Завдання Розрахувати теплообмінник-випаровувач з паровим простором, для пропанової газофракціонуючої колони використовуючи наступні вихідні дані: продуктивність теплообмінника по сировині G=150 000 тон./рік, тиск внизу колони Р=1.47 Па, молярна маса сировини 59.016. Склад сировини колони у % мас. наведений у табл.1. Кількість, склад і температури потоків, які заходять і виходять з теплообмінника наведені в табл.2. Таблиця 1 Компонент СН4 С2Н6 С3Н8 і-С4Н10 н-С2Н6 С5+
Кількість, % мас. --- 0.9 16.2 30.5 44.5 7.9
Таблиця 2 Потік Позначення Склад Т,К. Кмоль/год.
компоненти мольна частка
Флегма з колони у теплообмінник R+VR С3Н8 і-С4Н10 н-С2Н6 С5+ 0.00527 0.36816 0.54819 0.07838 378 8.165
Нижній продукт з колони (залишок) R С3Н8 і-С4Н10 н-С2Н6 С5+ 0.00321 0.32871 0.55261 0.11547 383 3.266ь
Пари з теплообмінника в колону VR С3Н8 і-С4Н10 н-С2Н6 С5+ 0.00269 0.31200 0.55475 0.13056 383 4.899
Вступ Кожухотрубні теплообмінні апарати можуть використовуватися як теплообмінники, холодильники, конденсатори і випарники. Теплообмінники призначені для нагріву і охолодження, а холодильники-для охолодження (водою або іншими нетоксичними, пожежо – і вибухобезпечними холодоагентами ) рідких і пароподібних середовищ. Конденсатори призначені для конденсації парів в між-трубному просторі, а також для нагрівання рідин і газів за рахунок теплоти конденсації пари. Кожухотрубні випарники з трубними пучками з U-подібних труб чи з плавачою головкою мають паровий простір над киплячою в кожусі рідиною. В цих апаратах, завжди розташованих горизонтально, гарячий теплоносій ( в ролі якого можуть використовуватися гази, рідини або пара ) рухається по трубах. Згідно ГОСТ 14248-79, кожухотрубні випарники можуть бути з конічним днищем діаметром 800-1600 мм, а також з еліптичним днищем діаметром 2400-2800 мм. Останні можуть мати два або три трубні пучки. Допустимий тиск в трубах складає 1.6 – 4.0 МПа, в кожусі – 1.0-2.5 МПа при робочих температурах від -30 до 450 . Випарники з паровим простором виготовляють тільки двоходовими з довжиною труб 6.0 м, діаметром 252 мм. Технологічний розрахунок 1.Теплове навантаження теплообмінника-випаровувача Ця величина визначається з рівняння теплового балансу випарника: , де: - витрата тепла у випарнику (теплове навантаженя), кДж/год.; і - кількість потоків, кмоль/год. (табл.2.); , , - ентальпії потоків при відповідних температурах, кДж/моль. Попередньо знайдемо середні молярні маси потоків:
По таблицях знаходимо ентальпії потоків при відповідних температурах: кДж/моль; кДж/моль; кДж/моль; Тоді знаходимо розхід тепла в теплообміннику за одну годину:
кДж/кг; кДж/кг = 24016 кВт = 24015878.25 Вт; 2.Витрата граючої пари В якості гарячого теплоносія у випарнику використовується водяна пара. Флегма, яка поступає у випарник нагрівається від Т1=378 К до Т2=383 К і частково випаровується за рахунок тепла конденсації водяної пари. На основі даних промислової експлуатації аналогічних випарників і з метою забезпечення достатньго температурного напору при теплопередачі від водяної пари, яка конденсується, до киплячої флегми, приймаємо наступні параметри гріючої пари: тиск Р=785 Па, температура =443 К, теплота конденсації r = 2049.5 кДж/кг. Витрату пари визначаємо з наступного рівняння: кг/год., де: - витрата гріючої пари, кг/год; - коефіцієнт утримання тепла ( в середньому для теплообмінників = 0.95 ). 3.Температурний напір по поверхні нагріву теплообмінника-випаровувача Температура гарячого теплоносія, водяної пари, яка конденсується, залишається незмінною і дорівнює =443 К. А отже, температурний напір у випарнику буде однаковим по всій його поверхні і дорівнює: К. 4.Коефіцієнт тепловіддачі зі сторони киплячої флегми Для бульбашкового режиму кипіння рідини у великому об’ємі ( у Вт/К ) можна визначити використовуючи наступну залежність: , де: , - відповідно густина парової і рідкої фази, кг/; - теплота пароутворення, Дж/кг; - поверхневий натяг на границі розділу між рідиною і парою, Н/м або кг/; - теплопровідність рідини, Вт/(мК); - коефіцієнт динамічної в’язкозті рідини, Пас; - теплоємність рідини, Дж/(кгК); - температура кипіння флегми, К; - теплонавантаження поверхні нагріву, Вт/. Всі фізичні параметри у даній формулі визначаються при температурі кипіння флегми ==383 К. Густину парової фази визначаємо за рівнянням Клапейрона – Мендєлєєва: , де: - густина пари при нормальних умовах, кг/; - 273 К; =1.47 Па – тиск у випарнику; =98.1 Па; Густина пари при нормальних умовах: кг/; Після підстановки всіх величин у формулу, для визначення густини парової фази отримаємо: кг/; Відносну густину рідини можна визначити використовуючи наступну формулу: , де: = 59.790 ( визначена вище). Після цього використовуючи відомі графіки чи формули знаходимо густину залишку при наступних температурах: = 383 К кг/; К кг/; Теплоту пароутворення знаходимо як різницю ентальпій парової і рідкої фаз: кДж/кг = 267.9 Дж/кг; Поверхневий натяг ( в Н/м ) на границі розділу пара – рідина визначаємо по наступній формулі: , де: - середня молярна маса залишку; - густина залишку при температурі 383 К, кг/; - критична температура залишку, К; ==383 К; - стала величина, яка дорівнює 7 К; Знайдемо критичну температуру залишку використовуючи критичні температури компонентів і їх мольні частки в залишку:
К, де: = 368.6 К ( С3Н8 ); = 420.7 К ( і-С4Н10 ); = 432.5 К (н-С4Н10 ); = 470.2 К ( С5+); , , , - значення мольних часток компонентів в залишку ( наведені в табл.2 ). Підставивши знайдені величини у вище наведену формулу отримаємо: Н/м; Коефіцієнт теплопровідності рідини (залишку) рахуємо по такій формулі: Вт/мК; Коефіцієнт динамічної в’язкості рідини (залишку) можна визначити використовуючи формулу: , де: ,,,- коефіцієнти динамічної в’язкості компонентів рідини (залишку). Попередньо знайдемо для кожного з компонентів залишку значення при 383 К. По графіку визначаємо для пропану (С3Н8) при двох довільно вибраних температурах: К Пас; К Пас; Для подальших розрахунків використаємо наступну формулу: , де: С- деяка стала величина, яку можна легко визначити з даного рівняння: ; Використовуючи цю ж формулу, визначаємо при = 383 К: ; Звідки Пас; Аналогічно проводимо розрахунок і використовуючи то й же графік і ту ж формулу: Для бутану (і-С4Н10 і н- С4Н10): при 290 К Пас; при 310 К Пас; ; ; Звідки Пас; Приймаємо, що =. Для пентану (С5Н12): при 290 К Пас; при 308 К Пас; ;
Звідки = Пас; Тепер за формулою, наведеною вище, знайдемо коефіцієнт динамічної в’язкості для рідкого залишку у випарнику при Т2 = 383 К:
; Пас; Теплоємність рідкої фази знаходимо за формулою;
кДж/кгК = 2680 Дж/кгК; Підставивши всі знайдені вище величини у формулу для , отримаємо:
; Таким чином, залежно від теплового навантаження поверхні нагріву випарника, коефіцієнт тепловіддачі ( у Вт/К ) зі сторони флегми буде виражатися формулою: ; Вище, при визначенні значення коефіцієнта тепловіддачі в якості рідкої фази усюди приймаємо залишок (R), а не флегму (R+VR), оскільки при температурі у випарнику Т2= 383 К саме залишок (R) знаходиться у рівновазі з парою (VR). 5.Коефіцієнт тепловіддачі зі сторони водяної пари, яка конденсується У випадку конденсації водяної пари всередині горизонтальних труб використаємо наступне рівняння:
Яке в робочому вигляді записується так: , де: - коефіцієнт, який залежить від середньої температури конденсату і визначається по графіку; - теплове навантаження поверхні нагріву випарника, ; - довжина труби, м; - внутрішній діаметр труби, м; Середня температура конденсату дорівнює: , де: - температура насиченої пари, К; - температура стінки зі сторони пари, яка конденсується, К. Температура , як правило, мало відрізняється від , тому можна приймати . По графіку, при =443 К, А=6.2. Тоді: , ; 6.Коефіцієнт теплопередачі З врахуванням теплового опору стінки і забруднення її внутрішньої і зовнішньої поверхні коефіцієнт теплопередачі визначаємо по формулі: , де: = 0.0025 м – товщина стінки труби; =33.53 Вт/мК – коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки труби; =0.000215 - тепловий опір забруднення внутрішньої поверхні труб, - приймається як середнє значення для водяної пари і м’ягкої води; =0.0006 - тепловий опір забруднення зовнішньої поверхні труби, - приймаємо як для світлого нафтопродукту. Тоді:
Так як і є функціями теплового навантаження , величина якого невідома, то знаходження k ведемо методом поступового наближення. Задаємось різними значеннями q і для кожного з них знаходимо , , k і . Результати розрахунків подані в табл. 3. Таблиця 3 Величини Результати розрахунків
1 2 3
q, (приймаємо) 30000 50000 70000
, 7275 9392 11112
, 5759 8234 10421
k, 833 893 929
, 36 56 75
; ; ; Використовуючи дані табл.3 будуємо графік залежності , який називається складною характеристикою випарника. Знаючи, що в даному випарнику середній температурний напір = 60 ( пункт 3 )знаходимо по графіку відповідне теплове навантаження поверхні нагріву – q = 54350 . Тоді коефіцієнт теплопередачі у випарнику: , ; На цій сторінці вставити графік!!!! 7.Поверхня теплообміну випарника Розрахунок площі теплообміну: , ; 8.Температура на внутрішній поверхні труб Цю температуру можна визначити з наступного рівняння:
Тут: = 443 К; , ; =0.000215 /; Тоді: , К Відповідно, середня температура конденсату: , К; При визначенні коефіцієнта тепловіддачі значення параметра А взято при = 443 К. Як видно менше ніж приблизно на 2%, що знаходиться в допустимих межах точності технічного розрахунку. Вибір теплообмінника Використовуючи каталог “Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения “ ВНИИНЕФТМАШа приймаємо випарник з паровим простором типу 1800 ПП . Шифр апарату означає: випарник з паровим простором, діаметр кожуха 1800 мм, умовний тиск в кожусі 1.6 МПа, в трубках 2.5 МПа. Даний апарат це-теплообмінник з U-подібними трубками, який має поверхню теплообміну F = 477, кількість ходів по трубах – 2, довжина теплообмінних труб – 6000 мм, діаметр однієї трубки - 202, труби виконані зі сталі 10. Експлікація Таблиця 4 позначення назва кількість
1 кожух 1
2 теплообмінна труба 2
3 стяжка 2
4 трубна решітка 2
5 розподільча камера 2
6 опора 2
Література Кузнєцов А.А. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности.: Изд. 2-е, переработанное и дополненное. – Ленинградское отделение.: Химия, 1974. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения.: Каталог. – М.: ЦИНТИХМИНЕФТЕМАШ, 1991. Технологія первинної переробки нафти та газу: Методичні вказівки/укладачі П.І.Топільницький, О.М.Мацяк, В.Я.Максимик. – Л: НУЛП, 2004. Основные процессы и аппараты химической технологии.: Пособие по проектированию. Издание 2-е, переработанное и дополненное/под ред. Ю. И. Дытнерского.- М.: Химия, 1991.
Зміст 1. Завдання……………………………………………………………….……1. 2. Вступ…………………………………………………………………..……2. 3. Тухнологічний розрахунок……………………………………..……3 – 12. 4. Вибір теплообмінника…………………………………………………....13. 5. Експлікайія………………………………………………………………..14. 6. Література…………………………………………………………………15.
