Расчёт кожухотрубчатого теплообменника для подогрева раствора хлорида кальция

MINISTERSTVO_OBRAZOVANIYa_RESPUBLIKI_BELARUS.docx

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
«НОВОПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»
Специальность 2 – 48 01 35
«Переработка нефти и газа»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Дисциплина «Процессы и аппараты нефтегазоперерабатывающих производств»
Тема «Расчёт кожухотрубчатого теплообменника для подогрева раствора хлортда кальция»
Теоретические обоснования 5
1 Сущность проектирование процесса .5
2 Сравнительная характеристика аппаратов применяемых в данном процессе ..6
3 Описание устройства проектирование аппарата .9
Правила безопасной эксплуатации 11
Список используемой литературы 18
В нефтедобыче достаточно широко используются такие виды теплотехнических устройств как теплообменники.
Процесс добычи и подготовки сырья включает несколько этапов во многих из которых используются теплообменники. Оборудование предназначенное для этой промышленности должно соответствовать особым требованиям: быть способным работать при экстремальных давлениях и температурах быть устойчивым к агрессивным средам иметь компактные размеры работать с двухфазными средами. Предприятия по добыче и переработке нефти и газа используют как кожухотрубное так и пластинчатое теплообменное оборудование.
В нефтедобывающей промышленности теплообменники работают с самыми разными теплоносителями. Нефть содержит большое количество примесей которые в различных процессах могут загрязнять аппарат. Теплообменники очищаются различными способами. Например механическим. При этом необходимо разобрать аппарат и очистить его вручную. После повторной сборки пластинчатого теплообменника велика вероятность неплотного соединения пластин между собой из-за чего оборудование приходится собирать заново. При гидродинамической очистке аппараты также разбираются кроме трубчатых. Химический способ промывки самый распространённый. Его можно осуществлять не разбирая аппарат. Таким образом кожухотрубчатые теплообменники очищаются проще чем пластинчатые. Это является одним из преимуществ этого типа тепловых аппаратов в рассматриваемой сфере производства.
В нефтехимической промышленности предприятия используют теплообменные аппараты в установках пиролиза полимеризации варки смол. Как и в нефтепереработке функцией теплообменников здесь является нагрев сырья до нужной температуры перед основным процессом.
В сфере нефтедобычи можно выделить три группы предприятий:
используют только кожухотрубные теплообменники;
используют незначительное количество пластинчатых наряду с кожухотрубными;
используют значительное количество пластинчатых в сравнении с кожухотрубными.
Самой многочисленной является первая категория. Только 16% компаний среди всего оборудования имеют пластинчатые теплообменные аппараты остальные применяют только кожухотрубные. В основном применяются теплообменники типа «труба в трубе» прямотрубные и U-образные в процессах обессоливания нефти обезвоживания и сепарации.
Теоретические обоснования
1Сущность проектирование процесса
Теплообменом называется процесс переноса теплоты происходящий между телами имеющих различную температуру. При этом теплота переходит самопроизвольно от более нагретого к менее нагретому телу. В результате передачи теплоты происходят: нагревание – охлаждение парообразование – конденсация плавление – кристаллизация. Теплообмен имеет важное значение для проведения процессов выпаривания сушки перегонки и многих других.
Теплообменные процессы могут происходить только при наличии разности температур между теплоносителями т.е. разность температур – движущая сила теплообмена.
Теплота от одного тела к другому может передаваться теплопроводностью конвекцией и лучеиспусканием (тепловым излучением).
Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально.
Лучеиспускание (тепловое излучение) – это процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тепла при этом внутренняя энергия тепла переходит в энергию излучения.
2 Сравнительная характеристика аппаратов применяемых в данном процессе
Теплообменники – это устройства в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагреваемой средами.
Теплообменные аппараты (теплообменники) применяемые для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагревания или охлаждения одного из них. В зависимости от целевого назначения теплообменные аппараты называются подогревателями или холодильниками. Если процесс проводится для сообщения тепла холодному теплоносителю то участвующий в теплообмене горячий теплоноситель будем называть нагревающим агентом. Если же процесс состоит в отводе тепла от горячего теплоносителя то холодный теплоноситель которому сообщается отводимое тепло будем называть охлаждающим агентом.
