ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

ВСТУП

Сучаснi процеси переробки нафти та газу протiкають при надзвичайно рiзноманiтних умовах: в промiжку температур вiд 60ºС до 900ºС i при тисках вiд глибокого вакууму до 850 МПа.

Подальший розвиток та удосконалення технологiчних процесiв переробки нафти та газу пов’язаний з утворенням установок великої одиничної потужностi, оснащених сучасним обладнанням. В зв’язку зi збiльшенням одиничної потужностi установок зростають вимоги до їх оснащення в цiлому i оснащення окремих апаратiв, працюючих без резерву, що обумовлює пiдвищення вимог до розрахунку, виготовлення та експлуатацiї апаратури нафтогазопереробки i нафтохiмiї.

Сучасне обладнання повинно працювати надiйно на протязi тривалого часу при оптимально iнтенсивних режимах експлуатацiї. Рiшення цих задач можливе лише за умов вдосконалення технологiї i апаратури нафтогазопереробки. Такий пiдхiд дозволяє виявити загальнi закономiрностi головних процесiв незалежно вiд виду переробляємих речовин та їх мiсця в загальному технологiчному процесi.

Завданням курсового проекту з дисципліни «Процеси і апарати нафтогазопереробки»:

- ознайомитися з теоретичними основами процесу теплообміну;

- ознайомитися з технологією теплообміну кожухотрубного теплообмінника;

- провести розрахунок кожухотрубного теплообмінника і порівняти з аналогічними, які виробляє промисловість.

.

ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

1.1 Призначення та сутнiсть процесу

Теплообміном називають процес передачі тепла від одного тіла до другого. Необхідною і достатньою умовою для теплообміну є різниця температур між цими тілами. Мірою теплообміну вважають кількість переданої теплоти.

Перенесення енергії від більш нагрітих середовищ до менш нагрітих відбувається під дією рушійної сили, яка в теплових процесах вимірюється через локальну або середню різницю температур між теплоносіями. Звичайно при досягненні однакових температур між теплоносіями встановлюється рівноважний стан, але такий стан у природі і техніці є суто теоретичним, тому що досягнути його можна лише за тривалий час.

Робочі середовища, які беруть участь у процесах теплообміну називаються теплоносіями.Робоче середовище з більш високою початковою температурою називають гарячимтеплоносієм. У процесі теплообміну гарячий теплоносій віддає теплову енергію, при цьому температура гарячого теплоносія знижується. Робоче середовище з меншою початковою температурою називають холоднимтеплоносієм, у процесі теплообміну теплова енергія передається від гарячого до холодного теплоносія, та температура останнього підвищується.

Процеси, пов’язані з передачею тепла від гарячих теплоносіїв до холодних, називаються теплообмінними.

У процесі теплообміну гарячий і холодний теплоносії звичайно розділені стінкою, яка здатна добре переносити тепло та виключає можливість змішування теплоносіїв з різними фізико-хімічними властивостями.

Основні способи передачі тепла – це теплопровідність, конвекція, теплове випромінювання.

Теплопровiднiсть – це передача тепла всерединi тiла вiд одних частинок до iнших внаслiдок їх руху i взаємного контактування, шляхом теплопровiдностi.

Конвекцiя – це перенесення тепла в рiдинах та газах шляхом перемiщення їх частинок. Якщо переміщення об’ємів середовища відбувається мимовільно від впливом різниці густини, то така конвекція називається вільною. Якщо переміщення об’ємів відбувається в результаті впливу зовнішніх сил, то така конвекція називається вимушеною або примусовою.

Теплове випромiнювання – за допомогою переносу теплової енергії методами електромагнітної радіації або фотонами у певному діапазоні довжин хвиль у середовищі газів, рідини або твердих тіл, при цьому середовище повинне мати властивість часткової або повної прозорості стосовно променистої енергії.

Окремий частковий процес перенесення тепла в межах однорідної фази з ядра потоку гарячого теплоносія до поверхні теплопередачі або від нагрітої поверхні у ядро потоку холодного теплоносія називається тепловіддачею.

Процес перенесення тепла з ядра потоку гарячого теплоносія у ядро потоку холодного теплоносія через роздільну стінку (міжфазну межу) називається теплопередачею. Основний закон теплопередачi:

Q = K · F · Δ t_cер, Вт, (1.1)

де K – коефiцiєнт теплопередачi, Вт/м²∙К,

F – поверхня теплообмiну, м²,

Δ t_cер – середній температурний напір, °С.

Кiлькiсть тепла, що передасться вiд гарячого теплоносiя до холодного агента пропорцiйна поверхнi теплообмiну F (м²) i середньому температурному напору.

Тепловим потоком називається кількість теплоти (в Дж), передана в одиницю часу (в с), і виражається в Дж/с, тобто у ватах (Вт).

Величина теплового потоку залежить від температурних умов поля і від фізичних властивостей речовини.

