Расчет конвекционной поверхности

Поверхность конвекционных труб определяется по

формуле Я = °^к—

^кКА'ср'

где С?_к— количество тепла, воспринимаемого конвекционными трубами;К —коэффициент теплопередачи от дымовых газов к сырью;Af_cp— средняя разность температур (температурный напор) дымовых газов и нагреваемого сырья.

Количество тепла Q_Ktпереданного конвекционным трубам, может быть определено по разности между общим количеством тепла, сообщаемого в печи,О_си количеством тепла, поглощенного радиантными трубами, О_р, т.е.

Ок = Ос “ Ор.

При расчете конвекционной поверхности известными величинами являются температура дымовых газов, покидающих топку и поступающих в камеру конвекции, температура дымовых газов, уходящих из камеры конвекции, а также температура поступающего в печь сырья t_x.

Средний температурный напор для противотока определяется как среднелогарифмическое значение

где At₆и А£_м— соответственно большая и меньшая разность температур между дымовыми газами и нагреваемым продуктом.

A t

_Д'_б-Д'м

ср

2,31g

At,

AL

Наиболее трудоемкой частью расчета конвекционной поверхности является определение коэффициента теплопередачи К.Для чистой поверхности эта величина определяется по уравнению

а₍ а₂ X,

где сц — коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы, Вт/(м²*К); а₂— коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемому потоку, Вт/ (м²-К); 8 иX —соответственно толщина, м, стенки трубы и коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(м*К).

По значению коэффициент теплоотдачи обычно значительно

меньше а₂; так, в современных трубчатых печах а! < 60, тогда как для жидкого сырья а₂> 600 Вт/(м²*К).

При небольшой толщине стенки и высокой теплопроводности металла X« 45 Вт/(м-К) сопротивление потоку тепла через стенку трубы&/Х также незначительно. Поэтому для расчетов величинами 1/а₂и8/Хможно пренебречь.

В этом случае коэффициент теплопередачи Кпрактически равен коэффициенту теплоотдачи от дымовых газов а₍, т.е.

К* а,.

Конвекционная поверхность воспринимает тепло за счет прямого соприкосновения с дымовыми газами, излучения от трехатомных несветящихся газов и излучения кладки. Поэтому коэффициент теплоотдачи со стороны дымовых газов а, следует рассматривать как сумму трех величин: коэффициентов теплоотдачи конвекции а_к, излучения трехатомных газов а_ри излучения от стенок кладки. Последняя величина при расчете учитывается введением множителя 1,1.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи от дымовых газов вычисляется по уравнению

а, = 1,1(а_{к +}а_р).

Коэффициент теплоотдачи излучением от трехатомных газов а_р

зависит от концентрации и температуры этих газов, температуры стенки труб и толщины газового слоя.

Коэффициенты теплоотдачи излучением для С0₂,S0₂и Н₂0 могут быть вычислены по методике, изложенной в курсе теплопередачи.

Приближенно коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по эмпирическому уравь&нию Нельсона:

а_р= 0,0256f_cp-2,33,

где Ор — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²-К).

Средняя температура дымовых газов t_cpвычисляется, как средне­логарифмическая

гщ—

^ух

ср

Коэффициент теплоотдачи конвекцией а_кзависит от следующих основных величин: скорости движения дымовых газови,средней

температуры наружной поверхности труб t,наружного диаметра трубd, числа рядов труб в направлении движения дымовых газоври шага размещения труб соответственно по ширине и глубине пучкаSjи 5₂.

Конвекционные трубы в трубчатых печах обычно располагаются в шахматном порядке, так как по сравнению с коридорным такой способ расположения труб дает более высокий коэффициент теплоотдачи а*.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией увеличивается с сокращением расстояния между осями труб, так как это обеспечивает более высокие скорости движения газов в камере конвекции. Расстояние между осями труб для печных двойников обычно лежит в пределах (1,7 — 2) d.

Для расчета коэффициента теплоотдачи конвекцией, измеряемого в Вт/(м²*К), при шахматном расположении труб рекомендуется уравнение

<х_к= 0,35Eu°'Vd^0A_f(XXI. 18)

где Е —коэффициент, зависящий от физических свойств топочных газов и определяемый из графика, приведенного на рис. XXI-18;и— массовая скорость движения газов, кг/(м²*с);d— диаметр труб, м.

При выбранном типоразмере трубчатой печи размеры камеры кон­векции, где размещаются конвекционные трубы, известны. Конвекцион­ные трубы размещают применительно к такой камере, а затем определяют свободное сечение / для прохода газов и массовую скорость потока дымовых газов в камере конвекции

и =

вс

3600/ '

Рис. XXI-18. График для определения коэффициента Е в уравнении (XXI. 18)

Рис. XXI-19. Схема расположения труб в каме­ре конвекции

где В— расход топлива, кг/ч;G— масса продуктов сгорания 1 кг топлива, кг.

Для иллюстрации на рис. XXI-19 показан возможный вариант расположения труб в камере конвекции. В соответствии с представленными обозначениями (см. рис.XXI-19), свободное сечение для прохода дымовых газов определяется уравнением

f= [(n-l)5_l+²a-nd]/_nOA, гдеп —число труб в одном горизонтальном ряду;S_{— расстояние между осями труб по ширине пучка;а —5/2; /_пол— длина трубы, омываемой дымовыми газами.

УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

В трубчатых печах, не имеющих камеры конвекции, или в печах радиантно-конвекционного типа, но имеющих сравнительно высо­кую начальную температуру нагреваемого продукта, температура отходя­щих дымовых газов может быть сравнительно высокой, что приводит к повышенным потерям тепла, уменьшению КПД печи и большому расходу топлива.

В таких печах необходимо использовать тепло отходящих дымовых газов. Это достигается либо применением воздухоподогревателя для подо­грева воздуха, поступающего в печь для горения топлива, либо установкой котлов-утилизаторов, позволяющих получить водяной пар для техноло­гических нужд завода.

Принципиальная схема трубчатой печи с подогревом воздуха показа­на на рис. XXI-20. Подогрев воздуха способствует повышению темпера­туры в топке, более эффективным горению топлива и передаче тепла ра­диацией.

Однако для осуществления подогрева воздуха требуются дополнитель­ные затраты на сооружение воздухоподогревателя, воздуходувки, а также дополнительный расход электроэнергии, потребляемой двигателем воздухо­дувки.

Для обеспечения нормальной эксплуатации воздухоподогревателя важ­но предотвратить возможность коррозии его поверхности со стороны потока дымовых газов. Такое явление возможно, когда температура по­верхности теплообмена ниже температуры точки росы*, при этом часть дымовых газов, непосредственно соприкасаясь с поверхностью воздухопо­догревателя, значительно охлаждается, а содержащийся в них водяной пар частично конденсируется и, поглощая из газов диоксид серы, образует аг­рессивную слабую кислоту.

Точка росы соответствует температуре, при которой давление насыщенных паров воды оказывается равным парциальному давлению водяных паров, содержащихся в дымовых газах. Температура точки росы зависит от концентрации водяных паров и обычно составляет 50 — 55 °С.

Рис. XXl-20. Схема трубча­той печи с подогревом воз­духа

Одним из наиболее надежных способов зашиты от коррозии являет* ся предварительный подогрев воздуха каким-либо способом (например, в водяных или паровых калориферах) до температуры выше точки росы. Такая коррозия может иметь место и на поверхности конвекционных труб, если температура сырья, поступающего в печь, ниже точки росы.

Рассмотрим последовательность расчета воздухоподогревателя. Расчет обычно начинается с определения температуры подогрева воздуха в воздухоподогревателе.

Искомая температура находится из уравнения теплового баланса воздухоподогревателя. При использовании обозначений (см. рис. XXI-20) тепловой баланс (в расчете на 1 кг топлива) может быть представлен следующим образом:

(н,_ш-Н_1ух)ц_в= а^С_в(1_в-1_и), (XXI. 19)

где т]_в— коэффициент полезного использования тепла в воздухоподо­гревателе; при достаточно хорошей изоляции воздухоподогревателя Г|_в= = 0,9-0,96.

Указанное уравнение составлено, исходя из предпосылки, что весь воздух, требуемый для горения, проходит через воздухоподогреватели. Если через подогреватель проходит только часть воздуха, то в уравнении (XXI. 19) фигурирует лишь то количество воздуха, которое в действительности проходит через аппарат.

Температуру дымовых газов на выходе из камеры конвекции t_m выбирают, руководствуясь теми соображениями, которые были изложены ранее, а именно: температура дымовых газов, покидающих камеру

конвекции, t_mдолжна быть выше начальной температуры сырьяt_xи обеспечивать желаемый температурный напор. Рекомендуется принимать значение £_ш—t_xв пределах 100—150 °С.

Выбрав температуру £_ш, переходят к выбору температуры дымовых газов, поступающих в дымовую трубу,f^.

Таким образом, в уравнении теплового баланса (XXI.19) остается неизвестной величина £_в— конечная температура подогрева воздуха, которая и определяется из этого уравнения.

Далее определяется коэффициент полезного действия печи при помощи уравнения

д-1 ^Яу* ^Ип<л _(^1_Лв)(^Я^Ц~^Я'уО

о^но^но^н

WpWpWp

где последний член выражает относительные потери тепла в во з духо п о до гре вателе.

Последующий расчет печи осуществляется обычным способом. Отметим, что в связи с подогревом воздуха приведенная температура исходной системы Т₀превышает аналогичную величину для печей, не имеющих подогрева воздуха.

При составлении теплового баланса камеры радиации необходимо также учитывать количество тепла, вносимого воздухом. В этом случае уравнение (XXI. 17) будет иметь вид:

л

П )

Q

К At

в ср

Поверхность воздухоподогревателя определяется по уравнению

где О_в —количество тепла, воспринимаемого воздухом

О =BaL_nC (f -t I-

В 0 B\ вH/

A^cp— температурный напор в воздухоподогревателе, определяемый из уравнения

At_cp= (At₆-AtJ/2,

где At₆иAt_M —соответственно большая и меньшая разности температур.

На рис. XXI-21 показан случай, когда большая разность температур наблюдается со стороны входа потока дымовых газов в возду­хоподогреватель.

В данном случае без особой погрешности можно принимать среднеарифметическое значение At_cp,так какAt₆/At_hl< 2.

Пренебрегая малым сопротивлением потоку тепла через стенки воздухоподогревателя, определяем коэффициент теплопередачи по уравнению

К =

а а 1

а -кх 1

где СЦ и а₂— соответственно коэффициенты теплоотдачи от дымовых газов к стенке воздухоподогревателя и от стенки к нагреваемому воздуху; величины СЦ и а₂определяются по соответствующим уравнениям, изложенным в курсе теплопередачи.

В качестве воздухоподогревателя используется типовое оборудование, применяемое в котельной технике.

Как отмечалось выше, для использования тепла дымовых газов широко применяется установка котлов-утилизаторов; для этой цели также используется типовое стандартное оборудование, обеспечивающее получение перегретого водяного пара необходимых параметров.

Используя те же обозначения, которые применялись при расчете воздухоподогревателя, из теплового баланса потока дымовых газов определяют количество тепла, которое может быть использовано для получения водяного пара

о_к=в(н, -Н Х\

I

* У ^^ГШ /ухJ 'к:

где О_ку —тепло, передаваемое дымовыми газами в котле-утилизаторе;ц_ку —коэффициент использования тепла в котле-утилизаторе.

Количество водяного пара, которое может быть получено в котле- утилизаторе

Дымовые газы ■ ■ ■ »

Воздух

U -

Рис. XXI-21. Схема потоков дымовые га­зы - воздух (к определению температур­ного напора)

где Н_йпи Л_в— энтальпия соответственно перегретого водяного пара, полученного в котле-утилизаторе, и питательной воды, подводимой к котлу-утилизатору.

Расчет поверхности котла-утилизатора зависит от выбранной его конструкции и выполняется по общепринятой методике, рассматриваемой в специальных курсах.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РЕЖИМ И РАСЧЕТ ПОТЕРИ НАПОРА В ТРУБЧАТОМ ЗМЕЕВИКЕ

Для обеспечения нормальной работы трубчатой печи необ­ходимо обоснованно выбрать скорость движения потока сырья через зме­евик. При увеличении скорости движения сырья в трубчатой печи повыша­ется коэффициент теплоотдачи от стенок труб к нагреваемому сырью, что способствует снижению температуры стенок, а следовательно, уменьшает возможность отложения кокса в трубах. В результате уменьшается вероят­ность прогара труб печи и оказывается возможным повысить теплонапря- женность поверхности нагрева. Кроме того, при повышении скорости движения потока уменьшается отложение на внутренней поверхности тру­бы загрязнений из взвешенных механических частиц, содержащихся в сы­рье.

Применение более высоких скоростей движения потока сырья позво­ляет также уменьшить диаметр труб или обеспечить более высокую произ­водительность печи, уменьшить число параллельных потоков.

Однако увеличение скорости приводит к росту гидравлического сопротивления потоку сырья, в связи с чем возрастают затраты энергии на привод загрузочного насоса, так как потеря напора, а следовательно, и расход энергии увеличиваются примерно пропорционально квадрату (точнее, степени 1,7 — 1,8) скорости движения.

С точки зрения гидравлического режима трубчатые печи, применяе­мые в нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности, могут быть подразделены на три основные группы, поскольку поток сы­рья в них может быть однофазным, двухфазным и изменяющегося соста­ва. К первой группеотносятся печи, в которых сырье нагревается без испарения, а также печи для нагрева газов и паров. Квторой группе относятся трубчатые печи, в которых сырье нагревается с частичным или полным его испарением. Примером трубчатых печейтретьей группы могут служить печи, в которых осуществляются те или иные химические превращения. В основу подобной классификации гидравлических режимов трубчатых печей положен характер изменения скорости движения сырья по длине змеевика.

В печах с однофазным жидким потоком сырья скорость движения изменяется незначительно, только вследствие понижения плотности сырья при его нагреве. В этих печах скорость потока по всей длине змеевика изменяется на 10 — 20 %. Для печей, нагревающих газы или пары, скорость потока по длине змеевика изменяется в большей степени*, увеличение

скорости в данном случае обусловливается снижением давления и повышением температуры потока.

Небольшие изменения скорости потока по длине змеевика позволяют при расчете потери напора печей с однофазным режимом пользоваться уравнением Дарси — Вейсбаха и применять среднее значение скорости.

В печах с двухфазным режимом при частично или полностью испаряющемся сырье скорость потока изменяется значительно. В этом случае скорость на выходе из печи может в несколько десятков раз отличаться от скорости потока при входе в печь. Естественно, что при таком значительном изменении скорости движущегося потока невозможно при расчете потери напора пользоваться средним значением скорости. Представление о гидравлическом режиме печей такого типа можно получить из графика, приведенного на рис. XXI-22. По оси абсцисс отложена длина змеевика 7, по оси ординат соответствующие давление р, температураtи доля отгона е.

Вначале по мере прохождения потока сырья по змеевику давление падает сравнительно равномерно, затем, начиная с некоторого сечения, соответствующего началу испарения, потеря напора прогрессивно возрастает. Доля отгона в печи также прогрессивно растет после некоторого сечения вследствие повышения температуры сырья и снижения давления. Характерным является изменение температуры сырья по длине змеевика. На участке, где сырье нагревается без испарения, температура повышается равномерно; с момента начала испарения рост температуры замедляется, так как часть тепла расходуется на испарение сырья. При этом возможен случай (см. рис. XXI-22, пунктир), когда температура сырья на выходе из печи несколько ниже температуры в предшествующих трубах печи.

Такое явление наблюдается при большом значении потери напора и интенсивном испарении в трубах печи, последних по ходу сырья, так как в этом случае количество тепла, подводимого через поверхность труб, меньше скрытой теплоты, необходимой для испарения сырья. Испарение происходит частично за счет тепла потока сырья, температура которого при этом снижается. Подобное явление может быть причиной разложения сырья и усиленного коксообразования в этом сечении змеевика вследствие повышенной температуры, в то время как контролируемая температура на выходе из печи является допустимой.

Рис. XXI-22. График изменения давления, тем­пературы и доли отгона по длине змеевика труб­чатой печи

В печах третьего типа изменение скорости по длине змеевика зависит от степени превращения сырья (выхода продуктов реакции).

Расчет потери напора при однофазном режиме здесь не рассмат­ривается, так как он осуществляется по известным уравнениям гидравлики. Иной подход требуется для печей, имеющих двухфазный режим сырья.

Излагаемый ниже метод расчета потери напора в печах с частично или полностью испаряющимся сырьем разработан Б. Д. Баклановым. Этот метод расчета, базирующийся на ряде допущений, был проверен Я. Г. Сор- киным для тринадцати работающих трубчатых печей. Проведенная проверка показала, что метод Б. Д. Бакланова хорошо подтверждается данными практики: расхождение между расчетным значением потери напора и фактическим лежит в пределах от 1 до 12 % и в среднем составляет 7 %. При таком режиме падение давления в змеевике трубчатой печи рассчитывают в отдельности для участка нагрева и участка испарения.

Рассматриваемый метод основан на допущении, что приращение количества тепла в трубах печи пропорционально длине труб, т.е. что все рассчитываемые участки змеевика работают с одинаковой теплонапря- женностью. Такое допущение приемлемо для радиантных труб при одно­рядном экранировании и не может быть принято для конвекционных труб. В большинстве случаев испарение сырья начинается в радиантных трубах, поэтому подобное допущение позволяет применять метод Б. Д. Бак­ланова для гидравлического расчета радиантного змеевика.

