Расчёт теплообменного аппарата

1.

Расчёт теплообменного
аппарата

2.

Назначение
• Теплообменник предназначен для
охлаждения атмосферного газойля
отводимого из колонны. Охлаждается за
счет подачи нефти при меньшей
температуре в трубное пространство
теплообменника.

3.

Исходные данные
Атмосферный газойль:
начальная температура
конечная температура
расход
Нефть:
начальная температура
конечная температура
Рабочая среда:
трубное пространство
межтрубное пространство
Материал:
корпус, опоры
трубки
tн1 = 325 ºС
tк1 = 247 ºС
G1 = 2,14 кг/с
tн2 = 220 ºС
tк2 = 227 ºС
Нефть
Атмосферный газойль
сталь 09Г2С ГОСТ 5520-79
сталь Ст. 3 ГОСТ 9941-81

4.

Тепловой баланс
• В соответствии с данными для охлаждения
амосферного газойля принимаю кожухотрубчатый
теплообменник с плавающей головкой при
следующей схеме распределения температур в
теплообменнике:
• 247 0С Атмосферный газойль 325 0С
220 0С
Нефть
227 0С

5.

Изменение температуры
tБ= 980С
tМ = 27 0С
Средняя разность температур:
Δtср = (Δtб – Δtм)/ln(Δtб/Δtм) =
(98 – 27)/ln(98/27) = 54,91 ºС
Средняя температура нефти:
t 2СР
t 2 Н t 2 К 220 227.
2
2
223,5 ºС
• Средняя температура атмосферного газойля:
• t1ср = t2ср + Δtср = 223,5 + 54.16 = 277.66 ºС.

6.

Основные характеристики
• Нефть при средней температуре 223.5°С имеет
следующие характеристики:
• с2 = 2100 Дж/(кг·К) – удельная теплоемкость [1, с.
285];
• λ2 = 0,456 Вт/(м·К) – теплопроводность [1, c. 542543];
• μ2 = 2,4·10-3 Па·с – вязкость [1, с. 284].
• Атмосферный газойль при средней температуре
278.16°С имеет следующие характеристики:
• с1 = 2400 Дж/(кг·К) – удельная теплоемкость [1, с.
285];
• λ1 = 0,159 Вт/(м·К) – теплопроводность [1, c. 542543];
• μ1 = 4,7 10-3 Па·с – вязкость [1, с. 284].

7.

Теплообменник
Кожухотрубчатый теплообменник:
1 – крышка распределительной камеры; 2 – распределительная камера; 3 –
кожух; 4 – теплообменные трубы; 5 – сегментная перегородка; 6 – штуцер;7крышка плавающей головки; 8 – крышка кожуха.

8.

Предварительный тепловой расчет
• Расчет тепловой нагрузки:
Q • G1 c1 (t1Н t1К ) 2.14 2400 (325 246) 405700 Вт,
7697
• где
G1
2.14 кг/с
3600
Расход нефти:
• G2 = Q/c2(t2к - t2н),
• где c2 = 2100 Дж/кг·К – теплоемкость нефти [1
c. 537].
• G2 = 405700/[2,1(227 - 220)] = 24,46 кг/с.

9.

Ориентировочный выбор
теплообменника
• Нефть поступает в трубное пространство, а
атмосферный газойль движется в межтрубном
пространстве. Принимаем ориентировочное значение
критерия Рейнольдса Reор = 15000, соответствующее
развитому турбулентному режиму движения жидкости,
при котором обеспечиваются наилучшие условия
теплообмена. Cчитаем контакт теплоносителей
идеальным, потери тепла отсутствуют.
• Принимаем также ориентировочное значение
коэффициента теплопередачи Кор = 120 Вт/м2·К, тогда
ориентировочная поверхность теплообмена:
• Fор = Q/Kор Δtср = 405,7·103/120·54,91 = 61,6 м2.
• Принимаем теплообменник с близкой поверхностью
теплообмена: 2-х ходовой с диаметром кожуха 500 мм и
132 трубками 25×2 [8, c. 622].

10.

