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: 24 из 60

Рис. IX-8. Лучистый теплообмен между двумя абсолютно черными поверхностями.

ного расположения поверхностей тел. Рассмотрим лучистый теплообмен между двумя абсолютно черными поверхностями H_t и Д₂, имеющими температуры T_t и Т₂ (рис. IX-8). Каждая элементарная площадка АН_г и АЯ₂ этих поверхностей излучает тепло. Результирующее количество тепла, которым будут обмениваться две абсолютно черные поверхности, равно

Срез = Q плд₂_₁

У

V то


-Ь-Y I и

то 1 ¹


(IX,54)

1906. 
      где Hi_2 — взаимная поверхности излучения.
      
1907. 
      Величина Я, , может быть выражена через обменивающиеся лучистой энергией поверх ное ти /У, и Я, в виде
      
1908. 
      ". , М ", 4. УС ".ю
      
1909. 
      «
      
1910. 
      Коэффициенты tpi.-j п <|о 1 называются угловыми коэффициентами излучения поверхностей Н₁ па Я., и Н_г на Я^ Каждый коэффициент определяет долю от всей излучаемой данной поверхностью энергии, которая падает па другую поверхность. Величины угловых коэффициентов зависят от взаимного расположения и размеров поверхностей.
      
1911. 
      Равенство ^: - <р.. ,Н_г отражает свойство взаимности
      
1912. 
      лучистых потоков.
      
1913. 
      Для реальных поверхностей (серые тела) процесс лучистого теплообмена усложняется вследствие многократного отражения лучистой энергии от одной поверхности к другой, так как в этом случае А < 1. Поэтому приходится вводить в уравнение (IX,54) поправочный коэффициент /1„_р, называемый приведенным коэффициентом поглощения системы
      
1914. 
      -М5. [(&)’ (4)'J "*-* ^,,хм>
      
1915. 
      Различные случаи взаимного расположения излучающих поверхностей и расчет А_и1, и Я,. _; рассматриваются в специальных руководствах.
      
1916. 
      Лучеиспускание газов. Г1рн расчетах теилообменных аппаратов нефтегазопереработки (трубчатых печей, регенераторов и др.) могут встретиться трех- и многоатомные газы (С0₂, Н₂0, S0₂, H₂S и др.), а также двухатомные газы (О_а, No, н др.).
      
1917. 
      Трех- и многоатомные газы обладают значительной поглощательной и лучеиспускательной способностью (закон Кирхгофа). Одно- и двухатомные газы практически прозрачны (диатермичны) для теплового излучения, т. е. их излучательная способность весьма мала. Излучение газов имеет резко выраженный избирательный характер, т. е. происходит в пределах определенных длин волн (полос) спектра. Интенсивность излучения для различных полос зависит от температуры, парциального давления газа и толщины излучающего газового слоя.
      
1918. 
      По закону Кирхгофа гаси гзлучякт тяг/п ко в тех,, областях спектра длин волн, в которых они поглотают лучистую энергию. Спектральная поглощательная способность газа Л?, па длине пути s луча с данной длиной волны к определяется выражением
      
1919. 
      - . ! -К''" (IX,50)
      
1920. 
      где k\ — коэффициент ослабления луча; е — основание натурального логарифма. 108
      

1921. 
      В условиях температурного равновесия по закону Кирхгофа можно записать, что
      
1922. 
      щ \ « «г А- (IX,57)
      
1923. 
      где А,- — поглсмцателытя способность голоного объема; г, — степень черноты газового объема.
      
1924. 
      Согласно закону Стефана Больцмана, полное излучение поверхности нагретого до температуры Т газового объема равно
      
1925. 
      /С к,Со(7’/!00)'¹ (IX,58)
      
1926. 
      Слепень черноты газового объема определяют по эмпирическим формулам или графикам в зависимости от давления и температуры газа, толщины излучающего слоя, объемной доли водяных паров п других трехатомных газов. Для частного случая лучистого теплообмена между газовым объемом и стенкой (например, в топочной камере) можно записать следующее уравнение для результирующего потока излучения:
      
1927. 
      
      680. 
           
           
      681. 
           где г.,ф, ст — эффективная степень черноты стенки; Т_г, Т_ст — температуры газа п стенки; f_r — степень черноты газа при температуре Т_с; А,- — иоглощатетьная способность (степень черноты) газа при температуре Тсс-
           
      
      
      
1928. 
      Эффективная степень черноты стенки ? _сг учитывает многократное отражение н поглощение лучистой энергии
      
1929. 
      I (IX,60)
      
1930. 
      СТ ' - ₂
      
1931. 
      где г с с — степень черноты стенки.
      
1932. 
      В топочных камерах трубчатых печей и котлов излучают продукты сгорания, содержащие СО., Н₂0 н другие трехатомные газы, а также светящиеся пламена. Светимость пламени обусловлена наличием взвешенных частиц горящего углерода, сажи и золы. Излучение светящегося пламени приближается по (своим свойствам к излучению серого тела, а. при больших толщинах — к излучению абсолютно черного тела.
      

6. 
   ПЕРЕДАЧА ТЕПЛА ЛУЧЕИСПУСКАНИE,V. И КОНВЕКЦИЕЙ
   

1933. 
      При решении многих практических задач приходится иметь дело с совместным теплоперенссом как конвекцией, так и излучением. Поэтому целесообразно привести уравнения лучистого теплообмена к виду, включающему разность первых степеней температур. Для этой цели используется соотношение
      
1934. 
      
      682. 
           
           
      
      
      
1935. 
      С учетом этого соотношения, например, уравнение (IX,54) можно записать в виде
      
1936. 
      ж m^{Ti -^{Ti) Hi 1 as//i}-^{2 -Ti) (ix,62>}
      
1937. 
      169
      
1938. 
      
      В этом уравнении
      
      
      (IX,63)
      
      
      
1939. 
      
      

1940. 
      
      
1941. 
      
      

1942. 
      обозначает приведенный коэффициент теплоотдачи излучением. Среднюю температуру теплообмена излучением Т_т определяют как среднюю арифметическую
      
1943. 
      Тт

0,5 (Г 1 -[- То) (IX,64)

В этой связи общее уравнение теплопередачи между двумя потоками через разделяющую их стенку можно записать в следующем обобщенном виде:

<2 = ДД(^ — /₂) (IX,65)

где К — коэффициент теплопередачи; F — поверхность, через которую передается тепло; t_lt t₂ —■ температуры нагревающего и нагреваемого потоков, °С.

При решении инженерных задач необходимо определять величину коэффициента теплопередачи К и среднюю разность температур при изменяющихся температурах потоков.

6. 
   ПОТЕРИ ТЕПЛА В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И МЕРЫ ПО ИХ УМЕНЬШЕНИЮ
   

1948. 
      Тепловая изоляция. В любом аппарате, служащем для передачи тепла от одного потока к другому (рис. IX-9), происходит охлаждение одного потока (потока теплоносителя) от температуры (х„ до температуры (,_к и нагревание другого потока (потока сырья) от температуры (_с.,, до температуры t_c. _к. При этом один из потоков (на рисунке поток сырья) движется через трубчатый змеевик, а второй поток (на рисунке поток теплоносителя) омывает этот змеевик, передавая сырью соответствующее количество тепла <2_П0Л.
      
1949. 
      В некоторых случаях теплообмен осуществляется при непосредственном контакте потоков (теплообменные аппараты смешения). Такой способ применяют в тех случаях, когда контактирующие среды легко разделить, например воду и нефтепродукты, или когда требуется отвести или подвести тепло потоком той же физической природы, например циркуляционное орошение и горячая струя в ректификационной колонне.
      
1950. 
      Оба теплообменивающихся потока заключены в общий корпус (кожух), отделяющий их от окружающей среды с температурой t₂. Для большинства аппаратов нефтегазопереработки обычно окружающей средой является открытый воздух, температура которого подвержена сезонным и суточным колебаниям.
      
1951. 
      Независимо от способа передачи тепла между потоками теплообменивающихся сред в корпусе аппарата устанавливается более высокая температура t_lt чем окружающей среды t₂. Поэтому, согласно законам теплопередачи, будет иметь место поток тепла через стенку корпуса аппарата в окружающую среду. Этот поток тепла теряется безвозвратно и составляет тепловые потери Q_n0T.
      

1952. 
      Потоки теплоносителя и сырья вносят в аппарат тепло Q_np„_x; часть тепла, вносимого теплоносителем, воспринимается сырьем Qпол, а остальная часть тепла уносится теплоносителем Q_yx и в виде теплопотерь Q_nor.
      
1953. 
      Согласно приведенной на рис. IX-9 схеме, можно составить тепловой баланс теплообменного аппарата в следующем виде:
      
1954. 
      Qприх — Qnoji h Qух г Qnor
      
1955. 
      Откуда тепло, полезно воспринятое сырьем, составит
      
1956. 
      Qnon = Qllрнх Qyx QnOT (I X ,66)
      
1957. 
      Разделив обе части этого равенства на величину Q_npil, лучим
      
1958. 
      
      (IX,67)
      
      Qnon , ^У^х Qnot
      
1959. 
      
      Qnpux
      Qn рих Qnpnx
      
1960. 
      Отношение Qnon/Qn_PHx> ^т- ^е- отношение полезно воспринятого тепла к общему количеству тепла, введенному в аппарат, есть коэффициент полезного действия теплообменного аппарата г|. Тогда уравнение (IX,67) можно записать в виде
      
1961. 
      
      (IX,68)
      
      Qnor
      
1962. 
      Q прих Qnpnx
      
1963. 
      Рис. IX-9. Принципиальная схема тепловых потоков в теплообменном устройстве: а — обогрев жидкостями; б — обогрев продуктами сгорания; / — стальной кожух (корпус); 2 — тепловая изоляция; 3 — несущая конструкция; 4 — огнеупорная футеровка.
      
1964. 
      Таким образом, к. п. д. теплообмениого аппарата определяется в основном двумя факторами: количеством тепла, уходящего
      
1965. 
      с теплоносителем, Q_yx и потерями тепла в окружающую среду Q_n0T. Необходимо иметь в виду, что величина к. и. д. зависит не просто от величин Q_yx и Q_nOT, а от их относительных величин, т. е. по отношению к ф_прих. Поэтому аппараты большой единичной мощности (Q_npHX велико) имеют большую величину к. и. д. по сравнению с менее производительными аппаратами.
      
1966. 
      Обычно потери тепла для аппаратов разных типов составляют от 2 до 10%. Величина теплового потока, уходящего е теплоносителем, Q_y._s определяете:,' типом аппарата п технологическими параметрами процесса. Обычно часть тепла Q . может быть регег нерирована при нагревании дн\того потока, имеющего более низкую температуру, чем /,
      
1967. 
      Из изложенного следует, что наряду с совершенствованием общей системы теплообмена, позволяющей максимально использовать тепло Q_y„, необходимо совершенствовать конструкцию аппарата, чтобы уменьшить теплопотерп п окружающую среду Q_l]ur Умепь-
      
1968. 
      1'ис. IX-10. Изменение разности температур при теплопередаче через стенку аппарата в окружающую среду.
      
1969. 
      шения величины (),,,, можно достичь совершенствованием тепловой изоляции аппарата. На рис. IX-9 приведены эскизы основных элементов конструкции стенки аппарата при обогреве жидкостями (рис. IX-9, а) и продуктами сгорания (рис. IX-9, б).
      
1970. 
      Степка аппарата включает сравнительно топкий стальной корпус (кожух) / и од,ип пли несколько сдоев теплоизоляции 2. Аппараты с огневым обогревом (трубчатые, печи, паровые котлы и т. и.) изнутри имеют слон огнеупорно!"! футеровки 4. Иногда стенка включает также элементы несущей конструкции каркаса 3. Для расчета теплопередачи через такую стопку с целью определения величины Д_ют используют основное уравнение теплопередачи (IX,65) в виде
      
1971. 
      
      (IX, 00)
      
      Quov ■ - КГ M,_v
      
1972. 
      
      А/,_р
      
      (IX,70)
      
      
      (Си- К) -(/.,<-б) 1ч [(/ц, - С)/(Ск-У1
      
      
      С» Сч
      
      1ч КСп й,)/(/_[к О]
      
      Как следует из этого уравнения, для снижения теплопотерь в окружающую среду необходимо совершенствовать конструкцию аппарата с целью уменьшения его габаритов (уменьшается F) и совершенствовать тепловую изоляцию е целью уменьшения величины коэффициента теплопередачи Д\ т. е. увеличения термического сопротивления стенки, равного 1/А. Средняя разность температур АД, зависит от технологического процесса, тниа применяемого аппарата и определяется из известного уравнения
      
1973. 
      Схема для расчета АД, приведена па рис. IX-10.
      
1974. 
      
      IU'ki.t.' м материал: т д• тег.опнй изоляции и их ха: а «герметики in с О 100 С
      

      Матер пял	Плотность, кг/м3	Коэффициент теплопровод ности, 15т/(м К)
      Асбест	(100	0,15
      Бетон огнеупорный	1050	0,38
      Винипласт	1380	0,16
      Войлок шерстяном	300	0,047
      Кирпич красный	1900	0,62
      Кирпич легковесный	700	0,15
      Кирпич шамотный	1800	0,70
      То же, легковесный	670	0,2*
      Пенопласт	30	0,047
      Пробка	160	0,047
      Совел пт	450	0,098
      Стекловата	200	0,052
      Торфоплиты	220	0,064
      Фаолит	1730	0,42
      Фольга алюминиевая	20	0,047
      Шлаковата	250	0,076

      
      
      
      В зимнее время, когда температура /₂ уменьшается, тепло- потерн увеличиваются. Среднюю температуру теплоносителя (среды в корпусе аппарата) /, определяют из уравнения
      
1975. 
      
      (IX,71)
      
      Си ' Вк 1м (Сп/Ск)
      
1976. 
      Основное В[[нмание при выборе типа п копструкцшг тепловой изоляции необходимо обращать па получение возможно большего термического сопротивления стенки 1/'А\ Величину /( рассчитывают по уравнениям (IX, 17) или (IX,26) в зависимости от профиля поверхности стенки. По уравнению теплопроводности рассчитывают изменение температуры в стенке н температуру наружной поверхности стенки t_cx.
      
1977. 
      Следует обратить внимание на тот факт, что температура стенки 4т должна быть по возможности меньше, так как коэффициент теплопередачи от стенки к окружающему воздуху возрастает с увеличением разности температур /_с.,. согласно
      
1978. 
      уравнению
      
1979. 
      
      (IX,72) 173
      
      4,
      
1980. 
      ОН Л f' /_с — /.)
      
1981. 
      Величину коэффициента А в среднем можно принять равной 2,1. Коэффициент теплопередачи а₂ имеет единицу измерения Вт/(м² К). В качестве тепловой изоляции используют синтетические и минеральные материалы, имеют,не пористую структуру с замкнутыми мелкими порами, в которых исключается теплопередача конвекцией. Как известно, тонкие слои воздуха являются хорошей изоляцией при толщинах, исключающих возникновение свободной конвекции. Такие пористые материалы имеют весьма малые значения коэффициента теплопроводности, что позволяет при определенной толщине слоя изоляции (обычно до 150 мм) и ее конструкции получить большую величину термического сопротивления стенки.
      
1982. 
      Хотя в качестве теплоизоляционных могут применяться различные материалы с низкой теплопроводностью, однако обычно под теплоизоляционными понимают материалы с коэффициентом теплопроводности при 50—100 °С менее 0,25 Вт/(м-К). Наиболее распространенные материалы, применяемые для тепловой изоляции, приведены в табл. IX-2.
      
1983.