В ряде случаев целевое назначение имеют оба процесса — нагревание холодного теплоносителя и охлаждение горячего.
Тогда теплообменные аппараты называют собственно теплообменниками.
Часто в теплообменных аппаратах в процессе теплообмена происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей: конденсация горячего или испарение холодного теплоносителя. Аппараты применяемые при конденсации горячего теплоносителя почти не отличаются от других теплообменных аппаратов и поэтому рассматриваются в данной главе. Если конденсация горячего теплоносителя является целевым процессом то эти аппараты называют конденсаторами.
Применяемая в промышленности теплообменная аппаратура разнообразна как по своему функциональному назначению так и по конструктивному исполнению. В теплообменных аппаратах могут происходить различные теплообменные процессы: нагревание охлаждение испарение конденсация кипение и др.
Типы поверхностных теплообменников:
С поверхностью образованной стенками аппарата
С оребренной поверхностью теплообмена
Кожухотрубные теплообменники. Этот тип теплообменников является одним из наиболее распространенных. Кожухотрубные теплообменники состоят из пучка труб концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки сварки пайки а иногда на сальниках. Пучок труб расположен внутри общего кожуха причем один из теплоносителей движется по трубам а другой — в пространстве между кожухом и трубами (межтрубное пространство).
В одноходовом теплообменнике теплоноситель движется параллельно по всем трубам. Многоходовые теплообменники работающие при смешанном токе теплоносителей применяют для повышения скорости их движения в трубах.
Теплообменники «труба в трубе». Теплообменники «труба в трубе» включают несколько расположенных друг над другом элементов причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы. Внутренние трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой и наружные трубы. Для возможности очистки внутренние трубы соединяют при помощи съемных калачей.
Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей как в трубах так и в межтрубном пространстве. При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций присоединяемых к общим коллектором.
Оросительные теплообменники. Оросительные теплообменники состоят из змеевиков орошаемых снаружи жидким теплоносителем (обычно водой) и применяются главным образом в качестве холодильников. Змеевики выполняют из прямых горизонтальных труб расположенных друг над другом и последовательно соединенных между собой сваркой или на фланцах при помощи калачей . Орошающая вода подается на верхнюю трубу стекает с нее на нижележащую трубу и пройдя последовательно по поверхности всех труб стекает в поддон расположенный под холодильником.
Погружные теплообменники. Погружные теплообмненники состоят из змеевиков помещенных в сосуд с жидким теплоносителем Другой теплоноситель движется внутри змеевиков.
При большом количестве этого теплоносителя для сообщения ему необходимой скорости применяют змеевики из нескольких параллельных секций.
Спиральные теплообменники. Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения по которым движутся теплоносители. Каналы образуются тонкими металлическими листами которые служат поверхностью теплообмена. Внутренние концы спиралей соединены разделительной перегородкой. Для придания спиралям жесткости и фиксирования расстояния между ними служат прокладки. Система каналов закрыта с торцов крышками.
С поверхностью образованной стенками аппарата. Для обогрева и охлаждения реакционных и других аппаратов часто осуществляют передачу тепла непосредственно через их стенки которые и служат поверхностью теплообмена. Применение этих аппаратов ограничено небольшой поверхностью теплообмена (до 10 м²). Для повышения коэффициента теплоотдачи со стороны находящегося в аппарате жидкого теплоносителя обычно перемешивают его с помощью мешалки.
С оребренной поверхностью теплообмена. Если коэффициент теплоотдачи для одного из теплоносителей значительно ниже чем для второго то поверхность теплообмена со стороны теплоносителя с низким а целесообразно увеличить по сравнению с поверхностью теплообмена со стороны другого теплоносителя. Это достигается в теплообменниках с оребренными поверхностями теплообмена В таких аппаратах поверхность теплообмена имеет на одной стороне различной формы ребра. В трубчатых теплообменниках обычно используются поперечные или продольные ребра.
3Описание устройства проектирование аппарата.
Рисунок 1.Двухходовый (по трубному пространству) и четырёхходовой кожухотрубчатые теплообменники.
