Гидравлический расчет испарителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

					Курсовой проект расчет вертикального кожухотрубчатого испарителя
Изм	Лист	№ докум.	Подп.	Дата
Разраб.	Новгородцева			Расчетная часть	Лит.	Лист	Листов
Пров.	Дерюгина .О.П							3	39
					ТюмГНГу ИПТИ гр. ХТМбзс-13-1
Н.контр.

Введение

Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты.

Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Удельный вес на предприятиях химической промышленности теплообменного оборудования составляет в среднем 15-18 %, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностях 50 %. Значительный объем теплообменного оборудования на химических предприятиях объясняется тем, что почти все основные процессы химической технологии (выпаривание, ректификация, сушка и др.) связаны с необходимостью подвода или отвода теплоты.

Большое количество используемых при нефтепереработке теплообменных аппаратов определяют большое многообразие их типов:

§ Кожухотрубные теплообменники

§ Элементные теплообменники,

§ Двухтрубные теплообменники типа "труба в трубе

§ Витые теплообменники

§ Погружные теплообменники

§ Оросительные теплообменники

§ Ребристые теплообменники

§ Спиральные теплообменники

§ Пластинчатые теплообменники

§ Пластинчато-ребристые теплообменники

§ Графитовые теплообменники

Наиболее часто на предприятиях можно встретить U-образные кожухотрубные теплообменники и теплообменники типа «труба в трубе». Минимальное количество нефтепереработчиков использует витые и спиральные кожухотрубные теплообменные аппараты.

Условия проведения процессов теплообмена в промышленных аппаратах чрезвычайно разнообразны. Эти аппараты применяют для рабочих сред с различным агрегатным состоянием и структурой в широком диапазоне температур, давлений и физико-химических свойств. Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена. В размерном ряду теплообменники различаются по допускаемым давлениям и температурам рабочей среды, а также по материалам, из которых изготовлен аппарат.

1. Теоретическая часть

1.1 Классификация теплообменных аппаратов применяемых в нефтегазопереработке

В аппаратах, где идет нагрев или охлаждение, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, другой охлаждается. Поэтому их называют теплообменными аппаратами вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата - нагрев или охлаждение, какие потоки обмениваются теплом, происходит ли при этом только нагрев и охлаждение или же теплообмен сопровождается испарением или конденсацией.

Применительно к нефтеперерабатывающей промышленности, теплообменные аппараты классифицируются по таким основным признакам, как способ передачи тепла и назначение.

1. В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы:

-- поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды;

-- аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит путем их соприкосновения.

Для изготовления теплообменных аппаратов смешения требуется, как правило, меньше металла; кроме того, во многих случаях они обеспечивают более эффективный теплообмен. Однако, несмотря на эти преимущества, аппараты смешения часто нельзя использовать вследствие недопустимости прямого соприкосновения потоков.

Поверхностные теплообменные аппараты можно разделить на следующие типы по конструктивным признакам:

а) кожухотрубчатые теплообменники (жесткого типа; с линзовым компенсатором на корпусе; с плавающей головкой; с линзовым компенсатором на корпусе, с плавающей головкой; с U- образными трубками)

б) теплообменники типа «труба в трубе»

в) подогреватели с паровым пространством (рибойлеры)

г) погружные конденсаторы-холодильники

д) конденсаторы воздушного охлаждения

2. В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы:

-- теплообменники, в которых один поток нагревается за счет использования тепла другого, получаемого в процессе и подлежащего охлаждению. В таких теплообменниках нагрев одного и охлаждение другого потока позволяет сократить расход подводимого извне тепла (сократить расход топлива, греющего водяного пара) и охлаждающего агента. К этой группе аппаратов относятся теплообменники для нагрева нефти на установке, осуществляемого за счет использования тепла отходящих с установки дистиллятов, остатка, а также промежуточного циркуляционного орошения. Сюда относятся также котлы-

утилизаторы, где получают водяной пар за счет использования тепла нефтепродуктов, дымовых газов или катализатора на установках каталитического крекинга. К этой группе относятся и регенераторы холода;

-- нагреватели, испарители, кипятильники, в которых нагрев или нагрев и частичное испарение осуществляются за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей (водяной пар, пары углеводородов, специальные высококипящие жидкости). В таких аппаратах нагрев или испарение одной среды является целевым процессом, тогда как охлаждение горячего потока является побочным и обусловливается необходимостью нагрева исходного холодного потока. Примером аппаратов этой группы могут служить нагреватели сырья, использующие тепло водяного пара, кипятильники, при помощи которых в низ ректификационной колонны подводится тепло, необходимое для ректификации;

-- холодильники и конденсаторы, предназначенные для охлаждения жидкого потока или конденсации и охлаждения паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан). Охлаждение и конденсация в этих аппаратах являются целевыми процессами, а нагрев охлаждающего агента -- побочным. К таким аппаратам относятся холодильники конденсаторы любой нефтеперерабатывающей установки, предназначенные для охлаждения и конденсации получаемых продуктов.

При регенерации тепла того или иного продукта его окончательное охлаждение до температуры, требуемой для безопасного транспорта и хранения, обычно завершается в холодильниках.

1.2 Теоретические основы теплопередачи

теплообменный испаритель температура пар

Передача тепла от одного тела к другому или между различными точками пространства может быть осуществлена тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность. Процесс передачи тепла при непосредственном соприкосновении тел или отдельных частей одного тела, имеющих разные температуры, называется теплопроводностью.

Механизм переноса тепла теплопроводностью зависит от агрегатного состояния тела. В жидкостях и твердых телах - диэлектриках - передача тепла осуществляется в результате обмена энергией теплового движения атомов и молекул между соседними частицами. В металлах теплоперенос осуществляется главным образом в результате диффузии свободных электронов. В газах теплопроводность обусловлена как обменом энергией при соударении молекул и атомов, так и их диффузией.

