Примеры и задания по процессам и аппаратам нефтегазопереработки и нефтехимии. Учебно-методическое пособие
.pdf6.2.2. Числовой пример расчета кипения органической жидкости (табл. 6.5)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6.5 |
|
|
|
|
Результаты расчета коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кипение орган. жидкости |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Межтрубное пространство (конденсирующийся НВП) |
|
Трубное пространство (кип. жидкость) |
|||||||||||||||
|
Формула |
|
|
|
|
|
|
Фор- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Числовые значения |
|
Резул. |
мула |
|
|
Числовые значения |
|
|
Резул. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(6.5) |
|
Q2 = 5·431 |
|
2155 |
(6.6) |
|
|
|
G1 = 2155/2234 |
|
|
0,965 |
|||||
|
|
|
] |
|
|
|
|
(6.7) |
|
|
ρп = 72·273·760/22,4·353·760 |
|
2,486 |
|||||
|
|
вер. |
I8 :∙ , 8∙ 8% |
|
|
|
|
|||||||||||
|
(6.3) |
α |
=3,78·0,6855·‡ |
|
|
|
7424 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, 8O∙ s]∙ ,IO8 |
|
(6.8) |
|
|
|
] |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
,"LO |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В = 0,075 + 0,75·‡6 |
|
7 |
|
|
0,0921 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
% 8K ,"LO |
|
||||||
40 |
(6.9) |
|
|
|
|
|
tст.зад. = 110-14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
96 |
|
|
|
|
|
|
|
∆t = 96-80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
||
|
(6.10) |
|
3 |
2 |
2 |
-3 |
|
-3· |
353) |
|
|
|
|
|
2003 |
|||
|
|
|
α2 = 0,0921 ·0,161 ·725·16 /(0,286·10 |
·18,1·10 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
(5.11) |
|
|
∑rст = 1/5800 +0,002/46,5 + 1/10000 |
|
|
|
|
|
|
0,000315 |
|||||||
|
(5.12) |
|
|
Kр = 1/(1/7424 + 0,000315 + 1/2003) |
|
|
|
|
|
|
1054 |
|||||||
|
(6.15) |
|
|
|
|
|
∆tср =110 – 80 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
(5.13) |
|
|
|
|
Fр = 1000·2155/(1054·30) |
|
|
|
|
|
|
|
68 |
||||
|
(6.11) |
|
|
|
|
tст.расч. = 80 + 1054·30/2003 |
|
|
|
|
|
|
|
95,8 |
||||
|
(6.12) |
|
|
|
|
|
∆t' = 96 – 95,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,2 |
|
40
|
|
|
|
|
|
Таблица 6.6 |
|
Результаты расчета коэффициента теплопередачи при кипении |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
№ вар. |
α1вер. |
α2 |
Kр |
Fр |
Температура стенки, ° С |
||
Заданная |
Расчетная |
||||||
|
|
|
|
|
|||
25 |
7424 |
2003 |
1054 |
68 |
96 |
95,8 |
|
Варианты органических жидкостей для проведения расчетов коэффициента теплопередачи при кипении приведены в прил. 6 (табл. П6.3).
Вопросы для самоподготовки
1.Какие виды кипения могут протекать в теплообменных аппаратах, какой из них эффективнее?
2.Какие существуют зоны и участки при кипении в вертикальных трубках?
3.Как рассчитывается теплота, необходимая для организации процесса кипения?
4.Сравните коэффициенты теплоотдачи при конденсации НВП и кипении органической жидкости?
5.Какова последовательность расчета коэффициента теплоотдачи при кипении?
6.Каким образом можно снизить поверхность теплообмена?
41
Тема 7. РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННИКА. КОНСТРУКТИВНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
7.1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Для увеличения скорости теплоносителя в трубном и межтрубном пространстве теплообменника устанавливаются перегородки. При этом интенсифицируется процесс теплообмена между средой и стенками труб. Это позволяет сократить затраты на изготовление аппарата за счет сокращения необходимой площади теплообмена [8, 9].
