Проектирование и технологический расчет кожухотрубчатого теплообменника блока предварительной гидроочистки

Введение. Цель и задачи проекта

В условиях постоянно растущего спроса на высококачественные моторные топлива и ужесточения экологических стандартов, нефтеперерабатывающая промышленность сталкивается с необходимостью глубокой переработки нефтяного сырья и удаления из него нежелательных примесей. Одним из ключевых процессов в этой цепочке является гидроочистка – каталитический процесс, направленный на снижение содержания сернистых, азотистых и других гетероатомных соединений. Эффективность и экономичность таких установок во многом зависят от оптимального функционирования теплообменного оборудования, которое позволяет утилизировать тепловую энергию и минимизировать эксплуатационные затраты. Это значит, что правильный выбор и расчет теплообменника напрямую влияет на прибыльность всего производства.

Целью настоящей курсовой работы является создание комплексного, технически обоснованного инженерного проекта кожухотрубчатого теплообменника, предназначенного для работы в блоке предварительной гидроочистки установки каталитического риформинга. Этот проект должен стать полноценной курсовой работой по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии», демонстрирующей глубокое понимание студентом теоретических основ, методик расчета и практического применения инженерных знаний в области тепломассообмена и проектирования аппаратов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд последовательных задач:

1. Анализ физико-химических основ процесса гидроочистки: Определить рабочие параметры, особенности химических реакций и их влияние на выбор конструкционных материалов и схем теплообмена.
2. Изучение нормативно-технической базы: Определить применимые стандарты и ГОСТы, регламентирующие проектирование, изготовление и контроль качества кожухотрубчатых аппаратов в условиях нефтеперерабатывающей промышленности.
3. Расчет материального и теплового балансов: На основе данных о составе сырья и продуктах реакции определить массовые расходы и тепловые потоки, необходимые для расчета теплообменника.
4. Проведение уточненного технологического расчета: Определить необходимую площадь поверхности теплопередачи, коэффициенты теплоотдачи и общий коэффициент теплопередачи с учетом специфики теплоносителей и условий эксплуатации.
5. Выполнение гидравлического расчета: Определить потери давления в аппарате и оптимизировать конструктивные параметры для достижения баланса между эффективностью теплообмена и допустимым энергопотреблением.
6. Выбор конструктивных параметров: Определить геометрические размеры аппарата, число труб, их диаметр и расположение, а также конструкцию перегородок.

Структура данной работы последовательно отражает решение этих задач, начиная от общетеоретических предпосылок и заканчивая конкретными инженерными расчетами и выводами, что обеспечивает всесторонний подход к проектированию теплообменного аппарата.

Анализ процесса: Физико-химические основы гидроочистки и требования к аппарату

Гидроочистка – это не просто химическая реакция, это сложный термогидрокаталитический процесс, который лежит в основе современного производства чистых топлив. Его главная задача – глубокое удаление из нефтяных фракций нежелательных примесей, таких как сернистые, азотистые, кислородсодержащие, а также металлоорганические соединения и непредельные углеводороды. Эти гетероатомы, присутствующие в исходном сырье, не только ухудшают качество конечного продукта (например, вызывают коррозию, снижают стабильность топлива), но и являются сильными каталитическими ядами для последующих процессов, таких как каталитический риформинг или изомеризация. По нашему опыту, игнорирование этой стадии приводит к значительному снижению эффективности последующих процессов и увеличению эксплуатационных расходов.

В основе гидроочистки лежат реакции гидрогенолиза и гидрирования, протекающие на поверхности специальных катализаторов (обычно на основе кобальт-молибденовых или никель-молибденовых сульфидов на оксиде алюминия) в присутствии водорода. Например, сероорганические соединения (меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, тиофены) реагируют с водородом, образуя насыщенные углеводороды и сероводород (R-SH + H₂ → R-H + H₂S). Аналогично, азотсодержащие соединения превращаются в аммиак (NH₃), а кислородсодержащие – в воду (H₂O). Непредельные соединения гидрируются до насыщенных, что повышает стабильность и октановое число топлив.

Эти реакции протекают при строго контролируемых параметрах: температура колеблется в пределах 280-400 °C, иногда достигая 420 °C, а давление варьируется от 3 до 7 МПа, в некоторых случаях до 8-9 МПа. Столь высокие температуры и давления, в сочетании с агрессивной средой (H₂S, NH₃, H₂O), создают уникальные вызовы для проектирования оборудования. Важной особенностью процесса является его экзотермичность – реакции сопровождаются выделением значительного количества тепла. Это тепло необходимо эффективно утилизировать, чтобы поддерживать температурный режим в реакторе и снижать энергозатраты на нагрев сырья.

Именно здесь на сцену выходят кожухотрубчатые теплообменники. Их применение в блоке предварительной гидроочистки не просто желательно, а экономически и технологически обосновано. Они позволяют утилизировать тепло горячего гидроочищенного продукта, выходящего из реактора, для предварительного нагрева холодного исходного сырья до температуры начала реакции. Этот рекуперативный теплообмен значительно снижает нагрузку на топливные печи, что ведет к существенной экономии энергоресурсов и снижению операционных расходов установки в целом. Таким образом, теплообменник выступает не только как аппарат для передачи тепла, но и как ключевой элемент энергоэффективности всего технологического процесса.

Выбор конструкционных материалов

Условия эксплуатации в процессе гидроочистки – это настоящий вызов для инженеров-материаловедов. Высокие температуры, значительные давления и, что особенно критично, агрессивная водородно-сульфидная среда создают уникальные требования к выбору конструкционных материалов. Сероводород (H₂S), аммиак (NH₃) и вода (H₂O) в сочетании с высокими температурами вызывают различные виды коррозии, включая водородную хрупкость, сульфидную коррозию и щелочное растрескивание под напряжением. Обычные углеродистые стали, широко используемые в менее агрессивных условиях, здесь абсолютно неприемлемы. Это ключевой фактор, определяющий долговечность и безопасность всего оборудования.