Увеличение скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменника приводит к росту гидравлического сопротивления. Кроме того в многоходовых теплообменниках неизбежно возникновение смешанных токов в отличие от одноходовых где можно обеспечить противоток. Смешанные токи уменьшают движущую силу процесса передачи тепла.
Многоходовые теплообменники не используются в случае если фазовое состояние агента движущегося по трубам изменяется в ходе теплообмена. Газообразная фаза поднимается вверх образующаяся при конденсации жидкость стекает вниз. Они не смогут преодолеть изменение направления движения неизбежно возникающего при использовании многоходового теплообменника.
Компенсация температурных деформаций
Элементы конструкции теплообменника контактируют с агентами нагретыми до разных температур. Более того агенты имеют разную температуру в разных частях теплообменника.
Если разница температур между кожухом и трубами составляет более 50оК то кожух и трубы изменяют длину неравномерно особенно в случае использования для труб и кожуха разных материалов. Это вызывает значительные напряжения на трубных решётках может привести к разрушению конструкций и нарушению герметичности различных стыков.
При наличии существенных перепадов температур в теплообменниках с большой длиной труб применяют нежёсткие конструкции допускающие изменение длины труб внутри устройства и (или) изменение длины кожуха без возникновения механических напряжений.
Компенсация тепловых расширений возможна за счёт:
использования сальниковых уплотнителей при соединении труб и трубных решёток;
использования линзовых компенсаторов на кожухе теплообменника
использования U - образных труб;
использования в теплообменнике «плавающей» головки для крепления трубной решётки и организации движения агента через трубы теплообменника.
Достоинства и недостатки.
)небольшой расход металла;
)легкость очистки труб изнутри (за исключением теплообменников с U-образными трубами).
)трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями (этот недостаток в известной мере устраняется в многоходовых и элементных теплообменниках);
)трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта;
)трудность изготовления из материалов не допускающих развальцовки и сварки (чугун ферросилид и др.).
Правила безопасной эксплуатации
Эксплуатация теплообменных аппаратов заключается в регулировании температуры и очистке их от загрязнений.
Регулирование режима работы теплообменных аппаратов. Регулирование производится с целью поддержания необходимого температурного режима и осуществляется путем изменения количества подаваемого агента (нагревающего или охлаждающего). Так в подогревателях поддерживают требуемую конечную температуру холодного теплоносителя регулированием подачи нагревающего агента.
Если нагревающим агентом служит водяной пар то прикрывая паровой вентиль и уменьшая этим подачу пара мы отнимаем от каждого килограмма пара большее количество тепла т. е. заставляем конденсат переохлаждаться.
Понижение температуры выхода конденсата приводит к уменьшению среднего температурного напора в зоне переохлаждения и следовательно к уменьшению количества тепла сообщаемого холодному теплоносителю вследствие чего его конечная температура понижается. Для повышения конечной температуры холодного теплоносителя необходимо увеличить открытие парового вентиля; тогда температура выхода конденсата будет возрастать. Повышение конечной температуры холодного теплоносителя и температуры выхода конденсата будет происходить до тех пор пока последняя не станет равной температуре насыщения пара. Дальнейшее открывание парового вентиля бесполезно так как несмотря на увеличение подачи пара температурный напор останется без изменения и количество тепла сообщаемого холодному теплоносителю не будет увеличиваться.
В холодильниках конечную температуру горячего теплоносителя поддерживают регулированием подачи воды (или другого охлаждающего агента): с увеличением подачи воды ее конечная температура будет уменьшаться а средний температурный напор — увеличиваться что вызовет повышение количества тепла отнимаемого от горячего теплоносителя и понижение его конечной температуры.
Если количества обоих теплоносителей являются определенными (например в собственно теплообменниках) то регулирование температуры производится пропусканием части одного из теплоносителей по обводной линии (минуя теплообменник).
Очистка теплообменных аппаратов. При использовании теплоносителей выделяющих осадки и оказывающих коррозионное действие на аппаратуру поверхность теплообмена покрывается слоем загрязнений обладающих низкой теплопроводностью что снижает коэффициент теплопередачи. Очистку аппаратов от загрязнений производят периодически. Продолжительность работы между очистками зависит от допускаемой степени загрязнения и от скорости загрязнения поверхности теплообмена и может колебаться от нескольких дней до нескольких месяцев (и более).