Расчетное уравнение Б.Д. Бакланова для определения давления на участке испарения имеет вид:

(XXI.20)

где р_нир_к— начальное и конечное абсолютные давления на рассматриваемом участке, Па (рис.XXI-23); /_и— длина рассчитываемого участка испарения, м;А, ВиК— коэффициенты соответственно

_{a =} 0815XG^_; (XXI.21)

Рж<*⁵

(XXI.22)

(XXI.23)

G— массовый расход сырья для одного потока, кг/с;d— внутренний диаметр трубы, м; р_ж— плотность жидкости при средней (в пределах рассчитываемого участка) температуре, кг/м³;X— коэффициент гидравлических сопротивлений (для атмосферных печей рекомендуется значениеX= 0,020 — 0,024, для вакуумныхX= 0,018 — 0,020); е_ии е_к— соответственно начальная и конечная массовая доля отгона (на рассчитываемом участке), доли единицы; р_п— средняя плотность паров при давлении р = 10³Па, кг/м³. В общем случае эта величина может быть вычислена из уравнения

Рис. XXI-23. Схема, поясняющая обо­значения к гидравлическому расчету трубчатой печи

£^=848Г.

Рп

Для фракций, находящихся в паровой фазе и имеющих средние температуры кипения в начале рассчитываемого участка Т₀и при выходе из печиТ_к,молекулярные массы соответственно равные М₀и М_к, среднюю плотность при давлении 10³Па можно найти из выра­жения

\ 15

соо 48

_г 163

tit 163

с, 259

t 440

(5 447

t t t 466

ш т 466

♦ \ 568

Если в начале и в конце рассчитываемого участка паровая фаза состоит из одних и тех же компонентов, т.е. когда Т₀=Т_к = Ти М₀= =М_к =М, как это, например, наблюдается в печах для отгона растворителя на установках по очистке масел, то

J_=848—.

Рп М

Чтобы упростить расчет, Я.Г. Соркин рекомендует для печей, нагре­вающих нефть и полумазут, принимать 1/р_п= 3500 и для печей,

нагревающих мазут, 1/р_п= 2000.

Путем несложных преобразований уравнений (XXI .21) — (XXI .23) основное уравнение (XXI.20) можно представить в более удобном для расчета виде:

Рн =

Р1+А1„ ^Ск р_к +9,8i(e_K +e_H)^s-

(<’к-^н) ^{л 7}Рп

(XXI.24)

В приведенном уравнении первое слагаемое, стоящее в квадратных скобках, значительно меньше второго, поэтому с некоторым прибли­жением его можно записать следующим образом:

+ 9,81ЛУ_и(е_к + е_н)—.

Р.,

Рп

Расчетное уравнение (XXI.24) значительно упрощается, если начало испарения приходится на начало рассчитываемого участка, так как в этом случае е₁₍= 0. Для этого случая имеем

Т

Рн

pI+ai

+ 9,81е_к —

Рп )

или в приближенном виде

Р„= Рк+9,81А7_ие_к^-.

V Рп

Допустим, что испарение сырья начинается в точке Н(см. рис. XXI- 23), давление в начале участка испарения равно р_н, при этом температура сырьяt_Htа длина участка испарения 7„.

Расчетная длина участка испарения /_иопределяется по уравнению

Н^см-Л,

L-/_Р. (XXI.25)

п^к

где Н™ — энтальпия сырья смеси паровой еи жидкой (1 —е) фаз при температуре выхода из печи,

Н‘;=еН₂₊(1-е)Л,₂;

участка испарения при температуре £_ни при температуре £_квхода сырья в радиантные трубы;1_р— расчетная длина радиантных труб, равная сумме фактической длины труб и приведенной длины печных двойников,

1_Р = п_р1_п + (Л_р-1 )/₃,

здесь л_р— число радиантных труб, приходящихся на один поток сырья;1_п— полная длина одной трубы;1.₃ —эквивалентная длина печного двойника (для двойников с резким поворотом она принимается равной (50— 100)cf, для двойников с плавным поворотом потока1_Э~ 30d).

Расчетная длина участка испарения может быть определена по уравнению (XXI.25), если известна температура в начале участка испарения £_н, которую для данного сырья можно найти, если известно давление в начале участка испарения р_н, в свою очередь определяемое по уравнению Бакланова в зависимости от длины участка испарения 7_Н.

Потерю напора рассчитывают методом последовательного приближения. Рекомендуется следующая схема.

1. Задаться давлением в начале участка испарения.

2. Определить температуру начала однократного испарения сырья t_H,соответствующую этому давлению.

3. Вычислить энтальпию сырья h_tпри температуреt_H,определить длину участка

испарения !_ии по формуле Бакланова вычислить давление в начале участка испаренияр_п.

Если принятое ранее значение давления р_нсовладает с вычисленным по соответствующему уравнению (XXI.20) или (XXI.24) значением р_п, то расчет сделан верно. В противном случае надо произвести пересчет, задавшись новым значением р„.

Обычно до получения удовлетворительной сходимости приходится делать три-четыре, пересчета.

Для определения температуры начала однократного испарения при принятом значении р_мрекомендуется построить кривую зависимости температур начала однократного испарения данного сырья от давления (рис.XXI-24), Приведенная кривая характеризует давление насыщенных паров данного сырья и может быть построена для

многокомпонентной смеси по уравнению

Ри=£^Р*^Х/=Г

1=1

где Р, — давление насыщенных паров компонентов, входящих в состав сырья; х^ —

молекулярные концентрации этих компонентов.

Для построения подобной кривой следует задаться тремя произвольно выбранными температурами, в пределах которых ожидается получить температуру начала однократного испарения и определить соответствующее давление р_)Г

В печах, предназначенных для передачи тепла экстрактному раствору на установке по очистке масел, давление насыщенных паров раствора можно определить, пренебрегая давлением паров экстракта, поскольку в условиях отгонки растворителя компоненты, входящие в состав экстракта, практически нелетучи. В этом случае давление насыщенных паров раствора определяется по уравнению

Р»=Рi*F,

где Рих'р— соответственно давление насыщенных паров растворителя и его молекулярная концентрация в исходном растворе.

Потерю напора на участке нагрева рассчитывают по уравнению Дар­си — Вейсбаха:

XIи²

где Ар_н— потеря напора на участке нагрева, Па;X— коэффициент гидравлических сопротивлений;1_Н —расчетная длина участка нагрева, включающая эквивалентную длину печных двойников, м;d —внутренний

диаметр трубы, м; и— массовая скорость движения жидкости, кг/(м²-с); р_ж— плотность жидкости при средней температуре в пределах рассчитываемого участка, кг/м \

Коэффициент гидравлических сопротивлений для участка нагрева X= = 0,030-0,035.

Давление при входе в печь РО = Рн + ^Ph+ ЛРст*

где Ар_ст= 9,81 Лр_ж— статическое давление столба жидкости в печи;h— высота печи до оси верхнего потолочного экрана, м.

При нагреве в трубчатой печи дистиллятного сырья возможны случаи, когда в змеевиках происходит не только испарение сырья, но и перегрев образующихся паров. В таких условиях, например, работают печи ряда установок каталитического крекинга.

В этом случае змеевик трубчатой печи может быть разбит на три отдельных участка, соответствующих нагреву, испарению и перегреву. На участке нагрева находится только жидкая фаза и температура потока возрастает от ^ до t_H(рис.XXI-25).

На участке испарения в змеевике присутствуют жидкость и пар, температура меняется от t_Hдо £_п; на участке перегрева в трубах нагревается только паровая фаза и ее температура меняется отt_nдоt₂.

Потерю напора в подобных печах рассчитывают раздельно для каждого участка, начиная с участка перегрева.

Потерю напора на участке перегрева, где имеется только одна фаза и где изменение скорости движения паров связано с изменениями температуры и давления по длине змеевика, рассчитывают также по уравнению Дарси—Вейсбаха:

(XXI.26)

У и¹

п

где X— коэффициент гидравлического сопротивления;1_п —расчетная длина участка перегрева, м;и— массовая скорость движения паров на участке перегрева, кг/(м²-с); р_п— средняя плотность паров на участке

перегрева, кг/м³.

Длину участка перегрева следует находить так же, как это сделано выше для участка испарения, исходя из предпосылки, что приращение энтальпии потока сырья пропорционально длине змеевика. В этом случае

(XXI.27)

где Н,Ниh —соответственно энтальпия при температурахf₂,t_nи

*2'п 'к

7_К, кДж/кг; 7_р— расчетная длина одного потока радиантных труб, м.

Так же, как и в случае расчета потери напора на участке испарения, задачу приходится решать методом последовательного приближения. С этой целью для данного сырья устанавливается зависимость между температурой tи давлением р_пнасыщенных паров данного сырья.

р

Рис. XXI-24. Кривые для определения температуры начала(f_H)и полного(f_nlоднократного испарения

Рис. XXI-25. Схема, поясняющая обозначения к гидравлическому расчету трубчатой печи, работающей с перегревом паров

По закону Рауля — Дальтона давление, соответствующее температуре полного однократного испарения многокомпонентной смеси, определяется по уравнению

где х' и Р₍ — соответственно молекулярная концентрация компонентов в

F

исходном сырье и давление их насыщенных паров при данной температуре.

Обычно принято, задавшись тремя произвольно выбранными температурами, в пределах которых ожидается получить значение t_n, строить график зависимости давления р_пот температуры при помо­щи приведенного выше уравнения для данного сырья. Затем, задавшись давлением в начале участка перегрева р_п, по графику (см. рис.

21. 24) определяют температуру t_nи вычисляют плотность потока р'_пв этом сечении и при этих параметрах. Определив далее энтальпию насыщенных паровH_tnпри температуре £_п, вычисляют по уравнению

(XXI.27) длину участка перегрева 7_П. Найдя плотность сырья р" на выходе из печи при температуре1₂и давлении р_к, определяют среднюю плотность паров

и по уравнению (XXI.26) — потерю напора на участке перегрева Др_пи расчетное давление в начале участка перегрева

Рп = Рк + ЛРп-

Совпадение полученного расчетного значения р_пс ранее принятым

значением свидетельствует о правильности расчета; в противном случае необходим пересчет при вновь принятом значении р_п.

Потерю напора на участке испарения для этих печей рассчитывают по ранее изложенной методике, учитывая при этом, что давление и температура в конце участка испарения соответственно равны t_aи р_п, а доля отгона е_к= 1. Потерю напора на участке нагрева рассчиты­вают аналогично ранее рассмотренному случаю. Если в результате проведенного гидравлического расчета значение потери напора не лежит в желательных пределах, следует изменить либо диаметр труб, либо число потоков.

Для обеспечения необходимого гидравлического режима в печах иногда применяют трубы различного диаметра; в частности, для печей вакуумных установок используются радиантные трубы большего диаметра, в которых интенсивно испаряется сырье. Это позволяет иметь необходимые скорости движения потока как на участке нагре­ва, так и на участке испарения при допустимой потере напора во всей печи.

В ряде случаев в радиантные трубы печей вводят водяной пар, который, увеличивая объем потока, позволяет повысить скорость движения потока и в связи с этим улучшает теплоотдачу от стенок труб к нагреваемому сырью, уменьшает отложение кокса и солей на внутренней поверхности труб.

Увеличение числа параллельных потоков в печи за счет одновре­менного уменьшения скорости потока и длины пути надеваемого сырья позволяет резко сократить потерю напора; применение параллельных потоков позволяет при необходимости уменьшить диаметр труб.

Для ряда технологических установок и обслуживающих их печей важно располагать данными по перепаду давления в трансферном трубопроводе, соединяющем трубчатую печь с ректификационной колон­ной (рис. XXI-26). Особенно это важно для установок, где ректифи­кационная колонна работает под вакуумом. Умеренный перепад давления на этом участке позволяет иметь меньшее давление р_нна выходе из печи, более высокую долю отгона е_ни, следовательно, при допустимой температуреt₂обеспечить ввод в колонну большего количества тепла за счет сырья и этим способствовать более четкой ректификации получаемых продуктов.

Рис. XX1-26. Схема, поясняющая обозначения к расчету потери напора в трансферном трубопроводе

Пренебрегая потерями тепла трансферным трубопроводом в окру­жающую среду, имеем одинаковую энтальпию потока на выходе из печи

Н^смпри температуреf₂и на входе в колоннуН^смпри температуреt_F (t₂ >

'2 tF

> t_F),т.е. справедливо уравнение

^ен

еН

к ^lF

(XXI.28)

Таким образом, потеря напора в трансферном трубопроводе и взаимосвязанные параметры (t_2lе_н,t_Fl е_к)требуют совместного решения уравнений Бакланова, теплового баланса (XXI.28) и доли отгона. Расчет доли отгона осуществляется по приведенному ранее уравнению однократного испарения.

При повышенном перепаде давления в трансферном трубопроводе в соответствии с уравнением Бакланова рассматривается возможность сокращения его длины 7_Иили увеличения диаметраd[коэффициентАв уравнении (XXI.21)].

Для расчета потери напора в печах с потоком сырья, изменяющимся в результате химических превращений, необходим предварительный кинетический расчет, который позволяет определить объем (или массу) образовавшихся продуктов реакции.

Для расчетов необходимо разделить змеевик печи на отдельные участки, в пределах которых изменение состава потока сравнительно невелико и поэтому линейная скорость и плотность потока могут быть усреднены.

ГАЗОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЯГА

Для нормальной работы трубчатой печи необходимо обеспечить подачу воздуха в топочную камеру для горения топлива, движение газов через печь по всему газовому тракту и удаление продуктов сгорания в атмосферу на высоту, достаточную для соблюдения санитарных норм и приемлемую по допустимому загрязнению окружающей среды.

В трубчатых печах эти условия обычно обеспечиваются естественной тягой, создаваемой дымовой трубой. При естественной тяге движущей силой, обусловливающей движение дымовых газов и преодоление гидрав­лических сопротивлений, является разность давлений слоя атмосферного воздуха и дымовых газов в трубе (рис. XXI-27).

Газовый тракт трубчатой печи, ее дымовую трубу и слой атмосферного воздуха можно рассматривать как сообщающийся сосуд, у которого одним коленом служит дымовая труба, заполненная дымовыми газами, а другим — слой атмосферного воздуха. Вследствие различия температур атмосферного воздуха и дымовых газов в трубе различаются также и их плотности, а следовательно, и веса; поэтому более тяжелый слой холодного воздуха выталкивает более легкий столб горячих дымовых газов. Движущая сила (тяга), создаваемая

Рис. XXI-27. Схема трубчатой печи с естественной тягой

дымовой трубой, увеличивается с возрастанием температуры отходящих дымовых газов и высоты трубы, так как при этом увеличивается разница весов столбов атмосферного воздуха и дымовых газов.

В топочной камере должно быть некоторое разрежение, обеспечи­вающее поступление атмосферного воздуха для сгорания топлива. При использовании форсунок с воздушным распылением жидкого топлива и инжекционных горелок для газообразного топлива, воздух, необходимый для горения топлива, частично или полностью поступает под напором.

Разрежение в топочной камере необходимо также, чтобы избежать утечек дымовых газов через неплотности кладки, которые имели бы место при избыточном давлении в топке и что привело бы к загрязнению окружающей среды и увеличению потерь тепла, снижению коэффициента полезного действия печи.

Значительное разрежение в топке приводит к нежелательному подсосу избыточного воздуха, увеличению потерь тепла с уходящими дымовыми газами и снижению коэффициента полезного действия печи. Разрежение в топочной камере рекомендуется иметь в пределах 20 — 40 Па.

Сопротивление потоку дымовых газов при движении его в трубчатой печи рассмотрим на примере трубчатой печи с естественной тягой (см. рис. XXI-27). Оно слагается из следующих величин: сопротивления при движении газов через пучок конвекционных труб, сопротивления трения о стенки газоходов, местных гидравлических сопротивлений, обусловли­ваемых изменением сечения (расширением или сужением) и направления потока, сопротивлением запорных и регулирующих приспособлений (ши­бер, заслонка), статического и динамического напоров, сопротивления воз­духоподогревателя.

Общее сопротивление всего газового тракта равно сумме отдельных составляющих:

ДРобщ = Едр,-

Одним из основных составляющих сопротивления потоку дымовых газов является сопротивление пучка конвекционных труб.

Сопротивление пучка конвекционных труб главным образом зависит от скорости движения дымовых газов в свободном сечении между трубами (5 — 8 м/с), от числа рядов труб и их диаметра, способа размещения труб (шахматное или коридорное), расстояния между осями труб по горизонтали и вертикали. Для расчета этой величины предложен ряд уравнений или номограмм, приведенных в специальной литературе. В действующих печах потеря напора в камере конвекции составляет приблизительно 40 — 80 Па.

При расчете сопротивления газового потока необходимо учитывать также его направление. Движение нагретого газа снизу вверх создает дополнительный напор, помогающий преодолевать гидравлические сопротивления, так как на таком участке направление потока совпадает с направлением действия естественной тяги. Наоборот, при движении потока газов сверху вниз возникает дополнительное сопротивление, которое должно быть преодолено (статический напор).

Статический напор в камере конвекции при нисходящем потоке газов определяется из выражения

^Рс Т К(Ръ Рг )Ql

где h_K— высота камеры конвекции, м; р_ви р_г— соответственно

плотность воздуха и дымовых газов, кг/м³;д— ускорение силы притяжения, м/с².

Сопротивление трения в газоходе определяется по уравнению гидравлики и зависит от скорости движения дымовых газов (4 — 6 м/с), длины газохода и степени его шероховатости.

Местные гидравлические сопротивления определяются по уравнению

ЛРмс=Х^-^-р,.

где £, — коэффициент местных сопротивлений, выбираемый по справоч­ным данным; w_} —линейная скорость газового потока, м/с; р, — плот­ность газового потока в соответствующем сечении канала, кг/м³.