Для обеспечения надежной и долговечной работы теплообменника, особенно в горячей части процесса (более 250 °C), необходимо применять специальные коррозионностойкие стали. В отечественной практике, а также в соответствии с мировыми стандартами, для теплообменных труб и кожуха аппаратов, контактирующих с агрессивными потоками, предпочтение отдается хромоникелевым нержавеющим сталям. Среди них особенно выделяются марки 12Х18Н10Т (являющаяся аналогом популярной зарубежной марки AISI 321) и 10Х17Н13М2Т (аналог AISI 316Ti).

Сталь 12Х18Н10Т – это аустенитная нержавеющая сталь, легированная хромом (17-19%), никелем (9-11%) и стабилизированная титаном (не менее 5C, но не более 0.8%). Хром обеспечивает высокую коррозионную стойкость, никель – стабильность аустенитной структуры и улучшенные механические свойства, а титан предотвращает межкристаллитную коррозию, связывая углерод в карбиды титана и не давая ему образовывать карбиды хрома по границам зерен, особенно при сварке или работе в диапазоне сенсибилизации (450-850 °C). Эта сталь хорошо зарекомендовала себя в условиях сернистых сред и при повышенных температурах.

Сталь 10Х17Н13М2Т, в свою очередь, является улучшенной версией предыдущей, поскольку дополнительно легирована молибденом (2-3%). Молибден значительно повышает стойкость стали к питтинговой и щелевой коррозии, а также к коррозии в хлоридсодержащих средах и восстановительных кислотах. Это делает 10Х17Н13М2Т особенно ценной в условиях, где возможно присутствие галогенидов или более агрессивных сернистых соединений. Титан также присутствует для стабилизации, обеспечивая стойкость к межкристаллитной коррозии.

Выбор между этими марками часто зависит от конкретного состава сырья, предполагаемого уровня агрессивности среды и экономических соображений. Однако в любом случае, применение таких высоколегированных сталей является обязательным требованием для обеспечения прочности, надежности и долговечности теплообменного оборудования в жестких условиях гидроочистки. Кроме того, необходимо учитывать, что термическое сопротивление загрязнений (R_загр) для таких сред будет выше, чем для чистых жидкостей, что также накладывает свои ограничения на расчет и эксплуатацию. При проектировании аппаратов для гидроочистки принимаются консервативные значения R_загр, что обусловлено неизбежным образованием отложений (кокса, сульфидов железа) на поверхности теплообменных труб. Это критически важно для поддержания расчетной эффективности теплообмена на протяжении всего межремонтного пробега, что позволяет сократить частоту остановок на обслуживание и увеличить производительность.

Нормативно-техническое обеспечение проектирования

Проектирование любого сложного аппарата, тем более для нефтегазовой и химической промышленности, невозможно без строжайшего соблюдения нормативно-технической документации. Эти документы являются не просто рекомендациями, а обязательными сводами правил, которые гарантируют безопасность, надежность, долговечность и взаимозаменяемость оборудования. В Российской Федерации эта сфера регулируется обширным комплексом ГОСТов, ОСТов и РД, которые охватывают все аспекты – от выбора материалов до методов контроля качества.

В контексте кожухотрубчатых теплообменников, используемых в нефтепереработке, особое место занимает ГОСТ 31842-2012 «Нефтяная и газовая промышленность. Теплообменники кожухотрубчатые. Технические требования». Этот стандарт не просто устанавливает общие положения, он является национальным эквивалентом международного стандарта ISO 16812:2007, что подчеркивает его актуальность и соответствие мировым инженерным практикам. Принятие данного ГОСТа было значимым шагом к унификации требований к теплообменному оборудованию, используемому в критически важных отраслях промышленности.

Требования ГОСТ 31842-2012

ГОСТ 31842-2012 является краеугольным камнем для проектирования кожухотрубчатых теплообменников, определяя всеобъемлющие требования к их конструкции, используемым материалам, процессам изготовления, методам контроля качества, испытаниям и даже к процедурам подготовки к отгрузке. Он применим к стальным кожухотрубчатым аппаратам различного назначения – будь то теплообменники, конденсаторы, холодильники или испарители, – работающим под расчетным давлением не более 21 МПа (что покрывает требования процесса гидроочистки) и при температуре стенки не ниже -70 °С. Это широкий диапазон, позволяющий охватить большинство технологических процессов. Соблюдение этого стандарта гарантирует, что аппарат будет не только функциональным, но и безопасным в эксплуатации, снижая риски аварий и простоев.

Особое внимание в стандарте уделено разделу 5, посвященному требованиям к проектированию и конструкции. Здесь регламентируются такие критически важные аспекты, как:

• Узлы соединения трубной решетки: Эти элементы являются одними из наиболее нагруженных и подверженных коррозии, поэтому их конструкция, методы крепления труб (развальцовка, сварка или их комбинация) и уплотнения должны обеспечивать герметичность и прочность в течение всего срока службы. Стандарт устанавливает минимальные толщины трубных решеток и способы их крепления к кожуху.
• Трубный пучок: Конфигурация трубного пучка (треугольная, квадратная), шаг труб, их длина и количество, а также способы крепления к трубным решеткам – все это влияет на эффективность теплообмена и гидравлическое сопротивление. ГОСТ регламентирует минимальные зазоры между трубами и кожухом для обеспечения ремонтопригодности и возможности очистки.
• Противоударная защита: В аппаратах, где возможны высокоскоростные потоки на входе, стандарт требует установки специальных противоударных устройств (отбойных щитков), чтобы предотвратить эрозионный износ трубного пучка.
• Противобайпасные устройства: Для предотвращения перетекания теплоносителя мимо трубного пучка (байпасирования), что снижает эффективность теплообмена, стандарт требует использования специальных уплотнительных элементов или перегородок, направляющих поток через трубный пучок.
• Плавающая головка: Для компенсации температурных деформаций трубного пучка и кожуха, возникающих из-за разности температур сред, в конструкции теплообменников часто применяется плавающая головка. ГОСТ определяет требования к ее конструкции и уплотнениям, что особенно важно для аппаратов, работающих с большими перепадами температур и в агрессивных средах.