Очистка аппаратов производится либо вручную либо механическими или химическими способами.
При эксплуатации нужно учитывать рабочие параметры кожухотрубчатого теплообменника (температура давление среда расход) и следовать им. Они указаны в спецификации.
Прежде чем запустить оборудование убедитесь в соответствие всех его действительных параметров с указанными заводским. А также проверьте наличие всех защитных кожухов в том числе и изоляции.
К эксплуатации и ремонту вышеуказанных агрегатов допускаются только лица имеющие определённый опыт работы прошедшие соответствующее обучение с проверкой качества усвоенных знаний и возраст не менее 18 лет.
При установке теплообменника требуется правильно подготовить основание а во время проведения сварочных работ обеспечить наличие заземления. Перед пуском аппарата в обязательном порядке производится проверка правильности монтажа трубопроводов и герметичности соединений.
При эксплуатации теплообменника периодически проводится очистка его пластин и проверка герметичности соединений. Промывка теплообменников производится с определённой периодичностью несмотря на то что в какой-то степени теплообменники способны к самоочистке. Принудительная промывка проводится по следующим причинам:
Накопление малорастворимых загрязнений которые имеют тенденцию к коксованию что значительно затрудняет последующий процесс очистки;
Пренебрежение регулярной очисткой может привести к повреждению или полному выходу из строя теплообменного аппарата.
Перед ремонтом теплообменник необходимо отключить от подводящих и отводящих трубопроводов полностью освобождают его от пара и воды и после разрешения начальника цеха где находится данный агрегат приступают к его ремонту. Предварительно запирают открывающую арматуру и устанавливают предупредительные таблички.
При отключении теплообменника от трубопроводов требуется тщательно соблюдать очерёдность действий установленную для данного вида работ.
О каждом этапе действий производится запись в соответствующем журнале причём начальник смены должен лично убедиться в безопасности места работы. По окончании ремонтных работ также производится запись убираются таблички и производятся необходимые работы для введения теплообменника в строй.
)количество подогреваемого 25%-го раствора хлорида кальция G = 22000 ;
)начальная температура раствора = 30ºС
)конечная температура раствора =95 ºС
) подогрев осуществляется насыщенным водяным паром
)давление Р = 035 МПа
1 На основании данных следует что давлению 035 Па соответсвует температура насыщенного пара 1379ºС(Таблица LVII). Тогда разность температур в начале Δ и в конце Δ
Δtб=ts-tн=1379-30=1079ºС (1.1)
Δtм=ts-tk=1379-95=429ºC (1.2)
Среднюю разность темпратур Δtcp ºC определяем по формуле:
2 Физические параметры нагреваемого раствора
При средней температуре горячего теплоносителя определяем физические параметры раствора (25%-ый )
-Кинематическая вязкость =000155 Па*c (Таблица IХ)
-Плотность ρ=120477 кгм3 (Таблица IV)
-Теплопроводность λ=0628 Вт(м*к) (Таблица Х)
-Удельная теплоемкость С=33101 Джкг(Таблица Х)
Рассчитываем критерий Прандтля по формуле: (1.4)
3 Тепловая нагрузка и расход пара
Определяем расход пара
Принимаем r = 2156000 Джкг (Таблица LVII)
4 Расчет коэффицента тeплопередачи
Выбираем теплообменник со следующими характеристиками:
Общее число труб n=404;
Поверхность теплообменника= 63
Определяем скорость течения теплоносителя в трубах
Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к насыщенному водяному пару.
Уточняем значение Рейнольдса по формуле: (2.2)
Определение коэффициента теплоотдачи для хлорида кальция по формуле:
Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к подогревающему пару.
Критерий Прандтля для пара при tcp = 1379 °C равен 125( Таблица ХХХIХ ПРН )
Wn=Gn(ρ*0728*) (4.1)
Плотность ρ=92789 кгм3 (Таблица ХХХIХ ПРН)
Для определения критерия Рейнольдса находим значение dэ :
Критерий Рейнольдса:
Кинематическая вязкость =0194 *Па*c (Таблица XXXIХ ПРН)
Следовательно режим движения—турбулентный .
