Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Астраханский Государственный Технический Университет Кафедра «Химическая технология переработки нефти и газа»

Отделение «Нефтегазовое ФСПО»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

Тема проекта: Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Выполнила: ст. гр ДКН -21

Фролова Е.В.

Проверила:

Мухамбетова З.А.

Курсовой проект защищен с оценкой _______________

Астрахань 2011

Содержание Введение

1 Теоретическая часть

1.1 Теплообменные аппараты

1.2 Характеристика исходной нефти и теплоносителя

1.3 Описание технологической установки

2 Расчетная часть

2.1 Технологический расчёт Заключение Список литературы

Введение

Процесс дистилляции нефти, как и любой тепловой процесс, реализуется путем подвода теплового потока в ректификационную колону и отвода из нее соответствующего количества низкопотенциального тепла.

Функцию регенерации тепла горячих потоков дистиллятов, а так же их конденсации, охлаждение, дополнительного нагрева и испарения выполняют на установках АВТ. — разветвленная система теплообменных аппаратов различного устройства.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты являются наиболее распространенным типом теплообменников широкого спектра технологического применения в нефтеперерабатывающей промышленности.

Поэтому для обеспечения нормального протекания предусмотренного технологического режима на установке АВТ. необходим правильный подбор теплообменного аппарата.

Целью данного курсового проекта является расчет теплообменного аппарата для установки АВТ по заданным начальным данным.

1 Теоретическая часть

1.1 Теплообменные аппараты В процессах нефтии 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.). Материальные среды, участвующие в передачи тепла, называются теплоносителями, причём первичный теплоноситель имеет более высокую температуру и отдаёт тепло, а вторичныйболее низкую температуру и воспринимает тепло. Теплопередача от первичного теплоносителя к вторичному может осуществляться через разделяющую их стенку либо попеременным соприкосновением с различными видами насадок, либо при непосредственном соприкосновении рабочих веществ.

Наряду с теплообменниками, представляющими собой самостоятельные аппараты, применяют теплообменные элементы, являющиеся составными частями различных аппаратов.

По принципу действия теплообменные аппараты можно разделить на 3 класса:

— рекуперативные, в которых теплоносители разделены непроницаемой плёнкой;

— регенеративные, включающие, кроме теплоносителей, твёрдые тела, которые воспринимают теплоту от одного теплоносителя, аккумулируют её, а затем отдают другому;

— смесительные, в которых передача теплоты происходит при смешении теплоносителей.

В химической промышленности наиболее распространены рекуперативные теплообменные аппараты, которые можно разделить на следующие группы:

1. По назначению: холодильникиаппараты, в которых охлаждаются различные теплоносители; подогреватели, предназначенные для нагревания рабочих сред;

2. По направлению движения теплоносителей: прямоточныерабочие среды движутся в одном направлении; противоточныетеплоносители движутся навстречу друг другу; перекрестные — теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях.

3. По форме теплообменной поверхности: с трубчатой теплообменной поверхностью (кожухотрубные, элементные, двухтрубные, витые, оросительные и др.); с не трубчатой теплообменной поверхностью (пластичные, спиральные, аппараты с рубашкой и др.).

4. По способу компенсации температурных удлинений: без компенсации (жесткой конструкции); с компенсацией упругим элементом (полужесткой конструкции); с компенсацией за счёт свободных удлинений (нежесткой конструкции).

Теплоносителями могут быть газообразные, парообразные, жидкие и твёрдые вещества, отдающие тепло, как без изменения агрегатного состояния, так и при изменении его (плавление, кристаллизация, конденсация и др.). В качестве теплоносителей применяют воду, водяной пар, воздух, продукты сгорания топлива, растворы солей, расплавленные металлы, сплавы и соли, минеральные масла, высокотемпературные органические кремнийорганические соединения.

В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы:

Теплообменники, в которых один поток нагревается за счёт 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 относится теплообменники для нагрева нефти на нефтеперерабатывающей установке, осуществляемого за счёт использования тепла отходящих с установки дистиллятов, остатка, а также промежуточного циркуляционного орошения; котлыутилизаторы, 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 счёт использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов или специальных теплоносителей (водяной пар, 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 вниз ректификационной колоны подводится тепло, необходимое для ректификации, и т. д.

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 охлаждённых рассолов, испаряющихся аммиака, пропана и др. В нефтегазопереработке кристаллизаторы используются при депарафинизации масел, обезмасливании парафинов, разделении ксилолов, производстве серы и др.

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 является целевыми процессами, а нагрев охлаждающего агента побочным. К таким аппаратам относится холодильники и конденсаторы любой нефтегазоперерабатывающей установки, предназначенные для охлаждения и конденсации получаемых продуктов.

Охлаждающие агенты: наиболее распространенным и дешевым охлаждающим агентом является вода, используемая для охлаждения до 30−350С. Для уменьшения количества вредных веществ, которые сбрасывается в водоем со сточными водами на нефтегазоперерабатывающих заводах, организуется проточное или так называемое оборотное водоснабжение.

Воду широко применяют в качестве охлаждающего агента вследствие её доступности и относительно высокого коэффициента теплоотдачи к поверхности. В аппаратах воздушного охлаждения (АВО) в качестве хладагента используется атмосферный воздух, обтекающий в поперечном направлении параллельные ряды оребрённых теплообменных труб, по которым движется охлаждённый продукт. Движение охлаждающего воздуха осуществляется посредством нагнетания его вентилятором, а зимой, в ряде случаев, за счёт естественной циркуляции.

Затраты энергии на привод вентиляторов во многих случаях меньше затрат энергии на водяное охлаждение, в которых входят затраты как на подъем воды из водоёмов, так и на перемещение воды при оборотном водоснабжении. Если учесть ещё затраты, связанные с созданием и эксплуатацией системы канализации, а также ущерб нанесённый вследствие загрязнения водоёмов, то, как это показано многих техникоэкономическими 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; [ 1,0 кДж/(кг*К)], вследствие чего массовый расход воздуха в 4 раза превышает расход воды; существенные колебания начальной температуры воздуха, обусловливаемые географическом местом расположения установки, временем года, а так же временем суток.

Характер процессов, протекающих в теплообменнике, определяет в значительной степени его конструкцию. Например, в испарителях необходимо обеспечить хороший отвод образующихся паров, если теплообмен сопровождается конденсацией паров, то следует предусматривать хороший отвод конденсата от теплообменных поверхностей.

В кожухотрубчатом теплообменнике обменивающаяся тепловая среда движется в трубном пространстве. Направляем туда нефть, т. к необходимо обеспечить удобную очистку поверхности от образующихся отложений. Нефть входит через патрубок в нижней распределительной камере, и, пройдя по трубам, выходит через патрубок в верхней распределительной камере. Другой поток теплоносителя движется в межтрубном пространстве, выводится через верхний патрубок на кожухе, омывает снаружи трубы и выводится через нижний патрубок. Направляем в межтрубное пространство горячий теплоноситель, т.к. он не образует загрязнений (предусмотрена теплоизоляция от потерь тепла в окружающую среду). Нагреваемую среду (нефть) направляем снизу вверх, а среду отдающую тепло — в противоположном направлении — т.к. такое направление движений каждой среды совпадает с направлением, в котором стремиться двигаться данная среда под влиянием изменения её плотности при нагревании и охлаждении. Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата, в противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды (нефти) сверху теплообменника, более нагретая часть жидкости, как наиболее легкое, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные зоны». Трубы в трубчатых решетках равномерно размещаем по периметрам правильных шестиугольников, т. е. по вершинам равносторонних треугольников. При этом достигается возможность обеспечения более компактного размещения необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. Т.к. средняя разность температур труб и кожуха больше 500С, то трубы и кожух удлиняются неодинаково. Поэтому использует теплообменник с плавающей головкой (компенсационное устройство). Одна из трубных решеток является подвижной, что позволяет всему пучку перемещаться независимо от корпуса аппарата. Этим предотвращается опасная температурная деформация труб и нарушение плотности их соединений с трубными решетками. Однако компенсация температурных удлинений достигается в данном случае за счёт усложнения и утепления конструкции теплообменника. Установление поперечных перегородок в межтрубном пространстве обеспечивает поперечное обтекание труб, увеличивает скорость потока и, следовательно, повышает эффективность теплообмена.

1.2 Характеристика исходной нефти и теплоносителя.

Физико-химические характеристики нефти.

Характеристика керосиновой фракции

1.3.Описание технологической схемы Обессоленная и обезвоженная нефть I прокачивается (рис. 1.1.) насосом Н-1 через теплообменники Т-1- Т-6, где нагревается за счет тепла готовых или циркулирующих нефтепродуктов и поступает на разделение в отбензинивающую колонну К-1. Назначение К-1 — извлечь из нефти остатки растворенного в ней газа и бензиновую фракцию с температурой к.к. 130 0С. Для повышения четкости выделения этой фракции из нефти при кратности орошения 1,5 — 2,0 вниз отбензинивающей колонны подводится поток тепла «горячей струей». Из сепаратора этой колонны отбирается жирный углеводородный газ III с давлением, близким к давлению в отбензинивающей колонне. Газ III из Е-1 обычно используют как топливо в печах этой же установки АВТ. Нестабильный бензин II (фр. н. к — 130 0С.) из этого же сепаратора насосом Н-2 частично возвращают в колонну К-1 как орошение, а остальную балансовую часть подают в колонну стабилизации.

Отбензиненная нефть V из колонны К-1 прокачивается насосом Н-3 в трубчатую атмосферную печь П-1, где нагревается до 3700С, и поступает в атмосферную колонну К-2. Давление в колонне К-2 поддерживается близким к атмосферному (0,12 — 0,15 МПа). Назначение К-2 — разделение предварительно отбензиненной нефти на несколько светлых (топливных) фракций. Головным продуктом колонны К-2 является легкая керосиновая фракция VI (фр. 130 — 2000С), пары которого, пройдя конденсаторхолодильник КХ-2, поступают в газоводоотделитель Е-2, где очищаются от воды IV и газа III. Из газоводоотделителя Е-2 дистиллят IV подается частично на орошение в колонну К-2, а остальное его количество выводится с установки. Тепло в К-2 подводится только потоком нагретого сырья из-за невозможности повысить температуру низа колонны без опасности термического разложения остатка. Поэтому для создания потока паров в отгонной части колонны под нижнюю тарелку подают перегретый до 380- 4000С водяной пар в количестве 1,2 — 2,0%(масс.) на сырье колонны. Для создания потока орошения во всех укрепляющих секциях избыточное тепло отводят острым орошением наверху колонны (возвратом части бензина из сепаратора) и одним промежуточным орошением под тарелкой вывода. Дизельная фракция 200−2800С отбирается с 8-ой тарелки колонны К-2 и подается в отпорную колонну К-3 для окончательного выделения. Из отпорной колонны К-3 насосом Н-5 отбираемая фракция 200−2800С (VII) прокачивается в теплообменник Т-1 и холодильник Х-1, где охлаждается. Пары из отпорной колонны К-3 поступают на седьмую тарелку обратно в атмосферную колонну К-2. Дизельная фракция 280−350 0С отбирается с 18-той тарелки колонны К-2 и подается в отпорную колонну К-4 для окончательного выделения. Из отпорной колонны К-4 насосом Н-7 отбираемая фракция 280−3500С (VIII) прокачивается в теплообменник Т-3 и холодильник Х-2, где охлаждается. Пары из отпорной колонны К-4 поступают на семнадцатую тарелку обратно в атмосферную колонну К-2. Подачей водяного пара вниз стриппингов осуществляют отпарку легкокипящих фракций и регулируют точку начала кипения и температуры вспышки этих дистиллятов. Изменение температуры конца кипения дизельного топлива производится за счет изменения количества флегмы, перетекающей из колонны в стриппинг (чем больше это количество, тем выше температура конца кипения).

Мазут IХ (>3500С), уходящий снизу колонны К-2, насосом Н-8 прокачивается в печь П-2 и затем поступает в питательную секцию вакуумной колонны К-5, где происходит отделение испарившейся части мазута от жидкости. В зоне ввода сырья давление в этой колонне составляет обычно 10- 15 кПа (0,01- 0,015 МПа), а наверху ее — 5 -7 кПа (0,005−0,007МПа). Такое давление поддерживается за счет откачки из системы «печь — колонна — коммуникации «атмосферного воздуха (подсасываемого через неплотности фланцевых соединений) и легких углеводородов (С1 — С7), образующихся за счет небольшой деструкции мазута при ее нагреве в печи.

Для откачки этой смеси несконденсированных газов используют пароэжекторный насос Э-1, Э-2 (2- или 3-ступенчатый с конденсацией паров между ступенями). В качестве эжектирующего агента применяют перегретый водяной пар (Р= 1,0 — 1,5 МПа).

Поток несконденсированного газа Х направляется обычно в топку печи для сжигания, чтобы не загрязнять атмосферу углеводородами и сероводородом.