Види руху теплоносiїв:

а) прямоток;

б) протиток;

в) перехресний ток;

г) змiшаний ток.

Прямоток – обидва теплоносiї рухаються в одному напрямку.

Протиток – теплоносii рухаються у протилежних напрямках.

Перехресний ток – теплоносiї рухаються взаємоперпендикулярно.

Змiшаний ток – це коли один теплоносiй рухається в одному напрямку, а другий – то прямотоком, то протитоком по вiдношенню до першого.

При деяких розрахунках можна зробити такий висновок, що протиточний рух теплоносiїв вигiднiший нiж прямоточний рух теплоносіїв, тому що при прямотоці бiльший середнiй температурний напiр.

В якостi охолоджуючого агента застосовують воду. Вода являє собою найбiльш розповсюджений хладагент для штучного охолодження, має ряд переваг:

- висока теплоємність;

- високий коефiцiєнт тепловiддачi;

- доступність.

Недолiки полягають у тому, що з води на стінках апарату може відкладатись осад водяного каменю.

Опис технологічного процесу, який накреслений на аркуші 1 графічної частини.

Вхідна суміш (сировина) з проміжної ємності 1 відцентровими насосами 2, 3 подається в підігрівач 4, де підігрівається до температури кипіння насиченою водяною парою. Нагріта суміш поступає на розділення в ректифікаційну колону 5 на живлючу тарілку (верхню тарілку вичерпної частини колони), де змішується з флегмою з укріплюючої частини колони.

Стікаючи до низу по колоні рідина взаємодіє з піднімаючою до гори парою, яка утворилась при кипінні кубової рідини в кип'ятильнику 6. В результаті чого з рідини видаляється легколетючий компонент.

Пара збагачена НКК, підіймається до гори колони та поступає у дефлег­матор 9. З дефлегматора 9 сконденсована пара поступає в розподільчий стакан 16, де конденсат розподіляється на два потоки: перший (флегма) повертається на зрошення колони, другий (дистилят) поступає в холодильник дистиляту 13 і далі в проміжну ємність 14 і насосом 15 виводиться з установки.

З кубової частини колони безперервно відводиться кубовий залишок - про­дукт, який збагачений ВКК. Одна частина кубового залишку охолоджується в теплообміннику 10 та направляється в ємність 11 і виводиться з установки насосом 12, а інша частина кубового залишку в якості гарячого струменя подається назад вниз колони.

Підігрівач 4 вхідної суміші та кип'ятильник 6 обігріваються насиченою водя­ною парою, утворений конденсат повертаються на теплоелектроцентраль.

Охолоджуюча вода нагрівається в холодильниках 10,13 і дефлегматорі 9 та поступає для охолодження на градирню. Після охолодження вода повертається в цикл.

1.2 Обгрунтування конструкції та принцип дії апарату

В процесах переробки нафтогазопереробки потрiбно пiдводити або вiдводити тепло, щоб забезпечити потрiбну температуру в апаратах. Для цих цiлей використовують спецiальнi апарати, якi називаються теплообмiнними або теплообмiнниками. В теплообмiнних апаратах один iз потоків вiддає тепло, а другий сприймає, тобто один потiк нагрiвається, а iнший — охолоджується.

Теплообміннимназивають обладнання, у якому проходять процеси обміну теплотою між двома теплоносіями.

За принципом дії теплообмінні апарати можна розділити на 3 групи:

- рекуперативні, в яких теплоносії розділені непроникливої плівки;

- регенеративні, які включають, окрім теплоносіїв, тверді тіла, які приймають тепло від одного теплоносія, акумулюють її, а потім віддають другому;

- змішувальні, в яких передача тепла проходить при змішуванні теплоносіїв.

В нафтогазовій промисловості найбільш розповсюджені рекуперативні теплообмінні апарати, які можна поділити на наступні групи.

За функціональним призначенням розрізняють нагрівачі, кип'ятильники, випарники, холодильники, конденсатори, тощо.

За агрегатним станом робочих середовищ: рідинно-рідинні, парорідинні і парогазові, газорідинні і газо-газові.

За способом передачі тепла теплообмінники поділяються на поверхневі і теплообмінники змішування.

В свою чергу поверхневі теплообмінники підрозділяються на рекуперативні та регенеративні. В такого виду апаратів теплообмін між середовищами здійснюється через поверхню, що їх розділяє. У теплообмінниках змішування теплообмін відбувається за рахунок безпосереднього змішування теплоносіїв.

Кожухотрубний теплообмінник належить до рекуперативних апаратів. Він може бути одноходовим та багатоходовим. Такий теплообмінник має велику поверхню нагрівання і великий поперечний переріз всіх трубок. Тому швидкість руху продукту в трубах мала і коефіцієнт теплопередачі невеликий. Для збільшення швидкості руху продукту зменшують переріз потоку шляхом установки направляючих перегородок в кришках теплообмінників. Пучок трубок за допомогою цих перегородок розділений на кілька секцій. Такі теплообмінники називають багатоходовими.