Тяга, создаваемая дымовой трубой или дымососом, должна несколько превышать найденное расчетом общее сопротивление потоку газов с тем, чтобы имелся некоторый запас и была возможность регулировать тягу.

Коэффициент запаса принимается равным 1,2, т.е. Ар_т=l^Ap^. Избыточное разрежение, создаваемое трубой, расходуется на преодоление сопротивления регулирующего шибера (заслонки). Высота дымовой трубы определяется из следующего выражения:

_ ^АРт (рв-Рг)?

При естественной тяге в трубчатых печах дымовая труба создает разрежение порядка 200 Па.

Если общее сопротивление потоку дымовых газов большое, а естественная тяга, которая может быть создана трубой, недостаточна вследствие сравнительно низкой температуры дымовых газов, то применяют искусственную тягу, при которой дымовые газы отсасываются из печи вентилятором, создающим необходимое разрежение, и нагнетаются в дымовую трубу.

Диаметр дымовой трубы определяется исходя из объема газов и допустимой их скорости в трубе; при естественной тяге эта скорость принимается равной 4—8 м/с, а при искусственной тяге 8—16м/с.

ГМЫ UII ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

В процессах нефте- и газопереработки для обеспечения не­обходимой температуры в аппаратах требуется подводить или отводить тепло. Для этого на технологических установках широко используются специальные аппараты, называемые теплообменными или теплообменни­ками (нагреватели, испарители, кипятильники, холодильники, конденсато­ры и др.).

На изготовление аппаратов, предназначенных для нагрева и охлажде­ния потоков сырья, продуктов и реагентов, затрачивается до 30 %общего расхода металла на все технологическое оборудование. От правильного выбора типа и конструкции теплообменных аппаратов, применяемых на тех или иных технологических установках, во многом зависят показатели работы всего производства (завода). Высокая эффективность работы

теплообменных аппаратов позволяет сократить расход топлива и элект­роэнергии, затрачиваемой на тот или иной технологический процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические пока­затели.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

В аппаратах, предназначенных для нагрева или охлаждения, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них на­гревается, а другой охлаждается. Поэтому вне зависимости от того, что яв­ляется целевым назначением аппарата: нагрев или охлаждение, их называ­ют теплообменными аппаратами.

Применительно к нефтегазоперерабатывающей промышленности теп­лообменные аппараты классифицируются по способу передачи тепла и на­значению.

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 при их непосредственном контакте. Для из­готовления теплообменных аппаратов смешения требуется, как правило, меньше металла и во многих случаях они обеспечивают более эффектив­ный теплообмен. Однако аппараты смешения в процессах нефтегазопере- работки часто нельзя использовать из-за недопустимости прямого сопри­косновения теплообменивающихся потоков.

В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы.

Теплообменники, в которых один поток нагревается за счет исполь­зования тепла другого, получаемого в технологическом процессе и подле­жащего в дальнейшем охлаждению. Применение теплообменников на установке позволяет сократить расходы подводимого извне тепла (сок­ратить расход топлива, греющего водяного пара и т.д.) и охлаждающего агента.

К этой группе аппаратов относятся теплообменники для нагрева неф­ти на нефтеперерабатывающей установке, осуществляемого за счет исполь­зования тепла отходящих с установки дистиллятов, остатка, а также про­межуточного циркуляционного орошения; котлы-утилизаторы, где полу­чают водяной пар за счет использования тепла нефтепродуктов, дымовых газов или катализатора на установках каталитического крекинга; регене­раторы холода и др.

Нагреватели, испарители, кипятильники, в которых нагрев или час­тичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпера­турных потоков нефтепродуктов или специальных теплоносителей (водя­ной пар, пары даутерма, масло и др.).

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, и т.д.

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

Кристаллизаторы, предназначенные для охлаждения соответствующих жидких потоков до температур, обеспечивающих образование кристаллов некоторых составляющих смесь веществ. В зависимости от температурно­го режима кристаллизации в этих аппаратах в качестве охлаждающего агента используются вода или специальные хладагенты в виде охлажденных рассолов, испаряющихся аммиака, пропана и др.

В нефтегазопереработке кристаллизаторы используются при депара­финизации масел, обезмасливании парафинов, разделении ксилолов, про­изводстве серы и др.

Поверхностные теплообменные аппараты классифицируются в зави­симости от их конструкции. К их числу относятся следующие.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными труб­ными решетками(рис. XXII-1). Такие аппараты имеют цилиндрический ко­жух2,в котором расположен пучок теплообменных труб3.Трубные ре­шетки5с развальцованными трубками крепятся к кожуху аппарата. С од­ного конца теплообменный аппарат закрыт распределительной камерой1, с другого — крышкой6.Аппарат оборудован штуцерами для теплообме-

♦\

Рис. XXI1-1. Кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками:

1 — распределительная камера; 2 — кожух; 3 — теплообменная груба; 4 — поперечная перегородка; 5 — трубная решетка; 6 — крышка кожуха; 7 — опора

нивающихся сред; одна среда идет по трубкам, другая проходит через межтрубное пространство.

В зависимости от числа перегородок в распределительной камере ко­жухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на одно-, двух- и много­ходовые в трубном пространстве; аппараты многоходовые в межтрубном пространстве с продольными перегородками; аппараты с поперечными перегородками сегментными, секторными, кольцевыми и др.

Существенное различие между температурами трубок и кожуха в этих аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожу­хом, что обусловливает возникновение напряжения в трубной решетке 5и может привести к нарушению плотности вальцовки труб в решетке и по­паданию одной теплообменивающейся среды в другую. Поэтому теплооб­менники этого типа применяют при разнице температур теплообмениваю- щихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство, не бо­лее 50° и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, по­этому теплообменники такого типа применяются в тех случаях, когда сре­да, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрес­сивной, т.е. когда нет необходимости в чистке.

Достоинством аппаратов этого типа является простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость.

В зависимости от расположения теплообменных труб различают теп­лообменные аппараты горизонтального и вертикального типа.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с плавающей головкой(с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным ти­пом поверхностных аппаратов (рис.XXII-2). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса. В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут возни­кать лишь при существенном различии температур трубок.

Трубчатый пучок может опираться на ближайшую к плавающей голо­вке перегородку, имеющую большую толщину, чем у других перегородок, а при значительных размерах и массе пучок опирают на катковые опоры.

Рис. XXII-2. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:

1 —крышка распределительной камеры;2 —распределительная камера;3— неподвижная трубная решетка;4 —кожух; 5 — теплообменная труба;6— поперечная перегородка; 7 — подвижная трубная решетка;8— крышка кожуха;9 —крышка плавающей головки;10— опора;11— катковая опора трубчатого пучка

Для возможности свободного перемещения аппарата при нагреве корпус теплообменника крепят к одной из опор подвижно. Для этого отверстия под болты в опорах делают овальной формы. Обычно подвижное крепле­ние корпуса предусматривают со стороны плавающей головки, где к кор­пусу присоединяют меньшее число трубопроводов.

По кожуху (межтрубному пространству) аппараты с плавающей голов­кой чаще всего выполняют одноходовыми. В аппаратах с двумя ходами по корпусу устанавливают продольную перегородку, что обеспечивает проти­воток потоков.

Отличительной особенностью аппарата, разработанного АО «ВНИПИ- нефть» и Черновицким машиностроительным заводом (рис. ХХН-З), явля­ется применение поперечных стержневых перегородок 7 (турбулизаторов), закрепленных полукольцами в межтрубном пространстве. По сравнению со стандартным теплообменником данный аппарат обеспечивает увеличе­ние эффективности теплообмена на 15 — 25 %, устранение вибрации труб­чатых пучков, уменьшение гидравлического сопротивления в межтрубном пространстве, снижение загрязненности, облегчение чистки трубчатых пуч­ков и значительное уменьшение тепловых потоков, не участвующих в теп­лообмене (см. рис. ХХП-28). Продольную перегородку 6нужно вынимать из корпуса вместе с трубчатым пучком, поэтому необходимо специальное уплотнение между кожухом и перегородкой. Имеются различные конструк­ции уплотнений: гибкие металлические пластины11,плотно прилегающие к кожуху по краю перегородки (см. рис. ХХИ-3,а),асбестовый шнур12, заложенный в продольный паз перегородки (см. рис. ХХН-З,б)и др.

В кожухотрубчатых теплообменных аппаратах с плавающей головкой трубные пучки сравнительно легко могут быть удалены из корпуса, что облегчает их ремонт, чистку или замену. Однако следует отметить, что конструкция аппаратов с подвижной решеткой относительно сложна, для ее изготовления требуется больший расход металла на единицу поверх­ности теплообмена, при работе аппарата плавающая головка недоступна для ремонта.

Рис. ХХН-З. Схема кожухотрубчатого теплообменника с продольной перегородкой:

а —общий вид;б, в— варианты уплотнения продольной перегородки с корпусом стальными пластинами и асбестовым шнуром;1— крышка распределительной камеры;2— распределительная камера;3— неподвижная трубная решетка;4 —кожух;5 —труба;6— продольная перегородка; 7 — поперечные стержневые перегородки (турбулизаторы);8 — подвижная трубная решетка;9 —крышка кожуха;Ю —крышка плавающей головки;П— стальные пластины;12 —асбестовый шнур

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с температурным ком­пенсатором. В этих аппаратах для частичной компенсации температурных напряжений используют специальные гибкие элементы (расширители, ком­пенсаторы), расположенные на корпусе.

Вертикальный кожухотрубчатый испаритель с неподвижными трубны­ми решетками (рис. XXII-4) отличается установкой между двумя частями кожуха4линзового компенсатора3. В аппаратах подобного типа исполь-

Рис. XXII-4. Вертикальный кожухотруб­чатый испаритель с неподвижными труб­ными решетками н температурным ком­пенсатором на корпусе:

1 —распределительная камера;2, 8 —

трубные решетки; 3 —компенсатор;4— кожух; 5 — опора;6— теплообменная труба; 7 — поперечная «сплошная»

перегородка; 9 —крышка. Потоки:I— испаряющаяся среда;II— конденсат;III— парожидкостная смесь;IV— водяной пар

зуют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы, однако приме­нять компенсаторы с числом элементов более четырех не рекомендуется, так как резко снижается сопротивление кожуха изгибу.

Кожухотрубчатые теплообменникисU-образными трубками(см. рис. ХХИ-5) имеют одну трубную решетку, в которую ввальцованы оба концаU-образных трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры. Преимущество теплообменников сU-образ- ными трубками — отсутствие разъемного соединения внутри кожуха, что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях. Недостат­ком таких аппаратов является трудность чистки внутренней и наружной поверхности труб, вследствие которой они используются преимущественно для чистых продуктов.

Испаритель с паровым пространством (рибойлер) (рис. ХХН-6) со-

Рис. XXII-5. Кожухотрубчатый теплообменник сU-образными трубками:

1 —распределительная камера;2 —трубная решетка;3— кожух;4 —теплообменная труба;5 —поперечная перегородка;6 —крышка кожуха; 7 — опора;8 —катковая опора трубчатого пучка

Рис. ХХН-6. Испаритель с паровым пространством (рибойлер):

1 —кожух;2 —люк;3— штуцер предохранительного клапана;4 —трубчатый пучок; 5 — горловина;6— распределительная камера; 7 — опора;8 —штуцер дренажа;9—

перегородка; 10— люк для троса лебедки. Потоки:1— испаряемая жидкость;11 —остаток;III— пары;IV— теплоноситель

стоит из кожуха 1и одного — трех трубчатых пучков4.Для обеспечения достаточной поверхности зеркала испарения и объема парового простран­ства расстояние от верха сливной перегородки9до верхней части кожуха1принимают не менее 1/3 диаметра кожуха. Уровень жидкости в испари­теле поддерживается сливной перегородкой9,имеющей зубчатую кромку для равномерного перелива жидкости. В испарителях с паровым простран­ством применяют такие же трубчатые пучки, как у аппаратов с плавающей головкой илиU-образными трубками. При этом диаметр неподвижной трубной решетки несколько больше, что необходимо для того, чтобы пла­вающая головка в собранном виде могла свободно пройти через горловину5при демонтаже.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с двойными трубками (рис.XXII-7). В таких аппаратах имеются две трубные решетки, размещен­ные с одной стороны аппарата. В одной трубной решетке развальцованы трубы меньшего диаметра, верхние концы которых открыты, в другой трубы большего диаметра, нижние концы которых заглушены. Такая кон­струкция обеспечивает независимое удлинение труб.

В аппаратах этого типа одна из теплообменивающихся сред поступает через штуцер в пространство между крышкой и верхней трубной решет­кой, откуда направляется вниз по трубкам малого диаметра. По выходе из них поток возвращается по кольцевому пространству между трубками, собирается в пространстве между трубными решетками, а затем выводится из аппарата.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с витыми трубками используют в нефтегазопереработке для теплообмена между средами, одна из которых находится под высоким давлением. На рис.XXII-8 показан ап­парат, предназначенный для охлаждения и частичной конденсации природ­ного газа. Теплообменник представляет собой цельносварную конструк­цию, состоящую из кожуха1,трубных решеток2,в которых закреплены медные или стальные трубки 3, спирально накрученные на сердечник4. Сердечник выполняет роль катушки для навивки труб и одновременно используется как несущая деталь, разгружающая корпус и трубные ре­шетки. Природный газ под давлением до 5 МПа и с температурой +70 °С движется внутри трубок, а метановая фракция при температуре — 42 °С и давлении 4,2 МПа подается в межтрубное пространство.

Эффективность кожухотрубчатых теплообменных аппаратовповы­шается с увеличением скорости движения теплообмениваюшихся потоков и степени их турбулентности.

При неизменной производительности аппарата увеличение скорости движения жидкости в трубках достигается размещением в крышках рас­пределительной камеры перегородок, что изменяет число ходов потока жидкости, проходящей через трубки. В промышленной практике исполь­зуют аппараты с различным числом ходов, исходя из технологической по­требности установки.

Для повышения скорости движения потоков в межтрубном простран­стве и обтекаемости поверхности теплообмена, создания большей турбу­лентности потоков и организации движения теплоносителя в направлении, перпендикулярном к оси труб, в кожухотрубчатых теплообменных аппара­тах устанавливают специальные поперечные перегородки. Они выполняют также роль опор трубчатого пучка, фиксируют трубы на заданном рассто­янии одна от другой и уменьшают вибрацию труб.

На рис. ХХИ-9 показаны поперечные перегородки разных типов. На­ибольшее распространение получили сегментные перегородки (см. рис. ХХИ-9, а). Высота вырезаемого сегмента равна примерно V₃диаметра ап­парата, а расстояние между перегородками — около 0,5 диаметра аппара­та. Поперечные перегородки с секторным вырезом (см. рис. ХХИ-9,б)ос­нащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте по­ловине диаметра аппарата. Секторный вырез, по площади равный четвер­ти сечения аппарата, располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке, то против нее. Аппараты со «сплошными» перегородками (см. рис. ХХИ-9,д) используют обычно

Рис. ХХП-7. Теплообменный аппарат с двойными трубками:

7 — кожух; 2 — теплообменные трубки; 3 — опора; 4, 5 — трубные решетки

Рис. XXII-8. Теплообменный аппарат с витыми трубками:

1 ~ кожух; 2 — трубная решетка; 3 — тепло­обменная труба; 4 — сердечник. Потоки: V — природный газ; II — метановая фракция

Рис. ХХП-О. Поперечные перегородки кожухотрубчатых аппаратов:

а — ссегментным вырезом;6— с секторным вырезом;в— кольцевые;г —с щелевым вырезом;д — «сплошные»

для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору (около 1,5 мм) между трубой и перегородкой.

Важно, чтобы зазор между внутренней поверхностью кожуха и пере­городкой был минимальным. Это позволяет сократить утечку жидкости, проходящей через межтрубное пространство и не участвующей в теплооб­мене. Вместе с тем размер зазора должен быть достаточным для извлече­ния пучка труб при его ремонте.

В зависимости от характера направления потоков теплообменные ап­параты делятся на прямоточные, противоточные, смешанного и перекрест­ного тока.

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе»по конструкции де­лятся на однопоточные (неразборные и разборные ) и многопоточные.

Неразборные теплообменные аппараты типа «труба в трубе» (рис.

22. 10) изготавливают в двух исполнениях: с приварными двойниками на теплообменных трубах, которые эксплуатируются без механической очист­ки внутренней поверхности труб, и со съемными двойниками на тепло­обменных трубах, позволяющими осуществлять механическую очистку труб.

5

Рис. ХХИ-10. Неразборный однопоточный теплообменный аппарат типа «труба в трубе»:

а

\ 1

а — сприварными двойниками на теплообменных трубах;6— со съемными двойниками на теплообменных трубах;1 —теплообменная труба;2— кожуховая труба;3 —специальный тройник;4 —двойник;5 —ниппель; 6 — гайка; 7 — штуцер

Рис. ХХИ-11. Разборный однопоточный теплообменный аппарат типа «труба в трубе»:

1 — теплообменная труба; 2 — кожуховая труба; 3 — опора; 4 — решетка кожуховых труб; 5 — поворотная камера; 6 — двойник; 7 — решетка теплообменных труб

В разборных конструкциях теплообменников типа «труба в трубе» (рис. XXII-11, XXII-12) внутренние трубы при повышении температуры могут удлиняться независимо от наружных. Конструкция аппаратов позво­ляет осуществлять регулярную механическую очистку внутренней поверх­ности теплообменных труб от загрязнений, а также при необходимости вынимать трубы для их замены или механической очистки наружной по­верхности.

