Теоретические основы теплообменных процессов

Тема №8

1 Технология и схема процесса низкотемпературной сепарации с использованием рекуперативного теплообменника

Максимальное количество тяжелых углеводородов, извлекаемых из газового потока в процессе подготовки газа, достигается при давлении максимальной конденсации (давление сепарации) и оптимально низкой температуры газа (температура сепарации).

В процессе промысловой подготовки газа на установках низкотемпературной сепарации (НТС) температуру сепарации определяют исходя из условия обеспечения процесса транспорта газа в однофазном состоянии и степени извлечения из газового потока тяжелых углеводородов. Оптимальную величину температуры сепарации, отвечающую условиям обеспечения процесса транспортирования газа в однофазном состоянии и максимальной степени извлечения углеводородов из газового потока, принимаем в качестве заданной температуры Т_зад.

На начальном этапе эксплуатации месторождения при высокой величине давления на установку сбора и подготовки газа, температуру газа принимают ниже средневзвешенной величины температуры газового потока, поддающегося сепарации:

, (1)

де Т₂ – температура газа перед установкой НТС, К;

DР – разница давлений перед установкой НТС (после сепаратора І ступени) и низкотемпературным сепаратором (перепад на дросселе), кгс/см².

D_j – коэффициент Джоуля-Томпсона (для инженерных расчетов D_j ≈0,3 ⁰С/(кгс/см²).

Давление сепарации до введения в эксплуатацию дожимных компрессорных станций поддерживают постоянным, его величину определяет давление в газопроводе, принимающем газ после подготовки. В таких условиях при понижении пластового давления величина давления на входе в установку сбора и подготовки газопромысловой продукции снижается, и следовательно, перепад давления на дросселе DР падает, что становиться причиной возрастания величины температуры сепарации. После некоторого времени эксплуатации месторождения температура сепарации Т_сеп становится равной заданной температуре Т_зад.

(2)

При дальнейшей разработке месторождения для поддержания температуры сепарации на заданном уровне используют рекуперативные теплообменники. Схему процесса низкотемпературной сепарации с использованием рекуперативного теплообменника представлено на рисунке 1. В промысловых условиях наиболее часто применяют теплообменники типа «труба в трубе» и кожухотрубные. Схематично их конструкции изображены на рисунке 2.

Как на установках подготовки нефти, так и на установках комплексной подготовки газа и газоперерабатывающих заводах применяют теплообменники трех типов—кожухотрубчатые (рис.1, а), «труба в трубе» (рис. 1, б) и пластинчатые теплообменные аппараты (рис.2).

Учащимся прежде всего необходимо уяснить, как передается теплота от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю в теплообменных аппаратах. Необходимо помнить, что в теплообменниках процесс передачи теплоты через стенку может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием (излучением).

Теплопроводностью называется процесс распространения теплоты путем колебательного движения частиц вещества при их взаимном соприкосновении без относительного перемещения, т. е. этот процесс передачи теплоты может протекать только в металлах.

Конвекция — распространение теплоты путем переноса его жидкими или газообразными частицами, перемещающимися относительно друг друга.

Процесс распространения теплоты путем злектромагнитных колебаний, вызываемых лучистой энергией, называется лучеиспусканием.

1 – шлейф скважины; 2 – каплеотбойник (сепаратор І ст.); 3 – рекуперативный теплообменник; 4 – редуцирующий штуцер; 5 – низкотемпературный сепаратор; 6 – конденсатосборник

Рисунок 1 Схема процесса низкотемпературной сепарации с использованием рекуперативного теплообменника

При проектировании установок подготовки нефти и газа в части выбора теплообменной аппаратуры для них чаще всего приходится иметь дело с двумя первыми процессами передачи теплоты—теплопроводностью и конвекцией.

Рассмотренные виды передачи теплоты редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен). Так, при передаче теплоты через стенку перенос теплоты от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю осуществляется конвекцией, а через стенку - путем теплопроводности.

При проектировании новых теплообменных аппаратов можно поставить три задачи:

1) определение поверхности нагрева F, необходимой для передачи заданного количества теплоты Q от горячего теплоносителя к холодному;

2) расчет количества теплоты Q, передаваемого через известную поверхность нагрева F,

3) нахождение конечных температур теплоносителей, если известны величины F и Q.

І – теплоноситель движется по трубам;

ІІ – теплоноситель движется в межтрубном пространстве.

Рисунок 1 – Конструкции теплообменников:

а) кожухотрубчатый (1 – корпус теплообменника; 2 – трубки; 3 – перегородка);

б) теплообменник типа «труба в трубе» (1 – наружные трубы; 2 – внутренние трубы; 3 – «калач»)

1 – неподвижная плита; 2 – гофрированная теплообменная пластина; 3 – прокладка; 4 – конечная пластина; 5 – движущаяся пластина

Рисунок 2 – Схемы пластинчатых теплообменников (а – разборного, б – сварного)

Уравнение теплопередачи. Для проектирования процесса передачи теплоты необходимо, как известно, наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурним напором, т.е..

