CC BY
11
DOI - 10.32 743/UniTech.2022.97.4.13542
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИКИ ПРОЦЕССА ПОДОГРЕВА НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОЙ СМЕСИ ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ НАФТЫ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ КОЖУХОТРУБЧАТОМ АППАРАТЕ
Худайбердиев Абсалом Абдурасулович
д-р техн. наук, научный сотрудник Института общей и неорганической химии АНРУз, Республика Узбекистан г. Ташкент E-mail: _ jarayon@mail.r.
Рахимжанова Шахноза Саиданваровна
докторант
Ташкентского химико-технологического института МВиССО РУз,
Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: shaku. 76@mail.ru.
Шомансуров Фозилбек Фаттох угли
докторант
Института общей и неорганической химии АН РУз, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: shomansurov.fozilbek@mail. ru.
Шафоатов Нуриддин Фахриддин угли
магистрант
Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г. Ташкент
SIMULATION OF THE STATICS PROCESS OF HEATING THE OIL AND GAS CONDENSATE MIXTURE DURING THE CONDENSATION OF NAPHTHA VAPOR IN A HORIZONTAL SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER
Absalom Khudayberdiev
Doctor of Technical Sciences, Researcher at the Institute of General and Inorganic Chemistry of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan,
Uzbekistan, Tashkent
Shakhnoza Rakhimjanova
Doctoral student of the Tashkent Chemical-Technological Institute of the Ministry of Higher Education and Science of the Republic of Uzbekistan,
Uzbekistan, Tashkent
Fozilbek Shomansurov
Doctoral student of the Institute of General and Inorganic Chemistry of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan,
Uzbekistan, Tashkent
Nuriddin Shafoatov
Master student
of the Tashkent Institute of Chemical Technology.
Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИКИ ПРОЦЕССА ПОДОГРЕВА НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОЙ СМЕСИ ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ НАФТЫ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ КОЖУХОТРУБЧАТОМ АППАРАТЕ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Худайбердиев А.А. [и др.]. 2022. 4(97). URL: https://7universum. com/ru/tech/archive/item/13542
АННОТАЦИЯ
Приведены основные результаты математического моделирования статики процесса подогрева нефтегазоко-нденсатной смеси 30%Н+70%ГК от 49 оС до 96 оС парами нафты в горизонтальном кожухотрубчатом аппарате. Построена кривая распределения температуры смеси по длине трубного пучка теплообменника. Показано, что при заданной производительности по сырью 105508 кг/ч теплообменник имеет запас поверхности нагрева 58,3 %, что указывает на возможность дальнейшего увеличения расхода подогреваемой смеси в два раза.
ABSTRACT
Presented the main results of mathematical modeling of the statics of the process of heating the oil and gas condensate mixture 30% O + 70% OG from 49 °C to 96 °C with naphtha vapor in a horizontal shell-and-tube apparatus. The mixture temperature distribution curve along the length of the heat exchanger tube bundle is constructed. It is shown that at a given raw material productivity of 105508 kg/h, the heat exchanger has a heating surface margin of 58.3%, which indicates the possibility of a further increase in the consumption of the heated mixture by a factor of two time.
Ключевые слова: нефть, газоконденсат, перегонка, фракция, нагревание, теплообменник, теплопередающая труба, поверхность нагрева, производительность, математическая модель.
Keywords: oil, gas condensate, distillation, fraction, heating, heat exchanger, heat transfer pipe, heating surface, productivity, mathematical model.
Введение. Тепловая подготовка (подогрев) нефтегазоконденсатного сырья к перегонке осуществляется в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах за счет съема тепла горячих потоков дистиллятов фракций, циркуляционных орошений и мазута, выходящих из сложной ректификационной колонны установки первичной перегонки нефти [1-3]. Кожухо-трубчатые аппараты из-за простоты конструкции и высокой надежности при эксплуатации широко применяются на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии. Однако эти аппараты имеют большие габариты и массу (диаметр корпуса 0,63^1,8 м, длина трубок 6^11 м, масса до 35^40 т) из-за низкой эффективности в них теплопередачи (50^200 Вт/м2К) [4-6]. Здесь следует отметить, что в литературе отсутствуют научно-обоснованные сведения о влиянии свойств углеводородного сырья и теплоносителей на эффективность теплопередачи в теплообменниках. Помимо этого, учет непрерывного изменения показателей физических и теплофизи-ческих свойств теплоносителей от температуры и их распределения по длине труб способствует по-
вышению точности расчетов коэффициента теплопередачи в аппаратах. В этом аспекте разработка рекомендаций по проектированию эффективных конструкций трубчатых аппаратов на основе анализа распределения температуры подогреваемого сырья по длине теплопередающих труб [6,7] представляет научно-практический интерес.
Методы. Анализ эффективности работы тепло-обменных аппаратов для нагревания сырья можно осуществлять путем математического моделирования статики процесса, с учетом их производительности О и температуры сырья на выходе 4ых [8,9].
На основании анализа теплообмена, протекающего внутри теплопередающих труб, нами получена следующая математическая модель статики процесса подогрева углеводородного сырья в горизонтальном трубчатом аппарате [9], включающей в себя выражений изменения температуры сырья t по длине горизонтальных труб I (1) и показателей его физических и теплофизических свойств - теплоемкости (2) и плотности (3):
Г G d(ct)/dl = а2 nd^n (tCT - t),
<
Т - 223
с = 1,5072 +-х (1,7182 -1,5072 p.20);
р 100
p4 = 1000 p20 - °5(t - 20) -
Р 4
[t -1200 (p20 - 0.68] 1000
(t - 20)
(1) (2)
(3)
(4)
t ^ ^зад
где О - расход сырья, определяется из материального баланса процесса перегонки, кг/с; Т = t + 273,15 -температура жидкости, К; с - теплоемкость сырья при его температуре t, Дж/(кг оС); dвн - внутренний диаметр труб, м; п - число труб в аппарате, шт.; а2-коэффициент теплоотдачи от стенки труб к нагре-
ваемой жидкости, Вт/(м2.оС); ит - температура внутренней поверхности стенки труб, оС; р2 - плотность сырья при 20 оС, кг/м3.
Температура подогрева углеводородного сырья t принимают в соответствии с требованиями технологического регламента нефтеперегонной установки НПЗ [10]. Температура стенки трубок зависит
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
от температуры горячего теплоносителя (паров фракций в жидком или фазовом состояниях).
Значение коэффициента теплоотдачи от стенки труб к нагреваемой жидкости а2 в аппарате определяется по известной методике [6,11-13] в следующей последовательности, используя опытные данные по физическим и теплофизическим свойствам нефтега-зоконденсатного сырья [6,7].
Средняя скорость потока сырья в трубках аппарата и (м/с) определяется по выражению [12,13]:
и = ^40/(3600пёвн2пр),
(5)
где ъ - число ходов потока в трубном пространстве аппарата.
Режим вынужденного движения потока сырья в трубках конденсатора устанавливается по значению критерия Яв [11,12]:
Re = и dвн plß = и йвн / v.
(6)
где V и / - кинематический (м2/с) и динамический (Па с) коэффициенты вязкости сырья.
Для расчета критерия Ыи при вынужденном движении потока жидкости в трубе рекомендованы следующие уравнения [11-13]:
• для ламинарного режима потока (Яе<2320) [11]:
Nu = 0,17 Re0'33- Pr043- Gr0
Pr PrBÄ
(7)
где Рг = с/Х - критерий Прандтля, характеризующий соотношение свойств сырья; / = vp 10-3 - динамический коэффициент вязкости сырья, Па с; Ргст -критерий Прандтля для потока при температуре стенки /Ст; Ог = - критерий Грасгофа;
в - коэффициент температурного расширения, К-1; М = - ¿ж - температурный напор между стенкой и сырьем, °С; g = 9,81 м2/с - ускорение свободного падения;
• для установившегося турбулентного режима потока (Яе>104), в случае значительного изменения физических свойств сырья [11-13]:
Nu = 0,021 Re0 8- Pr0
Pr
pTT
(8)
• при переходном режима движения потока (2320 < Яе < 104) для приближенных расчетов рекомендовано уравнение [11,12]:
Nu = 0,008 Re0-9 Pr0-43.