Кроме того, стандарт устанавливает требования к расположению и размерам штуцеров, люков, опор, а также к маркировке и комплектности поставки. Он также обязывает проектировщиков учитывать возможность проведения ремонтных работ, очистки и инспекции аппарата.

Контроль качества и прочности

Помимо основного ГОСТ 31842-2012, при проектировании и изготовлении кожухотрубчатых теплообменников необходимо руководствоваться целым рядом сопутствующих нормативных документов, регламентирующих конкретные аспекты качества и прочности. Эти стандарты обеспечивают комплексный подход к обеспечению надежности оборудования.

Ключевые среди них:

• ГОСТ 28759.2-90 и ГОСТ 28759.3-90: Эти стандарты устанавливают требования к конструкции и размерам стальных приварных фланцев для сосудов и аппаратов. Правильный выбор фланцев с учетом рабочего давления, температуры и агрессивности среды является критически важным для обеспечения герметичности и прочности соединений.
• ГОСТы на прокладки: Различные типы прокладок (паронитовые, спирально-навитые, металлические) выбираются в зависимости от параметров среды и фланцевого соединения. Их правильный выбор и установка гарантируют отсутствие утечек.
• ГОСТ 9.014-78: Этот стандарт регулирует временную противокоррозионную защиту изделий, что важно на этапе хранения и транспортировки аппарата до его монтажа на объекте.
• Методы неразрушающего контроля (НК): Качество сварных швов, литых и кованых деталей, а также исходного проката должно быть подтверждено различными методами НК, чтобы исключить дефекты, которые могут привести к авариям в процессе эксплуатации.
  • Для ультразвукового контроля листового проката (например, для изготовления кожуха или трубных решеток) применяется ГОСТ 22727-88 «Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля». Этот стандарт позволяет выявлять внутренние дефекты (расслоения, трещины, поры), которые невидимы при внешнем осмотре, но могут стать причиной разрушения конструкции под давлением.
  • Для контроля поковок (например, для фланцев, горловин, патрубков) используется ГОСТ 24507-80 «Контроль неразрушающий. Поковки. Методы ультразвукового контроля». Поковки, как правило, подвергаются значительному механическому напряжению, и наличие в них скрытых дефектов недопустимо.

Таким образом, комплексное применение нормативно-технической документации является неотъемлемой частью инженерного проектирования. Оно обеспечивает не только техническую обоснованность решений, но и их соответствие стандартам безопасности, надежности и качества, что особенно важно для объектов повышенной опасности, к которым относятся установки нефтепереработки.

Расчет материального и теплового балансов установки

Прежде чем приступить к проектированию теплообменного аппарата, необходимо четко понимать, какие потоки веществ и энергии будут через него проходить. Для этого проводятся материальный и тепловой балансы всей технологической установки гидроочистки. Эти расчеты являются фундаментальной основой, обеспечивающей исходные данные для дальнейшего технологического проектирования, в том числе и для определения тепловой нагрузки на теплообменник.

Материальный баланс

Материальный баланс установки гидроочистки – это количественное описание всех входящих и выходящих потоков веществ. Он позволяет определить массовые расходы (G или m) сырья, реагентов и продуктов реакции. Исходным сырьем для блока гидроочистки в данном случае является дизельное топливо, содержащее различные примеси, в первую очередь сернистые соединения. В реактор также подается водородсодержащий газ (ВСГ), необходимый для реакций гидрогенолиза и гидрирования. Продуктами реакции являются гидроочищенное топливо, а также побочные продукты – сероводород (H₂S), аммиак (NH₃) и вода (H₂O), образующиеся в результате удаления гетероатомов.

Рассмотрим ключевой аспект материального баланса – расчет выхода сероводорода. Это один из наиболее важных параметров, так как H₂S является агрессивным компонентом, требующим специального оборудования и особых мер безопасности. Выход сероводорода (B_H2S) напрямую связан со снижением содержания серы в исходном сырье. Если известно начальное содержание серы в сырье (S_нач) и конечное содержание серы в гидроочищенном продукте (S_кон), то снижение содержания серы (ΔS) можно выразить как:

ΔS = Sнач - Sкон

Формула для расчета выхода сероводорода (B_H2S) на основе снижения содержания серы в сырье (ΔS) выглядит следующим образом:

BH2S = (ΔS ⋅ MH2S) / MS (в % масс. от сырья)

Где:

• B_H2S — выход сероводорода, % масс.
• ΔS — снижение содержания серы в сырье, % масс. (часто выражается в единицах концентрации, например, ppm или % масс.).
• M_H2S — молярная масса сероводорода, равная 34 г/моль.
• M_S — молярная масса серы, равная 32 г/моль.

Пример расчета: Если содержание серы в сырье снижается на 1 % масс., то выход сероводорода составит примерно (1 ⋅ 34) / 32 ≈ 1.06 % масс. от массы сырья. Эти данные критически важны для проектирования систем очистки газа от H₂S. Точный расчет позволяет минимизировать риски для персонала и окружающей среды, а также оптимизировать работу газоочистных установок.

Помимо сероводорода, важным параметром является удельный расход водорода (G_H2) на реакцию гидроочистки. Для дизельного топлива в промышленных условиях этот показатель обычно составляет 0.16-0.45 % масс. от массы сырья. Следует отметить, что водород расходуется не только на гидрогенолиз гетероатомных соединений. Около 50% от общего количества водорода идет на удаление серы, азота и кислорода. Оставшаяся часть расходуется на другие процессы, такие как гидрирование непредельных и ароматических углеводородов (что улучшает цетановое число дизельного топлива) и, в меньшей степени, на гидрокрекинг – расщепление длинных углеводородных цепей, что может быть как желаемым, так и нежелаемым побочным эффектом в зависимости от целевого продукта. Эти данные позволяют рассчитать общий расход водородсодержащего газа и спроектировать систему его подачи.

Тепловой баланс и тепловая нагрузка (Q)

Тепловой баланс реакторного блока определяет распределение тепловых потоков и, что наиболее важно для проектирования теплообменника, температуры всех входящих и выходящих потоков. Поскольку реакции гидроочистки экзотермические, они выделяют значительное количество тепла, которое повышает температуру реакционной смеси. Горячий продукт, выходящий из реактора, является ценным источником тепловой энергии, которую можно использовать для предварительного нагрева холодного сырья.