Количество тепла, которое передается теплопроводностью, пропорционально разности температур теплообменивающихся тел. Например, при движении по трубам теплообменника нефть получает тепло от более нагретого потока через стенку трубы в результате теплопроводности.

Конвекция. Перенос тепла из одной точки пространства в другую за счет движения среды из области с одной температурой в область с другой температурой называется конвекцией. При этом суммарный перенос тепла определяется как теплопроводностью среды, так и законами ее движения.

Различают вынужденную и свободную конвекцию. В первом случае перемещение среды обусловлено каким-либо внешним источником, например насосом, вентилятором; во втором случае - разностью плотностей холодных и нагретых участков среды.

Вблизи нагретой поверхности плотность среды меньше, что обусловлено более высокой температурой. тогда как в других частях плотность выше. Поэтому у поверхности нагрева наблюдается восходящий поток нагретой среды и нисходящий поток более холодной среды в удалении от нагретой поверхности. Поскольку явление конвекции связано с перемещением частиц среды одной относительно другой, его рассматривают в газах и жидкостях, включая расплавленные металлы.

Примером свободной конвекции является нагревание (охлаждение) жидкостей в резервуарах и емкостях. При принудительном движении жидкостей насосом в тех же случаях имеем принудительную конвекцию.

Теплообмен излучением. Под теплообменом излучением понимают процесс переноса тепла, обусловленный превращением энергии движения молекул тела в лучистую энергию. Количество излучаемой энергии определяется температурой тела, состоянием его поверхности, свойствами тела. Излучаемая нагретым телом энергия передается другим телам. При этом часть лучистой энергии частично отражается от поверхности тела, ее воспринимающего, частично поглощается телом, а частично проходит сквозь тело. Поглощенная лучистая энергия превращается вновь во внутреннюю энергию, идет на повышение температуры тела.

Тело, отражающее все падающие на него лучи, называется абсолютно белым, а поглощающее все лучи - абсолютно черным. Прозрачные или диатермические тела полностью пропускают всю лучистую энергию.

Основные законы излучения получены для абсолютно черного тела в условиях теплового равновесия.

В промышленных аппаратах различные способы передачи тепла сопутствуют друг другу. Так, нагрев нефтепродукта в трубчатой печи связан с излучением тепла от нагретых продуктов сгорания к стенке трубы, передачей тепла теплопроводностью через стенку трубы и вынужденной конвекцией внутри трубы.

Основным законом теплопроводности является закон Фурье, который формулируется следующим образом: количество тепла dQ, переданное в единицу времени через элемент поверхности dF, пропорционально градиенту температуры

dQ=-л(dt/dn)dF;

Для расчета величины теплового потока dQ от элемента поверхности dF к жидкости (газу) или в обратном направлении используют закон Ньютона:

dQ=a(t_ст--t_c)dF;

Основное уравнение теплопередачи между двумя средами, разделенными - стенкой:

dQ= К (t₁-- t₂) dF;

Через плоскую однородную стенку поверхностью F и толщиной б тепло Q передается теплопроводностью. Коэффициент теплопроводности материала стенки равен л. Согласно закону Фурье можно записать следующее выражение:

Q=-л(dt/dx)F;

Отношение л/д называется тепловой проводимостью стенки, а обратная величина д/л--тепловым сопротивлением. Общее количество переданного через плоскую стенку тепла равно:

Q=qF=л/д(t_ст1-t_ст2)F.

Критериальные уравнения при теплопередаче конвекцией.

1 Критерий Нуссельта:

2 Nu=бl/л;

3 Критерия Стантона St, который представляет собой комбинацию критериев Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля:

St=Nu/Re Pr = б/cp;

4 Критерий Прандтля:

Pr=µcp/л=v/б;

5 Критерий Грасгофа:

Gr=gвl2t/v²;

6 Критерий Галилея:

Ga=Re²/Fr=gl³/v²;

7 Критерий Архимеда:

Аг= Ga;

8 Критерий Рейнольдса:

Re=wl/µ=wl/v.

Закон Стефана -- Больцмана. Этот закон гласит, что излучательная способность абсолютно черного тела Е₀ пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры Т:

Е₀=С₀(Т/100)⁴;

Закон Кирхгофа. Излучательная Е и поглощательная А способности тела подчиняются закону Кирхгофа, который устанавливает, что при данной температуре отношение излучательной способности тела Е к его поглощательной способности А равно излучательной способности абсолютно черного тела Е₀ при той же температуре:

Е\А=Е₀\А₀=Е₀;

Закон Ламберта. Закон Ламберта устанавливает, что угловая интенсивность излучения с единицы поверхности абсолютно черного тела в каком-либо направлении пропорциональна косинусу угла между этим направлением и нормалью к поверхности:

В= В_n cos .

1.3 Назначение испарителей

Подогреватели используют для нагрева жидкостей тогда, когда по различным причинам применение трубчатых печей исключается. Обычно это связано с необходимостью иметь некоторую свободную поверхность нагреваемой жидкости для испарения ее отдельных фракций. Подогреватели с паровым пространством используют, в частности, для отпарки из остатков от переработки нефти фракций, которые подвергаются дальнейшей ректификации, для отпарки из экстракта или рафината селективных растворителей и т. д.

В большинстве случаев в качестве теплоносителя используют водяной пар, однако возможно применение и жидких теплоносителей. Водяной пар как нагревающий агент имеет ряд преимуществ перед другими теплоносителями: обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи и более равномерный обогрев (так как конденсация пара происходит при постоянной температуре), позволяет легко регулировать этот процесс в подогревателе и т. д. В основном используют насыщенный или отработанный пар. Учитывая, что тепло перегрева очень мало по сравнению с теплом конденсации, перегретый пар применяют довольно редко.

Тепло конденсации пара следует использовать возможно полнее. Для этого на выходе конденсата рекомендуется устанавливать конденсационные горшки или мерные конденсатоотводные шайбы, препятствующие пролету несконденсировавшегося пара, иначе расход водяного пара в подогревателях будет большим.