Однако увеличение скорости движения теплоносителей приводит к росту гидравлического сопротивления аппарата. При гидравлическом расчёте теплообменного аппарата необходимо определить сопротивление среды как в межтрубном, так и в трубном пространстве.
7.1.1.Расчет гидравлического сопротивления
вмежтрубном пространстве
Расчёт гидравлического сопротивления проводится по стандартной схеме: V1 → w1 → Re1 с использованием уравнений (5.1) – (5.3).
Диаметр штуцера определяется по уравнению
ž9 |
|
штуц ‡ ,%L8∙Ÿдоп, м, |
(7.1) |
где wдоп.= 0,6 м/с для движения жидкости самотёком.
Принимается ближайший диаметр штуцера в сторону увеличения (Dy в мм) по табл. 15 [5] или по табл. 4 [8]. После этого уточняется скорость в штуцере wштуц. по уравнению
ž9 :,м/c, (7.2)
,%L8∙¡у
где Dy, м.
Гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве рассчитывается по уравнению
|
&∙Eр∙'¢ ( |
|
¥ Ÿ: |
¥ Ÿ: |
¥9Ÿ9штуц: |
|
|
∆[мтр |
£¤),: |
∙ |
9 9+1,5∙ ¦ ∙ |
9 9+3∙ |
|
, Па, |
(7.3) |
|
|||||||
|
9 |
|
|
|
|
|
|
42
где np – число рядов труб в трубной решетке по вертикали; m – число сегментных перегородок в межтрубном пространстве [5], шт.
7.1.2.Расчет гидравлического сопротивления
втрубном пространстве
Расчёт гидравлического сопротивления проводится по стандартной схеме: V2→ w2 → Re2 с использованием уравнений (5.1) – (5.3).
Диаметр штуцера определяется по уравнению
|
|
|
|
штуц ‡ |
ž: |
, м, |
(7.4) |
,%L8∙Ÿ |
|||
|
доп |
|
|
где wдоп.=1,5 м/с при движении жидкости с помощью насоса. Принимается ближайший диаметр штуцера в сторону увеличения
(Dy, мм) по табл. 15 [5] или по табл. 4 [8]. После этого уточняется скорость в штуцере w по уравнению
|
ž: |
|
|
штуц |
|
, м/с, |
(7.5) |
,%L8∙¡: |
|||
|
у |
|
|
где Dy, м.
Коэффициент трения λт является функцией режима движения потока (критерия Рейнольдса) и относительной шероховатости стенки трубы ε = е/dэ, где е – средняя высота выступов на стенках трубы. Для стальных труб при незначительной коррозии принимаем е=0,2 мм.
Коэффициент трения λт рассчитывается по уравнению
|
|
© |
|
O,L |
,I |
|
|
|
|
A2 ST ¨ |
|
6 |
|
7 |
|
ª. |
(7.6) |
§|т |
&,% |
£¤: |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве рассчитывается по уравнению
Ž∙¬ |
|
W Ÿ: |
n2,5'- A 1( 2-p ∙ |
W ∙Ÿ: |
|
¥:Ÿ:штуц: |
|
∆«тр λт Qэ |
∙ |
: : |
: : |
2 1,5 |
|
, (7.7) |
|
|
где L – длина трубок, м; z – число ходов в трубном пространстве. Делаются четыре расчета при разных Sтр и z при определенном L.