В многопоточных теплообменных аппаратах (см. рис. XXII-12) рас­пределительная камера1служит для распределения потока по теплообмен­ным трубам6.Между решетками теплообменных2и кожуховых труб4расположена распределительная камера3для среды, протекающей по кольцевому пространству в кожуховых трубах 7. Многопоточные теплооб­менники имеют два хода по внутренним трубам и два по наружным.

В аппарате этого типа легче обеспечить большие, чем в кожухотрубча­тых теплообменниках, скорости движения потоков, что позволяет иметь и более высокие коэффициенты теплопередачи и большие значения теплона- пряженности поверхности нагрева. Кроме того, в аппаратах типа «труба в трубе» легче осуществить противоток между теплообменивающимися средами, что также способствует более высокой эффективности теплооб­мена.

Поверхность теплообменных аппаратов рассматриваемого типа в меньшей степени подвержена загрязнению продуктами коррозии и меха­ническими примесями, содержащимися в теплообменивающихся средах. Во многих случаях аппараты типа «труба в трубе» работают с более высоки­ми тепловыми показателями, чем кожухотрубчатые теплообменники.

В теплообменных аппаратах разборной конструкции внутренние тру­бы в ряде случаев с наружной поверхности выполняются с оребрением, позволяющим в 4 —5 раз увеличить их поверхность теплообмена. Оребре- ние внутренних труб используют, как правило, в тех случаях, когда со сто­роны одной из теплообменивающихся сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (движется газ, вязкая жидкость, поток имеет ла­минарный характер и т.п.). В этом случае оребрение поверхности со сто-

I

Рис. ХХ1Ы2. Разборный многопоточный теплообменный аппарат типа «труба в трубе»:

1 — первая распределительная камера; 2 — решетка теплообменных труб; 3 — вторая распределительная камера; 4 — решетка кожуховых труб; 5 — опора; 6 — теплообменная труба; 7 — кожуховая труба; 8 — поворотная камера; 9 — двойник

роны такой теплообменивающейся среды позволяет значительно увеличить количество переданного тепла.

На рис. XXII-13 приведены варианты оребрения трубы. Ребра можно изготовить в виде штампованных корыт, приваренных контактной свар­кой (см. рис. XXII-13, а)или из полос, которые вставляют в канавки, а за­тем закрепляют обжатием кромок (завальцовка ребер роликами) (см. рис. XXII-13, б). Ребра могут быть получены накаткой (см. рис. ХХП-13,в)или выдавливанием из металла трубы (см. рис. ХХН-13,г).Применяют также ребристые трубы с приварными шипами (см. рис. ХХП-13,д).

Для повышения эффективности теплообмена в трубном пространстве используют методы воздействия на поток устройствами, разрушающими и турбулизирующими движение потока в трубе. Это различного рода турбули- зирующие вставки, варианты исполнения которых представлены на рис.

Рис. XXII>13. Трубы с ребрами:

а — приварными из корыт; б — завальцованными; в — накатанными винтовыми; г — выдавленными; д — приварными шиповидными

г

д

Рис. ХХ1Ы4. Трубы с турбулиэаторами:

а— шнековые завихрители;б— ленточные завихрители;в— диафрагмовые трубы с вертикальными канавками;г— диафрагмовые трубы с наклонными канавками;д— трубы со спиральной проволокой; е — турбулизатор фирмы "Sulzer"

XXII-14. Шнековые (см. XXII-14, а) или ленточные (см. XXII-14, б)завих- рители, установленные по всей длине трубы, обеспечивают закрутку пото­ка, что является одним из эффективных способов интенсификации теплообмена в трубах. Широкое распространение из-за простоты изго­товления получили ленточные завихрители. Наиболее эффективная закрутка потока при этом реализуется, если лента вставлена в трубу практически без зазора. Дополнительный эффект в этом случае заклю­чается в том, что винтовая вставка увеличивает поверхность теплообмена и воспринятое ею тепло посредством теплопроводности передается в стенку трубы.

Отечественные машиностроительные заводы освоили производство диафрагмированных труб, которые изготавливаются путем нанесения на гладкие трубы поперечных вертикальных (см. XXII-14, в) или наклонных спиральных (см. XXII-14, г)канавок. Вместо наклонных канавок можно ус­танавливать внутри труб турбулизаторы, представляющие собой спираль­ную проволоку (см.XXII-14,д).На рис.XXII-14, е приведен турбулизатор, применяемый при движении внутри трубы вязких продуктов или тогда, когда при необходимости требуется обеспечить на большой длине неболь­шое гидравлическое сопротивление.

Недостатками теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» по сравнению с кожухотрубчатыми аппаратами являются большие габариты, а также более высокий расход металла на единицу поверхности нагрева.

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» жесткой конструкции, так же как и кожухотрубчатые с неподвижными решетками, используются при сравнительно небольшой разности температур теплообменивающихся сред и при теплообмене незагрязненных жидкостей (частая очистка коль­цевого пространства не требуется).

В теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» разборной конст­рукции сравнительно легко очищаются внутренняя и наружная поверхнос­ти труб; эти аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи и являются надежными в эксплуатации.

Кристаллизатор типа «труба в трубе»широко распространен на установках депарафинизации масел. Кристаллизатор предназначен для по­лучения и роста кристаллов, поэтому в аппарате должен быть обеспечен оптимальный тепловой и гидродинамический режим. Температурный на­пор, скорость движения и продолжительность пребывания охлаждаемого продукта в кристаллизаторе выбирают с таким расчетом, чтобы обеспе­чить в аппарате оптимальную скорость охлаждения данного продукта, не­обходимую для роста его кристаллов (быстрое охлаждение обычно сопро­вождается образованием мелких кристаллов).

В кристаллизаторах по внутренней трубе движется охлаждаемый рас­твор масла, из которого выкристаллизовываются парафиновые углеводоро­ды, а по кольцевому пространству — охлаждающая среда: для регенератив­ных кристаллизаторов это холодный раствор депарафинированного масла, для собственно кристаллизаторов — специальный хладагент (испаряющий­ся аммиак, пропан и др.).

Во избежание отложения парафина на внутренней поверхности трубы кристаллизаторы снабжены вращающимся валом со скребками, удаляющи­ми парафин. Это необходимо, чтобы повысить эффект теплообмена, зна­чительно ухудшающийся вследствие низкого коэффициента теплопровод­ности слоя парафина.

Вал со скребками приводится во вращение от электродвигателя при помощи системы зубчатых колес, связанных цепной передачей.

Схематический продольный разрез труб кристаллизатора показан на рис. ХХИ-15.

В последнее время все более широкое применение находят поверхно­стные теплообменники из листового материала, главным образом спираль­ные и пластинчатые

Спиральные теплообменникиизготавливаются отечественной промыш­ленностью с поверхностью теплообмена 10—100 м², они работают как под вакуумом, так и при давлении до 1 МПа при температуре рабочей среды от —20 до 4-200 °С. При соответствующем подборе конструкционных ма­териалов и прокладок допустимые значения давлений и температур могут быть доведены до 2,5 МПа и 500 °С соответственно.

В этих аппаратах может осуществляться теплообмен между рабочими средами жидкость—жидкость, газ —газ и газ — жидкость, а также могут конденсироваться пары и парогазовые смеси.

Благодаря тому, что площадь поперечного сечения каналов по всей длине остается неизменной, загрязнения на стенках в работающем аппара­те лучше смываются потоком рабочей среды и теплообменник может про­должительное время работать без чистки. Конструкцией теплообменников со съемными крышками предусмотрена механическая чистка каналов. Ти­пичная область применения разборных спиральных теплообменников включает теплообмен загрязненных потоков, содержащих кокс или ката­лизаторы, различные минералы и волокна. Неразборные аппараты с глу­хими каналами без крышек предназначены для охлаждения рабочих сред (например, кислот), при которых не требуется механическая чистка кана­лов от загрязнений.

В спиральных аппаратах поверхность теплообмена образована двумя стальными лентами 1и2толщиной 4 — 6 мм и шириной 400— 1250 мм (рис. XXII-16), свернутыми в спираль так, что образуются два канала прямо­угольного профиля, по которым в противотоке движутся теплоносители. На поверхности спирали с шагом 70—100 мм приварены штифты (на ри­сунке не показаны) для придания теплообменнику жесткости и обеспече­ния требуемого зазора между лентами, который для стандартных аппара­тов составляет 8—12 мм. С торцов аппарат закрыт крышками3на про­кладках4.В зависимости от способа уплотнения спиральных каналов с

\

Рис. ХХП-15. Узел секции кристаллизатора типа «труба в трубе»:

1— кожуховая труба;2— теплообменная труба;3— вал;4— скребок

Рис. XXII-16. Спиральный теплообменник:

а— общий вид;6— уплотнение с торцов лент в аппаратах с тупиковыми каналами;в— уплотнение с торцов лент в аппаратах со сквозными каналами;1, 2 —ленты, свернутые в спираль;3 —крышка;4 —прокладка;5 —дистанционные проставки

торцов различают спиральные теплообменники с тупиковыми и сквозны­ми каналами.

Тупиковые каналы (см. рис. ХХН-16, б)образуют приваркой дистанци­онных проставок 5 к торцу спирали. После снятия крышек3и прокладок4оба канала открываются с одной стороны, что позволяет производить чистку аппарата. Такой способ уплотнения исключает возможность смеше­ния теплоносителей при прорыве прокладки и поэтому наиболее распрост­ранен.

Сквозные каналы (см. рис. ХХП-16, в) с обоих торцов закрыты крышками 3с прокладками 4, легко поддаются чистке, но не исключают возможность смешения теплоносителей при прорыве прокладки.

Достоинством спиральных теплообменников является компактность, легкость создания высоких скоростей движения теплообменивающихся сред и, как следствие, более высокие тепловые показатели (коэффициент теплопередачи, тепловая напряженность). Гидравлическое сопротивление таких аппаратов относительно невелико и меньше, чем у кожухо­трубчатых при одинаковой скорости движения рабочих сред.

К недостаткам аппаратов этой конструкции относятся сложность из­готовления и трудность обеспечения плотности соединений.

Пластинчатые теплообменникипредставляют собой аппараты, по­верхность которых образована набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью. Их различают по степени доступности по­верхности теплообмена для осмотра и механической чистки на разборные, разборные со сдвоенными пластинами (полуразборные) и неразборные (сварные или паяные). В пластинчатых теплообменниках можно осущест­вить теплообмен между рабочими средами жидкость — жидкость, пар — жидкость, пар + газ — жидкость, газ — жидкость, газ — газ. Отечественная промышленность выпускает пластинчатые теплообменники различных мо­дификаций с поверхностью теплообмена от 1 до 800 м²для работы как под вакуумом, так и при давлении до 4 МПа, при температуре рабочей среды от —100 до 4-300 °С. Пластинчатые теплообменники могут приме­няться для теплообмена между двумя рабочими средами, каждая из кото­рых проходит внутри аппарата несколькими параллельными потоками, а также для теплообмена между тремя, четырьмя и большим числом сред в одном аппарате.

Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменни­ки (рис. ХХН-17), в которых гофрированные пластины 2отделены одна от другой прокладками 3. Пластины сжимаются между неподвижной1и на­жимной4плитами, образуя теплообменную секцию. В каждой пластине имеются четыре отверстия: одно для ввода среды в пространство между пластинами, одно — для вывода среды и два — для сквозного прохода среды. Малая толщина пластин и очень высокая турбулентность за счет рифления поверхности обеспечивают более высокие коэффициенты тепло­передачи по сравнению с кожухотрубчатыми. Монтаж и демонтаж этих аппаратов осуществляется достаточно быстро, очистка теплообменных по­верхностей требует незначительных затрат труда. Серийно выпускаемые разборные теплообменники могут работать с загрязненными рабочими средами при размере твердых включений не более 4 мм. Применение со­временных материалов для изготовления пластин и прокладок позволяет использовать подобные аппараты в агрессивных средах, например, при охлаждении 98,5 % серной кислоты с температурой 130—140 °С.

Рис. XXII-17. Схема разборного пластинчатого теплообменника:

] —неподвижная плита;2— гофрированные пластины;3 —прокладки;4 Потоки:1— горячий теплоноситель;II -нагреваемый теплопродукт

нажимная плита

Пластины полуразборных теплообменников попарно сварены (или спаяны), и доступ к поверхности теплообмена возможен только со сторо­ны хода одной из рабочих сред. Пластины неразборных теплообменников соединены в теплообменные блоки сваркой или способом пайки в вакуум­ной печи. На рис. XXII-18 показаны современные конструкции разборных и паяных пластинчатых теплообменников.

Погружные аппараты.Специфической особенностью аппаратов этого типа является наличие емкости —ящика, в которую погружены теплооб­менные трубы. В ящике находится охлаждающая среда, например вода. Аппараты этого типа используют в качестве холодильников или кон­денсаторов-холодильников.

Различают змеевиковые и секционные аппараты. Принципиальное устройство однопоточного погружного конденсатора-холодильника показа­но на рис. XXII-19. Теплообменная поверхность состоит из труб, со­единенных при помощи сварки или на фланцах; переход из одной трубы в другую осуществлен при помощи двойников. Охлаждаемый поток последовательно проходит трубы, расположенные в данном горизон­тальном ряду, затем переходит в трубы следующего ряда и т.д.

При большом расходе охлаждающегося потока для уменьшения гидравлического сопротивления применяют коллекторные змеевиковые холодильники (рис. ХХП-20), в которых охлаждаемый поток при помощи специального коллектора разбивается на несколько параллельных потоков. Меньшее гидравлическое сопротивление коллекторного аппарата по срав­нению с однопоточным достигается за счет уменьшения скорости потока и длины пути.

В случае использования подобного аппарата в качестве конденсатора- холодильника, когда вследствие частичной или полной конденсации объем потока резко уменьшается, можно применять коллекторные погружные аппараты с переменным числом потоков. В начале аппарата, где движутся в основном пары, объем которых значителен, число параллельных пото­ков может быть более высоким, чем в той части аппарата, где завершена конденсация паров и происходит охлаждение конденсата. Такое устройст­во полезно для повышения теплового эффекта аппарата, так как при со­хранении первоначального числа потоков по всему их пути скорость дви­жения конденсата в конечной части аппарата может оказаться небольшой, а следовательно, коэффициент теплопередачи в этой части аппарата будет низким.

Следует иметь в виду, что неправильный выбор места сокращения числа потоков по пути конденсирующейся среды может привести к повы­шению гидравлических сопротивлений.

К недостаткам аппаратов подобного типа относятся их громоздкость и повышенный расход металла. Кроме того, в ящике велико свободное сечение для прохода воды, вследствие чего скорость движения воды мала и относительно малы коэффициенты теплоотдачи от стенок змеевика к воде.

Такие аппараты используются на ряде действующих нефтеперерабаты­вающих заводов и при строительстве новых установок, как правило, не применяются.

Оросительные аппараты.Аппараты этого типа применяются в каче­стве холодильников и конденсаторов. Они представляют собой змеевик, состоящий из соединенных двойниками труб, которые расположены гори-

б

зонтальными и вертикальными рядами. Чаще всего это коллекторные зме­евики (рис. ХХП-21). В верхней части аппарата имеется распределительное приспособление для орошения наружной поверхности змеевиков водой. Подобное распределительное устройство выполняется в виде либо жело­бов, либо специальных распылителей.

Рис. XXII-20. Схема коллекторного погружного конденсатора-холодильника:

Рис. XXII-19. Схема однопоточного

погружного змеевикового конденсатора- холодильника:

Потоки: I — холодная вода; II — пары нефтепродукта; III — нагретая вода; IV — охлажденный нефтепродукт

Потоки: / — холодная вода; 11 —пары нефтепродукта;III —нагретая вода;IV — охлажденный нефтепродукт

Вследствие высокого значения скрытой теплоты испарения воды даже незначительное ее испарение сопровождается отводом большого количест­ва тепла.

Опыт работы оросительных конденсаторов и холодильников пока­зывает, что около 50 %тепла отводится испаряющейся водой. Таким об­разом, в оросительном холодильнике и конденсаторе расход воды при­мерно в 2 раза меньше, чем в обычном водяном холодильнике.

К недостаткам таких аппаратов относятся их громоздкость, интенсив­ная коррозия наружной поверхности труб вследствие воздействия кисло­рода воздуха и отложение накипи на йоверхности труб, особенно усилива­ющееся при высокой температуре охлаждаемого потока, трудность эксплу­атации в зимних условиях.

Аппараты воздушного охлаждения(АВО). Широкое распространение в промышленности получили аппараты воздушного охлаждения, в которых в качестве охлаждающего агента используется поток атмосферного воздуха, нагнетаемый специально установленными вентиляторами.

Использование аппаратов этого типа позволяет осуществить значи­тельную экономию охлаждающей воды, уменьшить количество сточных вод, исключает необходимость очистки наружной поверхности теплооб­менных труб. Эти аппараты используются в качестве конденсаторов и хо­лодильников.

Сравнительно низкий коэффициент теплоотдачи со стороны потока воздуха [30 — 90 Вт/(м²*К)], характерный для этих аппаратов, компенси-

руется значительным оребрением наружной поверхности труб, а также сравнительно высокими скоростями движения потока воздуха.

UUIUMUJJ

4

II

<£

<S

<£

E>

в>

в)

3>

=ф=ф

Рис. XXII-21. Схема оросительного коллекторного конденсатора-холодиль­ника:

Потоки: / — охлаждаемый нефте­

продукт; II — холодная вода; III — охлажденный нефтепродукт; IV — нагретая вода

III

Рис. XXII-22. Трубы с поперечным оребрением:

а — накатанным; б — завальцованным; в — L-обертка; г — двойная ступенчатая L-обертка; д — накатан­ным с разрезными ребрами; е — накатанным с разрезными ребрами формы «полуинтеграл»; ж — нака­танным с разрезными ребрами зиг­загообразной формы; з — накатанным с разрезными ребрами формы «ин­теграл»

а

jimiiiiiinii IIUIIIII11III

imiiiniiiii ttfittltlttttl

1г1ттттгп'1тгт

i hi ппп и in

tun t Ш ПШ 11

и I II I II II If M

6

в

г

e

ЛЛХ\ЛЛ.ЧЧЧЧ\ЛЛЛЛ

miiffififfifi

n/¹

«/IV

ynnnmnnn

\\\\\\\\\\\\\\\\y

V///////////////A

(Iwwwuwwww

r////////////////

wwwwwwww

///////////////A

'/✓У/////////////

\\\\\ ТП '//// 1 _ л\\v T '////>

ШШШ

mmrm

\\\\\\\\\\\\\\\

Wfff/WffffA

Поперечное оребрение труб (рис. XXII-22) выполняют глубокой спи­ральной накаткой слоя деформируемого алюминиевого сплава (см. рис.XXII-22, а), завальцовкой алюминиевой ленты в спиральную канавку на трубе (см. рис.XXII-22,б),оберткой трубы алюминиевой лентой, имеющей формуL(см. рис.XXII-22,в)или — двойной ступенчатойL(см. рис.XXII- 22,г).В отечественной промышленности наиболее широко применяются биметаллические трубы с накатанным оребрением, у которых в зависимо­сти от коррозионной активности и температуры окружающей среды внут­

реннюю трубу выполняют из углеродистой или легированной стали либо из латуни.

Коэффициент оребрения, равный отношению поверхности оребрен- ной трубы к наружной поверхности гладкой трубы по основанию ребер, изменяется от 5,8 до 22,6.

Повышение тепловой эффективности аппаратов воздушного охлажде­ния можно обеспечить за счет применения оребренных труб, оснащенных турбулизаторами воздушного потока (рис. XXII-22,д—з).Наличие турбули- заторов прерывает развитие пограничных слоев на боковой поверхности оребрения, обеспечивает возникновение мелких вихрей, проникающих в межреберную полость и увеличивающих интенсивность теплообмена. На­пример, средняя теплоотдача трубчатого пучка с ребрами «полуинтеграл» и «интеграл» (см. рис. ХХН-22, е, з) по сравнению с неразрезными ребрами увеличилась на 22 и 29%соответственно, при росте гидравлического со­противления примерно на 60 %.

Аппараты воздушного охлаждения различного типа изготовляются по соответствующим стандартам, в которых предусмотрены большие диа­пазоны по значению поверхности, степени оребрения и виду конструк­ционного материала, используемого для их изготовления (сталь различных марок, латунь, алюминиевые сплавы, биметалл).

Аппараты воздушного охлаждения подразделяются на следующие типы:

Горизонтальные АВГ

Зигзагообразные АВЗ

Малопоточные АВМ

Для вязких продуктов АВГ —В

Для высоковязких продуктов АВГ—ВВ

На рис. ХХН-23 приведены конструкции аппаратов воздушного ох­лаждения с расположением трубных секций зигзагообразно, горизонталь­но и в виде шатра. Размещение трубных секций зигзагообразное и в виде шатра позволяет иметь большую поверхность теплообмена при той же за­нятой площади.

В конструкциях аппаратов воздушного охлаждения необходимо преду­сматривать меры для регулирования режима работы в связи с сезонным и суточным изменением температуры воздуха. Работу аппаратов воздушного охлаждения можно регулировать изменением частоты вращения колеса вентилятора; изменением угла наклона лопастей вентилятора; жалюзийны­ми устройствами, дросселирующими поток воздуха; отключением части или всех вентиляторов (в зимнее время года); рециркуляцией части воздуха и дренированием в атмосферу; увлажнением воздуха (в жаркое летнее вре­мя) за счет впрыска химически очищенной воды. Применение жалюзий­ных устройств, рециркуляция и дренирование воздуха не обеспечивают экономию электроэнергии и менее выгодны, чем другие способы.

Для подачи охлаждающего воздуха применяют осевые вентиляторы пропеллерного типа с диаметром колеса от 0,8 до 7 м. Вентилятор приво­дится во вращение через редуктор или клиноременную передачу, а при ис­пользовании тихоходных электродвигателей колесо вентилятора крепится непосредственно на валу электродвигателя.

Аппараты воздушного охлаждения размещают на металлоконструкци­ях, железобетонных опорах или непосредственно на верху ректификаци­онной колонны (рис. XXII-24). В последнем случае обеспечивается меньшее

Рис. XXII-23. Аппараты воздушного охлаждения:

а —зигзагообразный;б— горизонтальный коллекторного типа;в— шатровый;1— секция трубная;2 —жалюзи;3 —механизм дистанционного поворота жалюзей с пневматическим приводом;4 —коллектор впрыска химически очищенной воды; 5 — диффузор;6 —колесо вентилятора; 7 — металлическая несущая конструкция;8— стяжка;9— тихоходный

электродвигатель; Ю —коллектор подачи природного газа; )) — электродвигатель;12 — редуктор

Рис. XXII-24. Парциальный конденсатор воздушного охлаждения фирмыGEA

Теплообменные аппараты смешения. В теплообменных аппаратах сме­шения тепло передается от одной среды к другой путем непосредственного контакта теплообменивающихся потоков. Такой метод передачи тепла поз­воляет значительно сократить расход металла на изготовление аппаратов. Однако применять этот способ можно только в тех случаях, когда допус­тимо смешение потоков. Например, воду можно нагреть за счет использо­вания тепла водяного пара при их прямом смешении; тепло, выделяемое конденсирующимся паром, непосредственно воспринимается водой. При­менение поверхностного аппарата в таких случаях является неоправдан­ным.

Непосредственно смешивать теплообменивающиеся потоки можно и в тех случаях, когда они взаимно не реагируют, не растворяются и в даль­нейшем хорошо разделяются; такой случай имеет место в бензиновых конденсаторах смешения.

Часто целесообразным является нагрев гранулированного твердого ма­териала (катализатора, адсорбента, теплоносителя и т.д.) при непосредст­венном контакте его с нагретыми газами и парами.

Теплообменные аппараты смешения классифицируются по следующим основным признакам.

В зависимости от агрегатного состояния смешиваемых потоков теплообмен может осуществляться между средами, находящимися в паро­образном (газообразном), жидком или твердом состоянии. Возможны различные случаи — теплообмен между несколькими газами (парами), газом и жидкостью, газом и твердым телом, жидкостью и жидкостью и т.д. В результате теплообмена может измениться состояние теплообме­нивающихся сред, например, пары частично или полностью сконден­сируются, жидкость частично или полностью испарится и т.д.

В зависимости от способа смешения потоков оно может быть одно- или многоступенчатым при прямоточном или противоточном движении смешивающихся сред.

В зависимости от внутреннего устройства, обеспечивающего смеше­ние, аппараты могут быть со специальными распиливающими и распреде­лительными устройствами; каскадные, снабженные специальными полками или перегородками (способствующими смешению); насадочные, в которых контакт происходит в основном на поверхности насадки.

Ниже описаны некоторые аппараты смешения.

К теплообменным аппаратам смешения относятся барометрические конденсаторы вакуумных колонн, предназначенные для конденсации водя­ных паров с целью уменьшения нагрузки вакуумсоздающего оборудования (вакуум-насосов, эжекторов). Схему включения и принципиальное устрой­ство барометрического конденсатора рассмотрим на примере полочного конденсатора (рис. ХХП-25). В барометрический конденсатор поступает смесь газов и паров, состоящая из воздуха, продуктов разложения нефтя­ного сырья, водяных паров (которые были поданы в ректификационную колонну для технологических целей) и относительно небольшого количест­ва нефтяных паров. Для конденсации и охлаждения этой смеси подается холодная вода, стекающая по перфорированным полкам при большом чис­ле струй. Воздух в барометрический конденсатор попадает через неплотно­сти аппаратуры и трубопроводов, находящихся под вакуумом, частично

Рис* XXII-25. Схема барометрического конденсатора:

1— колодец;2 —барометрическая

II

труба; 3 — корпус конденсатора;4 — распределительные полки. Потоки:I—

холодная вода; If —пары и газы к вакуумсоздающему оборудованию;Ш — смесь паров и газов;IV —нагретая вода

вместе с водяным паром, а также вследствие частичной деаэрации воды, поступающей в конденсатор.

Полки занимают около V₃сечения конденсатора и размещаются та­ким образом, что струи с вышележащих полок попадают на нижележа­щие. Часть воды проходит через отверстия в полках, часть перетекает че­рез боковые поперечные планки полок, образуя на них определенный уровень воды.

Охлаждаемая газопаровая смесь, поднимаясь снизу вверх, встречает на своем пути большое число струй, а также водяную завесу. Таким образом, в барометрическом конденсаторе создается большая поверхность контакта охлаждаемой смеси с водой. В результате газопаровая смесь охлаждается, а содержащиеся в ней водяные и нефтяные пары в большей своей части конденсируются.

Конденсат вместе с охлаждающей водой стекает по барометрической трубе в приемный колодец. При переработке сернистого сырья в отходя­щей воде содержится значительное количество сероводорода. Сверху из барометрического конденсатора отсасываются газы вместе с частью водя­ных паров, количество которых предопределяется давлением насыщенных паров воды при температуре верха конденсатора.

Чем ниже температура воды, поступающей в конденсатор, тем ниже температура газов, уходящих с верха конденсатора, и тем меньше коли­чество водяных паров, уходящих вместе с газами.

Барометрический конденсатор должен быть установлен на высоте И,обеспечивающей непрерывный сток воды через барометрическую трубу в колодец для предотвращения заполнения конденсатора водой. ВысотаН₀уравновешивает в статическом состоянии разность между атмосферным давлением и давлением в барометрическом конденса­торе. С учетом потери напора при движении жидкости в барометри­ческой трубеh[ и запаса высотыh₂на случай колебания режима работы конденсатора можно определить высоту установки конденсато­ра Н.

Применяют барометрические конденсаторы различных конструкций, различающиеся по устройствам приспособлений для распределения воды. Чаще всего используются аппараты полочного типа; обычно устанавливают 4 — 7 полок с диаметром отверстий 1—7 мм.

Применение барометрических конденсаторов на нефтеперерабатыва­ющих заводах ведет к значительному загрязнению сточных вод (сероводо­род, нефтепродукты), что требует проведения специальных дорогостоящих мероприятий по очистке.

В этой связи на ряде заводов для конденсации паров, отходящих из верха вакуумной колонны, вместо барометрического конденсатора исполь­зуют поверхностные аппараты.

В практике работы нефтеперерабатывающих установок эффективно применяется теплообмен «горячей струей» (рис. XXII-26). Например, на ус­тановках для перегонки нефти, отбензиненная нефть из низа колонны на­правляется в атмосферную колонну через трубчатую печь. Вместе с основ­ным потоком отбензиненной нефти через печь проходит поток нефти, циркулирующий между колонной и печью и направляемый в низ колонны в качестве «горячей струи». Циркулирующий поток в печи воспринимает тепло, нагреваясь от температурыf, до температурыt₂,и затем отдает это тепло в нижней части колонны, охлаждаясь отt₂доt_x.

На высокопроизводительных установках первичной перегонки нефти АТ-6 и АВТ-6 для организации «горячей струи» предусмотрена отдельная печь, а нагрев основного потока от­бензиненной нефти осуществляют в трех печах вертикально-факельного типа.

Часто за счет циркулирующей «горячей струи» осуществляется подвод тепла в низ ректификационной колонны. В этом случае «горячей струе» сообщается тепло в специальной трубчатой печи или отдельном змеевике печи.

Другим примером осуществления теплообмена смешением является нагрев воздуха в топках под давлением (установки каталитического кре­кинга, коксования, сушки отбеливающих глин и т.д).

Рис. ХХИ-26. Схема нагрева «горячей струей»:

1 — отбензинивающая колонна (предварительный эвапоратор), 2 — трубчатая печь; 3 — насос. Потоки: I — отбензиненная нефть; II — горячая струя; III — отбензиненная нефть в атмосферную колонну

В топке под давлением (рис. ХХН-27) сжигается жидкое или газообраз­ное топливо, а образующиеся дымовые газы смешиваются с подлежащим нагреву воздухом, нагнетаемым в этот аппарат. По сравнению с использо-

ванием поверхностных аппаратов такой способ нагрева воздуха проще и не требует больших затрат; однако недостатком его является снижение концентрации кислорода в воздухе за счет разбавления воздуха дымовыми газами.

2

3

4

Рис. XXII-27. Схема топки под давлением:

1 — штуцер для форсунки; 2 — камера сгорания; 3 — камера смешения; 4 — предохранительный клапан. Потоки: 1 — холодный воздух; II — воздух на горение; 111 — нагретый воздух

Широко применяется в промышленной практике охлаждение газов путем впрыска в поток воды! Охлаждение газов этим методом может быть осуществлено в трубопроводе или любом соответствующем аппарате, через который проходит газ. Воду впрыскивают через специальные распы­ляющие форсунки. Высокая степень дисперсности воды облегчает ее испарение и позволяет завершить охлаждение газа в аппарате небольшого объема. Вследствие высокой скрытой теплоты испарения воды ее расход на охлаждение газов невелик.

Подобные методы охлаждения газов возможны в тех случаях, когда конечная температура их охлаждения выше или равна температуре насыщения водяными парами. Метод неприменим, если увлажнение газов недопустимо.

В связи с широким распространением в нефтеперерабатывающей промышленности контактных процессов (каталитический крекинг, коксование, каталитическая переработка газов, адсорбционная очистка) широко распространены процессы теплообмена непосредственным смешением паров или жидкости при контакте с твердым материалом.

Процессы теплообмена смешением газопаровых или жидких потоков с твердым материалом могут быть классифицированы по следующим ос­новным признакам.

1. Теплообмен со стационарным и нестационарным потоками тепла. При стационарном потоке тепла температурный режим в любых сечениях теплообменивающихся сред не меняется во времени. При нестационарном потоке тепла, имеющем место в случае периодического нагрева или ох­лаждения твердого материала, температурный режим с течением времени меняется.

2. Теплообмен в противотоке, прямотоке и при однократном сме­шении.

3. Теплообмен в движущемся слое. В зависимости от характера дви­

4. жения твердой фазы различают теплообмен в движущемся сплошном слое, в слое пересыпающихся или падающих частиц, в псевдоожиженном слое твердых частиц, в процессе пневмотранспорта.

Примером теплообмена смешением при прямотоке является нагрев воздуха катализатором в процессе его транспортирования на установке каталитического крекинга. В этом случае воздух, необходимый для реге­нерации катализатора, нагревается при непосредственном смешении с катализатором и используется для перемещения катализатора из реактора в регенератор.

Таким же способом на установках каталитического крекинга часто нагревают и испаряют исходное сырье. В транспортный стояк сырье подается в жидком или парообразном состоянии, при смешении с катализатором оно испаряется и нагревается. В этом случае пары сырья являются транспортирующим агентом.

Однократное контактирование происходит при теплообмене между паром (или газом) и псевдоожиженным слоем твердого материала (см. гл. XVIII). Благодаря перемешиванию и большой поверхности частиц теп­лообмен в слое происходит весьма интенсивно и температуры во всем объеме слоя близки между собой.

НАГРЕВАЮЩИЕ И ОХЛАЖДАЮЩИЕ АГЕНТЫ

Нагревающие агенты. Основным источником тепла на нефтегазоперерабатывающих заводах является сгорание топлива. При этом тепло либо непосредственно используется для нагрева, либо передается при помощи специальных теплоносителей.

В первом случае топливо сжигают в аппарате, служащем непосредст­венно для нагрева, например в трубчатой печи. Во втором случае тепло сжигаемого топлива используется для нагрева теплоносителя, который далее транспортируется к месту потребления тепловой энергии.

Наиболее удобным и распространенным теплоносителем является водяной пар. Его легко транспортировать к месту потребления, а цент­рализованное производство водяного пара в ТЭЦ или в крупной котель­ной позволяет наиболее эффективно использовать тепло топлива, совмещая производство водяного пара с выработкой электроэнергии (ТЭЦ). Достоинствами водяного пара как теплоносителя являются высо­кий коэффициент теплоотдачи при его конденсации, большие значе­ние скрытой теплоты конденсации, возможность использования конден­сата и др.

Обычно в качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар, так как расход перегретого водяного пара вследствие его малой теп­лоемкости высок, а коэффициент теплоотдачи от перегретого пара к теп­лообменной поверхности мал.

К недостаткам водяного пара как теплоносителя относится сравни­тельно низкая температура его при высоком давлении. Так, при абсолют­ном давлении Р =0,98 МПа температура конденсации пара равна 179 °С, и, следовательно, использовать его можно при нагреве до температуры не выше 160— 170 °С. Для нагрева среды до 200 °С требуется насыщенный пар подавать под давлением 2,5 —3,0 МПа.

При нагреве до высоких температур значительного снижения давления в теплообменной аппаратуре можно достигнуть, применяя конденсирую­щийся теплоноситель с более высокой температурой кипения.

В промышленной практике применяют такие теплоносители, как смесь дифенила и дифенилоксида, известную под названием даутерма, ртуть и др. Температура кипения даутерма при атмосферном давлении равна 257 °С, а при температуре 350 °С абсолютное давление насыщенных паров даутермы составляет приблизительно 0,6 МПа. Однако скрытая теплота его конденсации значительно ниже, чем для водяного пара и составляет 251 кДж/кг при атмосферном давлении. При нагреве до температуры выше 400 °С находит применение смесь азотнокислых и азотистокислых солей натрия и калия. Так, смесь солей, состоящая из NaNOo(40 %),NaN0₃(7 %) иKN0₃(53 %) имеет теплоту плавления 81,6 кДж/кг, температуру плавления 142 °С, теплоемкость 1,6 кДж/(кг-К) и вязкость при 260 °С, равную 4 мПа-с, а при 538 °С — 1,0 мПа ■ с. В частности, такой теплоно­ситель применялся на установке каталитического крекинга с неподвижным слоем катализатора.

На нефтеперерабатывающих заводах в качестве теплоносителя для нагрева до температуры выше 200 °С часто используются высококипящие нефтепродукты. В этом случае теплоноситель нагревают в трубчатой печи, транспортируют к месту его использования, а после охлаждения возвра­щают в печь для нагрева.

Иногда в качестве теплоносителя применяют дымовые газы или го­рячий воздух, нагреваемый в топках под давлением. Недостатками такого теплоносителя являются низкий коэффициент теплоотдачи к теплооб­менной поверхности [обычно не выше 58 Вт/(м²-К)] и малая теплоемкость 1,05—1,26 кДж/(кг*К). Низкий коэффициент теплоотдачи может быть несколько скомпенсирован созданием более высокого температурного напора, что в случае использования дымовых газов не представляет за­труднений.

В некоторых отраслях промышленности в качестве теплоносителя используют перегретую воду при температуре 350 — 360 °С, которая цир­кулирует в системе под давлением выше 20 МПа.

В некоторых контактных процессах нефтепереработки применяют твердые теплоносители, в качестве которых используют катализатор, кокс, малоактивный материал и др. Применение этих теплоносителей обычно связано с особенностями технологических процессов. Теплоносителями являются также все получаемые на нефтеперерабатывающих установках высокотемпературные потоки, тепло которых может быть использовано для нагрева сырья в регенераторах тепла.

Помимо топлива источником тепла может служить также электро­энергия. Применение электроэнергии в качестве источника тепла в неф­теперерабатывающей промышленности ограничено.

Охлаждающие агенты. Наиболее распространенным и дешевым ох­лаждающим агентом является вода, используемая для охлаждения до 30 — 35 °С. В процессе эксплуатации систем водоснабжения и канализации на нефтегазоперерабатывающих заводах происходит загрязнение сточных вод, зависящее от состава перерабатываемой нефти, профиля завода, состояния технологического оборудования, правильности подключения установок к системам канализации. Для уменьшения количества вредных веществ, которое сбрасывается в водоем со сточными водами на неф­тегазоперерабатывающих заводах организуется проточное или так назы­ваемое оборотное водоснабжение. При оборотном водоснабжении на­гретая вода повторно используется после ее охлаждения путем частичного испарения в градирнях или специальных бассейнах. Иногда температура воды понижается при частичном ее испарении под вакуумом.

Воду широко применяют в качестве охлаждающего агента вследствие ее доступности и относительно высокого коэффициента теплоотдачи к поверхности.

Вместе с тем необходимо отметить, что в связи с интенсивным развитием промышленности применение воды в качестве охлаждающего агента для многих районов является фактором лимитирующим. Кроме того, использование воды промышленными предприятиями часто является источником загрязнения водоемов и требует осуществления комплекса мероприятий по очистке воды перед ее сбросом. Важнейшим элементом по охране окружающей среды является такая организация водоснабжения, при которой осуществляется замкнутый цикл, т.е. отсутствуют стоки воды в водоемы.

Следует также отметить, что использование воды в качестве охлажда­ющего агента связано с загрязнением наружной поверхности холодильни­ков и конденсаторов, вследствие отложения накипи и других возможных загрязнений, содержащихся в воде. Это обстоятельство приводит к сниже­нию коэффициента теплопередачи, а также ухудшению условий охлажде­ния и требует сравнительно трудоемкой периодической очистки поверхно­сти охлаждения.

Важность и необходимость сокращения расхода воды на нефтега­зоперерабатывающих и нефтехимических заводах вытекает также из того, что расход воды на этих предприятиях высок и составляет от 30 до 150 м³ на 1 т нефти, а затраты на сооружение системы водоснабжения и канализации составляют 9 — 12 % стоимости всего завода.

Одним из важнейших мероприятий, позволяющих существенно сни­зить расход воды, является применение воздуха в качестве охлаждающего агента. В этом случае атмосферный воздух при помощи мощных вентиляторов нагнетается в аппараты воздушного охлаждения. Затраты энергии на привод вентиляторов во многих случаях меньше затрат энергии на водяное охлаждение, в которые входят затраты как на подъем воды из водоемов, так и на перемещение воды при оборотном водоснабжении. Если учесть еще затраты, связанные с созданием и эксплуатацией системы канализации, а также ущерб, нанесенный вследствие загрязнения водо­емов, то, как это показано многими технико-экономическими расчетами, применение воздуха в качестве охлаждающего агента является важным мероприятием для развития российской промышленности.

Достоинством воздуха как охлаждающего агента, является его доступ­ность. Он практически не приводит к загрязнению наружной поверхности охлаждения. К недостаткам этого агента по сравнению с водой можно от­нести сравнительно низкий коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, который можно скомпенсировать значительным оребрением наружной по­верхности теплообменных труб; сравнительно низкая теплоемкость [1,0 кДж/(кг*К)], вследствие чего массовый расход воздуха в 4 раза превы­шает расход воды; существенные колебания начальной температуры возду­ха, обусловливаемые географическим местом расположения установки, временем года, а также временем суток. В стандартных аппаратах воздуш­ного охлаждения предусматривается возможность частичного (на несколь­ко градусов) снижения начальной температуры воздуха путем его увлажне­ния, за счет впрыскивания химически чистой воды с помощью форсунок.

При необходимости охлаждения до низких температур (ниже 10 — 15 °С) применяют специальные хладагенты — испаряющийся аммиак, про­пан, этан и другие сжиженные газы. В нефтепереработке подобные охлаж­дающие агенты используются при депарафинизации масел, низкотемпера­турном сернокислотном алкилировании изобутана олефинами, при произ­водстве некоторых высоковязких присадок и др. При испарении сжижен­ных газов скрытая теплота, необходимая для превращения жидкости в пар, отнимается от охлаждаемого потока. Образующиеся пары хладагента подвергаются компрессии или абсорбции, вновь сжижаются и возвращают­ся в процесс.

Температура испаряющегося агента легко регулируется изменением давления, при котором происходит испарение. Зависимость температуры испарения жидкого аммиака (Г) от давления насыщенных паров аммиака характеризуется следующими данными:

Г, К Р, МПа

\ 15

соо 48

_г 163

tit 163

с, 259

t 440

(5 447

t t t 466

ш т 466

♦ \ 568

При охлаждении до температур ниже 238 К аммиак и пропан в ка­честве охлаждающих агентов обычно не используют и применяют этан.

РАСЧЕТ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Для расчета поверхностных теплообменных аппаратов со­ставляют тепловой баланс, т.е. определяют количество тепла О_ивыделяе­мого охлаждающимся потоком, и количество тепла0₂,получаемого нагре­ваемым потоком. При наличии тепловых потерь

0₇= цО_{,

где т] — коэффициент использования тепла (обычно т\ =0,92 - 0,98).

При расчете холодильников и конденсаторов рекомендуется тепловые потери не учитывать, т.е. принимать Q₂ =0₍. В этом случае расчет дает некоторый запас по расходу воды (воздуха) и поверхности охлаждения.

При расчете регенеративных теплообменников необходимо учитывать тепловые потери, так как в противном случае вычисленная поверхность нагрева может оказаться недостаточной.

Величины 0\и0₂определяются из следующих выражений:

Q\⁼(^i^—^*2)'

о₂=с₂(л,₄-л,₃), (XXII. 1)

где G₍иG₂— соответственно количество охлаждающегося и нагревающе­гося потоков; Л и Д₂— энтальпия охлаждающегося потока соответствен­но при начальнойt_{и конечнойt₂температурах, кДж/кг;h_t3и -эн- тальпия нагревающегося потока соответственно при температурах входаt₂ и выходаt₄из аппарата, кДж/кг.

Уравнение теплового баланса может быть представлено следующим образом:

7. fVA^G^-hJ (XXII.2)

Это уравнение является общим, если под энтальпией соответствующих потоков подразумевать и явное, и скрытое тепло. Для случая, когда тепло­обмен сопровождается изменением агрегатного состояния, уравнение (XXII.2) можно представить в развернутом виде.

Так, начальная энтальпия среды, находящейся в перегретом состоянии, будет включать явное тепло нагрева исходного вещества в жидком состоя­нии от О °С до температуры кипения этого вещества при данном давле­нии, скрытой теплоты испарения этого вещества и тепла перегрева от тем­пературы t_Kдоt, т.е.

Н" = C_Mt_K+ <7_И+ С_п(f-f_K), (XXII.3)

где Н,^п— энтальпия вещества, находящегося в перегретом состоянии, кДж/кг;С_жи С_п— теплоемкость соответственно жидкости и пара, кДж/(кг-К);q_u —скрытая теплота испарения, кДж/кг.

В случае насыщенных паров третье слагаемое в уравнении (XXII.3) отпадает и энтальпия вещества

^н, =CJ^+q_a=h_l+q_u,

где h_tиН,— энтальпия соответственно жидкости и паров, кДж/кг.

Для потока, состоящего из смеси жидкости и насыщенных паров, эн­тальпия при температуре tопределяется из уравнения

8. ^см=С_ж1 + ед_и=(1-е)л,+еН„ где е — массовая доля отгона.

Если процесс теплообмена сопровождается переходом вещества из жидкого состояния в твердое или наоборот, то следует учитывать скрытую теплоту плавления (затвердевания). В этом случае энтальпия потока

л, = CJ - щ,

где г— доля вещества, перешедшего в твердое состояние;q— теплота плавления или затвердевания, кДж/кг.

Если через теплообменный аппарат проходит поток, состоящий из нескольких веществ с различными тепловыми свойствами (теплоемкость, скрытая теплота), то тепловой баланс составляется для каждого из этих компонентов. Тогда уравнение (XXII. 1) может быть представлено следую­щим образом:

о_х = яА_х + яА,_х + ■ ■ ■ + яАп -яА₂- я А,₂ яА,₂

ИЛИ

о_х= д_х(Ъщ ^⁺■ ■ ■⁺я_п(К_х-К₂)

В тех случаях, когда пары проходят через аппарат без конденсации, разность энтальпий

Коэффициент теплоотдачи. Важнейшей и наиболее трудоемкой час­тью технологического расчета поверхности теплообменного аппарата явля­ется вычисление коэффициентов теплоотдачи. Методы определения этих величин изучаются в специальном курсе теплопередачи, здесь же приводит­ся ряд формул, которыми и рекомендуется пользоваться при расчете теп­лообменных аппаратов. Коэффициент теплоотдачи от движущегося жидко­го или газообразного потока зависит от режима движения: при ламинар­ном (струйном) потоке коэффициенты теплоотдачи обычно малы, а при турбулентном потоке более высоки и возрастают с увеличением степени турбулентности.

Режим потока устанавливается в зависимости от значения безразмер­ного критерия Рейнольдса

Re=Wd/v,‘ гдеW— линейная скорость движения потока, м/с;d —диаметр трубопровода, м;v— кинематическая вязкость, м²/с.

Имея в виду, что W — и/р (гдеи —массовая скорость потока, кг/(м²-с), р — плотность потока, кг/м³), получим значение критерияRe, выраженное через массовую скорость

Re=ud/pv.

Если Re< 2300 — движение потока ламинарное, при2300<Re< <10 000 — режим переходный, а приRe> 10 000 — движение турбулентное.

Для кожухотрубчатых теплообменных аппаратов были проведены ис­пытания, которые показали удовлетворительное соответствие расчетных и измеренных в промышленных условиях коэффициентов теплопередачи и гидравлических сопротивлений. Ниже изложена методика расчета, реко­мендованная на основе этих исследований.

Для ламинарного режима рекомендуется зависимость

,0,25

Nu = 0,17Re^0,33Pr^Q43Cr^0,1

Рг

Р-с

Т /

где Nu=ad/X— критерий Нуссельта; Рг =vpС/Х— критерий Прандтля; Сг = (gd³/v²)pAf— критерий Грасгофа; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К);v— кинематическая вяз­кость,mVc; X— коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); р — плотность потока, кг/м³;С —средняя массовая теплоемкость в интервале температур на входе и выходе потока, кДж/(кг -К); — коэффициент объемного расширения, К^-1;At— разность между средними

температурами потока и стенки.

Для турбулентного режима предложено уравнение

Nu= 0,021 Re⁰'⁸ Рг⁰'⁴³

Рг

V J

\ 0,25

При переходном режиме коэффициент теплоотдачи можно вычислять по приве­денной выше формуле для турбулентного режима, введя поправочный коэффициент / который вычисляется по формуле

/= 1 - 6-10³Re~‘.

Во всех приведенных уравнениях физические свойства следует опре­делять при средней температуре потока. В тех уравнениях, где использует­ся значение Рг_ст— соответствующие величины вычисляются при средней температуре стенки.

В приведенных уравнениях направление теплового потока (от стенки к продукту или наоборот) учитывается соотношением (Рг/Рг^)^0,25.

В случае движения теплообменивающегося потока через трубы некруг­лого сечения в перечисленные уравнения вместо диаметра трубы dследует подставлять эквивалентный диаметр, определяемый из следующего выра­жения:

d₃= 4//П, (XXII.4)

где / — сечение потока; П — смоченный периметр трубы некруглого сече­ния.

Согласно уравнению (XXII.4) эквивалентный диаметр d₃для некото­рых наиболее распространенных случаев равен:

Для труб кольцевого сечения с диаметром большой тру­бы Dи наружным диаметром меньшей трубыd

D-d

P²-nd'² D + nd

2аЬ а + Ь

Для пучка труб внутри кожуха при внутреннем диаметре кожуха Dи наружном диаметре трубокdи их

числе п

Для труб прямоугольного сечения со сторонами аиb

Для ребристых труб коэффициент теплоотдачи а может быть опре­делен по следующему уравнению

а = а

\ ! 2/.р-8^Л

/

У

(XXII.5)

где а₀— коэффициент теплоотдачи для гладкой трубы, Вт/(м²■ К);h— высота ребра, м; 8 — толщина ребра, м; 7 — шаг ребер по окружности (дляпребер эта величина определяется как 7 =izd_H/n),м; Р — величина, определяемая из табл. XXII. 1, в зависимости от произведенияmh.

Величина тнаходится из следующей зависимости:

V ъх

где X —коэффициент теплопроводности материала ребер, Вт/(м К).

Движение потока в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теп­лообменных аппаратов является сложным. Между перегородками направ­ление движения потока по отношению к трубам осуществляется под неко­торым углом, в вырезах, отверстиях и зазорах поток движется параллель­но трубам. В отдельных местах межтрубного пространства наблюдаются застойные зоны. Примерная схема потоков жидкости в межтрубном про-

Та б л иц а XXII. 1

странстве кожухотрубчатых аппаратов с сегментными перегородками по­казана на рис. ХХП-28. Важно отметить, что вследствие наличия зазора между трубной перегородкой и корпусом кожуха наблюдается некоторая утечка жидкости, не соприкасающейся с теплообменными трубами и не участвующей в теплообмене (см. рис. ХХИ-28, поток /).

Nu=cRe°'⁶Pr⁰'³³

vp

\0,м

^ ^"стРст )

где Nu,Reи Рг — критерии, определяемые так же, как и в приведенных выше уравнениях;

⁽vp^

отношение

учитывает направление теплового потока, причем во многих случаях его

ст у

ч v_(;TP

величина лежит в пределах 0,98 — 0,995; и поэтому часто им можно пренебречь; с — коэффи­циент, характеризующий форму перегородок и расположение труб в пучке (для сегментных перегородок и при расположении труб по треугольнику и квадрату с = 0,22).

При определении критерия Reлинейная или массовая скорость вычисляется относи­тельно так называемого эффективного сечения 5-межтрубного пространства, которое опре­деляется из выражения:

С - / с с эф -у^пр^поп '

где S— площадь проходного сечения в вырезах перегородки (площадь сегмента или сектора за вычетом суммарной площади сечения, проходящих через нее труб);S_UIIII— площадь проходного сечения между перегородками.

Коэффициенты теплопередачи. Для плоской стенки коэффициент теплопередачи определяется из уравнения

(ХХП.6)

где ccjи а₂— коэффициенты теплоотдачи с каждой стороны стенки, Вт/(м²К); 8 — толщина отдельных слоев стенки, м;X —коэффициент теплопроводности слоев стенки, Вт/(м * К).

Уравнение (XXII.6) часто представляют в следующем виде:

—+_L+VД (XXII.7)

К сх, а₂

где 1 /К —общее сопротивление потоку тепла; 1/а, и 1/<Х2 — удельные со­противления теплоотдачи со стороны первой и второй среды;JL8/X— сум­ма удельных сопротивлений потоку тепла, оказываемых всеми слоями, со­ставляющими стенку.

Если сопротивление стенки Е8/А, незначительно по сравнению с со-

Рис. ХХП-28. Схема потоков жидкости в межтрубном пространстве кожухотрубча­того теплообменного аппарата:

1. — утечка жидкости через зазоры между перегородкой и корпусом теплообменника;

2. —то же, между трубками и перего­родками; III— основной желательный поток жидкости

3. противлением пленок среды, то величиной Е8/А без большой погрешности можно пренебречь; в этом случае

111. »/■aiou

+ илиК=—i-2_.

