2.4.4  Технологический расчет внедряемого теплообменника

 

          Сложность расчета  теплообменников заключается в  решении уравнений, описывающих  процесс теплообмена. Для определения  поверхности теплообмена используется формула Ньютона – Фурье [18]:

    Где Q – количество вводимого или отводимого тепла за единицу времени, Дж/с;

  к- коэффициент теплоотдачи, Дж /(см² ·с);

 - средняя логарифмическая разность температуры в ºС (температурный напор).

Примем  следующие исходные данные.

          Согласно внедряемой схеме стабилизации нефти, в теплообменнике Т2 необходимо охладить то количество нефти, которое поступает в него из сепаратора С2. Производительность сепаратора составляет 3310 м³/ч. Для расчета внедряемого теплообменника необходимо принять следующие исходные данные.

          В холодильнике, представляющем собой теплообменник требуется  охладить горячую нефть расходом G₂ = 238320 кг/ч и теплоемкостью С_н = 2200 Дж /кг ·ºС от температуры t^н_н= 90 ºС до t_k^н = 40 ºС.

Начальная температура охлаждающей воды t_н^в= 25 ºС.

Теплоемкость  воды С_в= 4190 Дж/кг· ºС [18].

Коэффициент теплопередачи воды  К = 290Вт/ м²· ºС[18].

Определим необходимый расход воды для охлаждения нефти, поверхность теплообмена  и в прямотоке и противотоке.

1.Тепловая  нагрузка теплообменника определяется по формуле :  

      

То есть количество тепла, которое необходимо отдать охлаждающей  воде будет равным :

Q₂ =

 
 

       2. При прямотоке конечная температура  воды  t_н^в не может быть выше   конечной температуры нефти t_k^н= 40 ºС. Исходя из этого, можно принять приблизительно t_н^в = 35 ºС. Тогда, используя уравнение теплового баланса Q₂ = Q_x, можно определить расход охлаждaющей воды G_в. (Q_x - количество холода, используемое для охлаждения горячей нефти).

       Тогда расход воды  G_В= кг/с = кг/ч.

   3.Необходимая  поверхность теплообмена вычисляется  по уравнение

 где  - температурный напор, = .

     Средний температурный поток  при прямотоке :

 ºС

       4.Тогда необходимая поверхность  теплообмена при прямотоке :

      5.Средний температурный поток  при противотоке     

ºС 

    6.Необходимая поверхность теплообмена при противотоке 

 

          Таким образом, рассчитано, что  для охлаждения 3310 м³ горячей нефти от температуры 90 ºС до 40 ºС за час необходимо 137775 кг воды. Так же определено, что при одинаковом расходе воды необходимая поверхность теплообмена при противотоке меньше(F = 179 м³ ), чем в прямотоке (F = 236 м³).

2.4.5  Насос для системы  стабилизации нефти

          Для перекачивания  нефти в разработанной системе  стабилизации нефти внедрен центробежный нефтяной насос 6НДв-Нт-ЕУ2. Данный насос используется для перекачивания незагрязненных механическими примесями нефти, нефтепродуктов. Содержание твердых включений в перекачиваемых средах должно быть не более 0,2% по массе и размером не более 0,2 мм [35].   Насос 6НДв-Нт-ЕУ2 – центробежный, горизонтальный, одноступенчатый с 2-хсторонним полуспиральным подводом жидкости к рабочему колесу и спиральным отводом.

Насос  6НДв-Нт-Е У2 ТУ3631-066-05747979-96 
где 6- диаметр напорного патрубка в мм, уменьшенный в 25 раз; 
НД - насос двустороннего входа; 
в - высоконапорный; с - средненапорный;  
Б -бензиновый; Н - нефтяной; 
т - одинарное торцовое уплотнение;  
Е - стальной корпус; 
У2 - категория размещения.

Таблица 5 - Технических характеристик [35]

 

для насосов  с проточной частью из стали- 0,6 МПа (6кгс/см²) 
для насосов с проточной частью из чугуна- 0,3 МПа (3кгс/см²)

2.5 Материальный баланс системы стабилизации нефти

          За год функционирования резервуарного парка с 54 резервуарами годовая оборачиваемость нефти составляет G = 300000 тонн. Максимальный выход легкой газовой фракции нефти составляет 40 - 45% в расчете на массу сырья [34]. Основываясь на эти данные, составлен материальный баланс стабилизации нефти и  представлен в таблице 6.

 
 
 
 
 
 
 

Таблица 6 - Материальный баланс стабилизации нефти

 

          Количество несконденсировавшихся газов составляет 15 тонн в год (5 % масс). Таким образом, разработанная схема защиты атмосферы  позволит снизить потери легких газовых фракций нефти до 95%.                                                              

2.6 Обоснование эко-эффективности разработанной системы стабилизации нефти. 

Определим, какое количество выбросов образуется при функционировании резервуарного  парка, состоящего из 54 резервуаров, и  годовой оборачиваемостью нефти, равной 300000 тонн.

2.6.1 Расчет выбросов  загрязняющих веществ в атмосферу при хранении нефти в наземных резервуарах.

 

Для расчета  приняты следующие обозначения и допущения:  

Объем резервуара – 1000м³.

В - количество жидкости,  закачиваемое в резервуары  в  течение года, т/год.

M  - максимальные     выбросы     загрязняющих    веществ   в

            атмосферу, г/с;

G - годовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, т/год;

t _нк - температура начала кипения жидкости, С;

t_ж^max,t_ж^min    - температура    соответственно    при    максимальной  и

            минимальной закачке жидкости в резервуар, С;

p_ж - плотность жидкости, т/куб.м;

m - молекулярная масса паров жидкости;

V_р - объем резервуара, куб.м;

N_р - количество резервуаров, шт.;

Р₃₈   - давление   насыщенных  паров   нефтей  и   бензинов   при Т = 38°С;

 К_t^max   , К_t ^min  - опытные коэффициенты, равные 0,78 и 0,42 соответственно;

 К_P^CP - опытный коэффициент, равный 0,62;

Q_Ч^MAX- максимальный объем паровоздушной смеси,  вытесняемой из

    резервуаров во время его закачки, куб.м/час;

К _В - опытный коэффициент, равен 1;

P_Ж - плотность жидкости, т/куб.м; 
 

Таблица 7 - Данные продукта :

 

 
 
 

1. Значение коэффициента  К_об   принимается в зависимости от годовой

оборачиваемости резервуаров (n) (1):

                                  n = В/ ( р_ж · V_p · N_p )                                           (1) 

    n = 300000 / (0,74 х 1000 · 6) = 135, а К _об  = 1,35 

    2. Валовые выбросы  паров  нефти  рассчитываются согласно формулам (2) и (3): 

- максимальные выбросы (М, г/с): 

                 М = Р₃₈ · К_т ^max · К_P^max · К_В · Q_Ч · 0,163·10^-4                                  ( 2 ) 

- годовые выбросы  (G, т/год): 

G = [ Р₃₈ · m · (  K _T ^max · K_B ^min + K^СР _T) · K _P · K_OБ ·В ·0,294 ] /10^-7      (3) 

Максимальные  выбросы  и годовые выбросы  составят: 

М=0,163 · 420 · 63,7·   0,78 · 0,62 · 1,0 · 56 · 10^-4 = 11,8100 г/с.  

G= 0,294·420 ·63,7·(0,78·1,0 + 0,42)·0,62·1,35 ·300000 ·10^-7 = 324,6692 т/год. 

Таким образом, при функционировании резервуарного парка, состоящего из 54 резервуаров, и годовой оборачиваемостью нефти, равной 300000 тонн, образуется 325 000 тонн загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу.

      Внедрение разработанной системы защиты атмосферы, основанной на стабилизации нефти,  позволит снизить потери легких газовых фракций нефти до 95%. Это в 20 раз меньше годового выброса загрязняющих веществ в атмосферу из резервуаров, функционирующих без систем улавливания.

    При этом экоэффективность разработанной системы  достигнет 100%. Поскольку стабилизируется 95 % нефти, а 5%  нестабилизированного сырья в виде несконденсировавшихся газов направляется на газобензиновый завод, где он полностью используется.