Устройство и ремонт аппаратов

Подогреватель с паровым пространством представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат со сферическими днищами, внутри которого размещают один-три пучка теплообменных труб. В корпус подают нефтепродукт, который нагревается паром, пропускаемым через трубные пучки.

Согласно нормалям, корпус подогревателя рассчитан на давления 8, 16 и 25 кгс/см², а трубный пучок -- на давления 16, 25 и 40 кгс/см². Внутренний диаметр корпуса характеризуется следующими значениями: 1400, 1600, 2000, 2400 и 3000 мм. В зависимости от конструкции свободного конца трубного пучка различают подогреватели с пучком, имеющим плавающую головку (шифрПП), и с пучком из U-образных труб (ПУ).

Отличительными особенностями применяемых в подогревателях трубных пучков являются фланцевое соединение крышки плавающей головки и подвижной решетки и, в случае необходимости, неравномерное распределение ходов по числу труб. Последнее обстоятельство дает возможность полнее использовать поверхность теплообмена, для чего сначала пар пропускают через большее число труб, а затем образующийся в процессе теплопередачи конденсат -- через меньшее число труб. Трубные пучки подогревателей обладают большой жесткостью за счет толстых поперечных перегородок (до 10 мм) и распорных трубок, стягиваемых специальными стяжками.

На рисунке 1 представлен подогреватель с паровым пространством и плавающей головкой. Конструкция ее обеспечивает рациональную работу аппарата при достаточно большом зеркале испарения. Для этого трубный пучок имеет низкую посадку, а регулированием сливной пластины 4 можно достигнуть требуемого уровня жидкости. Высота свободного пространства над ним не должна быть менее 0,35 D_ВН. В то же время необходимо, чтобы пучок был полностью погружен в жидкость на глубину не менее 100 мм.



Рисунок 1 - Подогреватель с паровым пространством и плавающей головкой: 1-корпус; 2-трубный пучок; 3-распределительный барабан; 4-сливная пластина; 5-опорная балка; 6-платформа; 7-отбойный козырек; 8-штуцер для каната при затаскивании трубного пучка.

Жидкость, подаваемая в корпус подогревателя после частичной или полной отпарки, через пластину 4 проваливается в задний отсек, откуда затем ее откачивают. Уровень жидкости в отсеке должен поддерживаться автоматически при помощи регулятора уровня. Достаточным следует считать уровень до 0,5 диаметра, при котором возможна надежная откачка жидкости и предотвращается попадание паров в приемную линию насоса. В некоторых случаях, стремясь избежать попадания в насос твердых отложений (в частности, кокса), патрубок приемного штуцера выполняют так, чтобы он несколько выступал внутрь и был защищен колпаком.

Для гашения струи поступающей в аппарат жидкости в нем над приемным штуцером устанавливают отбойный козырек 7 (рисунок 1). Он предназначен для равномерного распределения жидкости по поверхности пучка и защиты его нижних труб от возможной эрозии струей, особенно при низком расположении пучка.

Ремонт аппарата затруднений не вызывает и в основном сводится к ремонту и чистке трубного пучка. Для удобства извлечения его устанавливают на двух уголках платформы 6 (рисунок 1), покоящихся на поперечных балках 5, приваренных к корпусу. При затаскивании пучка пользуются штуцером 5, через который пропускают тросе, привязанный к концу пучка.

Подогреватели, как и другие теплообменные аппараты, с целью свободного восприятия их корпусами температурных деформаций устанавливают на фундаменте на двух опорах -- неподвижной и подвижной.

1.4 Обслуживание и чистка теплообменников

Наиболее часто отложения зависят от температуры, и при фиксированной мощности теплообменник с развитой поверхностью имеет меньшую температуру металла, чем в случае применения гладких труб. Тем самым снижается скорость образования отложений. Продольный поток также не имеет застойных зон, в которых могут накапливаться отложения. Наконец, когда на поверхности накапливаются отложения (уменьшаются коэффициенты теплоотдачи), увеличивается эффективность оребрения и тем самым частично компенсируются потери в теплоотдаче.

Ремонт и очистку теплообменной аппаратуры от накипи и загрязнений проводят в сроки, предусмотренные инструкциями. Перед началом работ полностью освобождают теплообменную аппаратуру от нефтепродуктов, открывают крышку, промывают трубное и межтрубное пространство водой, продувают паром и только после этого приступают к механической или химической очистке. Вместо промывки аппаратов обычными углеродами - растворителями (керосином, сольвентом и т.п.), целесообразно применять пожаробезопасные моющие средства.

Одной из причин ухудшения работы теплообменной аппаратуры является нарушение работы системы оборотного водоснабжения, в том числе повышение надёжности и экономичности процессов конденсации и охлаждения дистиллятов в нефтеперерабатывающей промышленности стали широко применять теплообменные аппараты воздушного охлаждения.

Следует, однако, отметить, что аппараты воздушного охлаждения обладают специфической опасностью, обусловленной наличием мощного вентиляционного агрегата. Уже отмечен случай, когда отрыв лопасти вызвал повреждение теплообменной системы, выхода горючих жидкостей и газов наружу, возникновение крупного пожара на блоке теплообменной аппаратуры.

Ревизия и ремонт теплообменников

Состояние трубного пучка определяют при ревизии и опрессовке. О наличии течи в пучке в процессе работы узнают при обнаружении в одном из теплообменивающихся потоков следов другого. Указанную неисправность быстро находят, если теплообменивающиеся фазы имеют заметно различные физико-химические свойства. Как только визуально или путем лабораторного анализа устанавливают факт течи в пучке, приступают к выявлению дефектного теплообменника, для чего по очереди выключают аппараты данного потока. Задача осложняется, когда одновременно пропускают два теплообменника, поэтому, если при одиночной остановке аппаратов свойства теплообменивающихся агентов не восстанавливаются, нужно выключать теплообменники попарно во всех возможных сочетаниях.

