6. ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

6.1. Расчет и подбор насоса

Необходимо произвести выбор и расчёт насоса Н-2 для подачи вакуумного газойля в теплообменник Т-4.

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения вакуумного газойля, равную 1,5 м/с. Тогда диаметр трубопровода равен:

d = (4· Q/(π · ω))^1/2 , (6.1)

где Q – расход вакуумного газойля, м³/с;

ω – скорость вакуумного газойля в трубе, м/с.

Расход вакуумного газойля составляет:

Q = 129109 кг/ч = 129109/(865 · 3600) = 0,0415 кг/с

Тогда:

d = (4 · 0,0415 / (3,14 · 1,5)) ^1/2 = 0,188 м = 188 мм

Выбираем стальную трубу наружным диаметром 194 мм, толщиной стенки 6 мм. Внутренний диаметр трубы 182 мм.

Фактическая скорость вакуумного газойля в трубе равна:

ω = 4Q/(π · d²) , (6.2)

где d – внутренний диаметр трубы, м.

ω = 4 · 0,0415/(3,14 · 0,182²) = 1,6 м/с

Примем, что коррозия трубопровода незначительна.

Определим потери на трение и местные сопротивления. Найдём число Рейнольдса /13/:

Re = (ω · d · ρ) / μ , (6.3)

где ρ – плотность вакуумного газойля, кг/м³;

ω – фактическая скорость вакуумного газойля в трубе, м/с;

d – внутренний диаметр трубы, м;

μ – динамическая вязкость вакуумного газойля, Па·с.

Динамическая вязкость μ = 18,7 · 10^-3 Па·с. /12/.

Re = (1,6 · 0,182 · 865) / (18,7 · 10^-3) = 13470

То есть режим течения турбулентный. Примем абсолютную шероховатость равной Δ = 2 · 10^-4 м. Тогда относительная шероховатость трубы равна:

L = Δ/d (6.4)

L = 2 · 10^-4/0,182 = 0,0011

Далее /13/:

1/L = 909,1; 560 / L = 509090,9; 10/L = 9090,9.

9090,9<Re<509090,9

Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение и коэффициент трения λ /13/:

λ= 0,11(L + 68/Re)^0,25 (6.5)

λ= 0,11(0,0011 + 68/13470)^0,25 = 0,03

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений.

Для всасывающей линии:

• вход в трубу (принимаем с острыми краями): ξ1 =0,5 /13/;

• прямоточные вентили: ξ2 =0,39 /13/;

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

Σξ = ξ1 + ξ2 (6.6)

Σξ = 0,5 + 0,39 = 0,89

Потерянный напор во всасывающей линии /13/:

h_п.вс= (λ · l/d + Σξ) · ω²/2g , (6.7)

где l – длина трубопровода, м.

h_п.вс= (0,03 · 10/0,182 + 0,89) · 1,6²/(2 · 9,81) = 0,33 м.

Для нагнетательной линии:

• отводы под углом 90°: ξ1 = 0,09 /13/;

• нормальные вентили: ξ2 = 4,6 /13/:

• колено с углом 90°: ξ3 = 1,1 /13/;

• выход из трубы: ξ4 = 1 /13/.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии:

Σξ = ξ1 + 2· ξ2 + 2·ξ3 + ξ4 (6.8)

Σξ = 0,09 + 2 · 4,6 + 2 · 1,1 + 1 = 12,49

Потерянный напор в нагнетательной линии находится аналогичным образом:

h_п.наг = (0,03 · 60/0,182 + 12,49) · 1,6²/(2 · 9,81) = 2,92 м.

Общие потери напора:

hп = h_п.вс+ h_п.наг (6.9)

hп = 0,33 + 2,92 = 3,25 м

Находим потребный напор насоса /13/:

H = (p2 – p1)/(ρ · g) + Hг +hп , (6.10)

где р1 – давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость;

р2 – давление в аппарате, в который подают жидкость;

Нг – геометрическая высота подъёма жидкости.

Н = (0,1 · 10⁶ – 0,0066 · 10 ⁶)/(865 · 9,81) + 5 + 3,25 = 19,3 м

Такой напор при заданной производительности обеспечивается одноступенчатыми центробежными насосами.

Полезная мощность насоса /13/:

Nн = ρ · g · H · Q (6.11)

Nн = 865 · 9,81 · 19,3 · 0,0415 = 6,8 кВт

Принимаем ηпер = 1 и ηн = 0,6 (для центробежного насоса средней производительности). Находим мощность на валу двигателя /13/:

N = Nн / (ηн· ηпер) (6.12)

где ηпер и ηн – коэффициенты полезного действия передачи от электродвигателя к насосу и насоса соответственно.

N = 6,8 / (0,6 · 1) = 11,3 кВт

Выбираем центробежный насос марки Х160/29/2, для которого мощность N = 30 кВт, расход сырья Q = 4,5 · 10³ м³/сек, высота нагнетания H = 20 м, число оборотов n = 48,3 с^-1, КПД = 0,65 /13/.

