НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Расчёт пародистиллятных регенераторов

Заслуживает отдельного рассмотрения специфика расчета пародистиллятных регенераторов тепла, имеющих широкое применение в процессах депарафинизации масел и селективной очистки. В таких аппаратах тепло частичного или полного конденсирования паров расходуется на нагрев и частичное испарение жидкой среды. Принципиальная схема такого аппарата с обозначениями приведена на рисунке слева. Согласно данной схеме в теплообменник подаётся поток насыщенных паров G1 которые являются средой отдающей своё тепло, и поток жидкости G2 с температурой t3, которая ниже значения температуры инициации однократного испарения данной жидкости. В процессе теплообмена в подобном аппарате может реализоваться частичное или полное конденсирование парообразной среды G1 с последующим охлаждением жидкой фазы (если конденсация полная). При этом поток G2, подвергающийся нагреву, частично или полностью переходит в парообразное состояние с возможным последующим перегревом паров при полном переходе жидкой фазы в паровую. Протекание частичного или полного конденсирования паров, а также степень перехода в пар исходной жидкости зависят от теплового баланса и определяются соотношением масс потоков G1 и G2, величин скрытых теплот конденсации и испарения, начальных температур и иных факторов. В практике переработки нефти и газа чаще реализуется процесс частичного конденсирования паров и испарения жидкой среды. Методика расчета для данного случая может быть примененна и для иных возможных индивидуальных случаев. Расчет такого пародистиллятного регенератора требется выполнять учитывая наличие 2 зон, отличающихся по условиям теплообмена.

Схема и график температурного режима пародистиллятного теплообменника

В зоне I охлаждающая среда пребывает в исключительно жидком состоянии, при этом ее температура возрастает от начальной величины t₃ до температуры инициации однократного испарения t_н.и. Специфика данной зоны - более резкий рост температуры потока. В зоне II жидкая среда переходт в парообразное состояние и потому температура растёт медленнее. Помимо отличия в профиле изменения температур, эти зоны имеют отличные друг от друга условия теплообмена. В зоне I коэффициент теплоотдачи от стенок к охлаждающей жидкости обычно меньше, чем зоне в II, из-за более интенсивного теплообмена при испарении жидкой среды. Что касается профиля изменения температур охлаждаемого потока от t₁ до t₂, то в этом случае он имеет одинаковый уклон на протяжении всей теплообменной поверхности, потому что на любом участке телпообменника происходит исключительно конденсация паров.

Иногда, чтобы увеличить температурный напор со стороны охлаждаемого потока искусственно создаётся повышенное давление, что позволяет посить температуры t₁ и t₂.

Количество тепла, которое выделяется при охлаждении потока G₁, от температуры t₁ до t₂ и частичном конденсировании паров, рассчитывается по формуле:

(1)

Количество тепла, получаемого нагреваемым теплоносителем:

(2)

С учетом теплопотерь совокупный тепловой баланс запишется как:

(3)

При расчете теплообменника обычно заданы расходы теплоносителей G₁ и G₂ и их начальные температуры t₁ и t₃. При выполнении расчётов необходимо определить конечные температуры t₂ и t₄ и соответствующие им величины е₁ и е₂. Алгоритм решения уравнения теплового баланса (9) следующий:

1. Принимается одна из неизвестных температур t₂ или t₄, определяется соответствующее принятой температуре и эксплуатационному давлению в теплообменнике значения е₁ или е₂, которое подставляется в уравнение теплового баланса (3), по которому вычисляется энтальпия потока соответственно при температуре t₄ (если принималась температура t₂):

   (4.1)

   или при температуре t₂ (если принималась температура t₄):

   (4.2)

2. По рассчитанному значению энтальпий H^см_t4 или H^см_t2 определяется соответствующая температура t₄ или t₂. Требуемая температура t₄ или t₂ однозначно определена быть не может, потому что величина энтальпии есть функция не только температуры, но и доли отгона е. Поэтому такая задача должно решаться графическим способом. Для этого принимаются 2 или 3 значения определяемой температуры, при этих значениях определяется доля отгона и энтальпия, которая учитывает как явное тепло, так и его величину при испарении или конденсации при некоторой доле отгона е.
3. По полученным значениям выполняется построение графика энтальпий в зависимости температуры. Пользуясь найденным ранее значением H^см_t4, по графику определяется искомая температура t₄.

   В некоторых случаях, произвольно приняв температуру t₂, по итого подобных вычислений можно получить неприемлемую величину t₄, которая равна или превышает значение t₁.

   Это показатель того, что в заданных условиях объём тепла, которое выделяется при охлаждении потока G₁ от температуры t₁ до температуры t₂, не будет воспринято потоком G₂, т.е. температурный потенциал потока G₁ мал для передачи сгенерированного количества тепла.

   Подобная ситауция может сложиться в следующих случаях:

   • масса потока G₁ существенно больше массы потока G₂;
   • теплоты сжижения паров потока G₁ существенно больше скрытых теплот парообразования потока G₂;
   • доля отгона е₂ не может достичь достаточно большой величины из-за повышенного давления, под которым пребывает поток G₂;
   • содержание в потоке компонентов способных испаряющихся мало.

   Если по итогу расчета получено неприемлемое значение температуры t₄, то требуется повторить расчёт заново, приняв другие значеня конечной температуры t₂ или t₄.

4. Определив таким образом температурный режим для теплообменника в-целом, переходят к формулированию уравнения теплового баланса для локальных зон. Для этого в первую очередь определяется температура инициации однократного испарения охлаждающего потока G₂. В соответствии с ранее принятыми обозначениями количество тепла, получаемого в зоне I, составит:

   (5.1)

   а количество тепла, которое отдаёт в данной зоне охлаждающийся поток:

   (5.2)

   Из уравнения (5.2) находится значение G^см_t', а затем целевая температура t' находится с помощью построения графика, по аналогии ранее описанной методике.

5. Для зоны II количество тепла, которое воспринял нагревающийся поток и передал охлаждающийся поток, вычислится соответственно по формулам:

   (6.1)

   (6.2)

6. Выполняется расчёт поверхностей теплообмена для зон I и II по формулам:

   (7.1)

   (7.2)

   где	КI и КII	-	коэффициенты теплопередачи соответственно для I и II зон;
   	ΔtсрI и ΔtсрII	-	средние температурные напоры соответственно для I и II зон.

7. Вычисляется совокупная поверхность телпообмена для теплообменного аппарата:

   (8)

Аналогично конденсаторам-холодильникам, применяя практические значения коэффициентов теплопередачи для ориентировочных расчетов теплообменной поверхности допустимо применять общее уравнение теплопередачи.