3.2 Расчет теплового баланса

Для конденсатора-холодильника при расчете тепловой нагрузки необходимо учитывать тепло конденсации нефтяных и водяных паров. Для этого составляем тепловой баланс

Q = G_д· (I^п_t1 – I^ж_t2) + G_бенз ·I= G_в·С_в· (t₅ – t₄), (3.37)

где G_д, G_вп, G_в – количество дистиллята, водяных паров и воды, кг/с;

I^п_t1 – энтальпия паров дистиллята при температуре входа в конденсатор-холодильник, кДж/кг;

I^ж_t2 – энтальпия жидкого дистиллята при температуре выхода из конденсатора-холодильника, кДж/кг;

С_вп – теплоёмкость водяных паров, С_вп = 0,48 кДж/(кг·К);

t₁, t₂ – начальная и конечная температуры продукта, °С;

t₃ – температура конденсации водяных паров, °С;

t₄ – температура воды на входе в аппарат, принимаем t₄ = 22 °С;

t₅ – температура воды на выходе из аппарата, принимаем t₅ = 42 °С;

l_вп – теплота конденсации водяного пара, l_вп = 2626 кДж/кг;

l – теплота конденсации бензина, l_вп = 260 кДж/кг;

С_в – теплоёмкость воды, С_в = 4,19 кДж/(кг·К).

Таким образом количество тепла отданное в конденсаторе-холодильнике

Q = 65,038 ·(515,203–96,14) + 61,072·260= 43133,58 кДж/с.

Из уравнения (3.37) определяем количество воды, необходимое для охлаждения

кг/с.

Выбираем противоточную схему теплообмена

. (3.38)

где , – большая и меньшая разности температур соответственно, °С.

Выбираем противоточную схему теплообмена и определяем среднюю разность температур

газы К-200

вода

120 40

42 22

, (3.40)

, (3.41)

.

Принимаем коэффициент теплопередачи К = 0,8 кВт/(м²·К∙с) [26]. Поверхность теплообмена определим по формуле

, (3.42)

.

Выбираем кожухотрубчатый холодильник ГОСТ 14244-79 со следующими размерами:

– диаметр кожуха 1650 мм;

– диаметр труб 20 мм;

– число ходов по трубам 4;

– поверхность теплообмена 740 м²;

– длина труб 9000 мм, расположены в решетке по вершинам треугольников.

- количество аппаратов – 2 шт параллельно.

3.3 Технологический расчет основного аппарата

Основной целью технологического расчета является определение диаметра и высоты аппарата. Тип сепаратора, был задан первоначально, таким образом, необходимо определите размеры трёхфазного отстойника для разделения смеси бензина, газа и воды.

Для того чтобы рассчитать расход газа в условиях сепарации, необходимо учесть сжимаемость газа. С помощью уравнения состояния идеального газа рассчитаем плотности газа при стандартных условиях и в условиях сепарации.

, (3.15)

(3.16)

где  - плотность, кг/м³;

P – давление в сепараторе, Па;

Mr – молекулярная масса, г/моль;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К;

T – температура в сепараторе, K;

z – коэффициент (фактор) сжимаемости газа.

Для того чтобы рассчитать плотность газа необходимо знать его молекулярную массу и коэффициент сжимаемости газа, для этого необходим состав газа.

Задаем состав газа (Таблица 3.2) и рассчитываем молекулярную массу смеси газов.

Таблица 3.6 - Компонентный состав газа.

Компонент	Масс. %	М, г/моль
С4Н10	25	58
i-С4Н10	5	58
С2Н16	30	30
С3Н18	25	44
СН4	15	16

, (3.17)

г/моль.

Рассчитаем плотность газа при стандартных условиях:

кг/м³.

Полученная плотность равна заданной плотности газа (1,4 кг/м³), следовательно, состав газа подобран, верно.

Для того чтобы вычислить плотность газа в условиях сепарации рассчитываем z для каждого компонента смеси газа.

Фактор сжимаемости является функцией приведенных параметров:

, (3.18)

где - приведенные температура и давление, соответственно.

Для соединений, нормальная температура которых не превышает 235К, используют выражение для расчета критической температуры:

(3.19)

Критическое давление (Па) рассчитывается по уравнению Льюиса:

, (3.20)

где Мr – средняя молекулярная масса;

К – константа, которая равна 6,3 – 6,4.

Рассчитываем плотность каждого газа по уравнению (15). Для расчета плотности смеси газов используем принцип аддитивности:

_, (3.21)

где _см - плотность смеси газов, кг/м³;

_i - плотность i-го компонента, кг/м³;

y_i – объемная доля i-го компонента в смеси.

Таким образом, плотность газа в условиях сепарации составит:

кг/м³.

Для того чтобы вычислить расход газа в условиях сепарации необходимо расход газа при стандартных условиях умножить на плотность газа при стандартных условиях и поделить на плотность газа в условиях сепарации.

(3.22)

м³/с.

Производительность сепаратора по газу, как и в случае двухфазного сепаратора, определяется максимальной скоростью газа, при которой капли нефтепродукта успеют осесть в газовой среде.

Данную скорость можно вычислить на основании уравнения Саудер-Брауна.

(3.23)

Обычно значение коэффициента уравнения Саудер-Брауна при горизонтальной ориентации отстойника и наличии лопастного каплеотбойника принимают равным 0,12 м/с.

м/с.

Таким образом, зная скорость и расход газа, мы можем посчитать минимальную площадь сечения, необходимую для газовой фазы.

.

Вычислим скорость осаждения капли воды в слое нефтепродукта. Зададим дополнительное условие на размер капель воды в слое нефтепродукта, которые должны быть больше, чем 500 нм (обводнённость бензина после сепарации должна быть не более 0,0001 %).

где d_p – диаметр капли воды, м;

ρd – плотность дисперсной фазы, кг/м³;

ρс – плотность непрерывной фазы, кг/м³ ;

μ_с – вязкость нефтепродукта, Па*с;

λ – поправочный коэффициент;

Тогда скорость осаждения капли воды в слое нефтепродукта равна:

Данное уравнение обычно используется для расчёта максимальной осевой скорости потока, при этом обычно принимается, что данная скорость равна скорости осаждения/всплытия капли, умноженной на пятнадцать.

.

Для того, чтобы предотвратить образование турбулентных завихрений между нефтяной и водной фазами, аксиальные скорости движения этих двух фаз должны быть постоянны. Рассчитаем минимальную площадь сечения сепаратора, необходимую для разделения водной и нефтяной фаз.

(3.29)

(3.30)

Площадь сечения сепаратора для отделения газа обычно принимается немного больше минимально необходимой:

(3.31)

Таким образом, суммарная условная площадь пустотелового сепаратора равна:

(3.32)

Минимальный условный диаметр пустотелового сепаратора равен:

, (3.33)

.

Отношение длины сепаратора к диаметру называется коэффициентом стройности сепаратора (SR – Slenderness Ratio). Для стандартных сепараторов данное соотношение обычно остаётся примерно постоянным и равно s=3,5 .

Таким образом, условная длина пустотелового сепаратора равна:

. (3.34)

Условный объем сепаратора равен:

. (3.35)

В рассчитываемом сепараторе применяем высокоэффективную насадку PETON с высокой удельной поверхностью – 750 м²/м³ [25]. Реальное сечение сепаратора с данной насадкой:

S = , (3.36)

S = .

Диаметр сепаратора С-200 с насадкой равен:

.

Принимаем стандартный диаметр емкости – 5,6 м.

Высота аппарата, таким образом, составит: