|
Читайте также: |
Методика побудови спектра крапель у двофазному потоці передбачає послідовне використання декількох формул, отриманих напівемпіричним шляхом на підставі математичної обробки великої кількості експериментальних даних [4, 5].
Маючи функцію розподілу крапель рідини за розмірами, загальну кількість вільної рідини на вході в сепаратор та діаметр найменшої краплини (rкр), що може бути виділена саме в цьому типі сепаратора, ми можемо підрахувати кількість рідини на виході з сепаратора, а значить, і ефективність сепаратора саме в заданих умовах. Для цього ми повинні проінтегрувати функцію розподілу крапель по r від 0 до rкр. Таким чином ми отримаємо частку рідини, що складається з крапель радіусом, меншим за rкр, це та рідина, яка не буде виділена в сепараторі, а полетить далі з потоком газу. Для різних типів сепараторів rкр розраховується за різними формулами.
3.2.2. Розрахунок сепаратора І ступеня
Вихідні дані для розрахунку сепаратора І ступеня надані в таблиці 1. У наступній таблиці 4 [2] наведені формули для розрахунку декількох типів сепараторів: гравітаційного, інерційного та відцентрового. Але потрібен тільки розрахунок обраного типу сепаратора.
3.3. Технологічний розрахунок ІІ ступеня сепарації
Завдання розрахунку полягає в наступному:
- необхідно розрахувати потрібну поверхню фільтрації за перепадом тиску, що заданий для фільтроелемента;
- визначити, чи забезпечується режим незабруднення фільтруючої поверхні при кількості рідини, яка надана на вході до сепаратора.
3.3.1. Розрахунок технологічного режиму не забруднення поверхні фільтрації
Розрахунок мінімальної кількості рідини в потоці, при якій забезпечується режим не забруднення фільтра, наведено в таблиці 9 [7].
Було встановлено, що необхідною умовою забезпечення режиму незабруднення фільтруючої поверхні є наявність на ній стійкої плівки рідини, що обертається. Для існування такої плівки в газорідинному потоці повинна міститись певна кількість рідини qкр достатня, щоб на поверхні фільтрації, за наявності заданих технологічних параметрів, була сформована плівка завтовшки δкр. У результаті розв’язання системи рівнянь гідродинаміки та достатньо громіздких математичних викладок було отримано співвідношення, що дозволяє визначити δкр за заданими параметрами рідини та газу, а також за геометричними параметрами апарата [7].
3.4. Технологічний розрахунок та добір дослідницького сепаратора
Під час проектування та будівництва УКПГ обов’язковою умовою є встановлення та облаштування дослідницького сепаратора, який підключений до вхідної гребінки. Розрахунковий тиск дослідницького сепаратора РР – 16,0 МПа, а за габаритами та ефективністю він повинен відповідати сепаратору ІІ ст. Дослідницький сепаратор повинен забезпечити дослідження в діапазоні робочого тиску від РР = 14,5 МПа до РР = 4,0 МПа. Забезпечити ефективне очищення природного газу від механічних домішок, пластової конденсаційної води та вуглеводневого конденсату з максимальним питомим вмістом для даного ГКМ.
При цьому дослідницький сепаратор повинен забезпечувати ефективне очищення на протягом всього діапазону видобутків газу індивідуальних свердловин з максимальним питомим вмістом рідини.
Розрахунок такого сепаратора подібний до розрахунку сепаратора ІІ ступеня, але розрахунковий тиск приймається таким, що дорівнює тиску на І ступені сепарації. Загальний вигляд ймовірних варіантів дослідницьких сепараторів представлений на рисунку 31 та рисунку 32.
3.5. Розрахунок необхідної поверхні теплообміну
“Гарячий” газ з температурою Т1 та тиском Р1 подається в трубу, де охолоджується до температури Т2, після чого потрапляє на дросельну шайбу, де миттєво тиск знижується від Р1 до Р2, та завдяки дросель-ефекту температура теж миттєво падає до Т3. Звідси газ потрапляє до сепаратора ІІ ступеня, де зайва волога, що сконденсувалась від охолодження, виділяється з газу, газ (так званий, “холодний”) направляють в міжтруб’я цього ж теплообмінника, де газ нагрівається до температури Т4 та подається далі споживачеві.
Схема теплових потоків
Р1, Т1 “гарячий газ” Р1, Т2
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾®
¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾
Р2, Т4 “холодний” газ Р2, Т3
(визначається під час розрахунку)
Для розрахунку обираємо серійний теплообмінник типу “труба в трубі” (ТТ) або “кожухотрубний” (КТТ). Апарат типу КТТ економічніший та компактніший, але дорожчий як в експлуатації, так і в ремонті.
Теплообмінник ТТ дешевший, простіший в експлуатації. Його доцільно обирати при середніх та невеликих витратах газу. Основні параметри теплообмінників, які серійно виготовляються і потрібні для даного розрахунку, наводяться в довідниках з нафтогазового обладнання [7].
Контрольні запитання.
1.Характеристика компонентного складу природного газу. Газові, бензинові, дизельні фракції та мазут.
2. Вимоги, що висуваються щодо якості газу.
3. Вміст вологи та механічних домішок в шлейфі.
4. Головні напрямки підготовки газу та конденсату.
5. Газоконденсатний потік як складна багатокомпонентна двофазна система.