Сверху колонны для отвода тепла на конденсационных тарелках создается верхнее циркуляционное орошение ВЦО (циркуляция фракции ХI (фр.<3500С)). ВЦО со второй тарелки забирается насосом Н-9, охлаждается на 50−700С в теплообменнике Т-4 и подается на верхнюю первую ректификационную тарелку. Задача ВЦО — полная конденсация углеводородного парового потока. Однако достичь полной конденсации не удается, потому что при температуре входа ВЦО в колонну около 60 — 800С температура паров наверху колонны обычно не ниже 700С, а при этой температуре и давлении 5 кПа в смеси с водяным паром не конденсируется до 1−2% на мазут легких углеводородных фракций (из-за низкого парциального давления — около 1 — 3 кПа), и они, как уже отмечалось выше, выводятся из конденсационно-вакуумсоздающей системы. Часть циркулирующей наверху флегмы ВЦО выводится из колонны как материальный поток легкого вакуумного газойля ХI, выкипающего до 3500С.

Основной дистиллят ХII вакуумной колонны — фракция 350−5000С. Между выводами этих боковых погонов ХI и ХII обычно расположено 8−10 тарелок. Снизу колонны отбирается остаток — гудрон ХIII (>5000С), который прокачивается насосом Н-11 в теплообменник Т-6 и затем в холодильник Х-5, где охлаждается. Отгонная часть колонны К-5 имеет сужение, что способствует уменьшению времени пребывания остатка в колонне во избежание его разложения под влиянием высокой температуры. Снизу отгонной части колонны вводится перегретый водяной пар в количестве 0,8 — 1,5(масс.) на сырье колонны.

2 Расчетная часть

2.1 Технологический расчёт Нефть в количестве Gн=625 000кг/ч поступает в теплообменник Т-1 с температурой tiн=500С, где нагревается за счёт тепла фракции 150−2500С, в количестве G1=10 300кг/ч. Начальная температура горячего потока ti1=1500C, конечная tii1= 900C. КПД теплообменника принимаем равным з=0,98.

Плотность нефти Р1515=0,8210 кг/ч Относительная плотность фракции 150−2500С Р1515=0,864

Энтальпия потоков рассчитываем по формуле:

Энтальпия нефти на выходе в теплообменник:

JiЖН=2)=97,7кДж/кг Энтальпия горячего потока на входе JiЖН и выходе JiiЖН из теплообменника:

JiЖН=2)=321,36 кДж/кг,

JiЖН=2)=139,47 кДж/кг.

Составляем тепловой баланс теплообменника:

G1зЧ (JiЖ1? JiiЖ1)=GHЧ (JiЖH? JiiЖH)

Из уравнения теплового баланса находим энтальпию нефти на выходе из теплообменника:

JiiЖ1= JiЖ1 =98=101,16кДж/кг;

Отсюда температура нефти на выходе из теплообменника будет равна

tiiH=82,40C

Выбираем противоточную схему теплообмена. Находим среднюю разность температур:

?T= ti1-tiiH= 150−84.2=67,60C

?T=tii1-tiH= 70−50=200C

?Tcp=0C

Находим поверхность теплообмена: тепло отдаваемое горячим потоком:

кожухотрубчатый теплообменник

Q1=G1ЧзЧ (JiЖ1- JiiЖ2)=

10 300Ч0,98Ч (321,36−139,47)=1 835 997,66 кДж Принимаем общий коэффициент теплопередачи К= 175 кДж/(м2•ч•0С), тогда необходимая поверхность теплообмена:

F=Q1/(175•k•?tcp)

F= 1 835 997,66/(175•43,8)=239м2

Заключение

Задание на курсовое проектирование выполнено. При этом: в теоретическом разделе:

1) Рассмотрены основные виды теплообменных аппаратов, применяемых в химической промышленности;

2) Даны краткие теоретические основы процесса, протекающего в аппарате;

3) Приведено описание технологической схемы установки;

4) Произведен технологический расчет.

1. Нефти СССР. Справочник: Т-4. М.: Химия, 1974. -787 с.

2. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. А. И. Скобло, Ю. К. Молоканов. М.: Недра, 2000.

3. Справочник нефтепереработчика. Под ред. Г. А. Ластовкина, Е. Д. Радченко, М. Г. Рудина. Л.: Химия, 1986. -576 с, ил.

4. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. -752 с.

5. Мановян А. К. Проектирование установки атмосферно-вакуумной перегонки нефти (ЭЛОУ-АВТ) (методические пособие) АГТУ, 1996.51 с.

6. Мановян А. К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. М.: Химия. 1999. -568 с.

7. Рудин М. Г., Драбкин А. Е. Краткий справочник нефтепереработчика.

Л.: Химия, 1980.-328 с.

8. Павлов К. Ф., Романков П. Г. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987. -576 с, ил.

9. Кузнецов А. А., Кагерманов С. М., Судаков Е. Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности, Л.: Химия, 1974.-538 с.