Определяем критерий Нуссельта по формуле:
Критерий Прандтля для пара при tcp = 1379 °C равен 125( Таблица ХХХIХ ПРН)
Удельная теплоемкость С=33101 Джкг(Таблица ХХХIХ ПРН)
Коэффициент теплоотдачи от стенки к подогревающему пару :
Теплопроводность λ=0685 Вт(м*к) (Таблица ХХХIХ ПРН)
Термическое сопротивление загрязнений: со стороны хлорида кальция 1 15800 Вт(; со стороны насыщенного водяного пара 1 = 15800 Вт( .
Трубы теплообменника выполнены из нержавеющей стали коэффициент теплопроводности которой =175 Вт(м*К)
Коэффицент теплопередачи : (4.6)
коэффициент теплоотдачи для хлорида кальция
Коэффициент теплоотдачи от стенки к подогревающему пару
При наличии перегородок в межтрубном пространстве устанавливается многократный перекрестный ток движения теплоносителей.
Средний температурный напор при перекрестном токе определяется по формуле:
Для определения коэффициента необходимо определить коэффициенты Р и R:
При этих значениях Р п R коэффициент равен 098(Рисунок VIII ПРН)
Таким образом средний температурный напор равен :
Требуемая площадь поверхности теплопередачи определяется по формуле:
Принимаем к установке четырехходового кожухотрубного теплообменника типа TH со следующей характеристикой: площадь поверхности теплообмена 63 м2; диаметр корпуса 800 мм; диаметр труб 25х2 мм: длина труб 2 м; общее число труб 404.
В ходе курсового проекта был рассмотрен кожухотрубчатый теплообменник для поддогрева раствора хлорида кальцияего конструкцияпринцип действиярежим работыправила безопасной эксплуатации.
Был произведен расчет теплообменникаа именно тепловой баланс и технологический расчет.Также были рассчитаны режимы течения теплоносителейскорость потоковкоэффицент теплопередачикак в трубномтак и в межтрубном пространстве.
Список использованной литературы
Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии : учебник для высшей школы П.Г. Романков К.Ф. Павлов А.А. Носков . 10-е издание перераб. И доп.-М .: Химия 1987-575с.
Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки: учебник для высшей школы Молоканов Ю.К.: Химия 1987-368с.
Краткий справочник по теплообменным аппаратамВ. А. Григорьев Т. А. Колач В. С. Соколовский Р. Т. Темкин. М.-Л.: Госэнергоиздат 1962. 255 с.
Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. — Л.: Химия 1991.— 352 с.
Фарамазов С.А. Ремонт и монтаж оборудования химических и нефтегазоперерабатывающих заводов : Учеб. Пособие Фарамазов С.А.- М. Химия 1988-304с.

ТО 4 Ходовой 800x2000 (AutoCAD).dwg

Технические требования
Аппарат подлежит действию "Правил Гостехнадзора СССР".
испытании и поставле аппарата должны
выполняться требования:
а) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование производственное.
Общие требования безопасности";
б) ОСТ 26-291-79 "Сосуды и апаараты стальные сварные.
Технические требования";
Материал деталей аппарата. соприкасающихся с агрессивной
средой - сталь Х18H10T ГОСТ 5632-72
Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически
в вертикальном положении под давлением:
а) межтрубное простарнство 0
б) трубное пространство - 0
Сварные соединения должны соответствовать требованиям
ОСТ 26-01-82-77 "Сварка в химическом машиностроении .
Сварные швы в объёме 100% рентгенопромвечиванием .
Прокладки из пармита ПОН-1 ГОСТ 481-80.
Размеры для справок.
Чертеж разработан на основании ГОСТ 15122-79
Поверхность теплообмена
Вход хлорида кальция
Выход хлорида кальция
Камера распреедлительная
Болты М24x110 ГОСТ 7798-70
Гайки М24 ГОСТ 5915-70
Стандартные изделия
КП 2022 2-48 01 35 03.01
Теплообменник вертикальный
четырёхходовой кожухотрубчатый