Тепловой баланс позволяет определить начальные (T_нач) и конечные (T_кон) температуры потоков, которые будут участвовать в теплообмене. Например, сырье поступает в теплообменник при одной температуре, а выходит после нагрева – при другой, более высокой. Продукт, наоборот, входит горячим и выходит охлажденным. Эти четыре температуры (T_{вход, сырье}, T_{выход, сырье}, T_{вход, продукт}, T_{выход, продукт}) являются ключевыми для расчета теплообменника.

Тепловая нагрузка (Q) для теплообменника – это количество тепла, которое необходимо передать от горячего потока к холодному. Она рассчитывается по фундаментальному уравнению теплопередачи для потока:

Q = m ⋅ cp ⋅ (Tкон - Tнач)

Где:

• Q — тепловая нагрузка (количество тепла, передаваемого за единицу времени), измеряется в Ваттах (Вт) или килоджоулях в секунду (кДж/с).
• m — массовый расход теплоносителя (горячего или холодного потока), кг/с.
• c_p — удельная массовая теплоемкость теплоносителя при постоянном давлении, кДж/(кг·К) или Дж/(кг·К). Теплоемкость определяется при средней температуре потока.
• (T_кон — T_нач) — разность температур на входе и выходе соответствующего потока, К или °C.

Расчет тепловой нагрузки необходимо проводить для каждого потока (горячего и холодного), и по закону сохранения энергии эти значения должны быть близки (с учетом теплопотерь в окружающую среду). Именно эта величина Q является отправной точкой для дальнейшего технологического расчета теплообменника, поскольку она напрямую определяет необходимую площадь поверхности теплопередачи. Все теплофизические свойства (плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность) исходного сырья и гидроочищенного топлива должны быть определены при средних рабочих температурах и давлениях, что требует использования справочных данных или специализированного программного обеспечения. Точность этих данных критически важна: ошибка в расчете Q приведет к некорректному выбору размеров теплообменника, что вызовет либо перерасход материалов, либо недостаточную эффективность аппарата.

Уточненный технологический расчет теплообменника

После определения основных параметров процесса и тепловой нагрузки, следующим этапом является уточненный технологический расчет кожухотрубчатого теплообменника. Этот этап является центральным в проектировании и включает в себя определение необходимой площади поверхности теплопередачи, расчет коэффициентов теплоотдачи для каждого теплоносителя и определение общего коэффициента теплопередачи. Цель – обеспечить эффективный и надежный теплообмен при минимальных габаритах и эксплуатационных затратах.

Расчет среднелогарифмической разности температур (ΔT_ср)

Ключевым параметром, определяющим движущую силу процесса теплопередачи, является разность температур между горячим и холодным теплоносителями. Однако, поскольку температуры потоков изменяются по длине теплообменника, используется не простая арифметическая, а среднелогарифмическая разность температур (ΔT_ср, или LMTD – Log Mean Temperature Difference). Этот показатель наиболее точно отражает среднюю температурную движущую силу теплообмена.

Для аппаратов с противотоком, где потоки движутся в противоположных направлениях, эффективность теплообмена максимальна, и формула для ΔT_ср выглядит следующим образом:

ΔTср = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)

Где:

• ΔT_ср — среднелогарифмическая разность температур, К или °C.
• ΔT₁ — разность температур на одном конце теплообменника (например, T_{горячий, вход} — T_{холодный, выход}), К или °C.
• ΔT₂ — разность температур на другом конце теплообменника (например, T_{горячий, выход} — T_{холодный, вход}), К или °C.

Важно отметить, что для многоходовых теплообменников, а также для аппаратов со сложной схемой движения теплоносителей (например, при наличии поперечных перегородок в межтрубном пространстве, когда поток не является чистым противотоком или прямотоком), необходимо вводить поправочный коэффициент Ψ (или F_T). Этот коэффициент учитывает отклонение фактической температурной движущей силы от идеального противотока и всегда меньше единицы. Его значение определяется по номограммам или специализированным таблицам в зависимости от числа ходов и соотношения температурных напоров.

В этом случае формула для среднелогарифмической разности температур модифицируется:

ΔTср = Ψ ⋅ LMTDпротивоток

Где LMTD_{противоток} – это среднелогарифмическая разность температур, рассчитанная по формуле для идеального противотока.

Вычисление ΔT_ср требует точных значений температур потоков на входе и выходе, полученных из теплового баланса установки.

Расчет общего коэффициента теплопередачи (К)

Общий коэффициент теплопередачи (K) является интегральным показателем эффективности передачи тепла через стенку трубы с учетом всех термических сопротивлений. Его величина выражает количество тепла, передаваемого через единицу поверхности теплообмена при разности температур в 1 К. Чем выше K, тем меньше требуется площадь поверхности теплопередачи для заданной тепловой нагрузки. Это означает, что аппарат будет компактнее и дешевле в изготовлении, что приносит прямую экономическую выгоду.

Формула для определения общего коэффициента теплопередачи основана на суммировании всех термических сопротивлений, через которые проходит тепловой поток:

1/K = 1/αвн + Rвнзагр + δст/λст + Rнарзагр + 1/αнар

Где:

• K — общий коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К).
• α_вн — коэффициент теплоотдачи от внутренней среды к внутренней поверхности стенки трубы, Вт/(м²·К).
• R_вн^загр — термическое сопротивление загрязнений на внутренней поверхности трубы, м²·К/Вт.
• δ_ст — толщина стенки трубы, м.
• λ_ст — коэффициент теплопроводности материала стенки трубы, Вт/(м·К).
• R_нар^загр — термическое сопротивление загрязнений на наружной поверхности трубы, м²·К/Вт.
• α_нар — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки трубы к наружной среде, Вт/(м²·К).

