Расчет аппарата воздушного охлаждения

ФеДЕРАЛЬНОЕ Государственное  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  учреждение высшего  профессионального  образования

УФИМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Технология нефтяного аппаратостроения» 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому  проекту по дисциплине

«Процессы и аппараты химических производств»

на тему «Расчет аппарата воздушного охлаждения» 

Вариант 16 
 
 
 

Выполнил: ст. гр. МА-08-01                                                           А.В.Балашова

Проверил:                                                                                         Н.В.Жаринова 
 

УФА 2011

Содержание

Введение

     В процессе подготовки скважинная продукция  иучаствующие в технологии вещества (различные реагенты, адсорберы и  т.п., проходящие через систему неоднократно) проходят через серию технологических  операций. Их температура может не раз пересекать нулевую отметку  по шкале Цельсия, как в положительную, так и в отрицательную стороны. Так, например, процесс ректификации и предотвращения гидратообразования требует повышения температуры. В то же время, необходимая для  сепарации конденсация капель жидкости диктует понижения температуры.

Одним из оптимальных средств понижения  температуры являются аппараты воздушного охлаждения (АВО).

       Сфера применения аппаратов воздушного  охлаждения довольно обширна  – давление среды, на которую  рассчитаны некоторые модели, достигает  6,3 МПа. Аппарат воздушного охлаждения  малопоточный предназначен для  конденсации и охлаждения парообразных, газообразных и жидких сред  в технологических процессах  нефтеперерабатывающей, нефтехимической  и химической промышленности.

     АВО используют для понижения температуры  у продуктов разделения нефти. Воздух – это экологически чистая охлаждающая  среда, которая не нуждается в  специальной обработке и соблюдении строгих стандартов. Он не вызывает коррозию, его запасы неограниченны  и он ничего не стоит. Теплообменные  аппараты предназначены не только для  охлаждения, но и для нагрева, испарения, конденсации жидкости, пара и их смесей. Теплообменные аппараты могут  быть разных видов: газовые, разборные, водоводяные, пароводяные и другие теплообменники

     АВО состоит из следующих основных составных  частей:

     -теплообменная  поверхность;

     -система  подачи воздуха(вентилятор, привод, диффузор с коллектором);

     -опорная  металлоконструкция;

     Их  устройство принципиально не отличается от классической архитектуры теплообменного аппарата: охлаждаемая жидкости проходит по трубам, а трубы размещены в  потоке рабочего тела - как  следует  из названия, им является воздух. Конструктивные особенности: трубы могут быть как  прямыми, так и спиральными.

     Внутри  биметаллических оребренных труб двигаетсяохлаждаемая среда, рабочее тело нагнетается  вентилятором. Соответственно, при  выборе АВО следует обращать внимание как на систему, которую ему предстоит  обслуживать, так и на климатические  условия эксплуатации.

     Установка АВО потребует системы воздуховодов, фильтров, шиберов и опорных металлоконструкций для самого охлаждающего агрегата. Также необходимы системы автоматизации  и контроль над температурой и  стабильностью поступления воздуха  – изменения в плотности и  температуре входящего агента могут  быть фатальными для системы.

     АВГ(аппарат  воздушного охлаждения горизонтального  типа)-один из  наиболее распространенных видов АВО. Преимущество-простота конструкции, которая делает монтаж и обслуживание аппарата достаточно простыми.  В  АВО горизонтального типа используется подъемная сила нагретого воздуха. Недостатком этого аппарата является большая занимаемая площадь. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1 Литературный обзор 

1. Назначение  технологического процесса, роль данного  аппарата в этом процессе

     В данной курсовой работе  рассчитывается аппарат воздушного охлаждения  для установки атмосферной перегонки  нефти (г.Тюмень). Технологические установки  перегонки нефти предназначены  для разделения нефти на фракции  и последующей переработки или  использования их как компонентов  товарных нефтепродуктов. Они составляют основу всех НПЗ. На них вырабатываются практически все компоненты моторных топлив, смазочных масел, сырье для вторичных процессов и для нефтехимических производств. От их работы зависят ассортимент и качество получаемых компонентов и технико-экономические показатели последующих процессов переработки нефтяного сырья. Процессы перегонки нефти осуществляют на так называемых атмосферных трубчатых (AT) и вакуумных трубчатых (ВТ) или атмосферно-вакуумных трубчатых (АВТ) установках.

     При выборе технологической схемы и  режима атмосферной перегонки нефти руководствуются главным образом ее фракционным составом, и прежде всего содержанием в ней газов и бензиновых фракций.

       Блок атмосферной перегонки нефти высокопроизводительной, наиболее распространенной в нашей стране установки ЭЛОУ-АВТ-6 функционирует по схеме двухкратного испарения и двухкратной ректификации (рис.1.1).

     Обезвоженная  и обессоленная на ЭЛОУ нефть дополнительно  подогревается в теплообменниках  и поступает на разделение в колонну  частичного отбензинивания 1. Уходящие с верха этой колонны углеводородный газ и легкий бензин конденсируются и охлаждаются в аппаратах воздушного и водяного охлаждения и поступают в емкость орошения. Часть конденсата возвращается наверх колонны 1 в качестве острого орошения. Отбензиненная нефть с низа колонны 1 подается в трубчатую печь 4, где нагревается до требуемой температуры и поступает в атмосферную колонну 2. 

     Рисунок 1.1 – принципиальная схема блока  атмосферной перегонки нефти  установки ЭЛОУ – АВТ – 6: 1 –  отбензинивающая колонна; 2 – атмосферная  колонна; 3 – отпарные колонны; 4 –  атмосферная печь; I – нефть с ЭЛОУ; легкий бензин; III – тяжелый бензин; IV – фракция 180…220ºС; V – фракция 220…280 ºС; VI – фракция 280…350 ºС; VII – мазут; VIII – газ; IX – водяной пар  

     Часть отбензиненной нефти из печи 4 возвращается в низ колонны 1 в качестве горячей струи. С верха колонны 2 отбирается тяжелый бензин, а сбоку через отпарные колонны 3 выводятся топливные фракции 180...220(230), 220(230)...280 и 280...350 °С. Атмосферная колонна кроме острого орошения имеет 2 циркуляционных орошения, которыми отводится тепло ниже тарелок отбора фракций 180...220 и 220…280 °С. В нижние части атмосферной и отпарных колонн подается перегретый водяной пар для отпарки легкокипящих фракций. С низа атмосферной колонны выводится мазут, который направляется на блок вакуумной перегонки.  

      1.2 Техническая характеристика аппарата, его устройство и принцип действия 

      Широкое распространение в промышленности получили аппараты воздушного охлаждения (АВО), в которых в качестве охлаждающего агента используется поток атмосферного воздуха, нагнетаемый специально установленными вентиляторами.

      Использование аппаратов этого типа позволяет  осуществить значительную экономию охлаждающей воды, уменьшить количество сточных

вод, исключает  необходимость очистки наружной поверхности теплообменных труб. Такие аппараты используются в качестве конденсаторов и холодильников.

      Сравнительно  низкий коэффициент теплоотдачи  со стороны потока воздуха, характерный  для этих аппаратов, компенсируется значительным оребрением наружной поверхности  труб, а также сравнительно высокими скоростями движения потока воздуха.

      Аппараты  воздушного охлаждения различного типа изготовляются по соответствующим  стандартам, в которых предусмотрены  большие диапазоны по величине поверхности, степени оребрения и виду конструкционного материала, используемого для их изготовления (сталь различных марок, латунь, алюминиевые сплавы, биметалл).

      Аппараты  воздушного охлаждения (АВО) подразделяются на следующие типы: горизонтальные АВГ, зигзагообразные АВЗ, малопоточные АВМ, для вязких продуктов АВГ-В, для высоковязких продуктов АВГ-ВВ.

      На  рис. 1.2 приведен аппарат горизонтального  типа, в котором оребренные пучки  теплообменных труб расположены  горизонтально, а на рис. 2— аппараты, где пучки труб расположены в  виде шатра и зигзагообразно. Размещение пучков оребренных труб в виде шатра  и зигзагообразное позволяет

иметь большую поверхность теплообмена  при той же занятой площади.

      Рисунок 1.2- Схема горизонтального аппарата воздушного охлаждения:

       1- секция оребренных труб; 2-колесо  вентилятора;3- электродвигатель; 4- коллектор  впрыска очищенной воды; 5-жалюзи. 

      Для повышения эффективности аппарата в его конструкции предусмотрен коллектор впрыски очищенной  воды 4, автоматически включающийся при повышенной температуре окружающей воздушного охлаждения среды в летний период работы. При низких температурах (зимой) можно отключать электродвигатель и вентилятор; при этом конденсация и охлаждение происходят естественной конвекцией.

      Кроме этого интенсивность теплосъема можно регулировать, меняя расход прокачиваемого воздуха изменением угла наклона лопастей вентилятора. Для этого в аппаратах воздушного охлаждения предусмотрены механизм дистанционного поворота лопастей с  ручным или пневматическим приводом и жалюзи, установленные над теплообменными секциями. Жалюзийные заслонки можно поворачивать вручную или автоматически с помощью пневмопривода.

В зимнее время возможна опасность переохлаждения конденсируемого в аппарате продукта. Во избежание этого под теплообменными секциями можно устанавливать змеевиковый  подогреватель воздуха, выполненный  также из оребренных труб.

      Теплообменная секция аппарата воздушного охлаждения (рис. 1.3) состоит из четырех, шести  или восьми рядов труб 3, размещенных по вершинам равносторонних треугольников в двух трубных решетках 1. Трубы закреплены развальцовкой или развальцовкой со сваркой. Секции могут быть одно- и многоходовыми. В многоходовых секциях воздушного охлаждения, где объем охлаждаемой среды уменьшается по мере его движения по трубам, последовательно по ходам уменьшается и число труб.

      Для обеспечения жесткости трубного пучка секция укреплена металлическим  каркасом 4. Однако при эксплуатации гайки на шпильках 2, соединяющих решетку с каркасом, должны быть отвинчены на расстояние, превышающее возможное температурное удлинение труб.

      В трубном пучке каждая труба может  иметь индивидуальный прогиб. Для  исключения контакта ребер верхнего ряда труб с ребрами труб нижнего  ряда между соседними рядами в  нескольких местах по длине трубы  помещают дистанционные прокладки  5 шириной около 15 мм из алюминиевой ленты толщиной 2 мм.

      Рисунок 1.3 – Схемы аппаратов воздушного охлаждения АВЗ:

а — шатровый; б — зигзагообразный 

      Крышки  6 крепят к трубным решеткам теплообменных секций при высоком давлении неразъемно или на шпильках. Если секция аппарата многоходовая, крышки снабжают перегородками, которые делят трубный пучок на ходы. Съемные крышки обычно выполняют литыми из стали.

Как указано, трубы в аппаратах воздушного охлаждения имеют оребрение по наружной поверхности, поскольку коэффициент  теплоотдачи на наружной поверхности  труб примерно на порядок меньше коэффициента для внутренней поверхности.

      В аппаратах воздушного охлаждения используют вентиляторы с диаметром колеса до 7 м. Колеса вентиляторов изготовляют сварными из алюминия или из стеклопласта, диффузор — из листовой стали толщиной 2 мм. Холодильники АВГ с трубами длиной 8 м комплектуют двумя одинаковыми вентиляторами и электродвигателями (по одному вентилятору и двигателю на каждые 4 м длины труб).

      Электродвигатели  привода могут быть одно- и двухскоростными. При использовании двухскоростных электродвигателей с понижением температуры окружающей среды можно  работать при меньшей частоте

вращения  вентилятора.

Рисунок 1.4– Теплообменная секция АВО

      2 Тепловой расчет 

      2.1 Тепловой баланс и расчет тепловой  нагрузки аппарата 

      Поскольку трубное пространство аппарата по принципу действия близко к аппаратам идеального вытеснения, его можно разделить  на две зоны: конденсации и охлаждения конденсата. В зоне конденсации температуру  можно принять постоянной и равной T_вх, а в зоне охлаждения конденсата теплофизические свойства определяются при средней его температуре. Все свойства конденсата удобно представить в таблице 2.1:

      Таблица 2.1 – Теплофизические свойства конденсата

      Зависимость плотности от температуры выражается линейным уравнением: 

     ,     (2.1) 

где – соответственно плотности при искомой температуре t и 20 °С, г/см³;

       a – температурный коэффициент по линейной зависимости от , находится по формуле:

    (2.2) 

; 

 кг/м³; 

 кг/м³. 

     Тепловую  нагрузку аппарата Q определим по формуле: 

   Q = Q₁ + Q₂.   (2.3) 

     Для этого определим количество тепла Q1, выделяющегося при конденсации,               по формуле:

 Q₁ = G ×r,      (2.4)  

Q₁ = 5800 ×490∙10³ =2,842∙10⁹ Дж/ч. 

     Количество  тепла Q₂, выделяющегося при охлаждении конденсата, по формуле: 

Q₂= G ∙c₂∙(Т_вх−Т_вых),    (2.5) 

Q₂ = 5800 ∙2550∙(170 −58)= 1,656∙10⁹ Дж/ч, 

Q = Дж/с. 

      Определяем  необходимую площадь поверхности  теплообмена F по формуле (2.6). При предварительном подборе аппарата воздушного охлаждения выбираем величину теплонапряженности, отнесенную к оребренной поверхности. Для всех типов АВО величина теплонапряженности принимается равной от 1000 до 2100 Вт/м².Примем q = 1100 Вт/ м². 

      ,      (2.6)

    F м². 

    По  таблицам приложения Б в соответствии с полученным значением поверхности F подбираем аппарат воздушного охлаждения.

    Выбираем  аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа с поверхностью теплообмена 1770 м². Коэффициент оребрения 9, длина труб 8 м, количество рядов труб 4, количество ходов по трубам 4, общее количество труб в аппарате 282 шт., в секции 94 шт., в одном ходу 24 шт., внутренний диаметр трубок 0,022 м. 

2.2 Определение  коэффициента теплоотдачи со  стороны воздуха 

    Приведенный коэффициент теплоотдачи, отнесенный к наружной поверхности,  условно неоребренной трубы для труб с накатанными ребрами при коэффициенте оребрения 9 определяем по формуле: 

      a_пр =   ,   (2.7) 

      где w_уз – скорость воздуха в узком сечении пучка труб, м/с;

      λ_в,ρ_в,υ_в – свойства воздуха при средней температуре;

      с₁, с ₂ – множители, которые в зависимости от коэффициента оребрения имеют следующие значения при φ _ор=9, с₁=0,83 и с₂=0,5; при φ _ор =14,6, с₁=0,65 и с₂=0,48.

     Скорость  воздуха в узком сечении  определяем по формуле (2.8), при этом принимаем наименьшую площадь сечения межтрубного пространства fм при коэффициенте оребрения φор =9 и длине труб l=8м равной 11,02 м². 

      w_уз=V_в/f_м  ,      (2.8)

где Vв – расход воздуха, м³/c. 

    Расход  воздуха V_в определяем при средней температуре воздуха t_ср из уравнения теплового баланса.     

    Температура воздуха на входе в аппарат T3 принимаем  как среднюю температуру сухого воздуха в 13 часов дня наиболее жаркого месяца в году города Тюмень, T3=22,4 ºС . Температуру на выходе из аппарата T4 принимаем на 15 ºС выше конечной температуры охлаждаемой жидкости, но не более 60 ºС, T4=60 ºС. Среднюю температуру воздуха определим по формуле: 

    t_ср = 0.5∙( T₃ + T₄),      (2.9) 

    t_ср = 0,5∙(22,4 + 60) =41,2 ºС=314,2 K. 

    Объемный  расход воздуха V_в :

     ,     (2.10)

     . 

    Скорость  воздуха в узком сечении  :

     = 29,3/11,02 = 2,6 м/с.

          Коэффициент теплоотдачи:

    a_пр = 0,83·0,5·0,027·(2,6/17,1·10^-6)^0,6·0,711^0,35 = 12,7 Вт/м²К. 

    2.3 Определение коэффициента теплоотдачи  при  конденсации продукта 

    Коэффициент теплоотдачи со стороны продукта будет иметь одно и то же значение как в случае использования гладкой  наружной поверхности трубы, так  и в случае оребренной. Расчет коэффициента теплоотдачи со стороны конденсирующихся паров продукта определяют по формуле: 

     ,     (2.11) 

где К_L – поправочный коэффициент;

С – поправочный  коэффициент (для вертикальных труб С=1,15);

l – определяющий геометрический параметр (для вертикальных труб l=1);

t_s – температура конденсации, ˚С;

t_w – температура стенки, на которой конденсируется пар, ˚С.

    Так как коэффициент теплоотдачи  α_к зависит от перепада температур в пленке конденсата Δt_кон= t_s – t_w = Т₁ – t_ст1, то тепловой расчет должен проводиться методом подбора температуры стенки t_ст1 со стороны конденсирующегося пара. Этот расчет сопряжен с решением системы уравнений: 

     ,   (2.12) 

где r_з1, r_з1 – термические сопротивления загрязнений от углеводородов и от воздуха соответственно (таблица 7, приложения);

δ_ст – толщина стенки;

λ_ст – теплопроводность материала стенки.

    Расчет  удобнее проводить по следующим  упрощенным формулам:

     ;    (2.13) 

      ;    (2.14) 

;     (2.15) 

     .     (2.16)

    Таблица 2.2 – Результаты расчета температур в зоне конденсации

     Добившись удовлетворительной сходимости 1,5 % между  значениями и (при температуре стенки 160,5°С), определяем необходимую площадь поверхности теплообмена в зоне конденсации  по формуле: