книги / Переработка нефтяных и природных газов

Высоту «пены» рассчитывают по уравнению

Рж£е

где | — коэффициент сопротивления «сухой» тарелки.

Долю свободного сечения тарелки, занятую стекающей жид­

сепарационного пространства (Яс) можно принимать равной 0,1— 0,15 м.

Диапазон устойчивой работы тарелок определяют по урав­ нению [49]

Для тарелОк без сетки С = 2, для тарелок с сеткой С = 3.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОЛОНН С ПРОВАЛЬНЫМИ РЕШЕТЧАТЫМИ ТАРЕЛКАМИ

Для определения предельной скорости газа (пара) в свободном сечении аппарата с провальными решетчатыми тарелками при L/G = 0,5—20 рекомендуется уравнение

Для проведения проектного расчета уравнение (V.99) необхо­ димо представить так

Эти зависимости проверены в следующем диапазоне изменения влияющих параметров: рп = 0,3—60 кг/м8; рж = 300—1000 кг/м3; (шп = (1—10) -10-5 Н-с/м2; рж = (0,1—4) ■10-3 Н-с/м2; сг = = (5—73) • 10_3 Н/м; Fc = 0,1—0,3; D = 0,2—1,8 м.

411

Сопротивление решетчатых тарелок и относительную плот­ ность «пены» рекомендуется определять по уравнениям

При L/G = 0,5—20 интервал устойчивой работы решетчатых тарелок составляет примерно 2,6.

Порядок проектного и поверочного расчета аппаратов с праволъными тарелками {на примере решетчатых тарелок)

Проектный расчет. Определяемые параметры: диаметр колонны и расстоя­ ние между тарелками. Известны по условию задачи: производительность аппа­ рата, соотношение потоков жидкость—газ (пар), физические свойства газа (пара)

ижидкости.

1.Принимают основные размеры тарелки — свободное сечение и ширину

щели (свободное сечение уточняется в дальнейшем).

2.Рассчитывают предельную скорость газа или пара (скорость «захлебы­ вания») по уравнению (V.99).

3.Определяют максимально допустимую скорость газа (пара), исходя из

условия [W] — 0,85-И^Пред.

4. По максимально допустимой скорости газа (пара) находят диаметр аппа­ рата по уравнению (V.85) и по нормали принимают ближайшее значение диа­ метра. Далее определяют фактическую скорость газа в аппарате (с учетом уточ­ ненного диаметра) и если максимально допустимая и фактическая скорость газа (пара) будут существенно различаться, необходимо изменить принятое ранее свободное сечение с тем, чтобы фактическая рабочая скорость газа (пара) была бы равна 0,851Гпред.

5. Определяют сопротивление тарелки по уравнению (V.100) и относитель­ ную плотность «пены» (газожидкостного слоя на тарелке) по уравнению (V.102).

6. Рассчитывают сопротивление сухой тарелки по уравнению

Величину т находят по уравнению (V.96).

7. Рассчитывают высоту «пены» на тарелке по уравнению (V.94), прини­

Поверочный расчет. Определяемыми параметрами являются предельная скорость газа (пара) и пропускная способность колонны при максимально до­ пустимой скорости газа или пара (при Н > # п+ # с).

1. Рассчитывают предельную скорость газа или пара по уравнению (V.98). 2. Определяют максимально допустимую скорость газа или пара (см. п. 3 проектного расчета). По этой скорости рассчитывают производительность колонны

и сравнивают ее с заданной производительностью.

412

Дальнейший расчет, начиная с п. 5, производят по схеме проектного расчета. Для успешного использования аппаратов с провальными тарелками необ­

ходимо учитывать следующие общие рекомендации:

а) при изменении скорости газа (пара), а также соотношения потоков жид­ кость—газ и физических свойств взаимодействующих фаз по высоте колонны рас­ четы следует производить для нескольких сечений аппарата;

б) в колоннах с провальными тарелками через 5—10 рабочих тарелок це­ лесообразно устанавливать перераспределители газа (пара) и жидкости. Для этих целей можно использовать, например, такие же тарелки, но с ббльшим (на 30—40%) свободным сечением. Это создает условия для более равномерной ра­ боты тарелок по всей высоте аппарата за счет ослабления «пульсационного вза­ имодействия» контактных устройств, что в свою очередь способствует более плав­ ному изменению эффективности при колебаниях расхода материальных потоков;

в) соседние тарелки следует устанавливать так, чтобы щели на одной та­ релке были расположены перпендикулярно щелям другой тарелки;

г) в аппаратах с -провальными тарелками для бокового отбора жидкости сле­ дует устанавливать так называемые глухие тарелки.