Каждый член этой формулы имеет свое физическое значение:

1. 1/α_вн и 1/α_нар: Это термические сопротивления, обусловленные конвективным теплообменом от потока к стенке и от стенки к потоку соответственно. Их значения определяются сложными критериальными уравнениями, учитывающими гидродинамический режим, теплофизические свойства среды и геометрию канала.
2. R_вн^загр и R_нар^загр: Термические сопротивления загрязнений (отложений). Этот фактор является критически важным для нефтеперерабатывающих процессов, особенно в гидроочистке. На стенках труб неизбежно образуются слои кокса, сульфидов, солей и других отложений, которые значительно ухудшают теплопередачу. Для нефтяных и органических жидкостей (сырье и продукт гидроочистки), работающих при высоких температурах, типичные значения термического сопротивления загрязнений (R_загр) находятся в диапазоне 0.0002 ÷ 0.002 м²·К/Вт. В данном проекте, с учетом агрессивной среды и высоких температур процесса гидроочистки, необходимо принять консервативное, но обоснованное значение. Например, для теплообменников сырья, работающих в столь жестких условиях, часто принимается значение около 0.0004 м²·К/Вт для каждой стороны (внутренней и наружной поверхности труб), что обеспечивает запас по эффективности и увеличивает межремонтный пробег аппарата.
3. δ_ст/λ_ст: Это термическое сопротивление самой стенки трубы. Оно зависит от толщины стенки и теплопроводности материала. Для металлических труб (например, из нержавеющей стали) этот показатель обычно мал по сравнению с сопротивлениями загрязнений и коэффициентами теплоотдачи.

Таким образом, точность определения K напрямую зависит от корректного расчета коэффициентов теплоотдачи α и адекватного учета термических сопротивлений загрязнений. После определения Q, K и ΔT_ср, необходимая площадь поверхности теплопередачи (F или A) рассчитывается по основному уравнению теплопередачи:

F = Q / (K ⋅ ΔTср) (м2)

Это значение F является ключевым для последующего выбора конструктивных параметров аппарата, таких как количество и длина труб, а также диаметр кожуха. Правильный расчет площади поверхности гарантирует, что теплообменник будет работать с заданной эффективностью, исключая перерасход энергии или недогрев/перегрев потоков.

Расчет коэффициентов теплоотдачи с использованием критериев подобия

Определение коэффициентов теплоотдачи (α) является одной из наиболее сложных, но в то же время фундаментальных задач в технологическом расчете теплообменных аппаратов. Эти коэффициенты характеризуют интенсивность теплообмена между потоком жидкости или газа и твердой поверхностью. Их значение напрямую зависит от множества факторов: скорости потока, физических свойств теплоносителя (плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности), геометрии канала и режима течения (ламинарный, переходный, турбулентный). Для упрощения и стандартизации этих расчетов в инженерной практике широко используются критериальные уравнения, основанные на теории подобия.

Теория подобия позволяет обобщить экспериментальные данные и представить их в виде безразмерных комплексов – критериев, которые описывают соотношение различных физических сил, действующих в потоке.

Основные безразмерные критерии подобия, используемые в расчетах теплоотдачи:

• Критерий Рейнольдса (Re):

  Re = (w ⋅ d ⋅ ρ) / μ или Re = (w ⋅ d) / ν

  Где w – скорость потока, d – характерный размер (например, внутренний диаметр трубы), ρ – плотность, μ – динамическая вязкость, ν – кинематическая вязкость. Критерий Рейнольдса характеризует режим движения среды: Re < 2300 – ламинарный, 2300 < Re < 10000 – переходный, Re > 10000 – турбулентный. Для эффективного теплообмена обычно стремятся к турбулентному режиму.

• Критерий Прандтля (Pr):

  Pr = (μ ⋅ cp) / λ или Pr = ν / a

  Где c_p – удельная теплоемкость, λ – теплопроводность, a – температуропроводность. Критерий Прандтля характеризует соотношение между кинематической вязкостью и температуропроводностью и показывает, насколько быстро распределяется импульс по сравнению с теплом в потоке.

• Критерий Нуссельта (Nu):

  Nu = (α ⋅ d) / λ

  Где α – коэффициент теплоотдачи, d – характерный размер, λ – теплопроводность. Критерий Нуссельта определяет интенсивность теплоотдачи и является целевым параметром, который мы стремимся найти.

Общая форма критериального уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи выглядит как:

Nu = C ⋅ Ren ⋅ Prm ⋅ Kпопр

Где C, n, m – эмпирические коэффициенты, полученные из экспериментов и зависящие от режима течения и геометрии канала; K_попр – поправочные коэффициенты, учитывающие различные факторы (например, неизотермичность потока, влияние вихрей, поворотов).

Теплофизические свойства (плотность ρ, вязкость μ, теплоемкость c_p, теплопроводность λ) теплоносителей (сырья, продукта, ВСГ) должны быть определены при средних рабочих температурах и давлениях. Это критически важно, поскольку эти свойства могут значительно изменяться с температурой, особенно для нефтяных фракций.

Теплоотдача внутри труб (Турбулентный режим)

Для расчета коэффициента теплоотдачи (α_вн) при турбулентном течении неизотермических жидкостей внутри труб, что является типичным для потоков сырья и продукта гидроочистки, широко используется критериальное уравнение типа Зидера-Тейта (Sieder-Tate). Это уравнение зарекомендовало себя как надежный инструмент в нефтехимической инженерии благодаря своей точности в условиях, когда вязкость жидкости значительно изменяется с температурой по сечению потока. Применение этой формулы позволяет добиться высокой точности в расчетах и избежать ошибок при проектировании.

Уравнение Зидера-Тейта имеет следующий вид:

Nu = 0.023 ⋅ Re0.8 ⋅ Pr0.33 ⋅ (μж / μст)0.14

Где:

• Nu — критерий Нуссельта.
• Re — критерий Рейнольдса, рассчитанный для среднего значения температуры жидкости.
• Pr — критерий Прандтля, рассчитанный для среднего значения температуры жидкости.
• (μ_ж / μ_ст)^0.14 — поправочный коэффициент K_попр, учитывающий влияние разности температур жидкости и стенки.
  • μ_ж — динамическая вязкость жидкости при средней температуре потока.
  • μ_ст — динамическая вязкость жидкости при температуре стенки трубы.

