт по координации

проектирования А.П Харченко

Содержание

Введение…………………………………………………………………….......5

1 Нормативные ссылки…………………………………………………….......9

2 Задание на проектирование…………………………………………………9

3 Расчет рекуперативного теплообменника………………………………......9

3.1 Определение конечных температур теплоносителей и

тепловой нагрузки теплообменника……………………………………9

3.2 Определение средней движущей силы процесса теплообмена…….…11

3.3 Предварительное определение типоразмера рекуперативного

теплообменника………………………………………………………...12

3.4 Определение гидродинамического режима течения

теплоносителей………………………………………………………....14

3.5 Расчет коэффициента теплоотдачи при движении

теплоносителя в трубах…………………………………………………16

3.6 Расчет коэффициента теплоотдачи при движении

теплоносителя в кожухе теплообменника………………………….....18

3.7 Расчет коэффициента теплопередачи и требуемой

поверхности теплообмена……………………………………………....19

3.8 Расчет тепловой изоляции и эффективности аппарата…………….…20

3.9 Расчет гидравлического сопротивления теплообменника…………...21

4 Заключение………………………………….……………………………….23

Список рекомендуемой литературы………………………………………....24

Приложение А (обязательное). Задания для выполнения работы………….25

Приложение Б (справочное). Энтальпия нефтяных паров и жидкостей…..26

Приложение В (справочное). Коэффициенты теплопередачи……………..27

Приложение Г (справочное). Кожухотрубчатые теплообменники

типа ТН, ТК, ХК с неподвижными трубными решётками

и компенсатором на кожухе……………….....................................................28

Приложение Д (справочное). Кожухотрубчатые горизонтальные теплообменники с плавающей головкой и

с U – образным трубным пучком ……………………………………………31

Приложение Е (справочное). Теплообменники "труба в трубе"

разборные малогабаритные…………………………..……………………....36

Приложение Ж (справочное). Расчет динамической вязкости

углеводородов по уравнению Торпа-Роджера…………………………...…38

Приложение И (справочное). Фракционный состав (по ИТК)

нефти Самотлорского месторождения (смесь)……………………………..39

Приложение К (справочное). Характеристика нефтей,

керосино-дизельных фракций и мазутов…………..…..................................40

Приложение Л (справочное). Материальное исполнение трубного

пучка теплообменников…………………………………………………...….41

Приложение М (справочное). Тепловое сопротивление загрязнений

трубного пучка теплообменников…………………………….……………..41

Приложение Н (справочное). Конструктивные параметры

кожухотрубных теплообменных аппаратов………………………………...42

Приложение П (справочное). Значения абсолютной шероховатости

труб…………………...………………………………………………………..44

Введение

Рекуперативный теплообмен в системе жидкость-жидкость широко применяется в нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической, химической промышленности для нагревания и охлаждения. Около 70 % теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающих производств выполняют функции рекуперативного теплообмена, направленного на сокращение затрат энергетических (топливо, насыщенный водяной пар, электроэнергия) и материальных (оборотная вода) ресурсов. Чем шире используется рекуперативный теплообмен, тем выше эксергетические показатели производства, ниже энергозатраты, тепловые потери и выбросы в окружающую среду продуктов сгорания топлива от технологических печей. Таким образом, применение рекуперативного теплообмена направлено не только на экономию энергетических ресурсов, но и на решение проблемы защиты природы.

Выходящие из ректификационных колонн нефтяные фракции, имеющие температуру от 100 до 400°С, можно использовать в качестве эффективных теплоносителей для нагрева сырья. В то же время эти фракции необходимо и охлаждать. Температура охлаждения диктуется условиями безопасности хранения, обеспечением транспортабельности продукта с сохранением его текучести, а также максимальным уменьшением потерь от испарения при хранении. По действующим технологическим нормам охлаждать продукты рекомендуется до следующих температур (°С):

- лёгкий и тяжёлый бензины, бензин-растворитель, лигроин...35 – 40:

- керосин, дизельная фракция, легкий вакуумный газойль …..40 – 60;

- вакуумный газойль, масляные дистилляты…………………...60 - 70;

- мазут………………………………………………………...не ниже 90;

- гудрон, битум……………………………………………...не ниже 150.

Процесс рекуперации заключается в использовании тепла отходящих технологических потоков для нагревания потоков сырья. В рекуперативном теплообменнике горячий теплоноситель (технологический поток) охлаждается, отдавая свою теплоту холодному потоку. При рациональном использовании тепла отходящих потоков для нагрева сырья значительно уменьшаются расходы топлива и охлаждающей воды.

Для рекуперации тепла используют теплообменные аппараты различных конструкций.