Глава 6

ТЕПЛООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В процессах переработки углеводородных газов широко приме­ няют различные виды теплообменной аппаратуры, вес которой составляет 30—40% от общего веса аппаратуры ГПЗ.

Наиболее распространены в процессах переработки газа тепло­ обменные аппараты кожухотрубчатого типа. Это обусловлено большим опытом их эксплуатации, кроме того, в промышленности освоено производство широкой номенклатуры аппаратов для раз­ личных давлений, температур и сред. Немаловажным фактором является и наличие отработанных инженерных методов расчета теплоотдачи и гидродинамики кожухотрубчатых аппаратов.

Машиностроительные заводы изготавливают в настоящее время кожухотрубчатые теплообменные аппараты с поверхностью тепло­ обмена от 1 до 1500 м2, рассчитанные на давление от вакуума до 10,0 МПа и температуру от —70 до 540 °С. Аппаратуру выпу­ скают по 12 Государственным стандартам и пяти сборникам тех­ нических проектов.

Чаще всего на ГПЗ используют кожухотрубчатые теплообмен­ ники жесткой конструкции (рис. V.23, а) и с плавающей головкой (рис. V.23, в). В аппаратах жесткой конструкции трубный пучок закреплен в неподвижных трубных решетках. Эти теплообменники применяют при разности температур теплоносителей на входе в аппарат не более 50 °С. При более высокой разности температур применяют теплообменники с плавающей головкой. При этом предотвращаются опасная температурная деформация труб и на­ рушение плотности их соединения с трубными решетками.

413

По характеру движения теплоносителей кожухотрубчатые теп­ лообменники могут быть одноходовыми (рис. V.23, а) и многохо­ довыми (рис. V.23, б) как по трубному, так и межтрубному про­ странству.

Увеличение числа ходов ведет к возрастанию коэффициента теплопередачи.

Кожухотрубчатые аппараты имеют ряд существенных недо­ статков. Основные из них: громоздкость, металлоемкость, сравни­ тельно небольшая удельная поверхность теплообмена. Поэтому в отдельных узлах технологических установок, особенно в блоках большей единичной мощности, приходится применять несколько либо параллельно, либо последовательно работающих аппаратов, что нецелесообразно с точки зрения экономики, технологии и ре­ гулирования процесса. В последнее время созданы пластинчатые теплообменные аппараты из листового материала с более высо­ кими коэффициентами теплопередачи и обладающие меньшей удельной металлоемкостью по сравнению с кожухотрубчатыми [51].

Машиностроительные заводы выпускают пластинчатые тепло­ обменники с широким диапазоном поверхностей теплообмена: раз­ борные от 2 до 400 м2 и сварные от 20 до 600 м2. Разборные тепло­ обменники работают при давлении до 2,5 МПа и температурах от —30 °С до 200 °С. Сварные пластинчатые теплообменники могут работать при давлениях до 3,9 МПа и температурах от — 150 °С до 400 °С. Температурный предел определяется материалом уплот­ нительных прокладок и конструкций сварных соединений.

В пластинчатом теплообменном аппарате поверхность тепло­ обмена представляет собой гофрированные пластины, которые рас­ положены параллельно друг другу таким образом, что между ними остаются щелевидные каналы для рабочих сред. При таком конструктивном решении теплопередающая поверхность может быть выполнена из листового материала небольшой толщины, а каналы для теплообменивающихся сред могут иметь минималь­ ное сечение. К тому же благодаря параллельному размещению пластин и небольшому расстоянию между ними достигается такая компактность, которая недостижима в кожухотрубчатом теплооб-

Рис. V.23.

Кожухотрубчатые теплообменники жесткой конструкции:

а — одноходовой; б — многоходовой; в — с плавающей головкой: 1 — корпус; 2 — трубная решетка; 3 — трубы; 4 — крышки; 5 — перегородки в крышках; 6 — перего­ родки в межтрубном пространстве; 7 — подвижная трубная решетка.

414

Рис. V.24.

Пакет пластин сварного пластинчатого теплообменника.

Рис. V.25.

Гофрированные пластины в пакете.

меннике. Таким образом, основу конструкции пластинчатых тепло­ обменников (рис. V.24) составляют гофрированные пластины (рис. V.25), позволяющие турбулизовать пограничный слой при значениях числа Рейнольдса 50—200, что приводит к улучшению технологической характеристики аппарата. Поэтому при равной тепловой нагрузке габариты и масса пластинчатых теплообмен­ ников меньше чем кожухотрубчатых.