(9)
По величине критерия Ыи рассчитывают значения коэффициента тепло-отдачи а2 (Вт/м2К) от стенки теплопередающих труб к потоку нагреваемого сырья [11,12]:
«2 = Ыи /Х. (10)
Коэффициент теплопроводности подогреваемого сырья X (Вт/мК) в зависимости от его температуры Т
и относительной плотности р15 можно определить по формуле Крэга [1,2]:
X = 0,00117 (1,1474 - 0,00054Г)
Pl5
(11)
Численные значения показателей физических и теплофизических свойств сырья [6] рассчитывают при средней его температуре 4р = 05 (4х+ 4ых).
Предложенная модель процесса (1-4) позволяет спроектировать кожухо-трубчатый теплообменник с оптимальной поверхностью нагрева на основе распределения параметров процесса, в частности температуры теплоносителей по его длине тепло-передающих труб или же анализировать степень технологической эффективности эксплуатируемого аппарата.
Расчет процесса нагревания углеводородного сырья в теплообменнике ведут до температуры / < 4ых, обеспечивающей достижение необходимой температуры подогрева сырья / = ¿опт при соблюдении технологических рекомендаций. В дальнейшем определяется оптимальная длина теплопередающих труб /опт = / (¿опт), что равнозначно определению оптимальной поверхности нагрева аппарата Ропт = яёвнп/опт, соответствующей заданным значениям параметров О и ¿вых.
Результаты. По разработанному алгоритму реализации математической модели (1-4) нами исследована статика процесса подогрева нефтегазоко-нденсатной смеси, состоящая из 30 % нефти и 70 % газового конденсата (30%Н+70%ГК), теплом конденсирующихся паров фракции тяжелой нафты, выходящих из ректификационной колонны установки первичной перегонки нефти Бухарского НПЗ. Подогрев смеси осуществляется в горизонтальном кожу-хотрубчатом теплообменнике-конденсаторе 10Е-03, который входит в состав первого блока аппаратов для предварительного подогрева сырья данной установки. Теплообменник имеет следующие конструктивные параметры: ё = 20/25 мм, / = 6 м, п = 1106 шт и число труб в одном ходу потока п\= 454 шт. При этом поверхность теплопередачи аппарата по ёвн составляет Р = 416,7 м2.
Подогрев смеси в трубках теплообменника исследован при следующих регламентированных значениях технологических параметров процесса [5]: эксплуатационная производительность аппарата по смеси О = 105508 кг/ч, плотность смеси при 20 оС равна Р20 = 768 кг/м3, температура смеси на входе в аппарат ¿вх = 49 оС, на выходе из него - ¿н2 = 96 оС, температура конденсации паров нафты в межтрубном пространстве аппарата составляет 4н = 165 оС.
Процесс в аппарате осуществляется в противоточ-ных направлениях движения теплоносителей. Среднее значение коэффициента теплоотдачи от стенки труб к смеси, рассчитанное по (9), составляет а2 = 236,1 Вт/(м2оС).
По результатам исследования процесса на модели построена кривая распределения температуры смеси /
0,25
S
t
0,25
S
t
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
по длине теплопередающих труб I теплообменника при его заданной производительности О (рис. 1).
Рисунок 1. Распределение температуры нефтегазоконденсатной смеси £ по длине труб I теплообменника 10Е-03 при ее расходе О = 105508 кг/ч и коэффициента теплоотдачи в аппарате а2 = 236,1 Вт/(м2оС)
Обсуждение. Как видно из рисунка 1, при заданном расходе, температура смеси t плавно повышается с нарастающей скоростью до участка трубы с длиной I = 2,5 м. В дальнейшем, с достижением постоянного перепада температур между теплоносителями, темп изменения температуры смеси приобретает постоянный характер (от 2,5 до 6,0 м). Анализ кривой I = /(/) показывает, что для достижения требуемой температуры подогрева смеси на выходе tвых = 96 оС достаточным является участок трубного пучка с активной длиной /акт = 2,514 м, что составляет 41,7 % от общей его длины. Основной процесс подогрева смеси протекает в первой половины участка трубок (I < 2,5 м), а их остальная часть работает в холостую.