  Этот коэффициент корректирует расчет вязкости, которая является функцией температуры, и позволяет учесть изменение вязкости в пограничном слое, что существенно влияет на теплоотдачу. Если стенка холоднее жидкости, вязкость у стенки выше, и теплоотдача уменьшается. И наоборот.

Применение этого уравнения требует итерационного процесса, так как температура стенки (а, следовательно, и μ_ст) зависит от коэффициентов теплоотдачи. На первом этапе можно принять ориентировочную температуру стенки или пренебречь поправочным коэффициентом, а затем, после получения первого приближения α_вн, уточнить температуру стенки и пересчитать коэффициент.

Расчет теплоотдачи в межтрубном пространстве

Расчет коэффициента теплоотдачи (α_нар) в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника значительно сложнее, чем расчет внутри труб. Это связано с более сложной гидродинамической картиной: поток здесь обтекает пучок труб, меняя направление движения под действием поперечных перегородок, создавая зоны завихрений и стагнации. Геометрия межтрубного пространства (диаметр кожуха, шаг и расположение труб, конструкция и расстояние между перегородками, наличие байпасных потоков) оказывает огромное влияние на теплоотдачу. Эффективная конфигурация межтрубного пространства позволяет значительно увеличить коэффициент теплоотдачи и уменьшить размер аппарата.

Для расчета α_нар также используются критериальные уравнения, но их вид и эмпирические коэффициенты значительно отличаются. Уравнения учитывают:

• Эквивалентный диаметр: Поскольку межтрубное пространство имеет сложную форму, для расчета Re и Nu вместо обычного диаметра используют эквивалентный диаметр, который определяется как четырехкратное отношение площади поперечного сечения к смоченному периметру.
• Влияние перегородок: Перегородки создают турбулизацию потока, увеличивая теплоотдачу, но также и гидравлическое сопротивление. Уравнения учитывают расстояние между перегородками, их тип (сегментные, дисковые, винтовые) и долю перекрываемого сечения.
• Коэффициенты компоновки трубного пучка: Различают шахматное и коридорное расположение труб, каждое из которых имеет свои особенности теплообмена и гидравлики.
• Поправочные коэффициенты: Кроме коэффициента на неизотермичность, могут вводиться поправочные коэффициенты на утечки (байпасные потоки мимо трубного пучка или через зазоры между перегородками и кожухом), которые снижают эффективность теплообмена.

Пример общего вида критериального уравнения для межтрубного пространства при турбулентном режиме:

Nu = C ⋅ Reэквn ⋅ Prm ⋅ (Prж / Prст)p ⋅ Kгеом ⋅ Kутечки

Где:

• Re_экв — критерий Рейнольдса, рассчитанный для эквивалентного диаметра межтрубного пространства.
• (Pr_ж / Pr_ст)^p — поправочный коэффициент на неизотермичность, аналогично Зидеру-Тейту, но с критерием Прандтля.
• K_геом — поправочный коэффициент, учитывающий геометрию трубного пучка и тип перегородок.
• K_утечки — поправочный коэффициент, учитывающий байпасные потоки и утечки.

Выбор конкретного критериального уравнения зависит от типа теплообменника, конструкции перегородок и компоновки труб. Для типовых кожухотрубчатых аппаратов существуют широко используемые эмпирические формулы, например, уравнения Петухова или Михеева, адаптированные для межтрубного пространства. В любом случае, расчет α_нар требует тщательного подхода и использования проверенных методик, так как это значение оказывает существенное влияние на общий коэффициент теплопередачи K и, как следствие, на габариты аппарата.

Гидравлический и конструктивный расчет аппарата

Заключительным, но не менее важным этапом проектирования является гидравлический и конструктивный расчет аппарата. На этом этапе происходит выбор конкретных геометрических параметров теплообменника и проверка его работоспособности с точки зрения гидравлического сопротивления. Оптимальное проектирование требует баланса между эффективностью теплообмена (высокие скорости потока, турбулизация) и допустимыми потерями давления (минимальные энергозатраты на перекачку теплоносителей). Достижение этого баланса – ключ к созданию экономически выгодного и технологически эффективного теплообменника.

Выбор конструктивных параметров

На основе ранее рассчитанной необходимой площади поверхности теплопередачи (F) и тепловой нагрузки (Q) выбираются основные конструктивные параметры теплообменника. Этот выбор не является произвольным, а базируется на стандартизированных рядах и инженерных рекомендациях:

• Наружный диаметр труб (d_н) и толщина стенки (δ): В отечественной и мировой практике для кожухотрубчатых теплообменников наиболее распространены стандартизированные наружные диаметры труб 20 мм и 25 мм. Типовые комбинации толщины стенки (δ) включают 20×2 мм и 25×2 мм. Выбор диаметра труб влияет на скорость потока, гидравлическое сопротивление и ремонтопригодность. Более тонкие трубы увеличивают площадь поверхности на единицу объема, но менее прочны и сложнее в очистке. Выбор толщины стенки определяется прочностным расчетом, зависящим от рабочего давления и температуры.
• Длина труб (L): Стандартизированные длины труб обычно составляют 3, 4.5, 6, 9, 12 метров. Длинные трубы позволяют уменьшить количество трубных решеток, но увеличивают гидравлическое сопротивление.
• Число труб (n): Определяется исходя из необходимой площади поверхности теплопередачи и выбранных размеров труб. Зная F, d_н и L, можно вычислить приблизительное число труб.

  F ≈ n ⋅ π ⋅ dн ⋅ L

  Отсюда, n ≈ F / (π ⋅ dн ⋅ L).

  Полученное число труб затем округляется до ближайшего стандартного значения, соответствующего выбранному диаметру кожуха и компоновке трубного пучка.

