Процессы и аппараты нефтегазо- переработки. процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии куиии д., Левеншпиль о

• Название: процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии куиии д., Левеншпиль о
• Анкор: Процессы и аппараты нефтегазо- переработки.docx
• Дата: 05.05.2018
• Размер: 2.36 Mb.
• Имя файла: Процессы и аппараты нефтегазо- переработки.docx
• Тип: Документы; #18896
• страница: 21 из 60

A Ql 9з t-2 ^ll 1-2 ^ll

Для идеального холодильного цикла (обращенного цикла Карно)

*=Т_а1(Т_г-Т,) (VIII,3)

2. 
   АБСОРБЦИОННЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
   

1627. 
      Схема абсорбционной холодильной установки дана на рис. V111-3. В установке вместо компрессора имеются абсорбер 1, насос 2 и десорбер (кипятильник) 3. При помощи этих агрегатов пару, полученному в испарителе 7 холодильной установки при давлении р_х, сообщается давление р₂ > р_х, т. е. как в компрессоре. В остальном абсорбционная холодильная установка не отличается от компрессионной.
      
1628. 
      Работа абсорбционной установки осущетвляется следующим образом.
      
1629. 
      Из испарителя 7 сухой насыщенный пар хладоагента направляется в абсорбер 1, в котором поглощается
      
1630. 
      Рис. VII1-3. Схема абсорбционной холодильной установки:
      
1631. 
      / — теплоноситель в десорбер; // — хладоагент в абсорбер; / — абсорбер; 2 — насос; 3 —
      
1632. 
      десорбер (кипятильник); 4 — редукционный клапан; 5 — конденсатор; 6 — дроссель; 7 — испаритель.
      
1633. 
      потоком абсорбента, уходящим из десорбера 3. Насыщенный раствор абсорбента забирается из абсорбера 1 насосом 2 н при давлении р_г > Pi подается в десорбер 3. Для обеспечения нормальной работы абсорбера из него отводят тепло. В десорбере 3 раствор абсорбента нагревают, и пары хладоагента отводят при давлении р₂ ^в конденсатор 5. Далее работа установки аналогична компрессионной.
      
1634. 
      В пароэжекторных холодильных установках в качестве рабочего агента применяют воду, теплота испарения которой почти в 2 раза больше, чем аммиака, и в 10 раз больше, чем С0₂.
      
1635. 
      Схема пароэжекторной установки приведена па рнс. VII1-4. Хладоагент (вода) насосом 1 прокачивается через холодильник 2, расположенный в охлаждаемом помещении 3, и отнимает тепло.
      
1636. 
      При этом температура воды повышается. Далее нагретая вода направляется в испаритель 4, в котором эжектором 5 поддержи-
      
1637. 
      Рис. VIII-4. Схема пароэжекторной холодильной установки:
      
1638. 
      / -- рабочий пар в эжектор; П — хладоагент (вода) в конденсатор; ill — вода и паровой котел; J -- лясос; 2 — холодильник; Л -- охлаждаемое помещен нс; 4 испаритель; 5 — эжектор; 6' --- конденсатор; 7 -- редукционный клапан.
      
1639. 
      вается вакуум. В испарителе вода испаряется, и температура ее понижается. Из испарителя 4 холодная вода забирается насосом 1 и направляется в холодильник 2. Из испарителя 4 образовавшийся водяной пар отсасывается эжектором 5, сжимается и направляется в конденсатор 6. Отсюда часть воды через редукционный клапан 7 подается на питание испарителя 4, а оставшаяся часть возвращается в паровой котел, вырабатывающий пар давлением 0,4— 0,6 МПа для работы эжектора.
      
1640. 
      Пароэжекторные установки взрывобезопасны, не создают вредных выбросов, просты в изготовлении и эксплуатации, однако они требуют повышенного расхода хладоагента (воды) для конденсации пара, покидающего эжектор.
      
1641. 
      ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
      
1642. 
      Глава IX
      
1643. 
      Основы теплопередачи
      

1. 
   СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
   

1644. 
      Передача тепла от одного тела к другому или между различными точками пространства может быть осуществлена тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.
      
1645. 
      Теплопроводность. Процесс передачи тепла при непосредственном соприкосновении тел или отдельных частей одного тела, имеющих разные температуры, называется теплопроводностью.
      
1646. 
      Механизм переноса тепла теплопроводностью зависит от агрегатного состояния тела. В жидкостях и твердых телах — диэлектриках — передача тепла осуществляется в результате обмена энергией теплового движения атомов и молекул между соседними частицами. В металлах теплоперенос осуществляется главным образом в результате диффузии свободных электронов. В газах теплопроводность обусловлена как обменом энергией при соударении молекул и атомов, так и их диффузией.
      