43
7.2. ЧИСЛОВОЙ ПРИМЕР РАСЧЕТА (ТАБЛ. 7.1)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 7.1 |
|
|
Результаты расчета гидравлического сопротивления теплообменника |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Гидравлическое сопротивление |
|
|
|
|
20 x 2 |
||||||||
|
Формула |
Межтрубное пространство |
|
|
|
|
|
Трубное пространство |
|
||||||||
|
|
(орг. жидкость) |
|
|
|
|
|
|
(вода) |
|
|
|
|||||
|
|
Числовые значения |
|
Резул. |
|
|
|
|
Числовые значения |
|
|
Резул. |
|||||
|
(5.1) |
V1 = 10/733 |
|
0,01364 |
|
|
|
|
V2 = 32,7/996 |
|
|
0,03283 |
|||||
|
(5.2) |
W1 = 0,01364/0,041 |
|
0,333 |
|
|
|
|
W21 = 0,03283/0,078 |
|
|
0,421 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W22 = 0,03283/0,037 |
|
|
0,887 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W23 = 0,03283/0,016 |
|
|
2,052 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W24 = 0,03283/0,009 |
|
|
3,648 |
|||
|
(5.3) |
-3 |
|
6005 |
|
|
|
|
|
|
-3 |
|
|
8343 |
|||
|
Re1 = 0,333·0,02·733/0,813·10 |
|
|
|
|
Re21 = 0,421·0,016·996/0,800·10 |
|
|
|||||||||
44 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-3 |
|
|
17590 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Re22 = 0,887·0,016·996/0,800·10 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-3 |
|
|
40670 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Re23 = 2,052·0,016·996/0,800·10 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-3 |
|
|
72310 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Re24 = 3,648·0,016·996/0,800·10 |
|
|
|||||
|
(7.1, |
|
|
|
|
0,17 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,167 |
d1штуц.=‡ |
, &O" |
|
|
|
|
d2штуц.=‡ |
, & L& |
|
|
||||||||
|
7.4) |
,%L8∙ ,O |
|
|
Dy1=200 |
|
|
|
|
,%L8∙ ,8 |
|
|
|
Dy2=200 |
|||
|
(7.2, 7.5) |
W1штуц. = 0,01364/0,785·0,22 |
|
0,434 |
|
|
|
|
W2штуц. = 0,03283/0,785·0,22 |
|
|
1,045 |
|||||
|
|
0,2 |
|
|
|
|
|
=-2·ST[(0,2/16)/3,7 + (6,81/8343) |
0,9 |
|
|
||||||
|
(7.3) |
∆pмтр= (3·11·(22+1)/14442 · |
|
|
|
|
] |
4,748 |
|||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
·733·0,333 /2+ |
|
|
|
§®т9 |
λт1 = 1/4,748 |
2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
+1,5·22·733·0,333/2+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0474 |
|||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
8216 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+1,5·733·0,434 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
44
Окончание табл. 7.1
|
|
|
Гидравлическое сопротивление |
20 x 2 |
||||||
|
Формула |
Межтрубное пространство |
|
|
|
|
Трубное пространство |
|
||
|
|
(орг. жидкость) |
|
|
|
|
|
|
(вода) |
|
|
|
Числовые значения |
|
Резул. |
|
|
|
|
Числовые значения |
Резул. |
|
(7.6) |
|
|
|
|
|
|
|
-2·ST[(0,2/16)/3,7 +(6,81/17590)0,9] |
4,748 |
|
|
|
|
§®т: |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λт2 = 1/4,7482 |
0,0444 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7.6) |
|
|
|
|
|
-2·ST[(0,2/16)/3,7 + (6,81/40670)0,9] |
4,846 |
||
|
|
|
|
§®т] |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λт3 = 1/4,8462 |
0,0426 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(7.6) |
|
|
|
|
|
-2·ST[(0,2/16)/3,7 + (6,81/72310)0,9] |
4,883 |
||
|
|
|
|
§®тq |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λт4 = 1/4,8832 |
0,0419 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
45 |
(7.7) |
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