Уточненный расчет
теплообменного аппарата
• Коэффициент теплоотдачи от стенки к нефти:
• При параметрах теплообменника, выбранного после
ориентировочного расчёта, будем иметь скорость
смеси в трубах:
• Объёмный расход нефти равен:
•V G2 ,
2
2
V2
• тр. f тр,.
24.46
V2
0,058
736.5
тр.
0,058
1.32
0,044
м3/с,
м/с,
• где fтр. – площадь сечения трубного пространства

11.

Коэффициент теплоотдачи от нефти
• Величина критерия Рейнольдса равна:
тр. d вн. 2 ,
1.32 0,021 736.5
Re
Re
8506,5
•
0.0024
• 2 = Nu2 2/dвн,
где 2 = 0.133 Вт/м К – теплопроводность нефти ,
Nu2 – критерий Нуссельта для нефти.
• Фактическое значение критерия Рейнольдса:
• Режим движения переходный в этом случае критерий
Нуссельта:
• Nu1 = 0,022ˑReˑ ˑPr (Pr1/Prст1),
• где Рr2 = 11,05 – критерий Прандтля для нефти при 223 С .
• Принимаем в первом приближении отношение (Pr2/Prст2)0,25 = 1,
тогда
• Nu = 0,022 8506,50,8 11,050,4 = 81,99.
• 2 = 81,99 0,456/0,021 = 519,27 Вт/м2 К.

12.

Коэффициент теплоотдачи от газойля
• Коэффициент теплоотдачи от
атмосферного газойля к стенке:
• Объёмный расход смеси равен:
2.14
G
3/с,
V
0,0031
,
м
V
687
м.тр.
V
f м.тр.
, мтр.
0,0031
0.614
0,054
м/с,
• где fтр. – площадь сечения трубного
пространства .

13.

Коэффициент теплоотдачи от газойля
• Величина критерия Рейнольдса равна:
• Re тр. d вн.
, Re 0.614 0,025 687 1538,1
0.0067
где 1 = 6,7 10-3 Па с – вязкость атмосферного газойля .
• В этом случае критерий Нуссельта:
• Nu1 = 0,24Re0,6Pr10,36(Pr1/Prст1),
• где Pr1 = 10,1 – критерий Прандтля для атмосферного газойля.
• Принимаем в первом приближении отношение (Pr1/Prст1)0,25 = 1,
тогда
• Nu1 = 0,24 1538,10,6 10,10.36 = 45,1.
• 1 = Nu1 1/dн,
• где 1 = 0,159 Вт/м К – теплопроводность атмосферного газойля ,
Nu1 – критерий Нуссельта для кислоты.
Критерий Рейнольдса:
1 = 9,7 10-3 Па с – вязкость атмосферного газойля .
• 1 = 45,1 0,159 /0,025 = 286,6 Вт/м2 К.

14.

Тепловое сопротивление стенки
ст
r1 r2
ст
• где ст = 0,002 м – толщина стенки трубки;
ст = 17,5 Вт/м К – теплопроводность
нержавеющей стали ;
r1= 1/1160 м К/Вт– тепловое
сопротивление загрязнений cтенок
r2=1/2900 м К/Вт – тепловое
сопротивление загрязнений cтенок ;
• ( / ) = 0,002/17,5 + 1/1160 + 1/2900 = 10,6 104 м К/Вт.

15.

Коэффициент теплопередачи
. Коэффициент теплопередачи:
K = 1/(1/ 1+ ( / )+1/ 2) =
1/(1/286,1+10,6 10-4+1/519,27) = 119.46 Вт/м2 К.
Температуры стенок:
tст1 = tср1 – К tср/ 1 = 278,16 – 119,46 54,91/351 =
259,5 С,
• tст2 = tср2 + К tср/ 2 = 223,25 + 119,46 54,91/809,5 =
231,35 С.
• Поверхность теплообмена:
• F = Q/K tср = 405,7·103/119,46 54,91 = 61,84 м2
Выбираем теплообменник с ближайшей
большей поверхность теплоoбмена: 2х ходовой
теплообменник с длиной труб 6 м, у которого
поверхность теплообмена 62,2 м2 .