Δt=Т— t, (1)

где Т — температура горячего теплоносителя;

t —температурахолодного теплоносителя.

Необходимо помнить также, что чем больше температурный напор Δt, тем выше скорость передачи теплоты; причем количество теплоты, передаваемой от горячего теплоносителя к холодному, пропорционально поверхности теплообмена F, -температурному напору Δt и времени τ, т. е.

Q= KFΔtτ, (2)

где К — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопередачи и представляющий собой количество теплоты, прошедшей через единицу поверхности в единицу времени при температурном напоре, равном единице.

Если Q выразить в Дж, F– в м²; τ —в с и Δ t —в °С, то коэффициент теплопередачи будет иметь размерность

.

Если Q выражено в ккал, а τ—в ч, то размерность коэффициента теплопередачи будет

.

Для перевода в Вт/м² ·⁰С) значения К, выраженные в ккал/м²·ч·⁰С), надо умножить на коэффициент 1,16.

При непрерывном процессе под тепловой нагрузкой Q понимают количество теплоты в Вт, передаваемой за единицу времени. Тогда уравнение (115) можно записать так:

Q =К F Δ t. (3)

В процессах теплообмена обычно изменяются температуры теплоносителей, а следовательно, и температурный напор: горячий поток охлаждается, а холодный - нагревается.

Характер изменения температуры потока,движущегося вдольповерхности нагрева, зависит от схемы его движения.

В теплообменных аппаратах применяются в основном три схемы движения потоков: 1) прямоточная, когда горячий и холодный поток протекают параллельно; 2) противоточная, когда горячий и холодный поток протекают в противоположном друг другу направлении; 3) перекрестная, когда потоки протекают в перекрестном направлении.

На рис.3 приведены схема теплообменников типа «труба в трубе» и распределение температуры при прямотоке (а) и противотоке (б) по соответствующим длинам. Рассматривая кривые изменения температур при прямотоке (а), можно прийти к выводу, что нельзя нагреть входящий холодный теплоноситель с начальной температурой t_н выше температуры выходящего горячего теплоносителя Т_к, т. е. всегда будет t_н < Т_к, что обусловливается термическим сопротивлением стенок теплообменника. При противотоке же конечная температура холодного теплоносителя t_к может быть выше конечной температуры горячего теплоносителя Т_к, что показано на схеме, т.е. t_к > Т_к

Рис. 3. Характер изменения температуры рабочих жидкостей при прямо-токе (а) и противотоке (б)

При прямотоке и противотоке, которые преимущественно используются в теплообменных аппаратах, температурный напор определяется по среднелогарифмической или среднеарифметической разности температур:

для прямотока (4)

для противотока (5)

По приведенным формулам получаются совпадающие результаты. Поэтому для противотока и прямотока вместо формул (4) и(5) можно написать одну.

(6)

где Δt_б и Δt_м—разность температур между потоками; Δt_б —большая разность; Δt_м —меньшая разность.

Если отношение Δt_б/Δt_м >2, то определяется среднелогарифмическая температура по формуле (6); если отношение Δt_б/Δt_м <2, то определяется среднеарифметическая температура по формуле

(7)

Уравнение теплопроводности. Если теплота переносится путем теплопроводности через стенку, то ее количество пропорционально поверхности F, разности температур между обеими поверхностями стенки , времени τ и обратно пропорционально толщине стенки δ:

(8)

где t_ст1 и t_ст2—температуры поверхностей стенки.

Коэффициент пропорциональности λ называется коэффициентом теплопроводности. Его размерность следующая:

Если Q вsражено в ккал, а τ—в ч, то размерность теплопроводности

,

причем для перевода в Вт/^м2 ·⁰С значения λ, выраженного в ккал/м·ч·°С, надо умножить это значение на коэффициент 1,16.

Коэффициент λ зависит от свойств материала стенки и от ее температуры, значения которых будут рассматриваться на практических занятиях.

Уравнение (8) называется уравнением теплопроводности и отличается оно от уравнения теплопередачи (2) тем, что вместо коэффициента К в него входит выражение λ /δ.

Уравнение передачи теплоты конвекцией. При передачетеплоты конвекцией (жидкость и газ) у поверхности стенки образуется ламинарный пограничный слой, через который теплота передается |путем теплопроводности. За пределами этого слоя температура мало изменяется по мере удаления от стенки, что объясняется интенсивным перемешиванием теплоносителя при движении отдельных его частиц.

Уравнение передачи теплоты путем конвекции записывается подобно уравнению (2):

Q= αFΔtτ, (9)

с той лишь разницей, что в уравнение (2) входит разность температур Δt между обоими теплоносителями (Т—t}, а в уравнение (9) —разность температур между теплоносителем и стенкой (Т—t_ст1}). Величина α, входящая в уравнение (9), называется коэффициентом теплоотдачи; он имеет такую же размерность, как и коэффициент теплопередачи К., т. е. Вт/(м²•°С).

Выше было отмечено, что в теплообменных аппаратах имеет место сложный теплообмен, который зависит как от температуры теплоносителей, так и от материала, из которого сделан теплообменник.

Попытаемся рассчитать этот сложный процесс теплообмена.

Характер изменения температур в плоской и цилиндрической стенке показан соответственно на рис. 4, а, б. В слое горячего теплоносителя температура изменяется от Т до t_ст1, по толщине стенки—от t_ст1 до t_ст2, и в слое холодного теплоносителя от t_ст2 до t.

Рис. 4. Характер изменения температуры в плоской (а)

и цилиндрической (б) стенке;

Напишем уравнения передачи теплоты:

Конвекция:

Теплопроводность:

(10)

Конвекция:

где α₁ йα₂—коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю соответственно.

Поверхность теплообмена при плоской стенке является постоянной величиной.

При установившемся процессе количество теплоты, передаваемой от горячего теплоносителя к стенке Q₁, через стенку Q_ст и от стенки к холодному теплоносителю Q₂ должно быть одинаковым:

Q₁= Q_ст= Q₂= Q

Из системы уравнений (10) определим температурные напоры:

(11)

Тогда общий температурный напор:

Отношение Q/F=q, представляющее собой количество теплоты, передаваемой через единицу поверхности в единицу времени называют удельной тепловой нагрузкой (Вт/м²).

Величины 1/α₁=r₁ и 1/α₂=r₂, обратные коэффициенту теплоотдачи, называют тепловым сопротивлением при переходе теплоты через пограничный слой теплоносителя (размерность м^{2 0}С/Вт).

Общий температурный перепад равен сумме частных перепадов, определяемых в системе уравнений (11)

Δt= Δt₁+ Δt_cт+ Δt₂ (12)

Подставляя в уравнение 12 частные уравнения температурных напоров получим:

(13)

Уравнение (13) используют для определения коэффициента теплопередачи при известных коэффициентах теплоотдачи и толщины стенки).

Коэффициент теплопередачи через цилиндрическую стенку определяется по формуле (см. рис. 4, б)

(14)

где К - коэффициент теплопередачи от горячего потока к стенке трубы, Вт/(м²•°С).; α₁ - коэффициент теплоотдачи от горячего потока к стенке, Вт/(м²•°С); α₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемому потоку или во внешнюю среду, Вт/(м²•°С), d1,d2 - соответственно внутренний и наружный диаметры трубопровода, м; λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м²•°С).

Практически во всех случаях α₁> α₂, позтому для расчетов величиной 1/α₁ пренебрегают и считают, что температура потока равна температуре стенки, т. е. t_п=t_ст:

Для определения внешнего коэффициента теплоотдачи от подземного трубопровода пользуются формулой

где h_о—глубина заложения трубопровода в грунт, м. λ_гр—коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м²•°С); D_н — наружный диаметр трубы, м.

Определение температуры стенки. При расчете теплообменных аппаратов часто приходится определять температуру поверхности стенки.

Для определения температуры внутренней поверхности стенки Δt_cт1 воспользуемся первым уравнением из системы (11):

откуда

Температура наружной поверхности стенки Δt_cт2 определится из третьего уравнения той же системи, т. е.

или:

где Δt - общий температурный напор, определяемый из уравнения (12).

Уравнение теплового баланса. При определении количества переданной теплоты Q через стенку используют равенствоQ₁= Q_ст= Q₂= Q и составляют уравнение теплового баланса теплообменника:

где і₁^// и і₁^/ - начальные энтальпии (теплосодержания) потоков, Дж/кг ⁰С, і₂^// и і₂^/ — их конечные энтальпии, Дж/кг, G₁ и G₂ массовые расходы греющего (горячего) й нагреваемого (холодного) потока, кг/с Q — количество переданной теплоты, Вт.

Если теплообмен происходит без фазовых или химических превращений, а их удельные теплоемкости практически не зависят от температуры, то уравнение преобразуется следующим образом

где с₁ и с₂ —удельные теплоемкости жидкостей, Дж/кг°С, или' ккал/кг°С, T_н и t_н — соответственно начальные температуры теплоносителей, °С; T_к и t_к — конечные температуры теплоносителей °С. (рис. 4), °С; Q—количество теплотьі, Вт.

Определение эквивалентного диаметра. Эквивалентный диаметр |равен учетверенной площади сечения потока, деленной на смоченный периметр.

При расчетах теплообменников приходится пользоваться эквивалентным диаметром, который определяется по формулам:

а) для кожухотрубчатых теплообменников (см. рис. 1 а)

б) для теплообменников типа «труба в трубе» при движенин теплоносителя в межтрубном пространстве

где F—площадь сечения потока, м²; П—смоченный периметр, м; D—внутренний диаметр аппарата или внутренний диаметр наружной трубы; d— наружнsй диаметр трубок, м; п— число трубок.