∆pтр1 = 0,0474·6·1/0,016·996·0,421/2 + |
|
||||
|
|
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
+ [2,5·(1-1)+2·1]·996·0,421/2 + |
|
||||
|
|
|
|
|
2 |
3377 |
||||
|
|
|
|
|
+1,5·996·1,045 |
|||||
|
(7.7) |
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
∆pтр2 = 0,0444·6·2/0,016·996·0,887/2 + |
|
|||
|
|
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
+ [2,5·(2-1)+2·2]·996·0,887/2 + |
|
||||
|
|
|
|
|
2 |
17225 |
||||
|
|
|
|
|
+1,5·996·1,045 |
|||||
|
(7.7) |
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
∆pтр3 = 0,0426·6·4/0,016·996·2,052/2 + |
|
|||
|
|
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
+ [2,5·(4-1)+2·4]·996·2,052/2 + |
|
||||
|
|
|
|
|
2 |
168462 |
||||
|
|
|
|
|
+ 1,5·996·1,045 |
|||||
|
(7.7) |
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
∆pтр4 = 0,0419·6·6/0,016·996·3,648/2 + |
|
|||
|
|
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
+ [2,5·(6-1)+2·6]·996··3,648/2 + |
|
||||
|
|
|
|
|
2 |
789793 |
||||
|
|
|
|
|
+ 1,5·996·1,045 |
|||||
45
Таблица 7.2
Результаты расчета гидравлического сопротивления теплообменника
№ |
|
Межтрубное |
|
|
Трубное пространство |
|
||||
|
|
пространство |
|
|
|
|
|
|
|
|
26 |
D1шт. |
W1шт. |
Re1 |
∆Pмтр |
D2шт |
W2шт. |
∆pтр1 |
∆pтр2 |
∆pтр3 |
∆pтр4 |
|
200 |
0,434 |
6005 |
8216 |
200 |
1,045 |
3377 |
17225 |
168452 |
789793 |
Варианты теплообменных аппаратов для проведения расчетов гидравлического сопротивления по трубному и межтрубному пространству приведены в прил. 7(табл. П7.1, П7.2).
Вопросы для самоподготовки
1.Последовательность расчета гидравлического сопротивления теплообменника.
2.Как рассчитывается и подбирается диаметр штуцера?
3.Какие факторы влияют на гидравлическое сопротивление межтрубного пространства?
4.По какой формуле рассчитывается гидравлическое сопротивление межтрубного пространства?
5.Какие факторы влияют на гидравлическое сопротивление трубного пространства?
6.От чего зависит коэффициент трения?
7.По какой формуле рассчитывается гидравлическое сопротивление трубного пространства?
46
ЗНАКОМСТВО С КОНСТРУКЦИЕЙ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
На семинарском занятии предполагается рассмотрение конструкций поверхностных рекуперативных теплообменников и теплообменников смешения.
Для этой цели могут использоваться эскизы теплообменного оборудования, выполненные в течение семестра.
В задачи семинара входит обсуждение интенсификации процесса теплообмена за счет увеличения числа ходов по трубному и межтрубному пространству, размещения турбулизаторов, использования тепловых труб.
На обсуждение выносятся следующие конструкции теплоиспользующего оборудования.
1.Одноходовой теплообменник жесткого типа.
2.Двухходовой теплообменник с линзовым компенсатором.
3.Двухходовой теплообменник с U-образными трубками.
4.Двухходовой теплообменник с «плавающей головкой».
5.Четырехходовой теплообменник с «плавающей головкой».
6.Шестиходовой теплообменник с линзовым компенсатором.
7.Вертикальный кипятильник с обвязкой.
8.Горизонтальный испаритель (рибойлер) с обвязкой.
9.Прямоточный поверхностный конденсатор с обвязкой.
10.Противоточный поверхностный конденсатор с обвязкой.
11.«Мокрый» конденсатор смешения (РМК-сепаратор).
12.«Мокрый» конденсатор смешения объемного типа с сепаратором.
13.Насадочный скруббер для охлаждения ПГС водой.
14.«Сухой» полочный конденсатор смешения.
15.Нагревательная печь с воздухоподогревателем.
16.Котёл-утилизатор с обвязкой.