Как видно, в данном режиме производительности запас поверхности теплопередачи теплообменника 10Е-03 составляет
А^= ^внП[(/общ-4кт)//общ)]100 =
= я0,021106[(6-2,5)/6)] 100 = 58,3 % (12) или 173,6 м2.
Это обстоятельство указывает на недостаточное использование тепловой мощности аппарата, а также
возможности дальнейшего увеличения в два раза расхода подогреваемой смеси в аппарате.
Заключение. Таким образом, результаты моделирования процесса подогрева нефтегазоконденсат-ной смеси 30%Н+70%ГК в горизонтальном кожухо-трубчатом теплообменнике 10Е-03 показали, что аппарат имеет 58 % запаса поверхности нагрева. В связи с этим, для повышения эффективности аппарата рекомендуется увеличить расход подогреваемой смеси в соответствии с выявленным запасом поверхности нагрева в два раза, что способствует растяжению активного участка подогрева смеси по всей длины трубного пучка.
Результаты исследования способствует проектированию компактного трубчатого теплообменника с оптимальной поверхностью нагрева при заданной его производительности. Предлагаемая методика оптимального проектирования также может быть применена и для анализа эффективности трубчатых теплообменных аппаратов, входящих в состав блока предварительного подог-рева сырья нефтеперегонных установок с целью их взаимной замены по технико-экономическим показателям и рационального упрощения технологи-ческой схемы данного блока.
Список литературы:
1. Глаголева О.Ф., Капустин В.М., Гюльмисарян Т.Г. и др. Технология переработки нефти. В 2-х частях. Часть I. Первичная переработка нефти/ Под ред. О.Ф. Глаголевой и В.М. Капустина. - М.: Химия, КолосС, 2006. - 400 с.
2. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природ-ного газа. Учебное пособие для вузов. 2-е изд. - М.: Химия, 2001. - 568 с.
3. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газ: учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - СПб.: Недра, 2013. - 544 с.
4. Ахметов С.А., Сериков Т.П., Кузеев И.Р., Баязитов И.М. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: учебное пособие/ Под ред. С.А. Ахметова. - СПб.: Недра, 2006. - 868 с.
5. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ООО "Недра-Бизнес центр", 2000. - 677 с.
6. Худайбердиев А.А. Интенсификация подогрева нефтяного сырья. Монография. - Ташкент: Navroz, 2019. - 213 с.
7. Салимов З.С., Худайбердиев А.А., Худайбердиев Аб.А. Распределение температуры нефти при нагревании её парами углеводородного сырья в двухтрубчатом теплообменнике// Узбекский химический журнал. - Ташкент, 2011. - № 3. - С. 72-75.
8. Hudayberdiev A.A. Study of the static of the process of heating hydrocarbon raw materials in tubular apparatus// International scientific and technical journal Œemical technology. Control and management, 2019, №1 (85). - p. 63-67.
9. Худайбердиев А.А. Анализ эффективности работы трубчатых теплообменников нефтепереработки// Журнал Нефти и газа Узбекистана. - Ташкент, 2019. - № 2. - С. 49-52.
10. Технологический регламент установки атмоферной перегонки смеси газоконденсата и нефти и фракционирования гидроочищенной нафты Бухарского НПЗ. - TR 16472899-001: 2009.
11. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. - 8-е изд., перераб. -М.: Химия, 1971. - 783 с.
12. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/ Под ред. П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.
13. Барулин Е.П., Кувшинова А.С. и др. Лабораторный практикум по тепловым процессам. Учебное пособие. -Иваново: ИГХТУ, 2009. - 65 б.