6.2. Расчёт и подбор теплообменника

Рассчитаем теплообменник первой ступени охлаждения вакуумного газойля Т-4. Расчёт теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определим из основного уравнения теплопередачи /13/:

F = Q / (K · Δt_ср), (6.13)

где Q – тепловая нагрузка, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/м²·К;

Δt_ср – средняя разность температур потоков, град.

Средняя разность температур определяется из следующего соотношения /13/:

Δt_ср = (Δt_б – Δt_м)/ln(Δt_б/Δt_м) (6.14)

Составим схему температурных изменений:

262⁰С → 227⁰С

252⁰С ← 169⁰С

Δt_м = 10⁰С Δt_б = 58⁰С

Следовательно, получим:

Δt_ср = (58 – 10)/ln(58/10) = 27,3⁰С.

По табл. 2.1 /13/ задаёмся значением коэффициента теплопередачи К= 320 Вт/м²·К.

Тепловая нагрузка:

Q = G · c · (t_н – t_к) (6.15)

где G – массовый расход вакуумного газойля, кг/с;

с – средняя массовая теплоемкость вакуумного газойля при 262⁰С , Вт/м²·К;

t_н и t_к – начальная и конечная температура вакуумного газойля, ⁰С.

Значит,

Q = 35,86 · 1,85 · 10³ · (262 – 227) = 2321935 Вт

Следовательно, поверхность теплообмена составит:

F = 2321935 / (27,3 · 320) = 265 м².

По ГОСТ 15122 – 79 подбираем теплообменник кожухотрубчатый /13/ со следующими параметрами (табл. 4.1):

Таблица 6.1

Основные параметры кожухотрубчатого теплообменника

с плавающей головкой

Dкожуха, мм	dтруб, мм	Число ходов, z	Площадь сечения одного хода по трубам, м2	Длина труб, м	Поверхность теплообмена, м2
800	25×2	6	2,2 · 10-2	9	271

Проведём проверочный расчёт коэффициента теплопередачи /13/.

Re1 = 4· G / π · d · z · μ (6.16)

где μ – динамическая вязкость вакуумного газойля, Па·с.

Re1 = 4 · 35,86 /(3,14 · 0,025 · 6 · 0,0195) = 15617

Следовательно, у нас турбулентный режим.

Найдём значение критерия Прандтля /13/.

Pr1 = G · μ / λ1 , (6.17)

где λ1 – теплопроводность вакуумного газойля, Вт/м · К.

Pr1 = 35,86 · 0,0195/0,136 = 5,1

Находим коэффициент теплопередачи к жидкости, движущейся по межтрубному пространству турбулентно /13/:

α1= (λ1 / d) · 0,24 · (Re1)^0,6 · (Pr1)^0,36 (6.18)

α1= (0,136 / 0,025) · 0,24 · (15617)^0,6 · (5,1)^0,36 = 770 Вт/(м²·К)

Поправкой (Pr/Prст)^0,2 можно пренебречь, так как значение Δtср небольшое. Найдём коэффициент теплопередачи к теплоносителю, движущемуся по трубам (мазуту) /13/.

α2= (λ2 / d) · 0,023 · (Re2)^0,8 · (Pr2)^0,4 (6.19)

Критерий Рейнольдса:

Re2 = (4 · 72,7)/(3,14 · 0,020 · 6 · 0,024) = 32156

Следовательно, режим течения турбулентный:

λ2 = 0,128 Вт/м·К

Значение критерия Прандтля:

Pr2 = (72,7 · 0,024)/0,128 = 13,4

Тогда коэффициент теплоотдачи равен:

α2 = (0,128 / 0,020) ·0,023 · (32156)^0,8 · (13,4)^0,4 = 1677 Вт/м²·К

Оба теплоносителя – нефтепродукты. Следовательно, примем термические сопротивления одинаковыми: σ1 = σ2 = 1/2900 м²·К/Вт /13/.

Выберем нержавеющую сталь в качестве материала труб. Теплопроводность нержавеющей стали примем λст = 17,5 Вт/м·К. Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнения равна /13/:

∑(δ/λ) = δст/λст + 1/σ1 + 1/σ2 (6.20)

∑(δ/λ) = (0,002/17,5 ) + (1/2900) + (1/2900) = 0,000804 м²·К/Вт

Коэффициент теплопередачи /13/:

К= 1/((1/α1) + (1/α2) + Σ(δ/λ)) (6.21)

К= 1/((1/770) + (1/1677) + 0,000804) = 370 Вт/м²·К

Тогда требуемая поверхность составит

F = 2321935/370 · 27,3 = 230 м²

Выбранный теплообменник подходит с запасом:

Δ = (271 – 230) ·100/230 = 17,8 %.