Аппараты с малой поверхностью теплообмена обычно имеют трубопроводную обвязку, позволяющую останавливать их попарно. На крупных установках, на которых монтируют большие теплообменники, необходимо обеспечить возможность выключения каждого аппарата в отдельности.

Чтобы судить о степени пропуска в пучке или плавающей головке аппарата, через спускную задвижку (вентиль) на крышке корпуса сливают все содержимое межтрубного пространства, а затем открывают одну из задвижек к распределительному барабану.

Теплообменник можно вскрывать только после надежного отключения его от действующих технологических аппаратов и трубопроводов глухими заглушками и остывании оставшегося в нем продукта.

После снятия крышки корпуса производят общую опрессовку пучка с плавающей головкой. Если течь не связана с узлом крепления крышки головки, снимают эту крышку, затем крышку распределительной камеры и устанавливают специальное приспособление для опрессовки труб и мест развальцовки. Указанное приспособление позволяет с помощью сальника из мягкой набивки обеспечить герметичность пространства между корпусом аппарата и подвижной решеткой пучка.

Когда корпус заполняется водой и в нем создается давление, в трубе, имеющей течь, появляется жидкость. Неплотности в вальцовочных соединениях обнаруживают с торцов подвижной и неподвижной решеток. Дефектные трубы забивают с двух сторон металлическими пробками, имеющими незначительную конусность.

Необходимо, чтобы число отглушенных труб в одном потоке не превышало 20% труб, приходящихся на этот поток, и для каждого случая ограничивалось из-за возможного увеличения гидравлических сопротивлений.

Подвальцовку концов труб в трубных решетках можно производить не более 1--2 раз. Если при этом течь устранить не удается, соответствующую трубу- забивают пробками с обоих концов. Известны специальные электрические контролеры, посредством которых приводная машина автоматически останавливается при определенном крутящем моменте на веретене. Различные диапазоны выключения обеспечивают наперед заданную степень развальцовки.

Перед установкой крышки корпуса пучок подвергают общей опрессовке вместе с собранной плавающей головкой на давление, превышающее расчетное на 25%.

Изношенные пучки извлекают из корпуса теплообменника и заменяют новыми. Смена трубных пучков является наиболее трудоемкой операцией, поэтому для ее выполнения предусматривают как средства механизации, так и некоторые конструктивные меры. Например, для опирания трубных решеток на внутреннюю поверхность корпуса к ним приваривают ребра жесткости; при горизонтальном расположении аппарата пучок снабжают двумя парами катков, перекатывающихся по этой же поверхности.

Практикуется применение специальных экстракторов, поддерживающих направление пучка при его извлечении, однако они громоздки. Удобнее пользоваться стационарными монобалками с двумя тельферами или двумя передвижными кранами. Для вертикально расположенных теплообменников с этой целью должны быть устроены высокие металлические или железобетонные постаменты. Извлечение пучка вертикального теплообменника легче и требует применения меньшего числа механизмов.

1.5 Техника безопасности и охрана окружающей среды

Для управления работой и обеспечения нормальных условий эксплуатации теплообменник должен быть снабжен контрольно-измерительными приборами, предохранительными устройствами и запорной арматурой согласно требованиям Ростехнадзора.

Обслуживающий персонал должен соблюдать требования к режиму работы теплообменника, безопасному обслуживанию, своевременно проверять исправность арматуры, контрольно-измерительных приборов, предохранительных устройств.

Не допускается проводить ремонт арматуры при работе теплообменника.

При пуске теплообменника в работу следует соблюдать следующую очередность операций:

1 Пустить нефть в камеру теплообменника;

2 Пустить мазут в трубное пространство.

При краткосрочной остановке заполнение нефтью допускается только после полного охлаждения трубных досок.

Теплообменник должен быть отключен при:

1 Превышении давления выше разрешенного;

2 Неисправности арматуры;

3 Обнаружении трещин, пропусков и потения сварного шва;

4 Неисправности контрольно-измерительных приборов.

При эксплуатации теплообменников нужно руководствоваться «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», а также соблюдать противопожарные и санитарные правила.

Порядок установки теплообменника

1Монтаж теплообменников должен производиться по технологии, разработанной монтажной организацией до начала выполнения соответствующих работ;

2При разгрузке и установке теплообменников строповку производить за корпус;

3До начала монтажа необходимо ознакомиться с конструкцией теплообменника, произвести внешний осмотр, расконсервировать устройство;

4При монтаже предусмотреть возможность отключения теплообменника от всех трубопроводов и выпуска сред для обеспечения контроля;

5Теплообменник может устанавливаться на стене на кронштейнах и рамах согласно проектно-сметной документации. Между теплообменником и кронштейнами устанавливается асбестовая или поронитовая прокладка;

6При установке теплообменника необходимо соблюдать горизонтальность продольной оси корпуса;

7После установки теплообменника необходимо присоединить к нему, согласно проекту, запорно-регулирующую и предохранительную арматуру, а также манометр и термометр на входе и выходе;

8Манометр должен иметь красную черту по давлению, соответствующему разрешенному рабочему давлению в теплообменнике;

9После установки и окончательного монтажа теплообменника проводятся гидравлическое испытание пробным давлением, не превышающем испытательное (не более 13,6 кг/см²) в течение 10 минут, при котором проверяется прочность сварных швов в трубных досках, а также исправность всей установленной арматуры и качество трубопроводов.

Охрана окружающей среды

Защита окружающей среды занимает важное место в операциях нефтепереработки вследствие требований соответствия и потребностей экономии, так как цены и себестоимость нефти растет. Нефтеперерабатывающие заводы производят многочисленные выбросы воздуха и воды, которые могут быть опасны для окружающей среды. Некоторые из них - загрязнители, находящиеся в исходной сырой нефти, в то время как другие - результат процессов и операций нефтепереработки. Воздушные выбросы включают сероводород, двуокись серы, окиси азота и угарный газ. Сточные воды обычно содержат углеводороды, растворенные материалы, взвешенные твердые вещества, фенолы, аммиак, сульфиды, кислоты, щелочи и другие загрязнители. Также существует риск случайных утечек разнообразных воспламеняющихся и ядовитых химических веществ.