К «I сс₂ a,+a₂

Если тепловое сопротивление одной из пленок значительно превосхо­дит тепловое сопротивление другой пленки и стенки, то коэффициент теп­лопередачи будет практически равен наименьшему из коэффициентов теп­лоотдачи. Так, если а, во много раз превосходит а₂(а! >> а₂), тоК ~а₂, и, наоборот, если«а₂, тоК~ а,.

Часто для приближенных расчетов или когда нет достаточно точных методов расчета коэффициентов теплоотдачи а значение коэффициента теплопередачи Кнаходят по практическим данным или по приближенным эмпирическим формулам и графикам.

Некоторые рекомендуемые для приближенных расчетов практичес­кие значения коэффициента теплопередачи К{в Вт/(м²■ К)) приведены ниже:

Трубчатые жидкостные теплообменники 70 — 290

Паровой трубчатый нагреватель:

нагрев жидкого нефтепродукта 115—350

нагрев газа низкого давления 10 — 60

Пародистиллятный трубчатый теплообменник 115 — 290

Водяной конденсатор:

паров бензина в присутствии газа 115 — 235

паров узких бензиновых фракций 235 — 465

Кипятильник, обогреваемый:

конденсирующимся водяным паром 290 — 870

жидким нефтепродуктом 140 — 350

Конденсаторы-испарители 235 — 580

Кристаллизаторы парафина 45 — 115

Значение теплового сопротивления стенки и загрязнений определяют из уравнений (ХХП.6) и (XXII.7) как сумму отношения толщины стенки и загрязняющего отложения 5 к значению их коэффициента теплопроводно­сти А.

Ниже приведены значения коэффициентов теплопроводности А. (в Вт/(м ■ К)) для некоторых материалов, используемых при изготов­лении теплообменников, а также для отложений, загрязняющих поверх­ность:

\ 15

соо 48

_г 163

tit 163

с, 259

t 440

(5 447

t t t 466

ш т 466

♦ \ 568

Ниже приводятся средние значения тепловых сопротивлений отложе­ний, 8/А (в м²■ К/Вт), появляющихся на поверхности теплообмена; эти практически найденные значение тепловых сопротивлений загрязнений ре­комендуется учитывать при расчете коэффициента теплопередачи по урав­нению (XXIL6).

Водяной пар 0,00006

Водяной пар, содержащий следы масла 0,00009

Вода очищенная 0,00017

Вода умягченная 0,0002

Вода жесткая 0,0003

Бензин 0,0004

Газойль 0,0007

Нефть обессоленная 0,0003 — 0,0007

Нефть необессоленная 0,0003 — 0,001

Г удрон 0,005 — 0,01

Слой парафина или кокса 0,061

Поверхность теплообмена. При известных количествах переданного тепла О, средней разности температур между теплообменивающими среда­миAt_cpи коэффициенте теплопередачиКповерхность теплообмена опре­деляется из уравнения

F=—Я—

(XXII.8)

KAt_cp

Уравнение справедливо для плоской стенки, а также для труб, если толщина стенки мала по сравнению с диаметром. Этим же уравнением следует пользоваться и для труб с относительно большой толщиной стен­ки, но в этом случае поверхность теплообмена должна вычисляться по среднему диаметру d_m, который определяется из уравнения

ос | a₂d₂ 2 A. d₂

Если коэффициент теплопроводности стенки трубы Л, достаточно высок (стенка металлическая), а коэффициенты теплоотдачи а < 1000, то величину среднего диаметра определяют из уравнения

-U-1-

а,

а-

Mi

а^2

Наконец, если один из коэффициентов теплоотдачи значительно пре­восходит другой, то средний диаметр d_mпрактически равен внутреннему или наружному диаметру трубы. Так, если а, >>а₂,то, пренебрегая вели­чинами 1/а, и 1/а^р получаем, чтоd_m~d₂; аналогично, еслиotj<< а₂, по­лучаем, чтоd_m~d_x.

Температура стенки трубы теплообменной поверхности. Эта темпе­ратура вычисляется из уравнений

f_CT1=f,-^-; (XXII.9)

¹Fctj

(XXII. 10)

Величина Q/Fесть тепловая напряженность поверхности нагрева, ко­торая при большой толщине стенки трубы будет неодинакова для наруж­ной и внутренней поверхностей труб, что и должно быть учтено при поль­зовании уравнениями (XXII.9) и (XXII. 10).

Средний температурный напор. В большинстве производственных процессов тепло передается при переменных температурах одного или обоих теплообменивающихся потоков. Очевидно, в этом случае разность температур, или температурный напор, пропорционально которому пере­дается тепло, также будет величиной переменной, меняющейся вдоль по­верхности нагрева. В связи с этим возникает необходимость определения средней разности температур (среднего температурного напора) между теп- лообменивающимися средами. Это среднее значение температурного напо­ра, естественно, зависит от характера изменения температур потоков вдоль поверхности теплообменного аппарата, который может быть раз­личным. К наиболее характерным случаям относятся: прямоток, противо­ток, перекрестный ток и смешанный ток. Основные схемы движения по­токов, соответствующие этим случаям, представлены на рис.XXII-29.

Сопоставление температурных режимов работы теплообменных аппа­ратов при прямотоке и противотоке (см. рис. XXII-29, а,б)позволяет от­метить, что при прямотоке максимальный температурный напор наблюда­ется у входа в теплообменный аппарат; затем этот напор уменьшается, до­стигая своего минимального значения у выхода из аппарата. В противопо­ложность этому при противотоке температурный напор более равномерно распределяется вдоль поверхности. Вследствие такого распределения темпе­ратурного напора при прямотоке поверхность теплообмена в тепловом от­ношении загружена неравномерно; при противотоке тепловая нагрузка яв­ляется более равномерной.

б

а

*1 ^ *2 и

и kU

п, Ь_г

Рис. XXII-29. Основные схемы движения потоков при теплообмене:

а — прямоток: б — противоток: в — перекрестный ток; г — два хода в трубном прост­ранстве и один ход в межтрубном пространстве; д — четыре хода в трубном пространстве и два хода в межтрубном пространстве; е — четыре хода в трубном пространстве и один ход в межтрубном пространстве

Из графика (см. рис. XXII-29,б)видно еще одно важное достоинство противотока: конечная температура нагревающейся среды может быть вы­ше конечной температуры охлаждающейся среды. Это обстоятельство позволяет при регенерации тепла обеспечить более высокий подогрев на­греваемой среды, а при охлаждении снизить расход охлаждающего агента и при том же его расходе понизить конечную температуру охлаждаемого продукта.

Таким образом, обеспечение противотока в теплообменном аппарате является желательным, однако часто с целью упрощения конструкции ап­парата и по некоторым другим причинам приходится применять и другие схемы теплообмена.

При прямотоке или противотоке средний температурный напор опре­деляется из следующего уравнения:

₌^Affi - ^А<м, (XXII.11)

AL

где At₆и Д£_м— соответственно большая и меньшая разности температур, равные

при прямотоке Д/_б= *, - /₃и Дf_M= t₂ -*₄;

при противотоке А(₆ = f, - t₄ и At_M = t₂ - f₃.

При противотоке большая и меньшая разности температур могут быть и на противоположных сторонах теплообменника, т.е.

At₆ = t₂ - t₂ и At_M = t_x - t_A.

Если At₆/At_MT< 2, то с ошибкой, не превышающей 4 %, средний тем­пературный напор может быть вычислен как средняя арифметическая величина:

t_ep=Af_e+At_M/2.

Если в межтрубном пространстве теплоноситель делает один ход, а в трубном два (см. рис. XXII-29,г),или в межтрубном пространстве два хода, а в трубном четыре (см. рис.XXII-29,д),или, наконец, в меж­трубном пространстве один ход, а в трубном четыре (см. рис.XXII-29, е), то средняя разность температур может быть вычислена также по урав­нению (ХХП.11) с той лишь разницей, что величиныAt₆и А£_мбудут иметь другие значения.

Согласно исследованиям проф. Н. И. Белоконя, в этом случае Д/_б=в„+^А7-;

at_H= е_ат- 1АТ,

где АТ —характеристическая разность температур,

AT = ^Af + Aт) -4pAfAx,

At = t_] - f₂; Ax = t₄ - t₂;

0_ат— средняя арифметическая разность температур охлаждающегося и нагревающегося потоков,

А - ⁺ h_+ U.

^ат2 2 '

р —индекс противоточности, определяющий долю противоточной части поверхности нагрева; для различных случаев теплообмена принимается справочное значение этой величины.

В частности, для схем (см. рис. ХХН-29) индекс противоточности р равен: 0,5 для схемыг\0,9 для схемыд; 0,45 для схемы е; 0,98 для схемы

в.

При определении средней разности температур для смешанного и перекрестного токов можно использовать уравнение

А^_Ср

где At_np— вычисляется по уравнению (ХХИ.11) для схемы противотока; е — коэффициент, зависящий от схемы движения теплоносителя и определяемый по графикам и методике, изложенным в справочной литературе.

ВЫБОР И РАСЧЕТ СИСТЕМЫ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛА НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ УСТАНОВОК

При расчете регенерации тепла на нефтегазоперерабатыва­ющей установке необходимо выбрать предел выгодности регенерации теп­ла и распределить поверхность теплообмена между отдельными потоками, тепло которых используется.

Общие соображения, которые при этом следует принимать во внимание, сводятся в основном к следующему:

1. При повышении степени регенерации тепла для нагрева исходного сырья увеличива­ется его температура на входе в трубчатую печь (если она входит в состав установки), в связи с чем сокращается расход топлива и уменьшаются размеры трубчатой печи. Однако при по­вышении температуры сырья, поступающего в печь, увеличивается температура уходящих ды­мовых газов, в результате чего коэффициент полезного действия печи снижается.

Для использования тепла уходящих дымовых газов и в особенности при повышенной их температуре широко Применяются котлы-утилизаторы, служащие для получения водяного пара.

Экономически оправданная степень регенерации тепла зависит от стоимости и дефи­цитности топлива: чем выше стоимость топлива, тем более оправданным является повыше­ние степени регенерации тепла.

2. При усилении регенерации тепла необходимо увеличить поверхность теплообменных аппаратов, причем не пропорционально количеству регенерированного тепла, а прогрессив­но. Это объясняется тем, что при более полной регенерации тепла снижается средний тем­пературный напор: при этом иногда уменьшается и коэффициент теплопередачи, что являет­ся следствием большой вязкости потока, тепло которого регенерируется.

Из практики эксплуатации теплообменных аппаратов на нефгегазоперерабатывающих заводах следует, что экономически оправдано осуществлять нагрев сырья в теплообменниках при тепловой напряженности до 2300 Вт/м², что соответствует минимальному температурно­му напоруAt_M — 15^20 °С.

При увеличении регенерации тепла сокращается потребная поверхность холодильни­ков, а в некоторых случаях можно обойтись без их применения.

Использование тепла паров, особенно конденсирующихся при сравнительно высоких температурах, в тепловом отношении целесообразно. Однако во многих случаях установка пародистиллятных теплообменников является неоправданной вследствие интенсивной корро­зии этих аппаратов. Использовать тепло жидких потоков целесообразно в тех случаях, когда температура и количество потока достаточно велики, т. е. имеется большой запас тепла, обеспечивающий экономически оправданный температурный напор в теплообменном аппа­рате. В ряде случаев и особенно на установках, обладающих высокой производительностью, выгодно осуществлять нагрев сырья в теплообменниках двумя-тремя параллельными потоками. Это позволяет более полно использовать тепло продуктов переработки и обеспечить гидравлическое сопротивление потокам теилообменивающихся сред в эконо­мически оправданных пределах.

Регенерация тепла остатков, сильно загрязненных взвешенными частицами, нецелесо­образна в тех случаях, когда эти частицы вследствие низкой скорости потока или по другим причинам отлагаются на поверхности теплообмена, что снижает тепловую эффективность аппарата.

Таким образом, экономичность регенерации тепла зависит от большого числа фак­торов, учесть которые однозначно не представляется возможным. Поэтому расчетное ре­шение этой задачи обычно сводится к проработке нескольких возможных вариантов с последующим выбором оптимального на основе технико-экономических показателей.

Для регенерации тепла используется теплообменная аппаратура различных типораз­меров, соответствующая действующим ГОСТам.

При расчете регенерации тепла необходимо, используя технико-экономические пока­затели, обосновать не только выбор стандартной конструкции аппарата и его размеры но и гидродинамический режим работы. Необходимо учесть, что повышение скорости теплооб- менивающихся потоков, обеспечиваемое выбором соответствующего аппарата или увеличе­нием числа ходов в нем, позволяет иметь высокие коэффициенты теплопередачи, уменьшить поверхность теплообмена, а следовательно, и затраты на приобретение и сооружение тепло­обменников, но при этом возрастает гидравлическое сопротивление, что увеличивает расход электроэнергии на перемещение потоков через аппарат, т.е. увеличиваются эксплуатацион­ные затраты.

Экономия капитальных затрат, обусловливаемых уменьшением поверхности теплооб­мена, оправдана только в том случае, когда она не превышает возросших затрат на электроэнергию. Экономически обоснованный выбор теплообменного аппарата возможен только при использовании метода сравнения приведенных затрат 3 . Для решения такой задачи рекомендуется следующая методика определения приведенных затрат:

3„р =СфФ_п+ 2_ЭВ+Z_3H,где С_ф — коэффициент, учитывающий размер амортизационных отчислений, затраты по те­кущему ремонту и плату за производственные фонды (обычно принимают С_ф = 0,428); Ф_м — первоначальная стоимость основных фондов по теплообменным аппаратам в рублях, включающая стоимость самого аппарата, транспортно-заготовительные расходы и стоимость монтажных работ; Z_3B и Z_3H —годовые затраты на электроэнергию, расходуемую .для преодоления гидравлических сопротивлений через соответственно трубное и межтрубное пространства.

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА КОНДЕНСАТОРОВ- ХОЛОДИЛЬНИКОВ, ПАРОДИСТИЛЛЯТНЫХ РЕГЕНЕРАТОРОВ И КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ

Выше были изложены общие положения по расчету поверхностных теплообменных аппаратов, на основе которых рассмотре­ны некоторые особенности расчета перечисленных аппаратов. Этими осо­бенностями являются своеобразное изменение температуры потока и усло­вий теплоотдачи (различие в коэффициенте теплоотдачи а) вдоль поверх­ности теплообмена в зависимости от того, происходит ли на данном участ­ке охлаждение паров, их конденсация или охлаждение конденсата.

Рассмотрим особенности расчета этих аппаратов для некоторых наи­более типичных и распространенных в практике нефтеперерабатывающей промышленности случаев, которые дают возможность уяснить общие при­емы решения подобных задач.

В общем случае в конденсатор-холодильник поступают пары в пере­гретом состоянии. При этом в аппарате имеются три различные зоны, в которых происходят следующие процессы: ЗонаI. Перегретые пары ох­лаждаются до температуры начала конденсации.Зона II.Пары конден­сируются.Зона III.Охлаждение конденсата.

Если конденсирующие пары представляют собой индивидуальное ве­щество, а перепад давления в зоне конденсации невелик, то температура

конденсирующихся паров останется постоянной до их полной конденса­ции.

Если же конденсирующиеся пары представляют собой многокомпо­нентную смесь или перепад давления существенен, то в зоне конденсации будет наблюдаться понижение температуры вдоль поверхности теплооб­мена.

Подобный характер изменения температуры в конденсаторах-холо­дильниках характеризуется графиком (рис. ХХП-30), из которого следует, что изменение температур различно, поэтому для более точного расчета надо определять средний температурный напор для каждой зоны в отдель­ности.

Различны также и условия теплообмена: обычно для зоны I, где ох­лаждаются перегретые пары, коэффициент теплопередачи имеет более низкое значение, чем в зоне, где пары конденсируются. Коэффициент теп­лопередачи в зоне III имеет обычно промежуточное значение.

В связи с различием в температурном напоре и коэффициенте тепло­отдачи расчет поверхности конденсатора-холодильника необходимо вести для каждой зоны в отдельности, используя для этого общее уравнение теплопередачи

с — . J7 — Ом •J7 — 0[Ц

гI г ¹ II 1 ^J III г

К,Д/_ср[ К„А<_СР11 к _шД/_срш

где K_]t К_ииК_ш —коэффициенты теплопередачи соответственно дляI, II и III зон; Д£_ср(,Af_cp|[иAf_cp|I[— средние температурные напоры для этих же

зон.

Общая поверхность аппарата F = F_l+F_n +F_ni.

Количество тепла, отводимого в каждой зоне, определяется из выра­жений

C)_l=G(H₍₁-H_(HK)=GC_n(f₁-f_HK);

<*.^=сКк-0^;

Рис. ХХП-30. График температурного режима конденсатора-холодильника

*2

^3

F

о_ш=с(л,_пк-л,₂)=сс_ж(г_пк-/₂).

Общее количество отводимого тепла

О — 0[+ Оц + Ощ.

Способы определения температуры начала конденсации паров £_нки полной их конденсации £_пкрассмотрены в предшествующих главах.

Температура охлаждающего агента (воды) в начале и конце зоны П определяется из общих уравнений теплового баланса:

Г = Г

О

G

I

в

Общий расход воды в конденсаторе-холодильнике

О

Средний температурный напор в каждой зоне определяется по урав­нению (XXII.11). Для каждой зоны определяются также и коэффициенты теплопередачи.

