Моделирование математического процесса теплообмена в теплообменнике типа труба в трубе

Министерство образования Республики Татарстан

Альметьевский нефтяной институт

Кафедра

Автоматизации и информационных технологий

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему

«Моделирование математического процесса теплообмена

в теплообменнике типа “труба в трубе”»

Выполнил: студент гр.38-61

Шакиров Р.И.

Проверил: преподаватель кафедры

Тугашова Л.Г.

Альметьевск 2002 год.

Описание технологического процесса КУПВСН.

Сырая нефть (газожидкостная смесь) с бригад №1,2,3 нефтепромысла №3 НГДУ, разделенные потоками поступает в горизонтальные сепараторы холодной ступени сепарации (отбор газа от нефти). В сепараторе отбирается основной объем газа. Отрегулированный газ из сепараторов первой ступени сепарации через газоосушитель откачивается компрессором на Миннибаевский ГПЗ. В случае отказа и не принятия газа на МГПЗ предусмотрена подача газа на факельный стояк, где сжигается. Дегазированная эмульсия на КУПВН и ДНС-3 ЦДНиГ №3, ДНС-2 и ЦДНиГ №2 и ДНС-1539 ЦДНиГ №1, ДНС-10 ЦДНиГ №6 направляется через узел учета в блок предварительного холодного сброса. Узел учета служит для определения количества поступающей жидкости отдельно по каждому ЦДНиГ в бригаде. Для улучшения процессов обезвоживания и обессоливания в нефть перед узлом учета подается на деэмульгатор. После узла учета сырая нефть общим потоком направляется в блок предварительного холодного сброса воды (отстойники 1,2,3).

Вся жидкость с промыслов после предварительного холодного сброса общим потоком поступает в каплеобразователь. Каплеобразователь – труба диаметром 500мм, длиной 80м, предназначен для разрушения бронирующих оболочек на глобулах пластовой воды, укрупнение глобул и расслаивания потока на нефть и воду перед отстаиванием эмульсии. Укрупнение капель происходит непосредственно в потоке нефти на стенках каплеообразователя за счет турбулентности потока. На вход в каплеообразователь подается дренажная вода из отстойников первой и второй ступени горячего отстоя. Температура дренажной воды 40-50⁰ С. Тепло дренажной воды и остаточный регент в ней способствует уменьшению глобул и расслоению на нефть и воду. Подготовленная в каплеобразователе эмульсия поступает в отстойники предварительного сброса воды №1-3. Ввод эмульсии в отстойники осуществляется через специальное распределительное устройство, способствующее быстрому отделению воды от нефти под водяную подушку (гидрофильного фильтра), капельки воды сливаются с каплями фильтра, а нефть всплывает на поверхность водной подушки. Для получения нефти с наименьшим содержанием воды в отстойниках предварительного холодного сброса необходимо поддерживать водяную подушку толщиной 90-150 см.

Контроль за межфазным уровнем осуществляется с помощью прибора “Элита” на отстойниках 1,2,3,6,7,8 и визуальна через контрольные краники. Сброс воды из отстойников производится автоматически клапанами-регуляторами исполнения ВЗ (воздух закрывает). При увеличении уровня выше допустимого сигнала прибора ”Элита” поступает через вторичный прибор и КПС (электромагнитный клапан) на клапан-регулятор. Клапан открывается и происходит сброс воды. При уменьшении уровня клапан закрывается.

Нефть из отстойников предварительного сброса через буферную емкость Е-4 поступает на прием сырьевых насосов, куда подается деэмульгатор в количестве 15-25 г/т.

Сырьевыми насосами типа ЦНС-180/120 нефть прокачивают через трубные пространства теплообменников 1, 1+6 две гурьевские печи, третья в резерве, отстойниках первого горячего отстоя. В трубах теплообменников сырая нефть подогревается теплом уходящей с установки готовой нефти до 20-30⁰С, после чего поступает в гурьевские печи. В гурьевских печах происходит нагрев до 50-60⁰С за счет тепла сжигаемого девонского газа. Нефть в печах движется двумя потоками. Нагретая нефть из печей общим потоком через отстойники первой группы №6-9 и второй группы №13 горячего отстоя, горизонтальные электродегидраторы IЭГ-160 № I+3 затрубное пространство теплообменников Т- I+3 поступает в буферные емкости Е-7 V=200 м³ , №5+IO и РВС – 5000.

Технологическая обвязка отстойников предварительного холодного сброса воды, первая группа горячего отстоя осуществлена так, что они могут работать параллельно, последовательно и взаимозаменять друг друга. В отстойниках первой и второй группе горячего отстоя происходит обессоливание нефти в электрическом поле. Обессоливание производится за счет вымывания солей из нефти пресной водой подаваемой в поток нефти перед электродегидраторами (периодически при ухудшении качества). Пресная вода перемешивается с нефтью, образует нестойкую эмульсию, которая разрушается в электрическом поле электродегидраторов. Электроды также включаются периодически при ухудшении качества подготовки нефти.

Внутренняя начинка отстойников первой группы горячего отстоя аналогична начинке отстойников предварительного сброса. Ввод нефти в отстойнике может осуществляться через верхние или боковые патрубки.

Толщина водяной подушки в отстойниках первой группы горячего отстоя поддерживается около 40 см. Контроль уровня и сброс дренажных вод осуществляется так же как на отстойниках предварительного холодного сброса воды. В отстойниках второй группы подушка отсутствует. Вода, отстоявшаяся в этих отстойниках направляется в каплеобразователь для повторной обработки и использованию тепла. Контроль раздела фаз нефть-вода в электродегидраторах осуществляется по контрольным краникам, а поддержание уровня производится автоматикой. Очистка сточных вод осуществляется на очистных сооружениях при Куакбашской установке.

В состав очистных сооружений входят 4 шт отстойника V=200 м³, РВС – 5000 7 шт. Очищенная сточная вода с РВС – 5000 самотеком подается на кустовую насосную станцию КНС-123 и подпорными насосами ЦНС-300 на КНС-121 для закачки в пласт в целях поддержания пластового давления. Уловленная в отстойниках и РВС-5000 нефть сбрасывается в систему канализации.

Краткая теория по теплообменникам.

В химической промышленности широко распространены тепловые процессы - нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменными аппаратаминазываются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому для осуществления различных тепловых процессов, например, нагревания, охлаждения, кипения, конденсации или более сложных физико-химических процессов – выпарки, ректификации, абсорбции.

Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена.

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам.

В качестве прямых источников тепла в химической технологии используют главным образом топочные газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива, и электрическую энергию. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку теплообменника нагреваемой среде, носят название промежуточных теплоносителей.К числу распространенных промежуточных теплоносителей относятся водяной пар и горячая вода, а также так называемые высокотемпературные теплоносители - перегретая вода, минеральные масла, органические жидкости (и их пары), расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы.

В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10-30⁰С) применяют в основном воду и воздух.

Все теплообменные аппараты по способу передачи тепла разделяются на две большие группы: поверхностные теплообменные аппаратыиаппараты смешения. В поверхностных аппаратах передача тепла от одного теплоносителя к другому осуществляется с участием твердой стенки. Процесс теплопередачи в смесительных теплообменных аппаратах осуществляется путем непосредственного контакта и смешения жидких и газообразных теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты в свою очередь подразделяют на рекуперативныеи регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала. В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая в один период нагревается, аккумулируя тепло «горячего» теплоносителя, а во второй период охлаждается, отдавая тепло «холодному» теплоносителю.

Рекуперативные теплообменные аппараты классифицируются по следующим признакам:

· По роду теплоносителей в зависимости от их агрегатного состояния:

паро-жидкостные; жидкостно-жидкостные; газо-жидкостные; газо-газовые; паро-газовые.

· По конфигурации поверхности теплообмена:

трубчатые аппараты с прямыми трубками; спиральные; пластинчатые; змеевиковые.

· По компоновке поверхности нагрева:

типа «труба в трубе»; кожухотрубчатые; оросительные аппараты.

Теплообменные аппараты поверхностного типа, кроме того классифицируются по назначению (подогреватели, холодильники и т.д.); по взаимному направлению теплоносителей (прямоток, противоток, смешанный ток и т.д.); по материалуповерхности теплообмена; по числу ходов и т.д.

Описание работы объекта.

При истечении жидкостей в теплообменнике температура их изменяется: горячая жидкость охлаждается, а холодная нагревается. Характер изменения температуры жидкости, движущейся вдоль поверхности нагрева, зависит от схемы ее движения. В теплообменных аппаратах применяются в основном три схемы движения жидкостей:

· прямоточная, когда горячая и холодная жидкости протекают параллельно;

· противоточная, когда горячая и холодная жидкости протекают в противоположном друг другу направлении;

· перекрестная, когда жидкости протекают в перекрестном направлении.

А.

Б.

Рис. 2. Односекционный теплообменник «труба в трубе».

1 – штуцер на D_y= 100 мм и p_y= 40 кгс/см²; 2 – штуцер на D_y= 150 мм и p_y= 25 кгс/см²; 3 – опора; 4 – наружная труба; 5 – решетка для наружных труб; 6 – колпак; 7 – калач; 8 – внутренняя труба; 9 – распределительная коробка; 10 – штуцер на D_y= 150 мм и p_y= 25 кгс/см²; 11- решетка для внутренних труб; 12 – крышка.

Расчетная часть.

t_x1 — входная температура холодной нефти, ⁰С;

G_x. — расход холодной нефти, кг/с;

T_x2 — выходная температура нагретой нефти,⁰С ;

G_г— расход горячей нефти, кг/с;

t_г1,t_г2— соответственно температура горячей нефти на входе и выходе, ⁰С.

Регрессионный и корреляционный анализ.

Линейная регрессия от одного параметра.

T(G) = 30,545 – 5,193·10^-3·G

Параболическая регрессия.

T(t)= 42,769 –2,895·t + 0,144·t²

Метод множественной корреляции.

T(G,t) = 26,664 – 0,0036·G + 0,274·t

Тепловой расчет теплообменника «труба в трубе».

Исходные данные:

Для греющей нефти:

d₂= 55 мм d₁= 50 мм t₁₁= 60 ºCG₁= 16.67

C_p60= 1,9 δ_c= 25 мм

Для нагреваемой нефти:

ρ₂= 885 t₂₁= 10 ºC t₂₂= 30 ºC G₂=34,72 D= 90 мм

С_р10= 1,61 С_р30= 1,73

Решение:

Количество переданного тепла:

Температура греющей воды на выходе:

Находим средние арифметические значение температур теплоносителей и значения физических свойств при этих температурах:

При этой температуре основные параметры греющей нефти:

При этой температуре основные параметры нагреваемой нефти:

Скорость движения теплоносителей:

Критерий Рейнольдса для потока греющей нефти:

Температура стенки:

Коэффициент теплоотдачи от греющей нефти к стенке трубы:

Критерий Рейнольдса для потока нагреваемой нефти:

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемой нефти:

Коэффициент теплопередачи:

Тепловой баланс:

Уравнение динамики процесса теплопередачи.

Теплообменник является сложным объектом с распределенными параметрами. При выводе уравнений динамики необходимо принять ряд допущений.

1) Количество тепла, которое проходит в направлении потока как в жидкости так и в стенке трубы не учитывается.

2) Используются средние значения температур по сечению трубопровода и рассматривается изменение температуры только по направлению потока.

3) Такие параметры как теплоемкость, плотность и коеффициенты теплоотдачи считаются постоянными.

4) Механической энергией по сравнению с тепловой и потерями тепла в окружающую среду пренебрегаем.

Рассмотрим теплообменник типа «труба в трубе».

В данном случае рассматривается процесс теплообмена между двумя жидкостями, протекающие в концентрически расположенных трубках, когда нагреваемой является жидкость во внешней трубке.

Для данного теплообменника можно записать следующие уравнения, которые характеризуют процесс теплообмена. В этих уравнениях индекс ‘1’ относится к внутреннему потоку, а индекс ‘2’ ко внешнему потоку.

Уравнение для потока в трубке:

Введем обозначения

Уравнение для стенки трубки:

Уравнение для потока в межтрубном пространстве:

Уравнение динамики: зависимость выходной температуры нагреваемой нефти Θ₂ от температуры греющей нефти Θ₁и температуры стенок трубки Θ_ст.

Оптимизация технологического процесса.

Для данного технологического процесса (теплообмен между жидкостями) применим метод оптимизации – метод сканирования.

Запишем статическую функцию объекта:

T(G,t) = 26,664 – 0,0036·G + 0,274·t

Составим программу оптимизации:

Вывод: программа определила максимальную температуру нагреваемой нефти на выходе из теплообменника

оптимальный расход нагреваемой нефти

оптимальная температура нагреваемой нефти на выходе

Выводы по проделанной работе.

1. Корреляционный и регрессионный анализ работы объекта показал, что

зависимость выходной температуры нагреваемой нефти от расхода не наблюдается, так как,

во-первых, коэффициент корреляции меньше нуля

во-вторых, это наглядно показывает уравнение регрессии

T(G) = 30,545 – 5,193·10^-3·G

(при изменении расхода G, температура Т практически не изменяется)

2. В ходе теплового расчета теплообменника выяснились следующие тепловые показатели аппарата:

· коэффициент теплоотдачи от нагревающей жидкости к стенке трубки

· коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к нагреваемой нефти

· коэффициент теплопередачи

Тепловой баланс процесса:

разница между количеством переданной теплоты и принятой теплоты не очень велика.

3. Было получено следующее уравнение динамики процесса теплообмена

4. Оптимизация процесса теплообмена было проведено по статической функции объекта T(G,t) = 26,664 – 0,0036·G + 0,274·t. Выяснилось, что

· максимальная выходная температура нагреваемой нефти равна

· оптимальная входная температура нагреваемой нефти равна

· оптимальный расход нагреваемой нефти равен

Список литературы:

1. Кафаров “Методы кибернетики в нефтехимической промышленности”.

2. Бояринов, Кафаров “Методы оптимизации”.

3. Лутошкин Г.С. “Сбор и подготовка нефти, газа и воды к транспорту”

4. Юренев В.Н., Лебедев П.Д. Теплотехнический справочник. Том №2.

Содержание:

1. Описание технологического процесса КУПВСН стр. 1

2. Краткая теория по теплообменник стр.3

1. Описание работы объектастр. 6
2. Расчетная часть стр.7

4.1. Регрессионный и корреляционный анализ стр. 9

4.2. Тепловой расчет теплообменника «труба в трубе» стр.13

4.3. Уравнение динамики процесса теплопередачи стр. 16

4.4. Оптимизация технологического процесса стр. 19

5. Выводы по проделанной работе стр. 20

6. Список литературыстр. 22