К задаче 1.
Состав фаз (газ, нефть), которые выделяются в сепараторе, можно регулировать изменением давления и температуры сепарации.
Выпадение капелек и твёрдых частиц из газа в гравитационном сепараторе происходит в основном по двум причинам: вследствие резкого снижения скорости газового потока в основном по двум причинам: вследствие резкого снижения скорости газового потока и вследствие разности плотностей газовой и жидкой фаз.
Для эффективной сепарации необходимо, чтобы расчётная скорость движения газового потока в сепараторе была меньше скорости осаждения жидких и твёрдых частиц движущихся под действием силы тяжести во встречном потоке газа, то есть υГ < υЧ
1) Скорость осаждения капельки жидкости (твёрдой частицы), имеющей форму шара, можно определить по формуле Стокса:
υЧ = (dН2*(ρН – ρГ)*q) / 18μГ (1)
где, υЧ - скорость осаждения частицы, м/с
dН – расчётный диаметр частицы (капельки нефти), м
ρН; ρГ - соответственно плотность нефти и газа в условиях сепаратора, кг/м3
|
|
q – ускорение свободного падения, м/с2, q = 9,81
μ Г - динамическая вязкость газа в условиях сепаратора, Па*с
2) Плотность газа в условиях сепаратора определяем по формуле:
ρГ = ρ0*(Р/Ро)*(Т/То)*(1/Z), кг/м3 (2)
где, ρ0 – плотность газа при нормальных условиях, кг/м3
Р и Ро – соответственно давление в сепараторе и атмосферное давление, Па – Ро = 1,013*105, Па
Т – абсолютная температура в сепараторе (Т = 273 + t), К
То – абсолютная нормальная температура (То = 273), К
Z – коэффициент сжимаемости, учитывающий отклонение реальных газов от идеального
3) Скорость подъёма газа в вертикальном сепараторе на практике определяют по формуле:
υГ = υЧ / 1,2, м/с (3)
4) Суточная производительность сепаратора по газу:
Vг = (86400*υГ*0,785*Д2*Р*То) / (Z*Ро*Т), м3 (4)
Где, Д – внутренний диаметр сепаратора, м
5) Расчёт вертикального сепаратора по жидкости к тому, чтобы получить скорость подъёма уровня жидкости υЖ в нём меньше скорости всплывания газовых пузырьков, то есть υЖ < υГ
Суточная производительность сепаратора по жидкости определяется по формуле:
QЖ = 36964 Д2*(dГ2*(pН – pГ)*q)/18μН, м3 (5)
6) Скорость подъёма уровня нефти в сепараторе:
υН = QН / 86400*F*pН = QН / 86400*0,785*Д2*pН, м/с (6)
Где pН– плотность нефти, (т/м3)
Пузырьки газа успеют всплыть при υГ > υН.
7) Принимают υГ на 0,001/0,002 м/с больше, чем υН и определяют диаметр пузырьков газа по формуле Стокса.
D Г = , м (7)
Порядок выполнения расчёта:
Определяют:
1. Плотность газа в условиях сепаратора по формуле (2).
2. Скорость осаждения капельки жидкости по формуле (1).
3. Скорость подъёма газа по формуле (3).
4. Суточную производительность сепаратора по газу по формуле (4).
|
|
5. Скорость подъёма уровня нефти в сепараторе, формула (6).
6. Диаметр пузырьков газа, формула (7).
7. Суточная производительность сепаратора по жидкости, формула (5).
К задаче 2.
При работе сепаратора стенки и днище его подвергаются действию равномерно определённого избыточного давления р. Силы, действующие на днище, стремятся разорвать цилиндрическую часть сепаратора по перечному сечению (σ2 – σ2). Давление на боковые стенки стремится разорвать сосуд по образующим цилиндра (σ1 – σ1).
Обозначив соответственно диаметр, длину и толщину стенки сепаратора через Дс, I, δ, определим напряжение σ1 и σ2.
Силы, действующие на днище и растягивающие цилиндрическую часть сепаратора вдоль образующих, равны:
Р = р* , Па (1)
Площадь, воспринимающая эти силы, представляет кольцо толщиной δ и диаметром Дс.
S = π*Дс*δ (2)
Отсюда аксиальные напряжения, действующие вдоль оси цилиндра, будут равны:
σ2 = = = (3)
Тангенциальные напряжения σ1 можно найти разрезав сепаратор диаметральной плоскостью и отбросив верхнюю часть. На диаметральную плоскость в оставленной части сепаратора действует давление р, которое уравновешивается силами N.
р*Дс*1 = 2*N (4)
отсюда
N = (5)
и
σ1 = = , Па (6)
Расчёт ведут по σ1, так как оно в два раза больше σ2. В практических расчётах σ1 заменяют допускаемым напряжением R, вводят коэффициент запаса прочности сварных швов φ и, делая прибавку С на коррозию, получают формулы для определения толщины стенки через внутренний, наружный и средний диаметры.
δ = + С (7)
δ = + С (8)
δ = + С (9)
В практических расчётах сварных корпусов сепараторов φ можно принять равной 0,95, а допустимое напряжение на разрыв для сталей марки Ст.3 R = 250 МПа.
Величина С принимается 2 – 3 мм.
Толщину эллиптических днищ определяют по формулам (7), (8), (9), при этом в числитель вводят коэффициент перенапряжения У, зависящий от отношения Н/Д (где Н – высота выпуклости эллиптического днища).
δД = + С (10)
δД = + С (11)
δД = + С (12)
Порядок выполнения:
1. Определяем толщину стенки корпуса сепаратора по формуле (8), приняв РОП = 2Р.
2. Определяем толщину днища по формуле (10). Коэффициент перенапряжения У в практических расчётах принимается равным 1,06.
К задаче 3.
Для проектирования процесса передачи теплоты необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором, то есть пропорционально поверхности теплообмена F, температурному напору ∆t и времени , то есть
Где К – это коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопередачи и представляющий собой количество теплоты, прошедшей через единицу времени при температурном напоре, равном единице Bm/().
В процессе теплообмена обычно изменяются температуры теплоносителей, а, следовательно, и температурный напор.
Характер изменения температуры жидкости, движущейся вдоль поверхности нагрева, зависит от схемы ее движения.
В теплообменных аппаратах применяются в основном три схемы движения жидкости:
1) прямоточная, когда горячая или холодная жидкость протекает в одном направлении (рис 1 (а));
2)противоточная, когда горячая и холодная жидкость протекают в противоположно друг к другу направлении (рис 1 (б));
3) перекрестная, когда жидкости протекают в перекрестном направлении.
Рис 1. Характер изменения температуры рабочих жидкостей в прямотоке (а) и противотоке (б)
Рассматривая кривые изменения температуры при прямотоке, видно, что нельзя нагревать входящий холодный теплоноситель с начальной температурой выше температуры выходящего горячего теплоносителя, , то есть всегда , что обуславливается термическим сопротивлением стенок теплообменника. При противотоке конечная температура холодного теплоносителя может быть выше конечной температуры горячего теплоносителя .
|
|
При прямотоке в противотоке, которые преимущественно используются в теплообменных аппаратах, температурный напор определяется по средне логарифмической или среднеарифметической разности температур.
Вместо формул (1) и (2) можно записать одну:
Где – разность температур между потоками;
– большая разность, – меньшая разность.
Если отношение , то определяется средне-логарифметическая температура по формуле (1) и (2), если отношение , то определяется среднеарефметическая температура по формуле:
Если теплообмен происходит без фазовых или химических превращений, а удельные теплоемкости практически не зависят от температуры, то уравнение теплового баланса теплообменника можно записать так:
Q – количество теплоты, Вт
Под тепловой нагрузкой Q понимается количество теплоты в Вт, передаваемой за единицу времени:
а)
б)