Кожухотрубчатые теплообменники выпускают жесткой конструкции и с плавающей головкой. В теплообменниках жесткой конструкции пучок труб закреплен в трубных решетках, приваренных к кожуху аппарата. При значительной разности температур кожуха и труб последние удлиняются неодинаково. Это вызывает значительные напряжения в трубных решетках и может нарушить герметичность аппарата. Для частичной компенсации тепловых напряжений на кожухе аппарата устанавливают линзовый компенсатор. Теплообменники жесткой конструкции применяют при разности температур между теплоносителями не более 50 °С. Недостаток теплообменников этого типа - невозможность чистки наружной поверхности трубок механическими способами. Поэтому в межтрубное пространство направляют теплоноситель, не вызывающий отложений на стенках аппарата и его коррозии. Теплообменники жесткой конструкции просты в изготовлении и дешевле теплообменников других типов.

При значительном тепловом расширении труб используют теплообменники с плавающей головкой (ТУ 3612-023-00220302-01), в которых компенсация температурных удлинений достигается за счет усложнения конструкции теплообменника, что увеличивает его массу и стоимость единицы поверхности нагрева по сравнению с теплообменниками жесткой конструкции.

В кожухотрубных теплообменниках с U-образными трубами (ТУ 3612-023-00220302-01) сами трубы выполняют функцию компенсирующих устройств. Наружная поверхность труб легко очищается при извлечении трубного пучка из корпуса аппарата. Недостатком этих теплообменников является трудность очистки внутренней поверхности труб, вследствие чего их применяют только для чистых теплоносителей.

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» (ТУ 3612-014-0022302-99) обеспечивают хороший теплообмен за счет больших скоростей и турбулентности потоков в трубном и межтрубном пространствах. Высокие скорости и турбулентность потока уменьшают возможность отложения на стенках труб кокса или других образований, поэтому аппараты «труба в трубе» используют для загрязненных коксообразующими веществами и механическими примесями теплоносителей. В теплообменниках такой конструкции обеспечивается хорошая компенсация температурных удлинений. Недостатком теплообменников «труба в трубе» является их громоздкость и большой расход металла на единицу поверхности нагрева.

В настоящих методических указаниях рассматривается теплообменник-подогреватель для рекуперации тепла в системе жидкость-жидкость.

На рисунке 1 приведена технологическая схема рекуперативного теплообмена. Нагреваемый поток подается в межтрубное пространство теплообменника 1. Проходя в межтрубном пространстве к противоположному концу аппарата, поток нагревается. Одновременно горячий теплоноситель подается в трубное пространство теплообменника. Проходя последовательно по всем ходам труб, он передает свое тепло через стенки труб холодному потоку. Более загрязнённый поток рекомендуется подавать в трубное пространство, менее загрязнённый – кожух аппарата.

На рисунке 2 изображен шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решётками для системы жидкость-жидкость. К цилиндрическому кожуху 1 по обоим концам приварены трубные решетки 2. В трубных решетках имеется ряд отверстий, в которые вставлены концы труб 3 и закреплены сваркой или развальцовкой. К трубным решеткам с помощью болтов, гаек и шайб 4, 5, 6 через прокладки 7 крепятся крышки 8 и 9. Для организации в трубном пространстве теплообменника нескольких ходов потока теплоносителя в крышки вварены перегородки 10. Сегментные перегородки 11 служат для организации в межтрубном пространстве нескольких ходов нагреваемого потока.

нагретый поток

1 - теплообменник; 2 - ротаметры; 3 - вентили регулирования; 4 - емкость нагреваемого потока; 5 - насос нагреваемого потока; 6 - насос горячего потока.

Рисунок 1 - Технологическая схема рекуперативного теплообменника-подогревателя

Наличие нескольких ходов в трубном и межтрубном пространствах теплообменников позволяет повысить скорость течения теплоносителей и увеличить интенсивность теплопередачи. Следует отметить, что увеличение количества ходов приводит не только к интенсификации теплообмена, но и к росту гидравлических потерь и энергетических затрат на покачивание теплоносителей через аппарат.

Для ввода и вывода теплоносителей приварены штуцера ш1, ш2, ш3 и ш4. Горячий теплоноситель через штуцер ш1 поступает в трубное пространство теплообменника в трубы 1-го хода и проходит по ним до правой крышки 9. В крышке 9 теплоноситель изменяет движение на противоположное и по трубам 2-го хода проходит до левой крышки 8, и так далее по трубам 3, 4, 5 и 6 ходов до выхода из теплообменника через штуцер ш2.

Через штуцер ш3 в межтрубное пространство аппарата подается нагреваемый поток. В теплообменнике теплота передается через стенку труб от горячего теплоносителя к нагреваемому потоку. Нагретый раствор выводится из теплообменника через штуцер ш4.

1 - кожух; 2 - трубная решетка; 3 - пучок труб; 4, 5, 6 - болт, гайка и

шайба; 7 - прокладка; 8 - левая крышка; 9 - правая крышка; 10 - перегородки в крышках; 11 - сегментные перегородки в межтрубном пространстве. Штуцеры: ш 1 - вход горячего потока, ш2 - выход горячего потока, ш3 - вход холодного потока, ш4 - выход холодного потока.

Рисунок 2 - Шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник c неподвижными трубными решётками