Меры контроля, установленные для ограничения выбросов жидкости и пара и уменьшения производственных расходов, включают следующее:

1 Экономия энергии. Меры контроля включают контроль над утечкой пара и программы восстановления конденсата с целью сохранения энергии и увеличения эффективности.

2 Загрязнение воды. Меры контроля включают обработку сточных вод в сепараторах Американского нефтяного института и последующие средства обработки, сбор ливневой воды, программы накопления и обработки, ограничения и контроля над предотвращением утечек.

3 Загрязнение воздуха. Так как нефтеперерабатывающие заводы работают непрерывно, обнаружение утечек, особенно в соединениях клапанов и труб, имеет важное значение. Меры контроля включают уменьшение выпусков и выбросов пара углеводорода в атмосферу, программы герметичности клапанов и крепежей нефтеперерабатывающего завода, программы герметизации резервуаров с плавающей крыши и ограничения распространения пара, и восстановление пара для загрузочных и разгрузочных средств и для вентилирования резервуаров и сосудов.

4 Загрязнение земли. Предотвращение утечек нефти из загрязненной почвы и загрязненных грунтовых вод осуществляется путем обвалования резервуаров и обеспечения дренажа для определенных, защищенных замкнутых площадей. Загрязнение вследствие утечки внутри площади, окруженной валом, может быть предотвращено путем применения вторичных мер ограничения, таких как непроницаемые пластиковые или глиняные обкладки вала резервуара.

5Реагирование на утечки. Нефтеперерабатывающие заводы должны разрабатывать и внедрять программы с целью реагирования на утечки сырой нефти, химических веществ и конечных продуктов, как на земле, так и на воде. Эти программы могут полагаться на обученных наемных работников или внешние агентства и подрядчиков с целью реагирования в случае аварийной ситуации. Тип, требуемое количество и наличие поставок и оборудования для очистки разливов и восстановления, на месте или по требованию, должно быть включено в план готовности на случай аварии.

2. Тепловой расчет

Исходные данные

Рассчитать вертикальный кожухотрубчатый испаритель, предназначенный для подвода тепла в низ ректификационной колонны, разделяющей смесь i-пентана, пентана и гексана при следующих исходных данных:

- сырье: смесь i-пентан- 3%масс., пентан-96% масс., гексан - 1 %масс.;

- количество поступающей в испаритель жидкости - 20000 кг/час;

- мольная доля отгона e=1 (жидкость в аппарате полностью испаряется);

- среднее давление в испарителе 2,3 кгс/см²

- горячий теплоноситель - насыщенный водяной пар.

Технологический расчет испарителя включает в себя тепловой и гидравлический расчеты, в результате которых определяют необходимую поверхность теплообмена, выбирают тип аппарата и нормализованный вариант конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом.

2.1 Определение температур холодного теплоносителя

В рассматриваемом случае холодным теплоносителем является смесь i-пентана, пентана и гексана при, которая при температуре кипения поступает в трубное пространство испарителя из ректификационной колонны. Поэтому при определении температуры смеси на входе в испаритель задача сводится к определению температуры низа ректификационной колонны.

Эту температуру определяют по уравнению изотермы жидкой фазы методом последовательных приближений. (Для ускорения расчета можно использовать графическую интерполяцию).

,

где -мольная доля i-компонента в смеси;

- константа фазового равновесия i-компонента;

- давление насыщенного пара i-компонента;

- давление в испарителе.

По условию задания состав смеси задан в % масс. Произведем перерасчет состава смеси в мольные доли по уравнению:

,

где , и - массовые доли i-пентана, пентана и гексана в смеси;

; ; - их мольные массы.

Зададимся рядом значений температур в области температуры кипения чистого гексана при давлении в испарителе 2,3кгс/см² =1692 мм.рт.ст. (поскольку смесь состоит в основном из пентана), например, 50, 60 и 70⁰С. Для этих температур давление насыщенных паров составляет соответственно:

для i-пентана 1536, 2039, 2656 мм.рт.ст.;

для н-пентана 1193, 1609, 2124 мм.рт.ст.

для гексана 405, 573, 790 мм.рт.ст. [1, с820]

Рассчитываем

50⁰С:

60⁰С:

70⁰С:

Строим график - f(t) Приложение А

Из построения при =1 температура смеси на входе в испаритель t₁=63 ⁰С.

Смесь i-пентана, пентана и гексана, поступающая в испаритель, полностью испаряется. При этом состав образовавшихся паров равен составу входящей в испаритель жидкости, т.е. .

Температуру уходящих паров из испарителя определяют по уравнению изотермы паровой фазы также методом последовательных приближений, используя графическую интерполяцию

,

где - мольная доля i-компонента в образовавшихся парах;

- константа фазового равновесия i-компонента;

- давление насыщенного пара i-компонента;

- давление в испарителе.

Также задаются рядом значений температур в области температуры кипения чистого гексана при давлении в испарителе 1692 мм.рт.ст. Примем те же значения температур: 50, 60 и 70 ⁰С. Для этих температур значения давлений насыщенных паров приведены выше.

Рассчитываем

50⁰С:

60⁰С:

70⁰С:

Строим график - f(t) Приложение Б

Рис. 1.2 График зависимости от температуры

Из построения при температура паров на выходе из испарителя t₂=64 ⁰С.

2.2 Тепловая нагрузка испарителя

Тепловая нагрузка испарителя определяется из уравнения теплового баланса аппарата.

,

где - расход тепла в испарителе (тепловая нагрузка), кВт;

- количество потоков входящей жидкости и уходящего пара из испарителя, кг/с.

- энтальпии потоков жидкой и паровой фаз при соответствующих температурах, кДж/кг.