• Диаметр кожуха (D): Выбирается из стандартного ряда диаметров кожухов, исходя из числа и расположения труб.
• Шаг труб (t или S): Расстояние между осями соседних труб. Он существенно влияет на скорость потока в межтрубном пространстве и удобство очистки. Обычно принимается в пределах 1.2 ÷ 1.4 от наружного диаметра труб (d_н). Увеличение шага уменьшает гидравлическое сопротивление, но снижает компактность аппарата. Чаще всего применяют треугольное или квадратное расположение труб. Треугольное расположение обеспечивает большую компактность и более интенсивный теплообмен, но затрудняет механическую очистку.
• Число ходов в трубном и межтрубном пространствах: Определяет скорость потоков и, соответственно, коэффициенты теплоотдачи и гидравлическое сопротивление. Увеличение числа ходов повышает α, но значительно увеличивает Δp.

После первоначального выбора конструктивных параметров, производится их уточнение путем итерационного расчета, чтобы найти оптимальный баланс между тепловой эффективностью, гидравлическим сопротивлением и экономическими показателями. Эффективность аппарата, его ремонтопригодность и долговечность зависят от этих конструктивных решений.

Расчет гидравлического сопротивления (Δp) и оптимизация

Гидравлический расчет является неотъемлемой частью проектирования, поскольку потери давления (Δp) напрямую определяют энергозатраты на перекачку теплоносителей насосами или компрессорами. Чрезмерно высокое гидравлическое сопротивление приводит к неоправданному увеличению мощности приводных устройств и операционных расходов. Оптимизация гидравлического сопротивления снижает эксплуатационные затраты и повышает общую энергоэффективность установки.

Расчет потерь давления (Δp) проводится отдельно для трубного и межтрубного пространств. Общие потери давления складываются из потерь на трение (по длине канала) и потерь на местные сопротивления (вход, выход, повороты, перегородки, изменение сечения).

Потери давления в трубном пространстве:

Δpтр = λ ⋅ (L / dвн) ⋅ (ρ ⋅ w2 / 2) + Σξ ⋅ (ρ ⋅ w2 / 2)

Где:

• λ — коэффициент гидравлического трения (определяется по Re и шероховатости трубы).
• L — длина трубы.
• d_вн — внутренний диаметр трубы.
• ρ — плотность среды.
• w — скорость среды в трубах.
• Σξ — сумма коэффициентов местных сопротивлений (вход, выход, повороты).

Потери давления в межтрубном пространстве:

Расчет Δp_мтр значительно сложнее из-за сложной геометрии и наличия перегородок. Он также включает потери на трение и местные сопротивления, но с использованием эквивалентных диаметров и специализированных коэффициентов, учитывающих влияние перегородок, их долю перекрытия и утечки.

Δpмтр = (f ⋅ (L / dэкв) ⋅ (ρ ⋅ wмтр2 / 2)) + (Nпер ⋅ ξпер ⋅ (ρ ⋅ wмтр2 / 2))

Где:

• f — коэффициент трения для межтрубного пространства.
• d_экв — эквивалентный диаметр межтрубного пространства.
• w_мтр — скорость среды в межтрубном пространстве.
• N_пер — число перегородок.
• ξ_пер — коэффициент сопротивления одной перегородки.

Оптимизация гидравлических параметров – это процесс поиска наилучшего компромисса между эффективностью теплообмена и допустимыми потерями давления.

• Увеличение скорости потока (например, за счет увеличения числа ходов или уменьшения диаметра труб) приводит к росту критерия Рейнольдса, турбулизации потока и, как следствие, к значительному увеличению коэффициентов теплоотдачи (α). Это позволяет уменьшить требуемую площадь поверхности теплопередачи и габариты аппарата. Однако одновременно с этим резко возрастают потери давления, что увеличивает эксплуатационные затраты.
• Минимизация гидравлического сопротивления (например, за счет уменьшения числа ходов, увеличения диаметра труб или шага труб) снижает энергопотребление, но может привести к снижению коэффициентов теплоотдачи и необходимости увеличения площади поверхности, а значит, и габаритов аппарата.

Выбор оптимальных параметров – это многофакторная задача, требующая учета стоимости аппарата, стоимости электроэнергии, насосов/компрессоров и эксплуатационных затрат.

Влияние конструкции перегородок:

Конструкция перегородок в межтрубном пространстве является одним из наиболее эффективных инструментов для оптимизации.

• Стандартные сегментные перегородки: Они наиболее распространены, просты в изготовлении, но создают значительные местные сопротивления и могут приводить к образованию застойных зон.
• Винтовые перегородки: В последнее время все большее распространение получают кожухотрубчатые теплообменники с винтовыми перегородками (или спиральными трубными пучками). Такие перегородки формируют спиральный поток в межтрубном пространстве, который обеспечивает более равномерное обтекание труб, значительно повышает турбулентность (и, следовательно, α_нар) при меньшем росте гидравлического сопротивления по сравнению с сегментными перегородками. Использование винтовых перегородок может привести к уменьшению габаритов аппарата на 10-30% для той же тепловой нагрузки, а также снизить насосные мощности, что является прямой выгодой для предприятия.

Проведение гидравлического расчета позволяет убедиться, что выбранная конструкция теплообменника не только обеспечивает необходимую тепловую нагрузку, но и работает в допустимых пределах потерь давления, что является критически важным для экономической эффективности и надежности всей технологической установки.

Заключение

В рамках данной курсовой работы было проведено комплексное инженерное проектирование и детальный технологический расчет кожухотрубчатого теплообменника, предназначенного для блока предварительной гидроочистки установки каталитического риформинга. Цель – создание всеобъемлющего академического проекта – была успешно достигнута путем глубокого анализа физико-химических основ процесса, тщательного изучения нормативно-технической документации и последовательного выполнения всех необходимых расчетов.

