1 Технологія та схема процесу низькотемпературної сепарації з використанням рекуперативного теплообмінника
Максимальна кількість важких вуглеводнів, видобутих з газового потоку в процесі підготовки газу, досягається при тиску максимальної конденсації (тиск сепарації) і оптимально низької температури газу (температура сепарації).
У процесі промислової підготовки газу на установках низькотемпературної сепарації (НТС) температуру сепарації визначають виходячи з умови забезпечення процесу транспорту газу в однофазному стані і ступеня вилучення з газового потоку важких вуглеводнів. Оптимальну величину температури сепарації, що відповідає умовам забезпечення процесу транспортування газу в однофазному стані і максимальному ступені вилучення вуглеводнів з газового потоку, приймаємо в якості заданої температури Тзад.
На початковому етапі експлуатації родовища при високій величині тиску на установку збору і підготовки газу, температуру газу приймають нижче середньозваженої величини температури газового потоку, піддається сепарації:
де Т2 - температура газу перед установкою НТС, К;
DР - різниця тисків перед установкою НТС (після сепаратора І ступеня) і низькотемпературних сепаратором (перепад на дроселі), кгс / см 2.
Dj - коефіцієнт Джоуля-Томпсона (для інженерних розрахунків Dj ≈0,3 0 С / (кгс / см 2).
Тиск сепарації до введення в експлуатацію дожимні компресорних станцій підтримують постійним, його величину визначає тиск в газопроводі, що приймає газ після підготовки. В таких умовах при зниженні пластового тиску величина тиску на вході в установку збору і підготовки Газопромислове продукції знижується, і отже, перепад тиску на дроселі D Р падає, що ставати причиною зростання величини температури сепарації. Після деякого часу експлуатації родовища температура сепарації Тсепо стає рівною заданій температурі Тзад.
При подальшій розробці родовища для підтримки температури сепарації на заданому рівні використовують рекуперативні теплообмінники. Схему процесу низькотемпературної сепарації з використанням рекуперативного теплообмінника представлено на малюнку 1. У промислових умовах найбільш часто застосовують теплообмінники типу «труба в трубі» і кожухотрубні. Схематично їх конструкції зображені на малюнку 2.
Як на установках підготовки нафти, так і на установках комплексної підготовки газу та газопереробних заводах застосовують теплообмінники трьох типів-кожухотрубчасті (рис.1, а), «труба в трубі» (рис. 1, б) і пластинчасті теплообмінні апарати (рис.2 ).
Учням перш за все необхідно усвідомити, як передається теплота від гарячого теплоносія до холодного теплоносія в теплообмінних апаратах. Необхідно пам'ятати, що в теплообмінниках процес передачі теплоти через стінку може здійснюватися трьома способами: теплопровідністю, конвекцією і випромінюванням (випромінюванням).
Теплопровідністю називається процес поширення теплоти шляхом коливального руху частинок речовини при їх взаємному зіткненні без відносного переміщення, т. Е. Цей процес передачі теплоти може протікати тільки в металах.
Конвекція - поширення теплоти шляхом перенесення його рідкими або газоподібними частками, що переміщаються щодо один одного.
Процес поширення теплоти шляхом злектромагнітних коливань, що викликаються променистою енергією, називається випромінюванням.
1 - шлейф свердловини; 2 - Каплевідбійники (сепаратор І ст.); 3 - рекуперативний теплообмінник; 4 - редукує штуцер; 5 - низькотемпературний сепаратор; 6 - конденсатосборник
Малюнок 1 Схема процесу низькотемпературної сепарації з використанням рекуперативного теплообмінника
При проектуванні установок підготовки нафти і газу в частині вибору теплообмінної апаратури для них найчастіше доводиться мати справу з двома першими процесами передачі теплоти-теплопровідністю і конвекцією.
Розглянуті види передачі теплоти рідко зустрічаються в чистому вигляді; зазвичай вони супроводжують один одного (складний теплообмін). Так, при передачі теплоти через стінку перенесення теплоти від гарячого теплоносія до стінки і від стінки до холодного теплоносія здійснюється конвекцією, а через стінку - шляхом теплопровідності.
При проектуванні нових теплообмінних апаратів можна поставити три завдання:
1) визначення поверхні нагрівання F, необхідної для передачі заданої кількості теплоти Q від гарячого теплоносія до холодного;
2) розрахунок кількості теплоти Q, що передається через відому поверхню нагріву F,
3) знаходження кінцевих температур теплоносіїв, якщо відомі величини F і Q.
І - теплоносій рухається по трубах;
ІІ - теплоносій рухається в міжтрубному просторі.
Малюнок 1 - Конструкції теплообмінників:
а) кожухотрубчасті (1 - корпус теплообмінника; 2 - трубки; 3 - перегородка);
б) теплообмінник типу «труба в трубі» (1 - зовнішні труби; 2 - внутрішні труби; 3 - «калач»)
1 - нерухома плита; 2 - гофрована теплообмінна пластина; 3 - прокладка; 4 - кінцева пластина; 5 - рухома пластина
Малюнок 2 - Схеми пластинчастих теплообмінників (а - розбірного, б - зварного)
Рівняння теплопередачі. Для проектування процесу передачі теплоти необхідно, як відомо, наявність деякої різниці температур між гарячим і холодним теплоносіями. Ця різниця температур є рушійною силою процесу теплопередачі і називається температурним напором, тобто
Десь - температура гарячого теплоносія;
t -температурахолодного теплоносія.
Необхідно пам'ятати також, що чим більше температурний напір # 916; t, тим вище швидкість передачі теплоти; причому кількість теплоти, переданої від гарячого теплоносія до холодного, пропорційно поверхні теплообміну F, температурний напору # 916; t і часу # 964 ;. т. е.
де К - коефіцієнт пропорційності, що називається коефіцієнтом теплопередачі і представляє собою кількість теплоти, що пройшла через одиницю поверхні в одиницю часу при температурному напорі, що дорівнює одиниці.
Якщо Q висловити в Дж, F- в м 2; # 964; -в з і # 916; t -у ° С, то коефіцієнт теплопередачі матиме розмірність
Якщо Q виражено в ккал, а # 964; -в ч, то розмірність коефіцієнта теплопередачі буде
Для перекладу в Вт / м 2 · 0 С) значення К, виражені в ккал / м 2 · год · 0 С), треба помножити на коефіцієнт 1,16.
При безперервному процесі під тепловим навантаженням Q розуміють кількість теплоти в Вт, переданої за одиницю часу. Тоді рівняння (115) можна записати так:
У процесах теплообміну зазвичай змінюються температури теплоносіїв, а отже, і температурний напір: гарячий потік охолоджується, а холодний - нагрівається.
Характер зміни температури потоку, що рухається вдольповерхності нагріву, залежить від схеми його руху.
У теплообмінних апаратах застосовуються в основному три схеми руху потоків: 1) прямоточная, коли гарячий і холодний потік протікають паралельно; 2) протівоточная, коли гарячий і холодний потік протікають в протилежному один одному напрямку; 3) перехресна, коли потоки протікають в перехресному напрямку.
На рис.3 наведено схема теплообмінників типу «труба в трубі» і розподіл температури при прямотоке (а) і противотоке (б) за відповідними довжинами. Розглядаючи криві зміни температур при прямотоке (а), можна прийти до висновку, що не можна нагріти входить холодний теплоносій з початковою температурою tн вище температури виходить гарячого теплоносія Тк, т. Е. Завжди буде tн <Тк , что обусловливается термическим сопротивлением стенок теплообменника. При противотоке же конечная температура холодного теплоносителя tк может быть выше конечной температуры горячего теплоносителя Тк , что показано на схеме, т. е. tк> тк
Мал. 3. Характер зміни температури робочих рідин при прямо-струмі (а) і противотоке (б)
При прямотоке і противотоке, які переважно використовуються в теплообмінних апаратах, температурний напір визначається за среднелогаріфміческой або середньоарифметичної різниці температур:
для прямотока (4)
для протитоку (5)
За наведеними формулами виходять збігаються результати. Тому для протитоку і прямотока замість формул (4) і (5) можна написати одну.
де # 916; tб і # 916; tм-різницю температур між потоками; # 916; tб -велика різниця; # 916; tм -Менше різницю.
якщо відношення # 916; tб / # 916; tм> 2, то визначається среднелогаріфміческая температура за формулою (6); якщо відношення # 916; tб / # 916; tм <2, то определяется среднеарифметическая температура по формуле
Рівняння теплопровідності. Якщо теплота переноситься шляхом теплопровідності через стінку, то її кількість пропорційно поверхні F, різниці температур між обома поверхнями стінки. часу # 964; і обернено пропорційно товщині стінки # 948 ;:
де tст1 і tст2 -температури поверхонь стінки.
коефіцієнт пропорційності # 955; називається коефіцієнтом теплопровідності. Його розмірність наступна:
Якщо Q вsражено в ккал, а # 964; -в ч, то розмірність теплопровідності
причому для перекладу в Вт / м2 · 0 С значення # 955 ;, вираженого в ккал / м · год · ° С, треба помножити це значення на коефіцієнт 1,16.
коефіцієнт # 955; залежить від властивостей матеріалу стінки і від її температури, значення яких будуть розглядатися на практичних заняттях.
Рівняння (8) називається рівнянням теплопровідності і відрізняється воно від рівняння теплопередачі (2) тим, що замість коефіцієнта К в нього входить вираз # 955; / # 948 ;.
Рівняння передачі теплоти конвекцією. При передачетеплоти конвекцією (рідина і газ) у поверхні стінки утворюється ламінарний прикордонний шар, через який теплота передається | шляхом теплопровідності. За межами цього шару температура мало змінюється в міру віддалення від стінки, що пояснюється інтенсивним перемішуванням теплоносія при русі окремих його часток.
Рівняння передачі теплоти шляхом конвекції записується подібно до рівняння (2):
з тією лише різницею, що в рівняння (2) входить різниця температур # 916; t між обома теплоносіями (Т-t>, а в рівняння (9) -різницю температур між теплоносієм і стінкою (Т-tст1>). Величина # 945 ;, що входить в рівняння (9), називається коефіцієнтом тепловіддачі; він має таку ж розмірність, як і коефіцієнт теплопередачі К., т. е. Вт / (м2 • ° С).
Вище було відзначено, що в теплообмінних апаратах має місце складний теплообмін, який залежить як від температури теплоносіїв, так і від матеріалу, з якого зроблений теплообмінник.
Спробуємо розрахувати цей складний процес теплообміну.
Характер зміни температур в плоскій і циліндричній стінці показаний відповідно на рис. 4, а, б. В шарі гарячого теплоносія температура змінюється від Т до tст1. по товщині стінки-від tст1 до tст2, і в шарі холодного теплоносія від tст2 до t.
Мал. 4. Характер зміни температури вплоской (а)
і циліндричної (б) стінці;
Напишемо рівняння передачі теплоти:
де # 945; 1 й # 945; 2-коефіцієнти тепловіддачі від гарячого теплоносія до стінки від стінки до холодного теплоносія відповідно.
Поверхня теплообміну при плоскій стінці є постійною величиною.
При сталому процесі кількість теплоти, переданої від гарячого теплоносія до стінки Q1. через стінку Qст іот стінки до холодного теплоносія Q2 має бути однаковим:
Із системи рівнянь (10) визначимо температурні напори:
Тоді загальний температурний напір:
Ставлення Q / F = q, що представляє собою кількість теплоти, переданої через одиницю поверхні в одиницю часу називають питомою тепловим навантаженням (Вт / м 2).
Величини 1 / # 945; 1 = r1 і 1 / # 945; 2 = r2. зворотні коефіцієнту тепловіддачі, називають тепловим опором при переході теплоти через прикордонний шар теплоносія (розмірність м 2 0 С / Вт).
Загальний температурний перепад дорівнює сумі приватних перепадів, які визначаються в системі рівнянь (11)
Підставляючи в рівняння 12 приватні рівняння температурних напорів отримаємо:
Рівняння (13) використовують для визначення коефіцієнта теплопередачі при відомих коефіцієнтах тепловіддачі і товщини стінки).
Коефіцієнт теплопередачі через циліндричну стінку визначається за формулою (див. Рис. 4, б)
де К - коефіцієнт теплопередачі від гарячого потоку до стінки труби, Вт / (м2 • ° С) .; # 945; 1 - коефіцієнт тепловіддачі від гарячого потоку до стінки, Вт / (м2 • ° С); # 945; 2 - коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до нагрівається потоку або в зовнішнє середовище, Вт / (м2 • ° С), d1, d2 - відповідно внутрішній і зовнішній діаметри трубопроводу, м; # 955; - коефіцієнт теплопровідності, Вт / (м2 • ° С).
У переважній більшості випадків # 945; 1> # 945; 2. позтому для розрахунків величиною 1 / # 945; 1 нехтують і вважають, що температура потоку дорівнює температурі стінки, т. е. tп = tст:
Для визначення зовнішнього коефіцієнта тепловіддачі від підземного трубопроводу користуються формулою
де hо -глибина закладення трубопроводу в грунт, м. # 955; гр коефіцієнт теплопровідності ґрунту, Вт / (м2 • ° С); Dн - зовнішній діаметр труби, м.
Визначення температури стінки. При розрахунку теплообмінних апаратів часто доводиться визначати температуру поверхні стінки.
Для визначення температури внутрішньої поверхні стінки # 916; tcт1 скористаємося першим рівнянням з системи (11):
Температура зовнішньої поверхні стінки # 916; tcт2 визначиться з третього рівняння тієї ж системи, т. Е.
де # 916; t - загальний температурний напір, який визначається з рівняння (12).
Рівняння теплового балансу. При визначенні кількості переданої теплоти Q через стінку використовують равенствоQ1 = Qст = Q2 = Q і складають рівняння теплового балансу теплообмінника:
де і1 // і і1 / - початкові ентальпії (теплосодержания) потоків, Дж / кг 0 С, І2 // і І2 / - їх кінцеві ентальпії, Дж / кг, G1 і G2 масові витрати гріє (гарячого) й нагрівається (холодного) потоку, кг / с Q - кількість переданої теплоти, Вт.
Якщо теплообмін відбувається без фазових або хімічних перетворень, а їх питомі теплоємності практично не залежать від температури, то рівняння перетворюється в такий спосіб
де с1 і с2 питомі теплоємності рідин, Дж / кг ° С, або 'ккал / кг ° С, Tн і tн - відповідно початкові температури теплоносіїв, ° С; Tк і tк-кінцеві температури теплоносіїв ° С. (Рис. 4), ° С; Q-кількість теплотьі, Вт.
Визначення еквівалентного діаметру. Еквівалентний діаметр | дорівнює учетверенной площі перетину потоку, поділеній на змочений периметр.
При розрахунках теплообмінників доводиться користуватися еквівалентним діаметром, який визначається за формулами:
а) для кожухотрубних теплообмінників (див.рис. 1 а)
б) для теплообмінників типу «труба в трубі» при двіженін теплоносія в міжтрубному просторі
де F-площа перетину потоку, м 2; П-змочений периметр, м; D-внутрішній діаметр апарату або внутрішній діаметр зовнішньої труби; d- наружнsй діаметр трубок, м; п-число трубок.