По условию входящая в испаритель жидкость полностью испаряется, следовательно,

кг/с

При незначительной разности температур входящего и уходящего потоков (t₁?t₂) с достаточной точностью можно принять, что разность энтальпий насыщенного пара и кипящей жидкости равна удельной теплоте испарения r, кДж/кг, т.е.



Учитывая изложенное выше, уравнение теплового баланса испарителя запишется в виде

Удельная теплота испарения смеси рассчитывается с помощью уравнения аддитивности удельных теплот испарения компонентов смеси.

,

где r₁=311,0 кДж/кг; r₂=329,3 кДж/кг; r₃=340,3 кДж/кг - удельные теплоты испарения i-пентана, пентана и гексана при температуре 64 ⁰С [1, с.815];

x₁=0,03; x₂=0,96; x₃=0,01 - массовые доли i-пентана, пентана и гексана в смеси.

Тогда кДж/кг

А тепловая нагрузка испарителя будет равна

кВт

2.3 Расход греющего пара

Водяной пар является наиболее распространенным теплоносителем. Обычно используют насыщенный водяной пар. Он обладает высокой удельной теплотой парообразования. При давлении пара 9,81*10⁴ Па удельная теплота конденсации равна 2,26*10⁶ Дж/кг. Отсюда сравнительно невысокие расходы греющего пара. Важным достоинством насыщенного водяного пара является постоянство температуры его конденсации при данном давлении, что позволяет точно поддерживать температуру нагревания, а также в случае необходимости легко его регулировать, изменяя давление греющего пара. Коэффициенты теплоотдачи при конденсации пара очень высоки: б=10⁴ч1,2*10⁴ вт/м²*⁰К; это позволяет работать при малых значениях температурного напора.

Флегма низа ректификационной колонны, поступающая в испаритель, нагревается от t₁=63 ⁰С до t₂=64 ⁰С и полностью испаряется за счет тепла конденсации водяного пара. На основе данных промышленной эксплуатации аналогичных испарителей и с целью обеспечения достаточного температурного напора (15ч25⁰) при теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к кипящей флегме принимаем следующие параметры греющего пара [2, с.549]: давление 1,2 кгс/см²; температура t₃=104,2 ⁰С; удельная теплота конденсации r_в=2249 кДж/кг.

Расход водяного пара определяется из следующего равенства:

,

где G_в - расход греющего пара, кг/с;

з - коэффициент удержания тепла.

С учетом коэффициента удержания тепла (в среднем для теплообменников з=0,95) получим:

кг/с.

2.4 Температурный напор по поверхности нагрева испарителя

Температура горячего теплоносителя - конденсирующего водяного пара - остается неизменной и равной t₃=104,2 ⁰С. Температура кипящей флегмы в испарителе также остается практически постоянной. (t₁?t₂). Примем за расчетную t₂=64 ⁰С. Следовательно, температурный напор в испарителе будет одинаковым по всей поверхности нагрева и будет равным:

⁰С.

2.5 Ориентировочный выбор конструкции испарителя

Для ориентировочного выбора конструкции испарителя из уравнения теплопередачи рассчитывается поверхность теплообмена аппарата.

,

где K - коэффициент теплопередачи, Вт/м²*град;

?t - температурный напор, ⁰С.

В соответствии с таблицей II.1 [3,с.21] примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи K=500 Вт/м²*град. Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит

м².

В соответствии с таблицей II.4 [3,с.26], поверхность близкую к ориентировочной могут иметь испарители с высотой труб H=3,0м, 4,0м или H=2,0м и диаметром кожуха D=0,8

2.6 Уточненный расчет поверхности теплопередачи

Для определения поверхности теплопередачи и выбора конкретного варианта конструкции испарителя необходимо определить коэффициент теплопередачи. Его можно рассчитать с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока.

,

где - удельная тепловая нагрузка испарителя, Вт/м²;

б₁ и б₂ - коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей;

r₃₁, r₃₂ - термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки.

Коэффициент теплоотдачи б₁ от пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб высотой H, рассчитывается по формуле [3,с.23]

,

где л₁; с₁; r_в; м₁ - соответственно коэффициент теплопроводности, плотность, удельная теплота конденсации и вязкость конденсата водяного пара при температуре конденсации;

g - ускорение силы тяжести.

Коэффициент теплоотдачи к кипящей в трубах жидкости б₂ определяется по формуле [3,с.23]

,

где л₂; с₂; у₂; r₂; c₂; м₂ - соответственно коэффициент теплопроводности, плотность, поверхностное натяжение, удельная теплота испарения, удельная теплоемкость и вязкость жидкости при температуре кипения;

- плотность пара при атмосферном давлении;

- плотность паров над кипящей жидкости;

T_кип - температура кипения, ⁰К;

P_атм=760 мм.рт.ст. - атмосферное давление.

Таким образом, коэффициенты теплоотдачи и, соответственно, коэффициент теплопередачи зависят от удельной тепловой нагрузки, величину которой определяют методом последовательных приближений. При этом учитывают, что при установившимся режиме процесса теплопередачи, количество тепла, выделяемого при конденсации пара, должно равняться количеству тепла, передаваемого через стенку и загрязнения, и количеству тепла, отдаваемого холодному теплоносителю (в рассматриваемом случае кипящей жидкости).

Подставляя в уравнение аддитивности термических сопротивлений выражения для б₁ и б₂, можно получить одно уравнение относительно неизвестной удельной тепловой нагрузки.

(a)

Решив это уравнение относительно q численным или графическим методом, можно определить требуемую поверхность

.

Вариант 1. Примем в качестве первого варианта испаритель со следующими основными характеристиками:

Диаметр кожуха внутренний - 800 мм

Диаметр труб наружный - 25 мм

Толщина стенки трубы - 2 мм

Высота трубы - 3 м

Поверхность теплопередачи - 109 м²

Выполним уточненный расчет этого аппарата, решив уравнение (a).

Для определения f(q₁) необходимо рассчитать коэффициенты A и B.

Горячий теплоноситель - насыщенный водяной пар - при давлении 1,2 кгс/см² и температуре 104,2 ⁰С имеет следующие физико-химические характеристики конденсата [2,с.537]: л₁=0,683 Вт/м*град; r_в=2249 кДж/кг; с₁=955,0 кг/м³; м₁=0,000282 Па*с.

Тогда

Коэффициент теплопроводности жидкой фазы л₂ определяется по правилу аддитивности:

Вт/м*град

где x₁, x₂ и x₃ - массовые доли i-пентана, пентана и гексана в смеси.

л_изоп=0,098 Вт/м*град; л_п=0,105 Вт/м*град; л_г=0,114 Вт/м*град - коэффициенты теплопроводности i-пентана, пентана и гексана при температуре 64 ⁰С [1,с.810];

Плотность жидкости с₂ определяется по уравнению

кг/м³

где с_г=618,0 кг/м³; с_изп=580,6 кг/м³; с_п=572,4 кг/м³ - плотности i-пентана, пентана и гексана при t₂=64 ⁰С [1,с.804].

Поверхностное натяжение у₂ на границе раздела пар - жидкость определяется по уравнению:

Н/м

где у_г=13,82*10^-3 Н/м; у_изп=10,86*10^-3 Н/м; у_п=11,04*10^-3 Н/м - поверхностные натяжения i-пентана, пентана и гексана при температуре t₂=64 ⁰С [1,с.812].

Удельная теплота испарения r₂ смеси определяется по уравнению аддитивности:

кДж/кг,

где r_изп=311,0 кДж/кг; r_п=329,3 кДж/кг; r_г=340,3 кДж/кг - теплоты испарения i-пентана, пентана и гексана при t₂=64 ⁰С [1,с.815].

Удельная теплоемкость c₂ также определяется по правилу аддитивности:

Дж/кг*⁰С

где c_изп=2,47 кДж/кг*⁰С; c_п=2,38 кДж/кг*⁰С; c_г=2,33 кДж/кг*⁰С - удельные теплоемкости i-пентана, пентана и гексана при температуре 64 ⁰С [1,с.808].

Коэффициент динамической вязкости жидкой смеси м₂ определяется по уравнению:

Па*с

где ; ; - i-пентана, пентана и гексана;

м₁=0,118*10^-3 Па*с; м₂=0,176*10^-3 Па*с; м₂=0,215*10^-3 Па*с - их динамические вязкости при t₂=64 ⁰С [1,с.806].

Плотность пара с_по при атмосферном давлении

кг/м³,

где - средняя мольная масса паров;

T_кип=273+t₂=273+64=337 ⁰К

Плотность паров над кипящей жидкостью

кг/м³,

где P=1692 мм.рт.ст. - давление в аппарате.

Тогда

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений равна:

м²*град/Вт

где д_ст=2 мм - толщина стенки трубы;

л_ст=46,5 Вт/м*град - теплопроводность углеродистой стали;

Вт/м²*град - тепловая проводимость загрязнений со стороны конденсата;

Вт/м²*град - тепловая проводимость загрязнений со стороны кипящей жидкости.

Числовые значения величин тепловых загрязнений приводятся в литературе [2,с.531; 3,с.21].

Средний температурный напор по поверхности нагрева испарителя ?t=40,2 ⁰С.

Подставляя рассчитанные величины в уравнение (a), получим следующее его выражение для последующего решения:



В качестве первого приближения примем ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки:

Вт/м²

Тогда

Примем второе значение q₃=37000 Вт/м², получим:

Примем третье значение q₄=38000 Вт/м², получим:

Уточненное значение q₀ определим в точке пересечения с осью абсцисс прямой, проведенной из точки 1 в точку 3 на графике зависимости f(q) от q.

Размещено на http://www.allbest.ru/

					Курсовой проект расчет вертикального кожухотрубчатого испарителя
Изм	Лист	№ докум.	Подп.	Дата
Разраб.	Новгородцева			Расчетная часть	Лит.	Лист	Листов
Пров.	Дерюгина .О.П							3	39
					ТюмГНГу ИПТИ гр. ХТМбзс-13-1
Н.контр.

Согласно графику аналитически значение q₀ определяется из соотношения:

Откуда при f(q₀)=0 получили

(б)

Вт/м²

Проверим точность определения q₀ по уравнению (а)

Такую точность определения корня уравнения (а) можно считать достаточной, и q=37479,4 Вт/м² можно считать истинной удельной тепловой нагрузкой.

Тогда требуемая поверхность теплообмена будет равна:

м².

В рассмотренном испарителе запас поверхности

%

Масса аппарата m₁=3200 кг [3,с.28].

Вариант 2. Требуемая поверхность ближе к номинальной поверхности F=146 м² испарителя диаметром 0,8м и высотой труб H=4м [3,с.26]. Поэтому целесообразно проверить возможность использования этого теплообменника.

Для этого варианта уточним значение коэффициента A, поскольку изменилась высота труб.

Аналогично предыдущему расчету

Вт/м²

Тогда

Примем второе значение q₂=35000 Вт/м²

Тогда

Примем третье значение q₃=37000 Вт/м².

Тогда

Найдем q₀ по формуле (б):

Вт/м²

Проверим точность расчета:

Требуемая поверхность

м²

Для этого испарителя запас поверхности

%

Масса аппарата m₂=3660 кг [3,с.28].

Вариант 3. Испарители, рассчитанные в первом и втором варианте имеют достаточный запас поверхности теплообмена. Поэтому проверим возможность использования для заданных условий испарителя с меньшей поверхностью теплообмена. Рассмотрим испаритель диаметром 0,8м, высотой труб 2м, имеющий номинальную поверхность теплообмена 73м² [3,с.26].