17.Теплообменник «труба в трубе».
18.Аппарат воздушного охлаждения.
19.Емкостной аппарат с мешалкой, змеевиком и рубашкой.
47
Тема 8. РАСЧЕТ ТЕПЛОТЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА, ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ, РАСХОДА ТОПЛИВА
8.1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА ОГНЕТЕХНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
8.1.1.Расчет теплоты сгорания
иэлементарного состава топлива
Расчет проводится для трубчатой печи по перегреву насыщенного водяного пара.
По известному составу газообразного топлива рассчитывается
объёмная теплота сгорания топлива по уравнению |
|
||||||||
|
|
|
Qнр=∑(Qнр,i·yi), МДж/м3, |
(8.1) |
|||||
где Qнр,i – |
низшая объёмная теплота сгорания i-того компонента топ- |
||||||||
лива, МДж/м3 (табл. 8.1); yi – |
мольная (объёмная) доля компонента |
||||||||
топлива. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 8.1 |
Низшие объёмные теплоты и мольные массы углеводородов |
|||||||||
|
|
|
газообразного топлива |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Компон. |
|
СН4 |
С2Н6 |
|
С3Н8 |
|
С4Н10 |
С5Н12 |
|
Qнр,i |
|
35,84 |
63,80 |
|
91,32 |
|
118,73 |
146,10 |
|
Мi |
|
16,0 |
30,1 |
|
44,1 |
|
58,1 |
72,2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Мольная масса топлива рассчитывается по уравнению |
|
||||||||
|
|
|
Мт = ∑Мi·yi. |
|
|
(8.2) |
|||
Плотность газообразного топлива при нормальных условиях |
|||||||||
определяется по формуле |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
ρ0 = Мт/22,4, кг/м3. |
(8.3) |
|||||
Массовая теплота сгорания газообразного топлива определяется |
|||||||||
по уравнению |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
н |
|
н |
МДж/кг. |
(8.4) |
||
|
|
|
Q̅р |
= Q р/ρ0, |
|||||
Элементарный состав топлива (% мас.) рассчитывается по фор- |
|||||||||
мулам: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С = (12,01/М )·∑nc ·y , |
(8.5) |
|||||
|
|
|
|
|
т |
i |
i |
|
|
|
|
|
|
48 |
|
|
|
|
|
где nci – число атомов углерода в молекулах отдельных компонентов;
Н = (1,008/Мт)∑nнi·yi, (8.6)
где nнi – число атомов водорода в молекулах отдельных компонентов. Проверка полученных значений С+Н=100% ± 0,28 % мас.
8.1.2. Определение теоретического и действительного расхода воздуха
Теоретический расход воздуха определяется по формуле |
|
L0 = 0,115·С + 0,345·Н, кг/кг топлива. |
(8.7) |
Действительный расход воздуха определяется по формуле |
|
L = L0·α, кг/кг топлива, |
(8.8) |
где α – заданный в задании коэффициент избытка воздуха.
8.1.3. Определение массы, теплоемкости и энтальпии продуктов сгорания
Масса продуктов сгорания (кг/кг топлива), образующихся при
сжигании 1 кг топлива, определяется по уравнениям: |
|
|
¦СО:= 0,03667·C; |
|
(8.9) |
¦Н:О = 0,090·Н; |
|
(8.10) |
¦z: = α·L0·0,768; |
|
(8.11) |
¦О: = L0·(α-1)·0,232. |
(8.12) |
|
Общая масса продуктов сгорания: |
¦z: + ¦О:. |
|
¦п.с.= ¦СО: + ¦Н:О + |
(8.13) |
|
Полученная сумма проверяется по уравнению:
¦п.с.= 1 + α·L0, кг/кг топлива. (8.14)
Теплоёмкость и энтальпия продуктов сгорания 1 кг топлива в интервале 200÷500 ° С рассчитывается с использованием данных табл. 8.2.
49