Технологический расчет нефтепромысловой аппаратуры

0,9800 - 0,9899

0,9900 - 1,0000

0,000699

0,000686

0,000673

0,000660

0,000647

0,000633

0,000620

0,000607

0,000594

0,000581

0,000567

0,000554

0,000541

0,000522

0,000515

Итак, рассмотренный выше материал позволяет определить характер изменения по длине теплообменного аппарата температуры горячего и холодного потока при организации прямотока или противотока.

Разумеется, подобный подход справедлив только в том случае, если температура горячего потока не опускается до температуры конденсации, а температура холодного потока не поднимается до температуры испарения.

В противном случае, поступают следующим образом:

Если температура конденсации горячего потока (Т_r) > Т_к , то то интервал изменения температуры горячего потока от Т_н до Т_к разбивают на три участка: от Т_н до ; от до и от до Т_к. Соответствующие температуры холодного потока на 1 и 3 участке рассчитывают обычным (рассмотренным выше) способом, а конечную температуру холодного потока, соответствующую окончанию участка - определяют по формуле:

 (570)

при:

(571)

где: - удельная скрытая теплота конденсации.

Если температура испарения холодного потока () < (), то интервал изменения температуры холодного потока от до разбивают на 3 участка: от до ; от до и от до . Соответствующие температуры горячего потока на 1 и 3 участке рассчитывают обычным (рассмотренным выше) способом, а конечную температуру горячего потока, соответствующую окончанию участка - определяют по формуле:

(572)

при:

= (573)

где: - удельная скрытая теплота парообразования.

Причём, для одного и того же вещества:

= (574)

Если одним из потоков является водяной пар или пресная вода, то значения (r) берутся из табл.20.

Если одним из потоков является газ, то значения (r) берутся из табл.22.

Табл.22.

Основные физические свойства некоторых газов

Вещество	Плотность (), кг/м3 (н.у.)	Температура кипения (t) 0С (при Р=0,1 МПа)	Удельная теплота испарения (конденсации) (r ) кДж/кг (при Р=0,1 МПа)	Вязкость (), мПа.с (н.у.)
Азот Аммиак Бензол Бутан Воздух Водород Гелий Диоксид серы Углекислый газ Кислород Метан Угарный газ Пентан Пропан Сероводород Этан	1,25 0,77 - 2,673 1,293 0,0899 0,179 2,93 1,98 1,429 0,72 1,25 - 2,02 1,54 1,36	-195,8 -33,4 80,2 -0,5 -195 -252,8 -268,9 -10,8 -78,2 -183 -161,6 -191,5 36,1 -42,1 -60,2 -88,5	199,4 1374 394 387 197 455 19,5 394 574 213 511 212 360 427 549 486	0,017 0,00918 0,0072 0,0081 0,0173 0,00842 0,0188 0,0117 0,0137 0,0203 0,0103 0,0166 0,00874 0,00795 0,01166 0,0085

Зависимость теплоты парообразования от температуры для некоторых веществ приведена в табл. 23.

Табл.23.

Удельная теплота парообразования некоторых веществ (кДж/кг)

Вещество	Температура, 0С
	0	20	60	100	140
Аммиак Бензол Вода Углекислый газ Метанол Толуол Хладон - 12 (Фреон -12)	12,65,4 448,3 2493,1 235,1 1198,3 414,8 155	1190,0 435,8 2446,9 155,4 1173,2 407,7 144,9	- 408,5 2359,0 - 1110,4 388,8 132,4	- 379,2 2258,4 - 1013,9 368,7 -	- 346,1 2149,5 - 892,6 344 -

Физические свойства таких распространенных хладоагентов как аммиак и фреон-12 приведены в табл.24 и 25.

Табл.24.

Физические свойства насыщенного пара аммиака

Температура, 0С	Давление абсолютное (Рабс), МПа	Плотность	Удельная теплота испарения (r), кДж/кг
		Жидкости, кг/м3	Пара, кг/м3
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50	0,04168 0,05562 0,07318 0,09503 0,12190 0,15460 0,19400 0,24100 0,29660 0,36190 0,43790 0,52590 0,62710 0,74310 0,87410 1,02250 1,18950 1,37650 1,58500 1,81650 2,07270	702,0 696,0 690,0 683,9 677,7 671,4 665,0 658,5 652,0 645,3 638,6 631,7 624,7 617,5 610,3 602,8 595,2 587,5 579,5 571,3 562,9	0,382 0,500 0,645 0,823 1,038 1,297 1,604 1,966 2,390 2,883 3,452 4,108 4,859 5,718 6,694 7,795 9,034 10,431 12,005 12,774 15,756	1416 1402 1388 1374 1360 1345 1329 1314 1297 1281 1263 1246 1227 1210 1188 1168 1146 1124 1101 1078 1053

Табл.25.

Физические свойства дифтордихлорметана (фреон -10).

Температура, 0С	Давление абсолютное (Рабс), МПа	Плотность	Удельная теплота испарения (r), кДж/кг
		Жидкости, кг/м3	Пара, кг/м3
40 30 25 20 10 0 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -50 -60 -70 -80	0,978 0,759 0,663 0,579 0,432 0,315 0,224 0,186 0,154 0,126 0,103 0,0824 0,0655 0,0399 0,0231 0,0125 0,0063	1250 1290 1310 1330 1360 1390 1430 1440 1460 1470 1490 1500 1520 1540 1570 1600 1630	53,1 41,2 36,1 31,5 23,8 17,7 12,8 10,8 9,04 7,52 6,20 5,07 4,10 2,60 1,56 0,89 0,47	132,4 138,7 142,0 145,0 150,0 155,0 160,0 161,7 163,8 165,5 167,6 169,3 171,0 175,0 178,0 182,0 185,0

Если одним из потоков является минерализованная вода, то используют рис.84.

Рис. 84. Повышение температуры кипения водных растворов при атмосферном давлении в зависимости от концентрации

Причём, молекулярную массу отсепарированной нефти, приравниваемой к определённому углеводороду, и взятой при средней температуре зоны, можно найти по формуле:

(575)

где: - плотность нефти при средней температуре зоны:

(576)

где- динамическая вязкость нефти при средней температуре зоны, которую можно определить по одной из следующих формул:

 (577)

где: - любая температура при которой известна динамическая вязкость.

Формула (577) справедлива, если > 1000 мПа^.с

(578)

Формула (578) справедлива, если < 10 мПа^.с

(579)

Формула (579) справедлива, если: 10 1000 мПа^.с

Молекулярную массу газонасыщенной нефти можно найти по формуле:

(580)

где: - молекулярная масса соответствующих веществ (определяется по периодической таблице); - молекулярная масса так называемого остатка; - мольная доля соответствующих компонентов.

(581)

5.2 Средний температурный напор

После того, как распределение температур горячего и холодного потока по длине аппарата выяснено приступают к определению среднего температурного напора - движущей силы любого теплообмена - для каждой отдельной зоны каждого участка.

При прямотоке или противотоке средний температурный напор определяют по уравнению:

(582)

где: и - большая и меньшая разность температур горячего и холодного потока на границах каждого участка.

Если:

/ 2 (583)

то:

(584)

Для смешанного и перекрёстного тока возможно три подхода.

Первый подход (для смешанного тока):

Если:

а) в межтрубном пространстве теплоноситель делает один ход, а в трубном два;

б) в межтрубном пространстве два хода, а в трубном четыре;

в) в межтрубном пространстве один ход, а в трубном четыре и т.д.

то средний температурный напор вычисляется по уравнениям (582) или (584), сразу для всего аппарата без разбивки на зоны, с той лишь разницей, что величины и находят по специальным формулам Н.И. Белоконя:

(585)

(586)

где: - так называемая характеристическая разность температур, определяемая по формуле:

(587)

где:

(588)

разность начальной и конечной температуры горячего потока;

(589)

разность конечной и начальной температуры холодного потока. - средняя арифметическая разность температур горячего и холодного потока:

(590)

где - индекс противоточности, определяющий долю противоточной части поверхности теплообмена; определяется по справочной литературе, для каждой конкретной конструкции аппарата.

В частности, для случая:

а) = 0,5

б) = 0,9

в) = 0,45 и т.п.

Второй подход (для смешанного и перекрестного токов)

(591)

где: - вычисляется по формуле (582) для противотока, а коэффициент зависит от схемы движения теплоносителя и определяется по справочным графикам, см. например рис.87.

На рис.87. а - это аппарат с одним ходом в межтрубном пространстве и 2, 4, 6 и более ходами в трубном пространстве; б - это аппарат с двумя ходами в межтрубном пространстве с поперечными перегородками и четырьмя ходами в трубном пространстве.

(592)

(593)

где: t и Т - температуры соответствующих потоков на границах смены режимов.

Рис.87. Поправочные коэффициенты для смешанного потока в многоходовых теплообменниках

Третий подход (для смешанного тока)

Теплообменник мысленно разбивают на несколько аппаратов с противоточным и прямоточным течением потоков и распределение температур и величину температурного напора определяют обычным путём.

5.3 Приступим к вычислению коэффициента теплоотдачи от горячего потока к разделяющей стенке

5.3.1 Прямоточное и противоточное течение в одноходовом аппарате.

А) Сначала вычисляем для каждой зоны критерий Рейнольдса для горячего потока, используя слегка модифицированную формулу (520):

(594)

где: - так называемый эквивалентный диаметр.

Если горячий поток течет по трубкам кожухотрубчатого теплообменника, то используют модернизированные формулы (546) и (547):

(595)

где: D - внутренний диаметр кожуха; d - наружный диаметр одной трубки; n - число трубок.

Для теплообменника типа труба в трубе:

(596)

Если горячий поток течёт по межтрубному пространству, не содержащему перегородок, то:

(597)

При наличии перегородок:

(598)

где: S_эф - так называемое эффективное сечение межтрубного пространства:

(599)

где: S_пр - площадь проходного сечения в вырезах перегородки за вычетом скммарной площади сечения, проходящих через неё труб. S_поп - площадь проходного сечения между перегородками за вычетом суммарной площади проходящих через неё труб.

Если горячим потоком является пресная или минерализованная вода, то соответствующие значения вязкости и плотности для средней температуры зоны берутся из табл. 12 - 15.

Если горячим потоком является водяной пар, то соответствующие значения вязкости и плотности берутся для средней температуры зоны из табл. 20, 26 и рис. 88.

Табл.26.

Основные свойства насыщенного водяного пара

Температура, 0С	Плотность (), кг/м3	Динамическая вязкость (), мПа .с
0 10 20 30 40 60 80 100 120 150 200 250 300 350	0,00485 0,00940 0,01729 0,03037 0,05116 0,13020 0,29340 0,59770 1,12100 2,54700 7,86200 19,9800 46,2100 113,6000	9,22 9,46 9,73 10,01 10,31 10,94 11,60 12,28 12,97 14,02 15,78 17,59 19,74 23,72

Если горячим потоком является нефть, то соответствующие значения вязкости и плотности берутся из исходных данных и пересчитываются на необходимые условия с помощью формул (569), (575 - 581).

Наконец, значения плотности и вязкости использующихся теплоносителей приведены в табл.27.

Табл.27.

Плотность некоторых жидкостей при 0 - 20⁰С

Жидкость	Плотность (), кг/м3
Азотная кислота, 92 % Аммиак, 26 % Бензин Глицерин, 100 %, 80 % Диэтиловый эфир Керосин Ксилол Мазут Метиловый спирт, 90 %, 30 % Нафталин (расплавленный) Нефть Ртуть Серная кислота, 30 % Соляная кислота, дымящая Уксусная кислота, 70 %, 30 % Хлороформ Четырёххлористый углерод Этилацетат Этиленхлорид Этиловый спирт, 100 %, 70 %, 40 %, 10 %	1500 910 760 1270, 1130 710 850 880 890 - 950 820, 950 1100 790 - 950 13600 1220 1210 1070, 1040 1530 1630 900 1280 790, 850, 920, 980

Жидкость	№ точки	Жидкость	№ точки
Амиловый спирт Аммиак Анилин Ацетон Бензол Бутиловый спирт Вода Гексан Гептан Глицерин, 100 % Глицерин, 50 % Углекислый газ Диэтиловый эфир Метилацетат Метиловый спирт, 100 % Метиловый спирт, 90 % Метиловый спирт, 30 % Нафталин Нитробензол Октан	17 39 8 34 25 11 20 36 31 1 7 40 37 32 26 24 13 9 14 28	Пентан Ртуть Серная кислота, 111 % Серная кислота, 98 % Серная кислота, 60 % Сернистый ангидрид Сероуглерод Терпентин Толуол Уксусная кислота, 100 % Уксусная кислота, 70 % Фенол Хлорбензол Хлороформ Четырёххлористый углер Этилацетат Этиленгликоль Этиленхлорид Этиловый спирт, 100 % Этиловый спирт, 49 %	35 15 2 3 6 35 33 16 27 18 12 6 22 29 21 30 4 23 19 10

б) Приступим к вычислению (для каждой зоны) критерия Прандтля для горячего потока (при средней температуре), используя слегка модифицированную формулу ( 521)

(600)

Единственным неизвестным параметром, входящим в формулу (600), является теплопроводность горячего потока ().

Если горячим потоком является пресная или минерализованная вода, то соответствующие значения теплопроводности берутся из табл. 12 -14.

Если горячим потоком является водяной пар, то соответствующие значения теплопроводности берутся из табл.28.

Табл.28.

Теплопроводность водяного пара, Вт/м^.К

Давление, МПа	Температура, 0С
	0	50	100	200
0,1 - 1,0	0,0163	0,0198	0,0244	0,0326

Если горячим потоком является нефть, то соответствующие значения теплопроводности вычисляются по формуле:

 (601)

Для всех остальных теплоносителей соответствующие значения теплопроводности берутся из табл.29,30 и рис. 38, 39.

Табл.29.

Коэффициенты теплопроводности газов при Р_абс.= 1 атм (Вт/м^.К)

Газ	Температура, 0С
	0	50	100	200
Азот Аммиак Водород Водяной пар Воздух Кислород Метан Угарный газ Углекислый газ Этан Этилен	0,0233 0,0209 0,1628 0,0163 0,0244 0,0244 0,0302 0,0221 0,0140 0,0174 0,0163	0,0267 0,0256 0,1861 0,0198 0,0279 0,0291 0,0361 0,0244 0,0186 0,0233 0,0209	0,0314 0,0314 0,2210 0,0244 0,0326 0,0326 0,0465 - 0,0233 0,0314 0,0267	0,0384 - 0,2559 0,0326 0,0395 0,0407 - - 0,0314 - -

Табл.30.

Коэффициенты теплопроводности жидкостей и водных растворов

Вещество	Концентрация, % мас.	Температура, 0С	Теплопроводность, Вт/м.К
BaCl2 KBr KOH КОН K2SO4 KCl KCl MgSO4 MgCl2 MgCl2 CuSO4 NaBr NaBr Na2CO3 NaCl H2SO4 H2SO4 H2SO4 HCl HCl HCl Аммиак жидкий Аммиак жидкий Дихлорэтан Уксусная кислота Уксусная кислота Хлорбензол Хлорбензол Хлороформ Хлороформ	21 40 21 42 10 15 30 22 11 29 18 20 40 10 12,5 30 60 90 12,5 25 38 100 100 100 50 50 100 100 100 100	32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 0 100 0 0 100 0 100 0 100	0,58 0,50 0,58 0,55 0,60 0,58 0,56 0,59 0,58 0,52 0,58 0,57 0,54 0,58 0,58 0,52 0,44 0,35 0,52 0,48 0,44 0,54 0,31 0,14 0,31 0,48 0,13 0,11 0,14 0,09

При отсутствии экспериментальных данных коэффициент теплопроводности жидкости () при 30⁰С может быть рассчитан по формуле:

(602)

где: - удельная теплоёмкость жидкости, Дж/кг^.К; - плотность жидкости, кг/м³; - мольная масса жидкости, кг/моль; - коэффициент пропорциональности, зависящий от степени ассоциации жидкости. Для ассоциированных жидкостей (например воды) - = 3,58^. 10^-8. Для неассоциированных жидкостей (например бензола) - =4,22^. 10^-8., для нефти:

 (603)

Коэффициент теплопроводности жидкости при произвольной температуре (t) определяется по формуле:

(604)

где: температурный коэффициент :

Анилин……………………… 0,0014

Ацетон………………………. 0,0022

Бензол……………………….. 0,0018

Гексан……………………….. 0,0020

Метиловый спирт……………0,0012

Нитробензол…………………0,0010

Пропиловый спирт…………. 0,0014

Уксусная кислота…………… 0,0012

Хлорбензол………………….. 0,0015

Хлороформ………………….. 0,0018

Этилацетат……………………0,0021

Этиловый спирт…………….. 0,0014

Коэффициент теплопроводности водного раствора при произвольной температуре(t) определяется по формуле:

(605)

где: и - коэффициенты теплопроводности раствора и воды.

Коэффициент теплопроводности газа может быть вычислен по формуле:

 (606)

где:

(607)

где: k - показатель адиабаты:

(608)

Для одноатомных газов В ~ 2,5; для двухатомных В ~ 1,9; для трёхатомных В ~1,72

в) Определим параметр Прандтля (для каждой зоны) для горячего потока при средней температуре стенки.

(609)

при этом, средней температурой стенки () для каждой зоны следует задаваться, исходя из диапазона: .

г) Определим параметр Грасгрофа (для каждой зоны) для горячего потока при средней температуре, используя слегка модернизированную формулу (522):

 (610)

д) Рассчитаем для каждой зоны горячего потока при его средней температуре критерий Нусельта, для чего воспользуемся слегка модернизированными формулами (519, 523 и 524):

При: :

(611)

При: :

(612)

При: 2320 < <10⁴:

(613)

е) Вычислим для каждой зоны горячего потока при его средней температуре коэффициент теплоотдачи (), используя слегка модернизированную формулу (518):

(614)

Для конденсирующегося водяного пара можно также воспользоваться табл. 31.

Табл.31.

Коэффициенты теплоотдачи для конденсирующегося водяного пара

Давление (Р), МПа	0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
, Вт/м2.0С	5800	17400	51240	85080	118920	152760

5.3.2 Специфические формы течения горячего потока

Если горячий поток течёт в прямых трубах, то можно воспользоваться специальной номограммой

I этап: АВ С; II этап: DC E . - поправочный температурный коэффициент.

Рис.94. Зависимость коэффициента от числа рядов труб по вертикали. 1. Коридорное расположение труб; 2 Шажматное расположение труб .

Для ребристых труб коэффициент теплоотдачи может быть определён по следующему уравнению:

(615)

где: - коэффициент теплоотдачи для гладкой трубы; h - высота ребра; - толщина ребра; l - шаг ребер по окружности.

Для n рёбер величина l определяется по формуле:

(616)

где - величина, определяемая по табл.32, в зависимости от величины m^.h.

Причём, величина m находится по формуле:

(617)

где: - коэффициент теплопроводности материала ребер

Табл.32

Значения коэффициента

m.h
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4	1,00 0,985 0,950 0,895 0,830 0,762 0,695 0,632 0,577 0,526 0,482 0,443 0,410

Если в межтрубном пространстве имеются перегородки, то:

(618)

где: с - коэффициент, характеризующий форму перегородок и расположение труб в пучке. Например, для сегментных перегородок при расположении труб по треугольнику или квадрату, с = 0,22.

Для смешанного и перекрестного тока используют соотношения (585 - 593).

5.4 Определение теплопроводности материала стенки

Значения теплопроводности основных твёрдых материалов приведены в табл.33.

Табл.33.

Материал	Плотность (), кг/м3	Теплопроводность (), Вт/м. К
Алюминий Бронза Латунь Медь Свинец Сталь Сталь нержавеющая Чугун Асбест Бетон Винилпласт Войлок шерстяной Дерево Кладка из обычного кирпича Кладка из огнеупорного кирпича Кладка из изоляционного кирпича Краска масляная Лёд Накипь Опилки древесные Песок сухой Ржавчина Стекловата Стекло Текстолит Сернистое железо	2700 8000 8500 8800 11400 7850 7900 7500 600 2300 1380 300 600 1700 1840 600 - 920 - 230 1500 - 200 2500 1380 -	203,5 64,0 93,0 384,0 34,9 46,5 17,5 46,5 - 93,0 0,151 1,28 0,163 0,047 0,140 - 0,384 0,698 - 0,814 1,05 (при 800 - 10000С) 0,116 - 0,209 0,233 2,33 1,163 - 3,49 0,07 - 0,093 0,349 - 0,814 1,16 0,035 - 0,07 0,698 - 0,814 0,244 7,6

При наличии на стенках трубок загрязнений прибегают к помощи табл.34 понимая, при этом, под тепловым сопротивлением величину обратную теплопроводности.

Табл.34.

Продукты, дающие загрязнения	Тепловое сопротивление (), м2. К/Вт
Чистый водяной пар Мятый пар, содержащий масло Пары органических жидкостей Вода очищенная Вода мягкая Вода жесткая Органические жидкости, рассолы, жидкие хладоагенты Нефтяные пары Нефтепродукты светлые Нефть и мазут Гудрон Слой парафина или кокса Воздух	0,000060 0,000086 0,000086 0,000172 0,000260 - 0,000430 0,000430 - 0,000860 0,000172 0,00043 - 0,000515 0,000515 - 0,00060 0,000860 - 0,00130 0,008600 - 0,017200 0,008600 и более 0,000350

5.5 Рассчитаем коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному потоку ()

а) Сначала для каждой зоны вычислим критерий Рейнольдса, используя слегка модернизированную формулу (520):

 (619)

б) Потом, для каждой зоны определяем критерий Прандтля, используя модернизированную формулу (521):

(620)

в) Найдём для каждой зоны параметр Грасгрофа, используя слегка модернизированную формулу (522):

(621)

г) Рассчитаем для каждой зоны критерий Нусельта, используя модернизированные формулы (519, 523 и 524):

При: :

(622)

При: :

(623)

При: 2320 < <10⁴:

 (624)

д) Вычисляем для каждой зоны холодного потока при его средней температуре коэффициент теплоотдачи (), используя модернизированную формулу (518):

(625)

5.6 Проверим правильность выбора температуры стенки

(626)

Допустимым считается расхождение в пределах 5 %. В противном случае, расчет надо повторить, задавшись другой температурой стенки.

5.7 Приступим, наконец, к вычислению полного коэффициента теплопередачи для каждой зоны при средней температуре, используя модифицированную формулу (539)

(627)

5.8 Определим необходимую поверхность теплообмена для каждой зоны

(628)

или:

(629)

5.9 Наконец, общая необходимая поверхность для теплообменника

(630)

Размещено на Allbest.ru

...