1647. 
      Количество тепла, которое передается теплопроводностью, пропорционально разности температур теплообменивающихся тел. Например, при движении по трубам теплообменника нефть получает тепло от более нагретого потока через стенку трубы в результате теплопроводности.
      
1648. 
      Конвекция. Перенос тепла из одной точки пространства в другую за счет движения средц из области с одной температурой в область с другой температурой называется конвекцией. Ирг: этом суммарный перенос тепла определяется как теплопроводностью среды, так и законами ее движения.
      
1649. 
      
      
1650. 
      
      

1651. 
      Различают вынужденную и свободную конвекцию. В первом случае перемещение среды обусловлено каким-либо внешним источником, например насосом, вентилятором, ветром и т. п.; во втором случае — разностью плотностей холодных и нагретых участков среды.
      
1652. 
      Вблизи нагретой поверхности плотность среды меньше,*что обусловлено более высокой температурой, тогда как в других частях плотность выше. Поэтому у поверхности нагрева наблюдается восходящий поток нагретой среды и нисходящий поток более холодной среды в удалении от нагретой поверхности. Поскольку явление конвекции связано с перемещением частиц среды одной относительно другой, его рассматривают в газах и жидкостях, включая расплавленные металлы.
      
1653. 
      Примером свободной конвекции является нагревание (охлаждение) жидкостей в резервуарах и емкостях. При принудительном движении жидкостей насосом в тех же случаях имеем принудительную конвекцию.
      
1654. 
      Теплообмен излучением. Под теплообменом излучением понимают процесс переноса тепла, обусловленный превращением энергии движения молекул тела в лучистую энергию. Количество излучаемой энергии' определяется температурой тел.а, состоянием его поверхности, свойствами тела. Излучаемая нагретым телом энергия передается другим телам. При этом часть лучистой энергии частично отражается от поверхности тела, ее воспринимающего, частично поглощается телом, а частично проходит сквозь тело. Поглощенная лучистая энергия превращается вновь во внутреннюю энергию, т. е. идет на повышение температуры тела.
      
1655. 
      Тело, отражающее все падающие на него лучи, называется абсолютно белым, а поглощающее все лучи — абсолютно черным. Прозрачные пли диатермические тела полностью пропускают всю лучистую энергию.
      
1656. 
      Основные законы излучения получены для абсолютно черного тела в условиях теплового равновесия.
      
1657. 
      В промышленных аппаратах различные способы передачи тепла сопутствуют друг другу. Так, нагрев нефтепродукта в трубчатой печи связан с излучением тепла от нагретых продуктов сгорания к стенке трубы, передачей тепла теплопроводностью через стенку трубы и вынужденной конвекцией внутри трубы.
      

2. 
   ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕНСИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА
   

1658. 
      Основным законом теплопроводности является закон Фурье, который формулируется следующим образом: количество тепла dQ, переданное в единицу времени через элемент поверхности dr, пропорционально градиенту температуры dt/dn
      
1659. 
      dQ —X (dt/dn) dF (IX,1)
      
1660. 
      где X — коэффициент теплопроводности.
      
1661. 
      Знак минус в уравнении (IX, 1) отражает передачу тепла в направлении уменьшения температуры. Градиент температуры dt/dn означает изменение температуры на единицу длины в направлении нормали к рассматриваемой изотермической поверхности, имеющей температуру t. Соседняя изотермическая поверхность имеет температуру t -}- dt. Из уравнения (IX, П следует, что коэффициент теплопроводности X численно равен количеству тепла, которое проходит через единицу поверхности в единицу времени при градиенте температур, равном единице. Наибольшее значение а наблюдается для металлов: 500 >Х > 10 Вт/(м °С); наименьшее для газов: X < 0,6 Вт/(м-°С). Многие неметаллические материалы имеют весьма низкие коэффициенты теплопроводности: X < 0,25 Вт/(м °С); на этом основано их применение для устройства тепловой изоляции.
      
1662. 
      Жидкости, кроме расплавленных металлов, имеют низкие коэффициенты теплопроводности: А< 0,10 Вт/(м °С). Расплавленные металлы имеют X < 100 Вт/(м-°С.).
      
1663. 
      Для большинства материалов зависимость коэффициента теплопроводности от температуры имеет линейный характер
      
1664. 
      >- '-о (I - Ф) ^ (IX,2)
      
1665. 
      где >.₀ — коэффициент теплопроводности материала при t — 0 °С; р — температурный коэффициент.
      
1666. 
      Для расчета величины теплового потока dQ от элемента поверхности к жидкости (газу) или в обратном направлении используют закон Ньютона
      
1667. 
      dQ = a(t_CT— /_с) dF (IX,3)
      
1668. 
      где t_cr — температура стенки; t_c—температура среды, которая обменивается теплом со стенкой; а — коэффициент теплоотдачи.
      
1669. 
      В уравнении (IX,3) знак разности ф_т — ф указывает направление. передачи тепла: если t_CT > t_c, то тепло передается от стенки к окружающей среде; если /_ст < ф, то — от среды к стенке. Чтобы иметь dQ > 0 в качестве первого слагаемого в уравнении (IX,3), берут большую из двух величин.
      
1670. 
      Коэффициент теплоотдачи а представляет собой количество тепла, переданное через единицу поверхности в единицу времени при разности температур 1 °С. Он зависит от формы и размеров тела, скорости движения среды, ее физических свойств и других величин. Основное уравнение теплопередачи между двумя средами, разделенными стенкой, записывается следующим образом:
      
1671. 
      dQ К (Ч — t.,J dF fix,4)
      
1672. 
      где К — коэффициент теплопередачи; — температура греющей среды; t₂ — температура потока, воспринимающего тепло.
      
1673. 
      Коэффициент теплопередачи /\ представляет собой количество тепла, передаваемого через единицу поверхности в единицу времени при разности температур 1 X. Он зависит от скоростей теилообменнвающихся потоков, их физических свойств, конструкции и свойств материала разделяющей стенки и т. п. Размерности коэффициентов теплопередачи К и теплоотдачи а совпадают, хотя физически они связаны с различными областями, в которых происходит перенос одного и того же количества тепла. Чем больше коэффициент теплопередачи, тем большее количество тепла может быть передано через данную поверхность при прочих равных условиях. Поэтому при создании промышленных аппаратов необходимо стремиться к тому, чтобы максимально интенсифицировать процесс теплопередачи и тем самым уменьшить размеры теплообменной аппаратуры.
      

3. 
   ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВЗАИМНОГО ДВИЖЕНИЯ ТЕПЛООБМЕНИВАЮЩИХСЯ ПОТОКОВ
   

1674. 
      Процессы теплопередачи при постоянных температурах встречаются относительно редко (например, одна среда — конденсирующийся пар, другая — кипящая жидкость). Теплопередача при переменных температурах существенно зависит от взаимного направления движения теплообменивающпхся сред. Различают следующие основные схемы взаимного движения теплообменива- ющихся потоков относительно поверхности теплообмена:
      

1. 
   прямоток — обе среды движутся в одном направлении;
   
2. 
   противоток — теплообменивающнеся среды движутся в противоположных направлениях;
   
3. 
   перекрестный ток, при котором потоки движутся взаимно перпендикулярно;
   
4. 
   смешанный ток, при котором реализуются упомянутые выше схемы движения сред в различных частях аппарата.
   

1675. 
      Указанные схемы движения сред при теплообмене приведены на рис. 1Х-1.
      
1676. 
      Независимо от схемы движения температура нагретой жидкости уменьшается от начального значения /_1п до конечного t_lK, а температура более холодного нагреваемого потока увеличивается
      
1677. 
      

      	-»
      «—	=4>

      
      
      
      6
      
1678. 
      ^ 2 С -
      
1679. 
      а 6
      
1680. 
      Рис. IX-1. Основные схемы движения потоков при теплообмене (черной стрелкой обо* значена более нагретая жидкость, светлой — менее нагретая):
      
1681. 
      а — прямоток; 6 — противоток; в — перекрестный ток; г — смешанный ток.
      
1682. 
      от до t_iK. Поэтому разность температур обоих потоков в различных частях аппарата будет различной, и в уравнение теплопередачи (IX,4) необходимо подставлять среднюю разность температур (G — t₂)_m = Aвеличина которой определяется при прочих равных условиях схемой движения потоков.
      

4. 
   СРЕДНЯЯ РАЗНОСТЬ ТЕМПЕРАТУР
   

1683. 
      Прямоток. Если вдоль поверхности теплообмена F движутся два потока с массовыми скоростями и G.,, то характер изменения их температур при прямотоке будет таким, как показано
      

1684. 
      на рис. IX-2. Согласно основному уравнению теплопередачи через элемент поверхности dF в единицу времени будет передано количество тепла dQ
      
1685. 
      dQ=f((t_x - у dF
      
1686. 
      разности температур потоков
      
1687. 
      то же количество тепла будет отдано горячим потоком dQ = —Gjq dt_x и воспринято нагревающимся потоком dQ = G₂c₂ dt₂.
      
1688. 
      Обозначимте; = Wi, где i = J, 2, и назовем водяным эквивалентом.
      
1689. 
      Тогда уравнение теплового баланса можно записать в следующем виде:
      
1690. 
      dQ = — dtj,
      dQ = W₂ dt₂
      
1691. 
      Рис. IX-2. Изменение температур потоков при прямотоке.
      
1692. 
      Из этих уравнений изменение будет равно
      
1693. 
      dt_t — dt_i=d(t₁

У = -(1 IWi + 1 /Uy dQ = -dQ/W
где W — приведенный водяной эквивалент обоих потоков, UW = 1 /W_L4- 1/И7₂.

С учетом основного уравнения теплопередачи получим следующее дифференциальное уравнение:

_ rffo-y

<1 - G W

Проинтегрировав это уравнение вдоль всей поверхности F, получим

К_

W

F
f = In £—ТТ = ¹¹¹ 4г

J ti t₂ (/; Ук ДС

где Д/„ и Д/_к — разность температур соответственно в начале (F = 0) и конец процесса.

Из последнего уравнения величина поверхности теплообмена


F =


J^ln^L

К Д/к


(IX,5)


Между тем


F =


Q

К Д/т

(й-б)_и

Следовательно
QIW

In (Л/„/Д/к)

Из уравнения общего теплового баланса следует, что Q/W : = (/_1н / 1к) "Ь (У У) = (/lH ^2н) (У У) = Д^Н Д^К

Д/н Д/к In (Д/_н/Д/_к)

В результате получим следующее выражение для расчета средней разности температур при прямотоке:

Таким образом, At,,, вычисляется как среднелогарифмическая разность температур в начале и конце поверхности теплообмена.

Противоток. Мри противотоке характер изменения температур потоков представлен на рис. IX-3.

Если за начало поверхности теплообмена принять место ввода более нагретого потока, тогда для нагреваемого потока

dQ - w_a dt₂

п приведенный водяной эквивалент системы будет определяться

из выражения

UW I « ', I VI •. ,

Путем рассуждений, аналогичных приведенным для прямотока, можно показать, что в случае

£ ы

Рис. 1Х-3. Изменение температур потоков Ь2н при противотоке.

противотока средняя разность температур может быть рассчитана по уравнению (IX,6), в котором

ЛЛ, ^=:- Ан Я ЛК ⁼ Кк Йн

Противоток является наиболее совершенной схемой теплопередачи, так как позволяет реализовать наибольшую разность температур по сравнению с разностью при других схемах теплопередачи. Кроме того, при противотоке температура нагреваемого потока может значительно превосходить конечную температуру нагревающего потока.

В промышленных аппаратах не всегда удается реализовать противоточную схему движения теплообменивающихся потоков, поэтому очень часто используют перекрестный ток и смешанный ток. Последний позволяет реализовать показатели по теплообмену, близкие к противотоку.

Перекрестный и смешанный токи. Для расчета средней разности температур при различных схемах движения потоков Н. И. Белоконь получил уравнение .аналогичное уравнению (IX J6), в котором At,, и At,, обозначают наибольшую и наименьшую разности температур, определяемые следующими формулами:

Ай, 0_ЛЯ1 + -у АГ

лк = о_ат--±-дг

где О_ат — разность средних температур потоков, не зависящая от схемы теплообмена:

ват= - ^<а,' + '^а"- (IX,8)

Л7' ■ характеристическая разность температур, определяемая из уравнения

АГ ---= К(ЛЦ + Л<₂)^а — ‘1/J АЦ AД (IX,9)

A/i -= t_w — i_1K\ Al₂ = /_2I! — i'j,, — разность температур соответствующего потока; р —индекс противоточности, характеризующий долю противотока в общем балансе теплообмена.

Величина индекса противоточности р зависит от схемы теплообмена и для некоторых схем теплообмена приведена в табл. IX-1.

Для прямотока (р = 0) и противотока (р = 1) приведенные выше уравнения сводятся к обычной форме уравнения (IX,6).

ТАБЛИЦА IX-1

Схема теплообмена

Наименование схемы
теплообмена


Индекс гтрогипогачноеги р

Величина индекса противоточности р для некоторых схем теплообмена

f ₂,₍-


Противоток


1,0


U-обрал; ыГг элсмопт


0,50

625. 
     ti*
     

Прямоток