Для этого испарителя A=2,72*10⁵; B=3,31

Аналогично предыдущим расчетам:

Вт/м²

Тогда

Примем второе значение q₂=37000 Вт/м²

Тогда

Примем третье значение q₃=39000 Вт/м²

Тогда

По формуле (б) находим q₀:

Вт/м²

Проверим точность расчета:

Требуемая поверхность

м²

Для этого испарителя запас поверхности

%

Масса аппарата m₂=2300 кг [3,с.28].

Из рассмотренных трех вариантов испарителей предпочтительней третий, поскольку первые два варианта, имеют слишком большой запас поверхности теплообмена и большую массу, а в нашем случае мы можем обойтись аппаратом с меньшим запасом поверхности теплообмена и меньшую массу. Что особенно важно при переработке коррозионного сырья.

Таким образом, в результате уточненного расчета поверхности теплообмена принимаем по ГОСТ-15118-79 вертикальный кожухотрубчатый испаритель с неподвижными трубными решетками, имеющий следующие технологические характеристики [3,с.26]

Диаметр кожуха внутренний, мм 800

Диаметр труб наружный, мм 25

Толщина стенки трубы, мм 2

Длина труб, мм 2000

Число ходов по трубам 1

Общее число труб, шт 465

Площадь сечения одного хода по трубам, м² 0,161

Поверхность теплообмена, м² 73

Удельная тепловая нагрузка в принятом в результате уточненного расчета значительно ниже критической тепловой нагрузки, которая даже в случае кипения жидкости в большом объеме составляет [3,с.26]

кВт/м²

Следовательно, в рассчитанном аппарате режим кипения будет пузырьковым.

Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи в принятом варианте соответственно равны:

 Вт/м²*град

Вт/м²*град

Вт/м²*град.

3. Гидравлический расчет испарителя

3.1 Определение диаметров штуцеров

Диаметры штуцеров определяют из уравнения расхода:

, м

где v - объемный расход потока, м³/с;

G - массовый расход потока, кг/с;

с - плотность вещества потока, кг/м³;

щ - допустимая линейная скорость, м/с.

Величина допустимой скорости потока для расчета диаметра штуцеров (а также трубопроводов и других деталей и узлов химических аппаратов) принимается по опытным данным скорости движения жидкостей и газов (паров) в промышленных условиях приведенным в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Ориентировочные значения допустимой скорости потока.

Среда и условия движения	Скорость, м/с
Маловязкие жидкости (до 0,01 Па*с) при перекачивании насосом	0,5ч3,0
Вязкие жидкости (свыше 0,01 Па*с) при перекачивании насосом	0,2ч1,0
Жидкости (конденсаты) при движении самотеком	0,1ч0,5
Пар насыщенный	15ч25
Пар перегретый (газы)	20ч50
Паро-жидкостный поток в пересчете на однофазный жидкостный поток	0,5ч1,0

По рассчитанным значениям диаметров штуцеров принимаем нормализованные диаметры, числовые значения которых приведены ниже:

d_ш(мм): 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 500, 600, 800.

Для принятых значений диаметров уточняются скорости потоков в штуцерах.

В межтрубное пространство испарителя поступает насыщенный водяной пар в количестве G_в=0,855 кг/с при давлении 1,2 кгс/см² и температуре 104,2 ⁰С. (см. раздел 1.3 данного расчета). При этих условиях плотность водяного пара равна с_в.п.=0,687 кг/м³ [2,с.550].

Примем ориентировочное значение скорости пара согласно таблице 1.2 равной w₁=20 м/с.

Тогда

м

Принимаем d_ш1=300 мм.

Уточненное значение скорости в штуцере составит:

м/с

В межтрубном пространстве испарителя насыщенный водяной пар должен быть полностью сконденсирован. Для соблюдения этого условия образующийся конденсат отводят из аппарата через конденсатоотводчик, обеспечивающий, с одной стороны, быстрый и своевременный отвод конденсата, а с другой - препятствующий уходу с конденсатом части не успевшего сконденсироваться пара (так называемого пролетного пара), предотвращая тем самым его потерю.

Конденсат из испарителя уходит самотеком при температуре 104,2 ⁰С. При этой температуре его плотность равна с₁=982,0 кг/м³ [2,с.537]

Примем ориентировочное значение скорости щ₂=0,5 м/с.

Тогда

м

Принимаем d_ш2=50 мм.

Уточненное значение скорости конденсата водяного пара в штуцере составит:

м/с

В трубное пространство испарителя поступает смесь бензола и толуола в количестве Cr=5,556 кг/с при температуре 63 ⁰С.

Плотность поступающей смеси определим по уравнению:

кг/м³

где x₁=0,05; x₂=0,95 - содержание бензола и толуола во входящей флегме, % масс;

где с_г=618,9 кг/м³; с_изп=581,7 кг/м³; с_п=573,5 кг/м³ - плотности i-пентана, пентана и гексана при t₁=63 ⁰С (получены интерполяцией).

Ориентировочное значение скорости жидкости, поступающей самотеком с низа ректификационной колонны в испаритель, примем равным щ₃=0,5 м/с

Тогда

м

Принимаем d_ш3=200 мм.

Уточненное значение скорости в штуцере составит:

м/с

Из испарителя уходит паровая фаза в виде насыщенного пара в количестве G=5,556 кг/с (жидкая смесь, входящая в испаритель, полностью испаряется) и при температуре 64 ⁰С. Плотность пара с_п=5,811 кг/м³. (расчет приведен выше).

Примем ориентировочное значение скорости щ₄=20 м/с.

Тогда

м

Принимаем d_ш4=250 мм.

Уточненное значение скорости пара в штуцере составит:

м/с

3.2 Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства

При пленочной конденсации на наружной поверхности труб основной объем межтрубного пространства занимает пар. Поэтому пучок труб оказывает гидравлическое сопротивление главным образом потоку движения пара. Следовательно, при расчете потерянного давления в межтрубном пространстве необходимо использовать физические параметры насыщенного водяного пара при температуре конденсации.