Для конденсаторов-холодильников, в которые поступают пары в на­сыщенном состоянии, рассматривают только две зоны — конденсации и охлаждения конденсата. Для конденсаторов газа, находящегося под дав­лением своих насыщенных паров, будет отсутствовать зона III, где про­исходит охлаждение конденсата. Она исключается также для конденсато­ров-холодильников при неполной конденсации исходного потока (напри­мер, смесь паров бензина и газа установок каталитического крекинга).

На нефтеперерабатывающих заводах большое распространение полу­чили конденсаторы-холодильники, в которые поступает смесь нефтяных и водяных паров, причем нефтяные пары находятся в насыщенном состоя­нии, а водяные пары — в перегретом. Для таких конденсаторов-холодиль­ников различают следующие основные зоны: Зона/. Частичная конденса­ция нефтяных паров до температуры, соответствующей началу конденса­ции водяных паров.Зона II.Совместная конденсация нефтяных и водяных паров.Зона III.Охлаждение конденсатов.

В зоне I по мере конденсации нефтяных паров температура потока понижается и парциальное давление водяных паров повышается вследствие уменьшения общего количества паров за счет частичной конденсации неф­тяных паров. Это обстоятельство необходимо иметь в виду при определе­нии температуры начала конденсации водяных паров.

Температурный режим такого конденсатора-холодильника должен оп­ределяться на базе общепринятых методов.

При использовании практических данных по коэффициентам тепло­отдачи для конденсаторов-холодильников поверхность теплообмена может быть рассчитана без ее подразделения на отдельные зоны по общему уравнению теплопередачи, однако такой расчет менее точен.

Заслуживают внимания также особенности расчета пародистиллятных

ею

регенераторов тепла, широко применяемых в процессах селективной очистки и депарафинизации масел. В этих аппаратах тепло частичной или полной конденсации паров используется для нагрева и частичного испаре­ния жидкости. Принципиальная схема подобного аппарата с соответству­ющими обозначениями показана на рис. XXII-31. Согласно этой схеме в теплообменный аппарат поступают поток насыщенных паровG_x,явля­ющихся теплоотдающей средой, и поток жидкостиG₂с температурой 1₃, которая меньше температуры начала однократного испарения этой жид­кости. В результате теплообмена в таком аппарате может произойти частичная или полная конденсация паровG_xс последующим охлаждением конденсата (в случае полной конденсации). При этом нагреваемый потокG₂частично или полностью испаряется с возможным последующим пере­гревом паров в случае полного испарения жидкости.

Возможность частичной или полной конденсации паров, а также сте­пень испарения исходной жидкости предопределяются тепловым балансом и зависят от соотношения масс потоков G_xиG₂, значений скрытых теп- лот испарения и конденсации, начальных температур и других факторов.

В практике нефтегазопереработки наиболее часто используется про­цесс частичной конденсации паров и испарения жидкости. Этот случай и рассматривается ниже. Методика подобного расчета может быть использо­вана и для других возможных частных случаев. Расчет подобного пародис­тиллятного регенератора необходимо вести с учетом двух зон, отличных по условиям теплообмена.

В зоне I нагреваемая среда находится только в жидком состоянии, при этом ее температура изменяется от начального значения t₃до температуры начала однократного испаренияt_{H ll}. Для этой зоны характерно более рез­кое повышение температуры потока. В зоне II жидкость испаряется и по­этому температура повышается медленнее. Помимо различия в характере изменения температур, эти зоны отличаются также по условиям теплооб­мена. В зоне I коэффициент теплоотдачи от стенок к нагревающейся жид­кости будет, как правило, меньше, чем зоне II, в связи с более интенсив­ным теплообменом при испарении жидкости. Что касается характера из­менения температур греющего потока отt_xдоf₂, то в данном случае он од­нороден на протяжении всей поверхности теплообмена, так как на любом участке аппарата происходит только конденсация паров.

б

a

Рис. ХХН-31. Схема (а) и график температурного режима (б) пародистил­лятного теплообменного аппарата

^2

^3

F

Иногда с целью увеличения температурного напора со стороны грею­щего потока искусственно поддерживают повышенное давление и этим по­вышают температуры f, иt₂.

Перейдем к составлению теплового баланса для всего аппарата и для каждой зоны в отдельности. Количество тепла, выделяемого при охлажде­нии потока G1от температурыt_{доt₂и частичной конденсации паров, определяется из уравнения

О, = G, (я„ - Я“) =G,[я₍₁- е,Я₁₂- (l- е, )л,₂],

где е, — доля несконденсировавшихся паров на выходе из теплообменного аппарата при температуре t₂\ H_ti,H_t2иh_l2 —соответственно энтальпии

паров и жидкости при температурах £, и t₂\ Н™ —энтальпия смеси паровой и жидкой фаз.

Количество тепла, воспринимаемого нагревающимся потоком,

О, = С₂(я,7 - Л,₃) = с\е&_и+ (1 --Аз]'

где е₂— доля паров, образовавшихся на выходе из теплообменного ап­парата при температуреt₄; Н_ии Л,—соответственно энтальпии паров и жидкости при температурахt₄и £₃.

С учетом потерь тепла общий тепловой баланс выражается сле­дующим уравнением:

от = о₂

или

С,[Я_(|- е,Я,₂-(1 - е,)h,₂]n= сф*Я,₄+ (l- - А₃]•(XXII.12)

При расчете теплообменного аппарата обычно известны количества теплообменивающихся потоков G_{иG₂и их начальные температуры £, иt₂.В результате расчета должны быть определены конечные температурыt₂ иf₄и соответствующие им значения е, и е₂. Порядок решения приведенно­го выше уравнения теплового баланса сводится к следующему. Задаются одной из конечных температурt₂илиt₄,определяют соответствующие этой температуре и рабочему давлению в теплообменном аппарате значенияе_{ или е₂, подставляют их в уравнение теплового баланса (XXII. 12) и определя­ют из него энтальпию потока соответственно при температуре £₄(если задавались температуройf₂):

я,7 =е₂Я₍₄+(1-е₂)л,₄

или при температуре t₂(если задавались температуройt₄): Я,;"=е,Я,₂₊(1-е,)л,₂.

По найденному значению энтальпий Н™или Н™ определяют соот­ветствующую температуруt₄илиf₂. Искомая температураt₄илиt₂не может быть найдена однозначно, так как значение энтальпии зависит как от тем­пературы, так и от доли отгона е. В связи с этим подобную задачу удобно решать графическим путем. Для этого задаются двумя или тремя значения­ми искомой температуры, при этих температурах определяют долю отгона и энтальпию, учитывающую как явное, так и тепло испарения или конден­сации при данной доле отгона е.

По полученным значениям строят график энтальпий как функции температуры. Пользуясь найденным ранее значением Н™, по графику на­ходят искомую температуруt₄.

Однако в отдельных случаях, произвольно задавшись температурой t₂, в результате подобного расчета можно получить нереальную величинуf₄, равную или превышающую значениеt_x.

Это свидетельствует о том, что в данных условиях количество тепла, выделяющегося при охлаждении потока G_xот температурыt_xдо темпера­турыt₂,не может быть воспринято потокомG₂,т.е. температурный потен­циал потокаG, недостаточен для передачи выделенного количества тепла. Подобное явление может наблюдаться в следующих случаях: масса потокаG_xзначительно превосходит массу потокаG₂; теплоты конденсации паровG_xсущественно превышают скрытые теп­лоты испарения потокаG₂;

доля отгона е₂не может достигнуть сравнительно большого значения вследствие повышенного давления, под которым находится потокG₂; содержание испаряющихся компонентов в потоке мало.

Если в результате расчета получено нереальное значение температуры t₄,то необходимо произвести пересчет, задавшись другим значением ко­нечной температурыt₂илиt₄.

Выбрав таким образом температурный режим для всего теплообмен­ного аппарата, переходят к составлению уравнения теплового баланса для отдельных зон. Для этого прежде всего определяется температура начала однократного испарения нагреваемого потока G₂. В соответствии с уже принятыми обозначениями количество тепла, воспринятого в зоне I, со­ставит

°21 -Д₃).

а количество тепла, отдаваемого в этой же зоне охлаждающимся потоком:

q,=g,(h“-h“)=<V4-

Из последнего уравнения определяется значение Н™, а затем искомая температураVнаходится графическим способом, как это было показано выше.

Для зоны II количество тепла, воспринятое нагревающимся потоком и отданное охлаждающимся потоком, найдется соответственно по разности

р2ц ” 0₂— 0₂j. 0_1п⁼0\— О, = 0_2п/л*

Дальнейший расчет поверхности теплообмена для зон I и II, а сле­довательно, и для всего аппарата, не представляет трудности, так как количество тепла и температурный напор известны:

F_x .

*i A'cpi

и

р - °²п

^г II '

^U^Afcp_lt

где К_{иК_и— коэффициенты теплопередачи соответственно для I и II зон;Af_cpиAf— средние температурные напоры для этих же зон.

Общая поверхность аппарата F = Fx+F_u.

Так же, как и в случае конденсаторов-холодильников, при исполь­зовании опытных значений коэффициентов теплопередачи для приближен­ных расчетов поверхности теплообмена может быть применено общее уравнение теплопередачи (XXII.8).

Расчет поверхности кристаллизаторов выполняется по уравнению теплопередачи, но при этом необходимо учесть некоторые особенности, обусловливаемые тем, что в процессе кристаллизации образуются и растут кристаллы твердой фазы (например, кристаллы парафиновых углеводо­родов в кристаллизаторах процесса депарафинизации масел).

Перечислим эти особенности:

1. При определении количества тепла, отводимого от охлаждаемого продукта или его раствора, должно быть учтено скрытое тепло кристаллизации.

2. При выборе скорости движения охлаждаемого потока следует учитывать, что с уве­личением скорости повышается коэффициент теплоотдачи, а следовательно, коэффициент теплопередачи, однако высокая скорость препятствует росту кристаллов или приводит к их измельчению, что является нежелательным.

3. При выборе температуры охлаждающего агента и размеров кристаллизатора необхо­димо обеспечить благоприятную для кристаллизующегося раствора скорость охлаждения, учитывая, что при высокой скорости охлаждения образуются мелкие кристаллы, отделить которые от раствора на фильтре затруднительно. Оптимальная скорость охлаждения, обес­печивающая благоприятный рост кристаллов и хорошую последующую фильтруемость, зави­сит от природы раствора; так, например, при охлаждении в растворе кетонов рекомендуется скорость охлаждения, составляющая до 100 °С/ч.

4. При расчете коэффициента теплопередачи должно учитываться тепловое сопротив­ление слоя кристаллов парафина, отлагающегося на внутренней поверхности стенки кристал­лизатора.

ОСОБЕННОСТЬ РАСЧЕТА АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Расчет аппаратов воздушного охлаждения включает опре­деление поверхности охлаждения, обеспечивающей отвод требуемого коли­чества тепла, выбор в соответствии с ГОСТом типового аппарата, наибо­лее целесообразного для данных условий и изготовляемого машинострои­тельными заводами, а также определение расхода энергии на привод вен­тиляторов, нагнетающих воздух вдоль оребренной поверхности аппаратов. Расчет необходимой поверхности выполняется по уравнению теплопереда­чи

Ш_ср '

где О— количество тепла, отводимого от конденсируемого или охлажда­емого продукта;К —коэффициент теплопередачи; А?_ср— средний темпе­ратурный напор.

Вследствие применения в этих аппаратах оребренных труб поверх­ность охлаждения обычно принято определять по полной наружной ореб- ренной поверхности (хотя эта величина может измеряться и по внутренней гладкой поверхности или по гладкой поверхности наружной трубы, отне­сенной к диаметру трубы у основания ребер).

Коэффициент теплопередачи будет иметь различное значение в зави­симости от того, какая из величин поверхности охлаждения принята. Ко­эффициент теплопередачи, отнесенный к поверхности оребренной трубы, определяется из уравнения

К„,=

ct F ^ вн ¹ вн

+ г₃-^п- + F

¹ ср

+ I.

а,

3 вн

+ Г.

з.н

вн

где а_вн— коэффициент теплоотдачи со стороны продукта внутри трубы, Вт/(м²-К);F_n— полная поверхность оребренной трубы, м²;F_BH— поверх­ность трубы наружная (по диаметру трубы у основания ребер), м²;г₃— эквивалентное тепловое сопротивление металла стенок труб и контактной поверхности (в биметаллических трубах), м²*К/Вт;F_cp—поверхность тру­бы по среднему диаметру, м²; а_н— коэффициент теплоотдачи со сторо­ны воздуха, отнесенный к полной поверхности оребренной трубы, Вт/(м²К);г_{э вн}— тепловое сопротивление загрязнений со стороны продук­та, м²*К/Вт; г_{э н}— тепловое сопротивление загрязнений со стороны возду­ха, м²-К/Вт.

По данным обследования ряда действующих аппаратов воздушного охлаждения, коэффициент теплопередачи К_{н а} =17^70 Вт/(м²-К).

В стандартах на аппараты воздушного охлаждения принято называть отношение F_n/F_aH=\|гкоэффициентом увеличения поверхности, а отно­шениеF_n/F_H= <р коэффициентом оребрения, гдеF_H— поверхность труб по наружному диаметру основания ребер. Тепловое сопротивление загряз­нений со стороны воздуха г_{з н}- 0.

Для определения коэффициента теплопередачи со стороны воздуха используют графики, позволяющие определять этот коэффициент в зави­симости от значения средней скорости движения воздуха.

Коэффициент теплопередачи а_{н п}, определяемый по этим графикам, учитывает также эквивалентное сопротивление металла стенки труб и кон­тактной биметаллической поверхности, т.е. при принятых выше обозначе­ниях имеем

^ср ^н,п

где а_{н п}— коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, учитывающий термическое сопротивление металла стенок и поверхности контакта.

С учетом отмеченного расчетное уравнение для определения коэф­фициента теплопередачи примет вид

^нп1F1F

— — + —-— + г——+ г

a F а^{3 вн}F^{з н}

вн вн н.п вн

Средний температурный напор определяется так же, как это было показано ранее. Важнейшим условием расчета этой величины является

достаточно обоснованный выбор начальной температуры воздуха, которая обеспечивает требуемую температуру охлаждаемого продукта в наиболее жаркий период года для данной местности. При этом рекомендуется выбирать в качестве расчетной среднюю температуру сухого воздуха в 13 часов для наиболее жаркого месяца в году.

Снижение расчетной температуры воздуха может привести к пониже­нию производительности технологических установок в летнее время. Одна­ко чрезмерное завышение расчетной температуры воздуха значительно увеличивает капитальные затраты, особенно в тех случаях, когда по усло­виям производства допустимы более низкие расчетные температуры.

Для эффективной круглогодичной работы желательно делать расчет и для зимнего времени, в том числе и для наименьшей возможной темпера­туры.

Как уже отмечалось ранее, при необходимости начальная температура нагнетаемого вентилятором воздуха может быть несколько снижена путем его увлажнения за счет впрыска воды. В результате расчета должна быть выявлена целесообразность использования конкретного стандартного од­ного или нескольких аппаратов, значение поверхности которых зависит от скорости движения воздуха.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Важнейшей составной частью расчета поверхностных теп­лообменных аппаратов является расчет гидравлических сопротивлений по­току теплообменивающихся сред. Только на основе теплового и гидравлического расчетов может быть выбран оптимальный режим работы теплообменных аппаратов. Высокие скорости движения теплообмениваю­щихся сред обеспечивают высокий коэффициент теплопередачи и умень­шение необходимой поверхности аппарата. Однако с повышением скоро­сти резко возрастают гидравлические сопротивления, а следовательно, и расход энергии на их преодоление, что обычно и лимитирует значение скорости движения потока.

Общее сопротивление теплообменного аппарата равно сумме сопро­тивлений трения Ар_три всех местных гидравлических сопротивлений Ар_м, обусловливаемых изменением направления потока, расширением или суже­нием струи и т.д.

Др = ДРтр + д р„.

Сопротивления Др_три Др_мрассчитывают при помощи соответству­ющих уравнений гидравлики:

и

ДРтр=£тр,^--^-р

где |_TR— коэффициент гидравлического трения в г-м сечении;1— длина

Значения коэффициентов местных сопротивлений в теплообменных аппаратах

канала, м; d₃= 4//П — эквивалентный диаметр канала, м; / — площадь поперечного сечения канала, м²; П — смоченный периметр канала, м;w, — скорость потока вz-м сечении, м/с; р — плотность потока при средней температуре, кг/м³; ^ — коэффициент местного сопротивления вz'-м се­

чении.

К местным сопротивлениям относят вход потока в канал и выход из него, резкие сужения и расширения каналов, отводы, колена, тройники, запорные и регулирующие устройства (краны, вентили, задвижки, клапаны и т.п.). При прохождении потока через указанные устройства кроме по­терь энергии, связанных с трением, возникают дополнительные необрати­мые потери энергии, обусловленные местными искривлениями линии тока, изменением поперечного сечения потока, отрывом транзитной струи от стенок канала. В табл. XXII.2 приведены коэффициенты местных сопро­тивлений | , наиболее часто встречающихся на практике.

Гидравлическое сопротивление определяют для аппарата известной конструкции и размеров. При этом расчет, например, кожухотрубчатого аппарата значительно отличается от аппарата воздушного охлаждения, пла­стинчатого или спирального теплообменника. В специальной литературе для каждого типа теплообменных аппаратов приводится методика гидрав­лического расчета, учитывающая специфику их устройства и работы. Ино­гда на основе обработки экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению теплообменников приводятся эмпирические уравнения, ко­торые имеют ограниченное применение и пригодны только для аппаратов данного типа.

20 - 1810

ЧАСТЬ ПРОЦЕССЫ ХИМИЧЕСКОЙ ПЯТАЯ ПЕРЕРАБОТКИ