6. Гідродинамічна характеристика двофазного потоку в трубах та апаратах. Режими течії.
7. Гідродинамічні критерії моделювання потоків (однофазних та двофазних) в трубах та апаратах.
8. Критерії моделювання теплофізичних процесів.
9. Критерій показності (репрезентативності) проби газу або газоконденсатної суміші, що вилучається в робочих умовах.
10. Методика відбору газу в потоці.
11. Методики дослідження конденсату (сирого або стабільного).
12. Контроль ефективності сепарації.
13. Спектр крапель в потоці: модальний розмір крапель, спектр крапель в сталому газовому потоці.
14. Гравітаційна сепарація.
15. Інерційна сепарація.
16. Відцентрова сепарація.
17. Радіальна фільтрація.
18. Відцентрова фільтрація.
19. Теоретичний розрахунок ефективності сепарації.
20. Поєднання кількох механізмів сепарації в одному апараті.
21.Гравітаційні сепаратори, основні характеристики, показники ефективності.
22. Жалюзійні сепаратори, основні характеристики, показники ефективності.
23. Сітчасті сепаратори, основні характеристики, показники ефективності.
24. Циклонні сепаратори, основні характеристики, показники ефективності.
25. Закон Дарсі. Гідродинамічні критерії фільтрації.
26. Поняття грязеємності та межрегенераційного періоду.
27. Фільтропакети. Регенерація фільтропакетів.
28. Патронні фільтри. Одноразові та ті, що регенеруються.
29. Основні механізми сепарації фільтроелементами типу ФЕП (відцентрова фільтрація).
30. Режим самоочищення (або незабруднення) фільтрів типу ФЕП.
31. Оптимальний технологічний режим фільтрів-сепараторів ФЕП.
32. Контроль дотримання технологічного режиму сепарації.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Катц Д.Л. и др. Руководство по добыче, транспорту и переработке природного газа. М.; «Недра», 1965.
2. Газовое оборудование, приборы и арматура. Справочное пособие. М., “Недра”, 1985.
3. Паккі В.І., Паккі Г.В. Патент на винахід №68515А (Україна, UA) Фільтр для очищення газу, що транспортується, від домішок. 16.08.2004.
4. Асатурян А.Ш. и др. Распределение капель жидкости в газовых потоках. Изв. вузов "Нефть и газ", N"4, 1976.
5. Арнольди И.М. и др. Дисперсный состав капель в газожидкостном потоке в трубе. Газовая промышленность, N"6, 1979.
6. Пакки В.И. Очистка природного газа и аммиака от механических примесей и масла с эффектом незагрязняемости фильтров. Кандидатская диссертация. М., 1984 г.
7. Паккі В.І., Паккі Г.В. Методичні вказівки до курсового проекту – Розробка та розрахунок технологічної схеми установки комплексної підготовки природного газу. ХДТУБА, Харьков, 2005.
3.6. Розрахунок кожухотрубного теплообмінного апарата разом з дроселем
Метою розрахунку є визначення площі поверхні теплообміну та підбір стандартного апарата з його конструктивними характеристиками.
3.6.1. Вихідні дані для розрахунку
Вихідні дані для розрахунку кожухотрубного теплообмінника наведені в табл. 3.2.
Таблиця 3.2 Вихідні дані для розрахунку кожухотрубного теплообмінника
| № | Найменування параметра | Умовне позначення | Одиниця виміру |
| Витрати газу в стандартних умовах (Т0=293 К та Р0=0,1 МПа) | Q0 | ст.м3/добу | |
| Робочий тиск газу на вході в УКПГ | Р1 | МПа | |
| Робочий тиск газу другого ступеня сепарації | Р2 | МПа | |
| Температура газу на вході в УКПГ | t1 | К | |
| Температура другого ступеня сепарації | t3 | К | |
| Густина газу в стандартних умовах | ρ0 | кг/м3 | |
| Питома теплоємність „гарячого” газу | СР1 | Дж/(кг∙К) | |
| Питома теплоємність „холодного” газу | СР2 | Дж/(кг∙К) | |
| Динамічна в’язкість „гарячого” газу | m1 | Па∙с | |
| Динамічна в’язкість „холодного” газу | m2 | Па∙с | |
| Коефіцієнт теплопровідності „гарячого” газу | l1 | Вт/(м∙К) | |
| Коефіцієнт теплопровідності „холодного” газу | l2 | Вт/(м∙К) | |
| Коефіцієнт стисливості „гарячого” газу | z1 | - | |
| Коефіцієнт стисливості „холодного” газу | z2 | - |
3.6.2. Розрахунок необхідної площі поверхні теплообміну
Розрахунок теплообмінного апарата включає визначення необхідної поверхні теплообміну, вибір типу апарата та його конструкції. Для визначення поверхні теплообміну можна використати формулу Ньютона-Фурьє [1, с.45]:
, м2, (3.1)
де q – кількість тепла, що передається чи приймається, Вт;
Dt – середня логарифмічна різниця температур, К;
К – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2∙К).
Для визначення кількості тепла q, що віддається або приймається газом в процесі теплообміну, використовується формула теплового балансу, розрахункова схема для якої наведена на рисунку 3.1.
Рисунок 3.1 Схема теплових потоків теплообмінника
, Вт, (3.2)
де q1 – кількість тепла, яка віддається „гарячим” газом в процесі охолодження, Вт;
q2 – кількість тепла, яка отримується „холодним” газом в процесі нагрівання, Вт;
– коефіцієнт використання теплоти, який враховує втрати теплоти у навколишнє середовище, 
;
СР1, СР2 – питома теплоємність відповідно „гарячого” та „холодного” газу, Дж/(кг∙К), розраховується згідно [2, с.10];
Q1, Q2 – витрата відповідно „гарячого” та „холодного” газу в робочих умовах, м3/с;
t1, t3 – температура відповідно „гарячого” та „холодного” газу на вході в теплообмінник, К;
t2, t4 – температура відповідно „гарячого” та „холодного” газу на виході з теплообмінника, К;
r1, r2 – густина відповідно „гарячого” та „холодного” газу в робочих умовах, кг/м3.
Температура „холодного” газу на вході в теплообмінник t3 дорівнює температурі другого ступеня сепарації. Її значення задається в залежності від потрібної температури НТС, але з урахуванням наявного перепаду тиску на дросельному пристрої та умови для температури недорекуперації.
Густина газу в робочих умовах розраховується за формулами:
, кг/м3, (3.3)
, кг/м3, (3.4)
де Р1, Р2 – робочий тиск відповідно „гарячого” та „холодного” газу, МПа;
t0 – температура газу за стандартних умов, К, (t0=293 К);
Р0 – тиск газу за стандартних умов, МПа, (Р0=0,101325 МПа);
r0 – густина газу за стандартних умов, кг/м3;
z1, z2 – коефіцієнти стисливості відповідно „гарячого” та „холодного” газу.
Витрата газу в робочих умовах розраховується за формулами:
, м3/с, (3.5)
, м3/с, (3.6)
де Q0 – витрата газу за стандартних умов, ст.м3/добу.
Температура „гарячого” газу на виході з теплообмінника t2 за умов використання дросель-ефекту визначається за формулою:
, К, (3.7)
де e – коефіцієнт Джоуля-Томсона, e=3,25 К/МПа.
З рівняння теплового балансу розраховується температура „холодного” теплоносія на виході з теплообмінника:
, К. (3.8)
Температура недорекуперації на теплому кінці теплообмінника (t1 – t4) приймається
t1 – t4 ³ 10 К.
Середня логарифмічна різниця температур знаходиться за формулою:
, К. (3.9)
В проектному розрахунку теплообмінного апарата площу поверхні теплообміну в першому наближенні розраховують обираючи коефіцієнт теплопередачі в залежності від виду теплообміну. Орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі Кор приймаємо згідно таблиці 3.3. Площу поверхні теплообміну розраховуємо за формулою (3.1).
Таблиця 3.3 Орієнтовні значення коефіцієнта теплопередачі Кор
| Вид теплообміну | Кор, Вт/(м2·К) | Вид теплообміну | Кор, Вт/(м2·К) | ||
| для приму-сового руху | для вільного руху | для приму-сового руху | для вільного руху | ||
| Від природного газу до природного газу (під тиском): | 100-200 | 40-120 | Від водяної пари, що конденсується: | ||
| Від природного газу до конденсату (під тиском): | 100-270 | 60-150 | до води | 800-3500 | 300-1200 |
| Від пари, що конденсується, до газу | 10-60 | 6-12 | до рідини, що кипить | — | 300-2500 |
| Від рідини до рідини: | до органічних рідин | 120-340 | 60-170 | ||
| для води | 800-1700 | 140-430 | Від пари органічної рідини, що конден-сується, до води | 300-800 | 230-460 |
| для вуглеводнів та масел | 120-270 | 30-60 |
За розрахованою площею поверхні теплообміну в першому наближенні обираємо апарат зі стандартного ряду теплообмінників, який наведений в таблиці 3.4. З таблиці 3.4 обираємо поверхню теплообміну Fобр, зовнішній діаметр dЗОВН, товщину стінки теплообмінних трубок SТР, довжину трубок L1, діаметр кожуха апарата Dк, загальну кількість теплообмінних трубок N, кількість ходів по трубному простору n та площу перетину потоку між перегородками f2. Метою подальших розрахунків є визначення дійсного середнього коефіцієнта теплопередачі К для обраного апарата за даних умов та перевірка відповідності обраної площі поверхні теплопередачі до розрахункової.
На рисунку 3.2 зображена конструкція двоходового кожухотрубного теплообмінника, на рисунку 3.3 – загальний вигляд установки (блоку) послідовно з’єднаних теплообмінників.
Рисунок 3.2 Кожухотрубний двоходовий теплообмінник
1 – розподільна камера, 2 – кожух, 3 – трубна решітка, 4 – теплообмінні трубки, 5 – опора.
Таблиця 3.4 Параметри кожухотрубних теплообмінників та холодильників з нерухомою трубною решіткою та лінзовим компенсатором на корпусі (за ГОСТом 15118-79, ГОСТом 15120-79 та ГОСТом 15122-79) [1, с.45]
 |
Розрахункову кількість труб Nр знаходимо з формули:
од., (3.10)
де LТ – робоча довжина трубок, м.
LТ = L1 – h, м, (3.11)
де h – товщина двох трубних решіток, h = 0,24 м.
Обрана кількість трубок повинна бути більш ніж розрахункова, в іншому випадку треба обирати теплообмінник з більшою кількістю трубок (більший діаметр корпусу), але приблизно тієї ж площі поверхні теплообміну.
Площа поперечного перерізу для проходу „гарячого” теплоносія f1 розраховується за формулою:
, м2, (3.12)
де dВ – внутрішній діаметр трубок апарата, м.
dВ = dЗОВН – 2∙ SТР , м. (3.13)
Швидкість руху „гарячого” теплоносія у трубах:
, м/с. (3.14)
Критерій Рейнольдса „гарячого” теплоносія:
. (3.15)
Критерій Прандтля „гарячого” теплоносія:
. (3.16)
Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі від „гарячого” теплоносія до внутрішньої поверхні труби використовуємо формулу:
, Вт/(м2∙К). (3.17)
Теплофізичні коефіцієнти 
та 
розраховуються згідно з [2, с.10].
Швидкість руху „холодного” теплоносія:
, м/с. (3.18)
Критерій Рейнольдса „холодного” теплоносія:
. (3.19)
Критерій Прандтля „холодного” теплоносія:
. (3.20)
Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі при русі „холодного” теплоносія в міжтрубному просторі використовується формула:
, Вт/(м2∙К). (3.21)
Теплофізичні коефіцієнти 
та 
розраховуються згідно з [2, с.10]
Середній коефіцієнт теплопередачі визначається за формулою
, Вт/(м2∙К), (3.22)
де 
– термічний опір тепловіддачі від „гарячого” теплоносія до поверхні, (м2∙К)/Вт;
– термічний опір відкладень на стінці з боку „гарячого” теплоносія, (м2∙К)/Вт;
– термічний опір стінки, (м2∙К)/Вт;
– термічний опір відкладень на стінці з боку „холодного” теплоносія, (м2∙К)/Вт;
– термічний опір тепловіддачі від стінки до „холодного” теплоносія, (м2∙К)/Вт;
– товщина стінки, м;
– коефіцієнт теплопровідності стінки, Вт/(м∙К).
Значення 
(м2∙К)/Вт [3, с. 235].
Визначення розрахункової площі поверхні теплопередачі:
, м2. (3.23)
Розрахункову довжину труб визначаємо за формулою:
, м (3.24)
Запас площі поверхні теплопередачі визначається за формулою:
. (3.25)
Запас поверхні теплопередачі повинен бути не менше 25%. Якщо ця умова не виконується, потрібно обрати з табл.3.3 теплообмінний апарат з більшою площею поверхні та повторити розрахунок з формули (3.10), або обрати та окремо розрахувати декілька послідовно з’єднаних в блок теплообмінників (рис.3.3).
3.6.3. Гідравлічний розрахунок теплообмінника
Загальний опір трубного простору теплообмінника розраховується за формулою:
, атм, (3.26)
де 
– втрати тиску "гарячого" газу на місцеві опори, Па;
– втрати тиску на тертя у трубах теплообмінника, Па;
– число ходів у теплообміннику.
Загальний опір трубного простору теплообмінника не повинен перевищувати 0,5 атм.
Втрати тиску в місцевих опорах розраховують за формулою:
, Па, (3.27)
де 
– коефіцієнт місцевого опору на конкретній ділянці теплообмінника (табл. 3.5);
– швидкість руху робочого середовища у перерізі конкретної ділянки, м/с;
ρ – густина газу, кг/м3;
к – кількість місцевих опорів, одиниць.
Таблиця 3.5 – Значення коефіцієнтів місцевого опору в теплообміннику
| Вид місцевого опору | 
|
| Вхід у розподільну камеру | 1,0 |
| Поворот потоку і вихід у труби | 1,0 |
| Вихід з труб і поворот потоку | 1,5 |
| Вихід з розподільної камери | 0,5 |
| Вхід у міжтрубний простір | 1,5 |
| Обгинання перегородки у міжтрубному просторі | 1,5 |
| Вихід з міжтрубного простору | 1,5 |
Втрати тиску на тертя у трубах теплообмінника
, Па, (3.28)
де 
– коефіцієнт тертя;
при Re1 ≤ 2300, (3.29)
при Re1 > 2300, (3.30)
де Δ – шорсткість труб, Δ = 10-4 м.
Загальний опір міжтрубного простору теплообмінника розраховується за формулою:
, атм, (3.31)
де 
– втрати тиску "холодного" газу на місцеві опори, Па;
– втрати тиску на тертя у міжтрубному просторі теплообмінника, Па.
Загальний опір міжтрубного простору теплообмінника не повинен перевищувати 0,5 атм.
Втрати тиску в місцевих опорах розраховують за формулою (3.27), значення коефіцієнтів місцевого опору в теплообміннику наведені в таблиці 3.5.
Втрати тиску на тертя у міжтрубному просторі розраховуються за формулою:
, Па, (3.32)
де 
– коефіцієнт місцевого опору в міжтрубному просторі [4, с. 151];
Коефіцієнт місцевого опору у міжтрубному просторі залежить від розміщення труб у теплообміннику і числа рядів труб, через які проходить холодний теплоносій:
, (3.33)
де m – безрозмірний параметр:
, (3.34)
Рисунок 3.3 Блок послідовно з’єднаних кожухотрубних теплообмінників
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Г.С.Борисов, В.П.Брыков, Ю.И.Дытнерский и др „Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию”,. 2-е изд. М.: Химия, 1991.- 496с.
2. Паккі В.І., Паккі Г.В. Методичні вказівки до курсового проекту – Розробка та розрахунок технологічної схеми установки комплексної підготовки природного газу. ХДТУБА, Харків, 2005.
3. Маньковский О.Н. Теплообменная аппаратура химических производств / О.Н. Маньковский, А.Р. Толчинский, М.В. Александров – Л.:Химия, 1976.-368 с.
4. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Спра./ Под общ.ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина.-2-е изд., перераб. – М.: Энергоиздат, 1991.-588 с.
3.7. Розрахунок теплообмінного апарату типу «труба в трубі» разом з дроселем
Метою розрахунку є визначення площі поверхні теплообміну, загальної довжини теплообмінних труб та компонування секцій теплообмінника.
3.7.1. Вихідні дані для розрахунку
Вихідні дані для розрахунку теплообмінника наведені в табл. 3.6.
Таблиця 3.6 – Вихідні дані для розрахунку теплообмінника
| № | Найменування параметра | Умовне позначення | Одиниця виміру |
| Витрати газу в стандартних умовах (Т0=293 К та Р0=0,1 МПа) | Q0 | ст.м3/добу | |
| Робочий тиск газу на вході в УКПГ | Р1 | МПа | |
| Робочий тиск газу другого ступеня сепарації | Р2 | МПа | |
| Температура газу на вході в УКПГ | t1 | К | |
| Температура другого ступеня сепарації | t3 | К | |
| Густина газу в стандартних умовах | ρ0 | кг/м3 | |
| Питома теплоємність „гарячого” газу | СР1 | Дж/(кг∙К) | |
| Питома теплоємність „холодного” газу | СР2 | Дж/(кг∙К) | |
| Динамічна в’язкість „гарячого” газу | m1 | Па∙с | |
| Динамічна в’язкість „холодного” газу | m2 | Па∙с | |
| Коефіцієнт теплопровідності „гарячого” газу | l1 | Вт/(м∙К) | |
| Коефіцієнт теплопровідності „холодного” газу | l2 | Вт/(м∙К) | |
| Коефіцієнт стисливості „гарячого” газу | z1 | - | |
| Коефіцієнт стисливості „холодного” газу | z2 | - |
3.7.2. Розрахунок необхідної площі поверхні теплообміну
Розрахунок теплообмінного апарату включає визначення необхідної поверхні теплообміну, вибір типу апарата та його конструкції. Для визначення поверхні теплообміну можна використати формулу Ньютона-Фурьє [1, с.45]:
, м2, (3.35)
де q – кількість тепла що передається чи приймається, Вт;
Dt – середня логарифмічна різниця температур, К;
К – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2∙К).
Теплообмінники типу «труба в трубі» доцільно використовувати при малих теплових навантаженнях, коли потрібна поверхня теплообміну не перевищує 93 м2.
Для визначення кількості тепла q, що віддається або приймається газом в процесі теплообміну, використовується формула теплового балансу, розрахункова схема для якої наведена на рисунку 3.4.
Рисунок 3.4 Схема теплових потоків теплообмінника
, Вт, (3.36)
де q1 – кількість тепла, яка віддається „гарячим” газом в процесі охолодження, Вт;
q2 – кількість тепла, яка отримується „холодним” газом в процесі нагрівання, Вт;
– коефіцієнт використання теплоти, який враховує втрати теплоти у навколишнє середовище, 
;
СР1, СР2 – питома теплоємність відповідно „гарячого” та „холодного” газу, Дж/(кг∙К), розраховується згідно [2, с.10];
Q1, Q2 – витрата відповідно „гарячого” та „холодного” газу в робочих умовах, м3/с;
t1, t3 – температура відповідно „гарячого” та „холодного” газу на вході в теплообмінник, К;
t2, t4 – температура відповідно „гарячого” та „холодного” газу на виході з теплообмінника, К;
r1, r2 – густина відповідно „гарячого” та „холодного” газу в робочих умовах, кг/м3.
Температура „холодного” газу на вході в теплообмінник t3 дорівнює температурі другого ступеня сепарації. Її значення задається в залежності від потрібної температури НТС, але з урахуванням наявного перепаду тиску на дросельному пристрої та умови для температури недорекуперації.
Густина газу в робочих умовах розраховується за формулами:
, кг/м3, (3.37)
, кг/м3, (3.38)
де Р1, Р2 – робочий тиск відповідно „гарячого” та „холодного” газу, МПа;
t0 – температура газу за стандартних умов, К, (t0=293 К);
Р0 – тиск газу за стандартних умов, МПа, (Р0=0,101325 МПа);
r0 – густина газу за стандартних умов, кг/м3;
z1, z2 – коефіцієнти стисливості відповідно „гарячого” та „холодного” газу.
Витрата газу в робочих умовах розраховується за формулами:
, м3/с, (3.39)
, м3/с, (3.40)
де Q0 – витрата газу за стандартних умов, ст.м3/добу.
Температура „гарячого” газу на виході з теплообмінника t2 за умов використання дросель-ефекту визначається за формулою:
, К, (3.41)
де e – коефіцієнт Джоуля-Томсона, e=3,25 К/МПа.
З рівняння теплового балансу розраховується температура „холодного” теплоносія на виході з теплообмінника:
, К. (3.42)
Температура недорекуперації на теплому кінці теплообмінника (t1 – t4) приймається
t1 – t4 ³ 10 К.
Середня логарифмічна різниця температур знаходиться за формулою:
, К. (3.43)
В проектному розрахунку теплообмінного апарата площу поверхні теплообміну в першому наближенні розраховують обираючи коефіцієнт теплопередачі в залежності від виду теплообміну. Орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі Кор приймаємо згідно таблиці 3.7. Площу поверхні теплообміну розраховуємо за формулою (3.35).
Таблиця 3.7 – Орієнтовні значення коефіцієнту теплопередачі Кор
| Вид теплообміну | Кор, Вт/(м2·К) | Вид теплообміну | Кор, Вт/(м2·К) | ||
| для приму-сового руху | для вільного руху | для приму-сового руху | для вільного руху | ||
| Від природного газу до природного газу (під тиском): | 100-200 | 40-120 | Від водяної пари що конденсується: | ||
| Від природного газу до конденсату (під тиском): | 100-270 | 60-150 | до води | 800-3500 | 300-1200 |
| Від пари що конденсується до газу | 10-60 | 6-12 | до рідини що кипить | — | 300-2500 |
| Від рідини до рідини: | до органічних рідин | 120-340 | 60-170 | ||
| для води | 800-1700 | 140-430 | Від пари органічної рідини що конден-сується до води | 300-800 | 230-460 |
| для вуглеводнів та масел | 120-270 | 30-60 |
В таблиці 3.8наведені наступні співвідношення зовнішніх діаметрів внутрішніх dТР та зовнішніх dКОЖ труб для теплообмінників «труба в трубі». В таблиці 3.9наведено рекомендований сортамент труб для виготовлення теплообмінників «труба в трубі» в залежності від умовного тиску [5, с.151].
Таблиця 3.8– Співвідношення зовнішніх діаметрів внутрішніх dТР та зовнішніх dКОЖ труб для теплообмінників «труба в трубі»
| dТР, мм | ||||||
| dКОЖ, мм | 89, 108, 133 | 108, 133 | 133, 159 | 159, 194 | 194, 219 |
Таблиця 3.9– Рекомендований сортамент труб для виготовлення теплообмінників «труба в трубі» в залежності від умовного тиску
| Умовний тиск, МПа | Рекомендований сортамент труб, мм |
| до 1,6 | 60×4; 76×4; 89×5; 108×4; 133×4; 159×4,5; 194×5; 219×6 |
| від 2,5 до 6,4 | 60×4; 76×4; 89×5; 108×6; 133×6; 159×6; 194×7; 219×7 |
| до 10 | 60×4; 76×4; 89×5; 108×7; 133×8; 159×9 |
| до 16 | 60×6; 76×6; 89×7 |
Враховуючи початкові дані (тиск теплоносіїв) по таблицям 3.8 та 3.9 обираємо діаметр кожухової труби dКОЖ, товщину стінки кожухової труби SКОЖ, діаметр теплообмінної труби dТР, товщину стінки теплообмінної труби SТР. Обираючи труби з сортаменту треба враховувати, що чим менше діаметр обраної труби тим більшою буде загальна довжина теплообмінних труб, але швидкість потоку газу зростає із зменшенням діаметру труби, отже зросте і коефіцієнт теплопередачі. Метою подальших розрахунків є визначення дійсного середнього коефіцієнта теплопередачі К, площі поверхні теплопередачі та загальної довжини теплообмінних труб.
На рисунку 3.5 зображено нерозбірний теплообмінник типу «труба в трубі».
Рисунок 3.5 – Теплообмінник типу «труба в трубі»
1 – теплообмінна труба, 2 – кожухова труба, 3 – калач
Площа поперечного перерізу для проходу „гарячого” теплоносія f1 розраховується за формулою:
, м2, (3.44)
де dТР.ВН . – внутрішній діаметр теплообмінної труби апарату, м
dТР.ВН. = dТР – 2∙ SТР , м, (3.45)
Швидкість руху „гарячого” теплоносія у трубі:
, м/с, (3.46)
Критерій Рейнольдса „гарячого” теплоносія:
, (3.47)
Критерій Прандтля „гарячого” теплоносія:
. (3.48)
Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі від „гарячого” теплоносія до внутрішньої поверхні труби використовуємо формулу:
, Вт/(м2∙К). (3.49)
Теплофізичні коефіцієнти 
та 
розраховуються згідно з [2, с.10].
Площа поперечного перерізу для проходу „холодного” теплоносія f2 розраховується за формулою:
, м2. (3.50)
Швидкість руху „холодного” теплоносія:
, м/с. (3.51)
Критерій Рейнольдса „холодного” теплоносія:
, (3.52)
де dЕКВ – еквівалентний діаметр міжтрубного простору.
. (3.53)
Критерій Прандтля „холодного” теплоносія
. (3.54)
Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі при русі „холодного” теплоносія в міжтрубному просторі використовується формула [4, с. 120]:
, Вт/(м2∙К), (3.55)
Теплофізичні коефіцієнти та розраховуються згідно з [2, с.10].
Середній коефіцієнт теплопередачі визначається за формулою:
, Вт/(м2∙К), (3.56)
де 
– термічний опір тепловіддачі від „гарячого” теплоносія до поверхні, (м2∙К)/Вт;
– термічний опір відкладень на стінці з боку „гарячого” теплоносія, (м2∙К)/Вт;
– термічний опір стінки, (м2∙К)/Вт;
– термічний опір відкладень на стінці з боку „холодного” теплоносія, (м2∙К)/Вт;
– термічний опір тепловіддачі від стінки до „холодного” теплоносія, (м2∙К)/Вт;
– товщина стінки теплообмінної труби, м;
– коефіцієнт теплопровідності стінки, Вт/(м∙К).
Значення (м2∙К)/Вт [3, с. 235].
Визначення розрахункової площі поверхні теплопередачі:
, м2. (3.57)
Запас площі поверхні теплопередачі повинен бути не менше 25%, тоді площа поверхні теплообміну буде:
, м2. (3.58)
Загальну довжину теплообмінних труб визначаємо за формулою:
, м. (3.59)
Рисунок 3.6 Схема теплообмінника типу «труба в трубі»
3.7.3. Компоновка теплообмінника
Метою компоновки апарата є визначення його конструктивних параметрів (довжина та кількість теплообмінних труб, кількість паралельних потоків), фактичної довжини теплообмінних труб, фактичної площі поверхні теплопередачі та фактичного запасу площі поверхні теплопередачі.
Теплообмінники типу «труба в трубі» виконують з труб довжиною 1,5; 3,0; 4,5; 6,0; 9,0; 12,0 м. Враховуючи стандартний ряд теплообмінних труб, з урахуванням загальної довжини теплообмінних труб проводимо компоновку теплообмінника. Задаємо довжину та кількість теплообмінних труб і знаходимо кількість паралельних потоків. Але можна задаватись двома будь-якими параметрами в залежності від умов конкретного випадку (розміри майданчика під теплообмінник та ін.) і одержувати третій. Також потрібно враховувати, що компоновка апарата значно впливає на його гідравлічний опір. Так, при збільшенні загальної кількості теплообмінних труб зростають втрати тиску в теплообміннику через збільшення кількості місцевих опорів. На рисунку 3.6 зображено схему компоновки теплообмінника типу «труба в трубі» з трьома теплообмінними трубами та п’ятьма паралельними потоками.
Задаємо довжину однієї теплообмінної труби l м та кількість теплообмінних труб в одному паралельному потоці n. Тоді кількість паралельних потоків nп буде дорівнювати:
, (3.60)
Округляємо nп до найближчого цілого числа. Тоді загальна кількість теплообмінних труб N в апараті:
. (3.61)
Обраховуємо фактичну довжину теплообмінних туб Lф:
Lф = N ∙l, м. (3.62)
Обраховуємо фактичну площу поверхні теплопередачі теплообмінника Fф:
Fф = π ∙Lф ∙dТР , м2. (3.63)
Фактичний запас площі поверхні теплопередачі буде дорівнювати:
. (3.64)
3.7.4. Гідравлічний розрахунок теплообмінника
Загальний опір трубного простору теплообмінника розраховується за формулою:
, атм, (3.65)
де – втрати тиску "гарячого" газу на місцеві опори, Па;
– втрати тиску на тертя у трубах теплообмінника, Па.
Втрати тиску в місцевих опорах розраховують за формулою:
, Па, (3.66)
де 
– коефіцієнт місцевого опору на конкретній ділянці теплообмінника (табл. 3.10);
– швидкість руху робочого середовища у перерізі конкретної ділянки, м/с.
ρ – густина газу, кг/м3;
к – кількість місцевих опорів, одиниць.
Таблиця 3.10 – Значення коефіцієнтів місцевого опору в теплообміннику
| Вид місцевого опору | 
|
| Поворот потоку і вхід у трубу | 1,0 |
| Поворот потоку у трубі | 1,0 |
| Вихід з труби і поворот потоку | 1,5 |
| Вхід у міжтрубний простір | 1,5 |
| Вихід з міжтрубного простору | 1,5 |
Втрати тиску на тертя у трубах теплообмінника:
, Па, (3.67)
де 
– коефіцієнт тертя у трубі;
при Re1 ≤ 2300, (3.68)
при Re1 > 2300, (3.69)
де Δ – шорсткість труб, Δ = 10-4 м.
Загальний опір міжтрубного простору теплообмінника розраховується за формулою:
, атм, (3.70)
де – втрати тиску "холодного" газу на місцеві опори, Па;
– втрати тиску на тертя у міжтрубному просторі теплообмінника, Па.
Втрати тиску в місцевих опорах розраховують за формулою (3.66), значення коефіцієнтів місцевого опору в теплообміннику наведені в таблиці 3.10.
Втрати тиску на тертя у міжтрубному просторі теплообмінника:
, Па, (3.71)
де 
– коефіцієнт тертя у міжтрубному просторі;
при Re2 ≤ 2300, (3.72)
при Re2 > 2300. (3.73)
3.8. Розрахунок сепаратора з відцентровими сепараційними елементами (ВСЕ) УкрНДІгазу
Мета розрахунку – визначити конструктивні параметри сепаратора: висоту сепаратора, внутрішній діаметр його корпусу, внутрішній діаметр штуцерів входу і виходу газу, кількість сепараційних елементів та внутрішній діаметр переливної труби сепараційної тарілки, а також втрати статичного тиску на сепараторі. При цьому, використання ВСЕ Укрндігазу забезпечує ефективність сепарації не менше 99,5 %.
3.8.1. Вихідні дані для розрахунку сепаратора
Вихідні дані для розрахунку сепаратора наведені в таблиці 3.4.
Таблиця 3.4 – Вихідні дані для розрахунку
| Найменування показника та його розмірність | Позначення |
| Максимальна об’ємна продуктивність по газу, нм3/ добу | 
|
| Максимальний вміст рідини в газі, см3/нм3 | 
|
| Густина рідини, кг/м3 | 
|
| Температура сепарації, К | Тс |
| Мінімальний абсолютний тиск сепарації, МПа (кгс/см2) | Рс |
| Максимальний фактор швидкості для корпусу сепаратора, Па0,5 | Фс |
| Максимальний фактор швидкості для сепараційного елемента, Па0,5 | ФВСЕ |
| Молекулярна маса газу, кг/моль | М |
3.8.2. Розрахунок внутрішнього діаметра корпусу сепаратора
Розрахунковий внутрішній діаметр корпусу сепаратора визначається за формулою:
, м, (3.64)
де 
– густина газу в нормальних умовах, 
, кг/нм3.
Густина газу за робочих умов визначається за формулою:
, кг/м3, (3.65)
де 
– температура і тиск газу в нормальних умовах, відповідно, 273,15 К та 0,101325 МПа;
– коефіцієнт стисливості, розрахований за формулою Касперовича:
[106, с. 43], (3.66)
де 
– відносна густина газу по повітрю.
Для вхідних сепараторів (перша ступень сепарації УКПГ) максимальний фактор швидкості газу для корпусу сепаратора ФС приймається рівним 2 Па0,5, для низькотемпературних сепараторів (друга ступень сепарації) ФС = 3 Па0,5.
Прийнятий внутрішній діаметр D (м) повинен вибиратися з базового ряду діаметрів, - 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2, - з урахуванням того, що DP ≤ D.
3.8.3. Розрахунок кількості ВСЕ
Розрахунок кількості ВСЕ, які необхідно встановити на сепараційній тарілці сепаратора, визначається за формулою:
, шт., (3.67)
де 
– об’ємна витрата газу в робочих умовах, м3/с;
, м3/с. (3.68)
Максимальний фактор швидкості для сепараційного елемента ФВСЕ, рекомендується приймати на рівні 20 Па0,5.
Кількість патрубків округляється до цілого значення відповідно до правил округлення. Розміщення прийнятої кількості патрубків здійснюється у циліндричному корпусі D по сторонах рівностороннього трикутника або по колу.
3.8.4. Розрахунок діаметра переливної труби сепараційної тарілки
Діаметр переливної труби розраховується за формулою:
, м, (3.69)
де 
– максимальна продуктивність по рідині, м3/год;
, м3/год.; (3.70)
– максимальна допустима швидкість рідини в трубі, м/с.
У розрахунках приймається 
м/с [91, с. 115].
Приймається 
відповідно до стандарту на труби (ГОСТ 8734-75).
Розміри безшовних холодно- і теплодеформованих труб за ГОСТ 8734‑75, мм:
Товщина стінки, мм: 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,2; 1,4; 1,5; 1,6; 1,8; 2; 2,2; 2,5; 2,8; 3; 3,2; 3,5; 4; 4.5; 5; 5,5; 6; 6,5; 7; 7,5; 8; 8,5; 9; 9,5; 10; 11; 12, 14.
| Зовнішній діаметр | стінка | Зовнішній діаметр | стінка | ||
| min | max | min | max | ||
| 0,3 | 1,5 | 30, 32, 34 | 0,4 | ||
| 0,3 | 35, 36 | ||||
| 7, 8, 9 | 0,3 | 2,5 | 38, 40 | ||
| 10, 11, 12 | 0,3 | 3,5 | |||
| 13, 14. 15 | 0,3 | 45, 48 | |||
| 16, 17, 13, 19 | 0,3 | 50, 51, 53. | |||
| 20, 21, 22, 23 | 0,4 | 54, 56, 57, | |||
| 0.4 | 6,6 | 60, 63, 65, | |||
| 25, 26, 27, 28 | 0,4 | 68, 70, 73, 75, 76 |
3.8.5. Розрахунок штуцерів входу, виходу газу
Оптимальний внутрішній діаметр штуцерів входу і виходу газу приймають таким, що забезпечує швидкість газу, при мінімальному робочому тиску та максимальних температурі і витраті газу, в інтервалі 15,0 ÷ 25,0 м/с. Виходячи з цього, розрахунковий внутрішній діаметр штуцерів входу і виходу газу визначатиметься нерівністю, м:
, (3.71)
Виконавчий внутрішній діаметр dшт приймається по найближчому стандартному внутрішньому діаметру фланця (ГОСТ 12821-80) і бажано в більшу сторону.
Умовний та внутрішній діаметри фланців по ГОСТ 12821‑80, мм:
| Умовний діаметр фланця, Dу | Внутрішній діаметр фланця, d1 | Умовний діаметр фланця, Dу | Внутрішній діаметр фланця, d1 |
| На умовний тиск Ру = 16 МПа | |||
| На умовний тиск Ру = 6,3 МПа | |||
3.8.6. Оцінка висоти сепаратора
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 172 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Облаштування родовища | | | Теплопостачання |