Пластинчатые теплообменники обладают следующими преиму­ ществами по сравнению с кожухотрубчатыми: при одной и той же поверхности теплообмена габариты и масса их меньше; из-за более низкого термического сопротивления требуется меньшая поверх­ ность теплообмена. При одних и тех же режимах движения среды коэффициент теплопередачи в пластинчатых теплообменниках в 2—3 раза выше, чем в кожухотрубчатых [52].

По конструктивному признаку соединения пластин между собой пластинчатые теплообменные аппараты можно разделить на разборные, полуразборные и неразборные (сварные, блочные). Каждый из трех типов применяют в зависимости от степени до­ ступности поверхности теплообмена для осмотра и механической чистки. В разборных теплообменниках межпластинчатые каналы уплотняют с помощью прокладок.

После сборки и сжатия пластин в пластинчатом теплообмен­ нике образуются две системы герметичных каналов для рабочих сред с различным направлением движения в каждой из них. Пластины, между которыми одна из рабочих сред движется только в одном направлении, составляют пакет. Один или несколько пакетов, сжатых между плитами, образуют секцию теплообмен­ ного аппарата. Принципиальная схема движения потоков в двух-

415

Рис. V.26.

Принципиальная схема движения потоков в пластинчатом теплообмениом аппарате.

пакетном теплообменнике представлена на рис. V.26. Каждая пла­ стина в аппарате с одной стороны находится в соприкосновении с охлаждающей средой, а с другой — с охлаждаемой. Чередова­ ние межпластинчатых каналов для каждой из сред в пакете осу­ ществляется соответствующим набором пластин, различающихся между собой расположением уплотнительных прокладок.

Обычно компоновку пластин и направление движения рабочих сред изображают на плоских схемах. На рис. V.27 показаны плоские схемы возможной компоновки в теплообменном аппарате семи пластин. Краткая запись схемы компоновки пластин пред­ ставляет собой дробь, число цифр в числителе и знаменателе которой показывает число пакетов, а значение цифр — число ка-

416

сварных блоков. Блок представляет собой несколько пластин с размещенными между ними (через одну) металлическими про­ ставками, необходимыми для образования в соответствии с при­ нятой схемой компоновки каналов для входа и выхода рабочих сред. Пластины вместе с металлическими проставками собирают сваркой. Блоки соединены между собой с помощью втулок с про­ кладками, что позволяет компоновать блок по параллельной или последовательной схемам движения рабочих сред в них.

Таким образом, изменяя число блоков, можно в полностью изготовленном теплообменном аппарате менять не только число ходов и скорость рабочей среды, но и поверхность теплообмена. При выходе из строя одного из блоков его можно легко заменить, что значительно повышает эксплуатационную надежность свар­ ного пластинчатого теплообменного аппарата. Вследствие высо­ кого давления на ГПЗ можно применять только неразборные теп­ лообменники сварного типа.

Одно из наиболее важных достижений в области теплообмена за последние годы — переход от водяного охлаждения к воздуш­ ному. В настоящее время аппараты воздушного охлаждения (АВО) все шире начинают применять в газоперерабатывающей промышленности. На новых ГПЗ водяное охлаждение практи­ чески полностью отсутствует. Это объясняется большой экономич­ ностью и надежностью работы АВО.

При наличии воздушного охлаждения уменьшается потребле­ ние охлаждающей воды и количество сточных вод, сокращаются затраты труда на очистку аппарата в связи с отсутствием отло­ жений накипи, снижаются расходы на эксплуатацию оборотного водоснабжения и др.

Применение в качестве охлаждающей среды воздуха предо­ твращает коррозию наружной поверхности труб.

Аппараты воздушного охлаждения характеризуются простотой обслуживания и высокой надежностью работы, исключающей не­ обходимость установки резервных аппаратов. В случае остановки вентилятора аппараты воздушного охлаждения могут работать с нагрузкой 25—30% от расчетной благодаря естественной тяге. Из-за низкой тепловой инерции АВО изменение количества и тем­ ператур, поступающих на охлаждение потоков, резко влияет на работу аппарата. Поэтому в них легче, чем в водяных аппа­ ратах, регулировать температуру охлаждаемого продукта.

Один из основных недостатков АВО — большие габариты. Однако этот недостаток компенсируется возможностью монтажа аппаратов на более высоких отметках, чем какое-либо другое обо­ рудование (над трубопроводными эстакадами, емкостями и др.). К недостаткам АВО относится также большой шум, создаваемый работающими вентиляторами.

Основные узлы аппаратов воздушного охлаждения: трубный пучок с коллекторами и рамой (секция); вентилятор с приводом; регулирующие устройства и опорная часть.

418

Аппараты воздушного охлаждения классифицируют по двум основным признакам — назначению и конструкции. По назначе­ нию они делятся на холодильники и конденсаторы. В основу кон­ структивного деления аппаратов воздушного охлаждения положен принцип расположения теплопередающей -поверхности. В зависи­ мости от конструкции они делятся на горизонтальные, вертикаль­ ные, шатровые, кольцевые, зигзагообразные.

Аппарат горизонтального типа с горизонтально расположенной теплопередающей поверхностью показан на рис. V.28, а. Такое конструктивное решение значительно упрощает монтаж и обслу­ живание аппарата и кроме того позволяет полностью использовать подъемную силу нагретого воздуха, особенно при работе аппарата в режиме естественной конвекции. Основной недостаток горизон­ тальных АВО — большая занимаемая ими площадь — она в 4— 10 раз больше, чем площадь, занимаемая кожухотрубчатыми аппа­ ратами. Однако, поскольку они не требуют строительства градирни и могут устанавливаться над оборудованием, эстакадами и др., этот недостаток можно считать несущественным.

Аппараты воздушного охлаждения вертикального типа (рис. 28, б) характеризуются вертикальным расположением тепло­ передающей поверхности. Вентилятор в этом случае располагают сбоку. Аппараты вертикального типа применяют на установках, где требуются относительно небольшие поверхности охлаждения. Вертикальные аппараты занимают небольшую площадь, поэтому они особенно удобны при модернизации или расширении произ­ водства, когда увеличение поверхности теплообмена лимитируется отсутствием площади для ее размещения.

Изображенный на рис. V.28, в аппарат с зигзагообразным рас­ положением секций является одной из наиболее распространен­ ных модификаций.

Однотипные аппараты могут быть соединены в блоки, состоя­ щие из двух, трех и более аппаратов. Воздух подается на труб­ ный пучок при помощи осевого вентилятора. Подачу воздуха варьируют изменением наклона лопастей. Для интенсификации теплопередачи со стороны воздуха трубы имеют оребрение. В на­

стоящее время по технической документации, разработанной во ВНИИнефтемаш, серийно выпускают аппараты воздушного охлаж­ дения с оребренной поверхностью теплообмена от 100 до 20 000 м2, рассчитанные на давления от 6 до 31,4 МПа, в различных мате­ риальных исполнениях. Разработаны также специальные техни­ ческие условия, по которым изготавливают аппараты воздушного охлаждения в северном исполнении для работы при температуре до —55 °С.

ОСНОВЫ ПРОЕКТНОГО И ПОВЕРОЧНОГО РАСЧЕТОВ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Наиболее распространенные виды расчетов теплообменных аппа­ ратов в процессе проектирования новых и реконструирования действующих ГПЗ — проектный и поверочный. Эти расчеты в свою очередь основаны на тепловых и гидромеханических рас­ четах (классификация расчетов взята по [531). Поскольку в про­ цессе расчета пластинчатых теплообменников осуществляют их компоновку из отдельных секций, в состав проектного и повероч­ ного расчетов этих теплообменников входит и конструктивный расчет.

Вгл. 1 раздела IV (см. с. 289) был дан расчет материального

итеплового балансов, в результате которого определялось коли­ чество передаваемого тепла, фазность и параметры потоков, уча­ ствующих в теплообмене. Из теплового и материального балансов были получены основные исходные данные для проектного и по­ верочного расчетов. При проектном расчете определяют площадь

теплопередающей поверхности и гидравлическое сопротивление в аппарате. При этом, по данным технологического расчета и определенной в проектном расчете теплопередающей поверхности, выбирают стандартный аппарат, а затем рассчитывают его гид­ равлическое сопротивление.

передачи в теплообменниках различной структуры, т. е. с раз­ личными схемами тока сред. По мере усложнения структуры теплообменником можно выделить три основные их группы (рис. V. 29):

1. Теплообменник, представляющий собой теплопередаточный элемент или элементарную схему тока сред (например, противоточный, прямоточный аппарат и др.).

2.Ряд элементов (или соответственно аппаратов).

3.Комплекс элементов (совокупность аппаратов с различными, более сложными по сравнению с рядами схемами тока сред).

Теплопередаточный элемент является главной, характерной частью

420