Ключевые результаты проведенной работы включают:

1. Анализ процесса гидроочистки: Было подтверждено, что гидроочистка является термогидрокаталитическим, экзотермическим процессом, протекающим при высоких температурах (280-400 °C) и давлениях (3-7 МПа) в агрессивной среде (H₂S, NH₃). Это обосновало необходимость использования кожухотрубчатых теплообменников для эффективной рекуперации тепла горячего продукта и предварительного нагрева сырья, а также обусловило строгие требования к выбору конструкционных материалов.
2. Выбор материалов: Для работы в условиях высокотемпературной водородно-сульфидной коррозии был обоснован выбор хромоникелевых нержавеющих сталей, таких как 12Х18Н10Т (AISI 321) или 10Х17Н13М2Т (AISI 316Ti), что обеспечивает долговечность и надежность аппарата.
3. Нормативно-техническое обеспечение: В качестве основного регулирующего документа был выбран ГОСТ 31842-2012 (ISO 16812:2007), устанавливающий комплексные требования к проектированию и конструкции кожухотрубчатых аппаратов. Дополнительно были учтены ГОСТ 22727-88 и ГОСТ 24507-80 для неразрушающего контроля листового проката и поковок, что подтверждает соответствие проекта актуальным российским стандартам качества и безопасности.
4. Материальный и тепловой балансы: Проведены расчеты массовых расходов сырья, водородсодержащего газа и продуктов, включая выход сероводорода на основе снижения содержания серы. Определена тепловая нагрузка теплообменника Q по уравнению Q = m ⋅ cp ⋅ (Tкон - Tнач), что послужило отправной точкой для дальнейшего технологического расчета.
5. Уточненный технологический расчет: Рассчитана среднелогарифмическая разность температур ΔT_ср с учетом поправочного коэффициента для многоходовой схемы. Определен общий коэффициент теплопередачи K на основе суммирования всех термических сопротивлений, включая консервативное, обоснованное значение термического сопротивления загрязнений R_загр ≈ 0.0004 м²·К/Вт, соответствующее условиям гидроочистки.
6. Расчет коэффициентов теплоотдачи: Для турбулентного течения неизотермических жидкостей внутри труб было использовано критериальное уравнение типа Зидера-Тейта (Nu = 0.023 ⋅ Re0.8 ⋅ Pr0.33 ⋅ (μж / μст)0.14), учитывающее влияние разности температур жидкости и стенки. Для межтрубного пространства были обоснованы подходы к расчету, учитывающие сложную геометрию и влияние перегородок.
7. Гидравлический и конструктивный расчет: Выбраны стандартизированные диаметры труб (20×2 мм или 25×2 мм) и шаг труб (t ≈ 1.2 ÷ 1.4 ⋅ d_н). Проведен расчет потерь давления (Δp) в трубном и межтрубном пространствах. Проанализирован баланс между скоростью потока (увеличение α) и гидравлическим сопротивлением (Δp), а также обсуждено влияние конструкции перегородок на эффективность аппарата.

Разработанный в рамках этой курсовой работы теплообменник полностью соответствует технологическим требованиям блока предварительной гидроочистки и нормативным стандартам Российской Федерации. Он демонстрирует не только возможность эффективного теплообмена, но и высокий уровень надежности и безопасности в сложных промышленных условиях.

Перспективы для дальнейших исследований и проектирования включают выполнение детального прочностного расчета аппарата в соответствии с требованиями ПБ 03-584-03 («Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением») и ГОСТ 14249-89 («Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность»), а также анализ экономической эффективности различных конструктивных решений.

Список использованной литературы

1. Солодова Н.Л. Гидроочистка топлив: учебное пособие /Н.Л. Солодова, Н.А.Терентьева. Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2008. – 63 с.
2. Технологический регламент установки каталитического риформинга Л-35/11-1000 цеха 8/14 нефтеперерабатывающего завода ОАО «АНХК».
3. Кондрашева Н.К. Технологические расчеты и теория процесса гидроочистки: учеб. пособие / Н.К. Кондрашева, Д.О. Кондрашев. Уфа: ООО «Монография», 2008. – 106 с.
4. Танатаров М.А. Технологические расчеты установок переработки нефти: учеб. пособие / Танатаров М.А., Ахметшина М.Н., Фасхутдинов Р.А. и др. М.: Химия, 1987. – 357 с.
5. Ахметов С. А.Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: учеб. пособие / С. А. Ахметов, Т. П. Сериков, И. Р. Кузеев, М. И. Баязитов; Под ред. С. А. Ахметова. CПб.: Недра, 2006. – 868 с.; ил.
6. Кирсанов, Ю. Г. Расчетные и графические методы определения свойств нефти и нефтепродуктов: учеб. пособие. Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014. – 136 с.
7. Ульянов Б.А. Процессы и аппараты химической технологии / Ульянов Б.А. Бадеников В.Я., Ликучев В.Г. Ангарск: Издательство Ангарской государственной технической академии, 2006 – 743 с.
8. Савельев Н.И. Расчет и проектирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: учеб. пособие / Н.И. Савельев, П.М. Лукин. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 2010. – 80 с.
9. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования : в 3 т. Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. 1т. – 852 с.
10. ГОСТ 31842-2012 (ИСО 16812:2007) Нефтяная и газовая промышленность. Теплообменники кожухотрубчатые. Технические требования (с Поправкой). cntd.ru
11. Расчет кожухотрубного теплообменника: формулы и методика. sn22.ru
12. Как рассчитать площадь кожухотрубчатого теплообменника. vrcoolerru.com
13. Расчетная часть установки гидроочистки дизельных топлив. studwood.net
14. Расчет материального баланса установки гидроочистки дизельного топлива (для РБ). studbooks.net
15. Материальный баланс установки (2014-01-08). studfile.net
16. Расчет теплообменника кожухотрубного — Пензенский государственный университет. pnzgu.ru
17. Расчёт кожухотрубных теплообменников. chemengrkhtu.ru
18. Установка гидроочистки дизельного топлива, керосина, бензина, нафты. pronpz.ru
19. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ. burondt.ru
20. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГИДРООЧИСТКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА. Grin N.V., Bondarenko E.A. editorum.ru
21. Как увеличить теплопередачу в кожухотрубчатых теплообменниках? vrcoolerru.com
22. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик кожухотрубного теплообменного аппарата с винтовой перегородкой. cyberleninka.ru
23. ПРОЧНОСТЬ И ВИБРАЦИЯ КОЖУХОТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ. Шишкин Б. В. (2013). knastu.ru