За конструкцією теплообмінні апарати бувають трубчасті, пластинчасті, спіральні, зрошувальні.

За тепловим режимом апарати бувають періодичної та безперервної дії.

За напрямком руху робочих середовищ: прямотечійні, протитечійні, з перехресним потоком течій та змішані.

За орієнтацією теплообмінної поверхні розрізняють вертикальні, горизонтальні та похилі.

За способом компенсації температурних подовжень теплообмінні апарати бувають:

- жорсткої конструкції типу ТН - з нерухомими трубними дошками (твердий кожух і нерухоме кріплення трубних грат);

- напівжорсткої конструкції типу ТК – з температурним компенсатором на корпусі (напівжорсткий кожух і нерухоме кріплення трубних грат);

- нежорсткої конструкції типу ТП -з температурним компенсатором у вигляді плаваючої голівки (твердий кожух, нерухоме кріплення однієї трубної дошки та вільне пере­міщення іншої);

- типу ТУ – з U-подібними теплообмінними трубами (жорстким кріпленням однієї трубної дошки і вільним пере­міщенням пучка U-подібних труб).

Для здiйснення охолодження бензолу водою проектуємо один одноходовий теплообмiнник № 9 в технологічної схемі.

За розрахунками в підрозділі 2.1 обрали кожухотрубний теплообмінник типу ХК з лiнзовим компенсатором на корпусі, деформацiя якого забезпечує зниження температурних зусиль в корпусi у трубах, що перебуває під тиском 0,1 МПа, складений із пучка гладких труб, герметично закріплених у трубних гратах, а потім вмонтованого в кожух – корпус.

Основний елемент кожухотрубних теплообмiнникiв — труби. Маса трубного пучка — 60-70% вiд маси апарату. Конструктивна особливість цього теплообмiнника залежить вiд того, що пучок труб, зібраний в двох трубних решітках, жорстко закрiплений в корпусi теплообмiнника. Це забезпечує простоту конструкції, але головний недолiк — це погане сприйняття температурної напруги, що обмежує їх застосування.

Труби в трубній решiтцi крiпляться шляхом розвальцовки. Розвальцовуються труби за допомогою спецiального iнструменту — вальцовка, який має обертаючi рамки, що пiд час обертання розширюються за допомогою конуса, i таким чином розширюють кiнець труби. Кiнець труби пластично деформується i щiльно прижимається до гнізда. Матерiал решiтки повинен бути твердiшим нiж матерiал труб. На рисунку 1.1 наведені види кріплення труб в трубних гратах.

а— завальцовкою; б — сваркою; в— паянням.

Рисунок 1.1 - Закріплення труб в трубних гратах

Поперечнi перегородки у мiжтрубному просторi застосовуються для забезпечення необхiдного напрямку теплого агенту та одночасно пiдтримують трубний пучок.

Товщина перегородок залежить вiд дiаметру апарату, тому роблять 5-10 мм. Крiплять за допомогою стержнiв, якi розмiшенi мiж трубками. Лiнза компенсатора зварюється з двох напiвлiнз. Напiвлiнза шматується iз заготiвок типу шайба. Лiнза може зварюватися в групи по 2, 3, 4, 5 i 6 лiнз пiдряд. Компенсатор повинен мати велику гнучкiсть, тому його виготовляють значно тонше нiж кожух теплообмiнника. Одна лiнза допускає розтяг або стискання кожуха до 8 мм. На рисунку 1.2 наведені види лінзових компенсаторів.

Рисунок 1.2 - Лінзові компенсатори

Проектуючи кожухотрубні теплообмінники, теплоносій, що найбільше забруднює поверхню теплообміну, спрямовують у труби (трубний простір), якій легше очищувати.

В проектуємому апаратi є трубний простiр, куди подається вода, а в мiжтрубний простiр - бензол. Цi середовища направляються протитоком вiдносно один одного. При вказаному напрямку руху, середовища досягнуть бiльш рiвномiрного роздiлення швидкостей та iдентичностi умов теплообмiну.

На рисунку 1.3 наведено з проектований кожухотрубний горизонтальний одноходовий теплообмінник, який підібрано за розрахунками у розділі 2 розрахункова частина.

1 – кришка розподільчої камери; 2 – розподільча камера; 3 – кожух; 4 – теплообмінна труба; 5 – лінзовий компенсатор; 6- крищка кожуха; 7 – нерухома опора, 8 – рухома опора; 9 – міжтрубні перегородки; l – довжина труб.

Рисунок 1.3 - Кожухотрубний горизонтальний одноходовий теплообмінник

Переваги: компактність, невелика витрата металу, легкість очищення труб з середини.

Недолiки: труднощi пропускання теплоносiїв з великою швидкiстю, трудношi очищення мiжтрубного простору та малий доступ до його огляду та ремонту.

Поиск по сайту: