Содержание к диссертации
Стр.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 9
ГЛАВА I. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АБСОРБЦИОННЫХ
ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН ДЛЯ НИЗКОТИШЕРАОТНОЙ
ОБРАБОТКИ И ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ 17
-
Эффективность применения низкотемпературных процессов при обработке и переработке природных газов 17
-
Вторичные энергетические ресурсы в газовой промышленности - источники тепла для выработки искусственного
холода 33
1.3. Термодинамические циклы абсорбционных
холодильных машин, рабочие вещества и
их теплофизические характеристики 43
1.4. Современное СОстояние Й перспективы
развития абсорбционных холодильных
машин 53
ГЛАВА П. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИССЛЕЩОВАНИЙ ОСНОВНЫХ
ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АППАРАТАК
абсорбционных ХОЛОдаЛЬНЫХ МАШИН 60
-
Обоснование выбора уравнений и разработка методики для расчета гидродинамических параметров стекающей пленки в случае однофазного и двухфазного двикения пара и жидкости 60
-
Анализ и расчетное сопоставление данных по теплоотдаче к свободно
стекащей плешке жидкости 68
2.3. Теоретические и экспериментальные
работы по кипению жидкостей в плен
ке на вертикальной поверхности
нагрева 75
Стр.
2.4. Тепломассообмен в генераторе насадочного
типа 82
глава Ш. экспешлентальше исследоваБие процессов
ТЕПЛООТДАЧИ И РАЗДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНЬЕК
ГАЗОВ В АППАРАТАХ АБСОРВДЮННЫХ ХОЛОДИЛЬ
НЫХ МАШИН РАЗЛИЧНОГО ТИПА 86
3.1. Опытный стенд и методика эксперимента
для: исследования процессов теплоотдачи
в пленке жидкости 86
-
Исследование гидравлических характеристик распределительного устройства для пленочного орошения труб и интенсивности теплоотдачи в пленке некипящей жидкости 98
-
Исследование закономерностей теплоотдачи при кипении различных растворов и воды
в стекающей пленке НО
-
Влияние плотности теплового потока на теплоотдачу при кипении Ц4
-
Влияние гидродинамических характеристик двухфазного течения и парообразования на теплоотдачу
в пленке кипящей жидкости 125
-
Влияние концентрации раствора и тешюфизических свойств жидкостей на теплоотдачу цри кипении в тонком слое 133
-
О связи интенсивности теплопере-носа с геометрическими и механи- ' ческими характеристиками труб и способом обогрева теплообменной поверхности 138
3.4. Оценка погрешностей результатов исследо
вания теплоотдачи в пленке жидкости 145
3.4.1. Теплоотдача при кипении растворов
и воды 145
3.4.2. Конвективный теплообмен в пленке
некипящей жидкости 148
о— *-# И^
Стр.
3.5. Обобщение опытных данных по кипению жидкостей в пленке. Определение
тешюфизичеоких свойств исследуемых
рабочих веществ 150
3.6. Экспериментальное исследование цроцес
сов разделения углеводородных смесей и
теплопередачи в генераторе насадочного
типа 155
ГЖВА и,. РАЗРАБОТКА И ТЕХНШЮ-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕ
РИСТИКИ ТЕЗОКШОгаЧЕСКИХ СХЕМ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ
ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ АБСОРЩИОБНЫХ
ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН И КОМПРЕССОРНЫХ ХОЛОДШЬ-
НЫХ УСТАНОВОК 162
4.1. Технологические схемы низкотемператур
ной обработки газа при промысловой под
готовке газа к дальнему транспорту
на примере газоконденсатных месторожде
ний Шатлык и Уренгой 162
-
Особенности технологической схемы при переработке газа с большим содержанием Hg и СО2 на примере Астраханского газоконденсатного месторождения 173
-
Низкотемпературная переработка сероводо-родсодеркащего природного газа применительно к Мубарекскому и Оренбургскому газоперерабатывающим заводам 177
-
Усовершенствование технологической схемы пропаноБой холодильной установки на I очереди Оренбургского гелиевого завода 192
ВЫВОДЫ 198
ЛИТЕРАТУРА 200
ПРИЛОЖЕНИЯ 221
_ \j тшЛ
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
JjjB - коэффициенты;
й. - коэффициент температуропроводностж, ь?/c;
С - ПОстоянный коэффициент;
С - удельная теплоемкость, Дж/(кг.К);
d0 - отрывной диаметр парового пузыря, м;
d - диаметр парового пузыря, м;
Вн - наружный диаметр трубы, м;
UBH - внутренний диаметр трубы, м;
Є - основание натуральных логарифмов;
Г - поверхность, м^;
/ - функция; частота отрыва паровых пузырей, 1/с;
Б- - массовый расход, кг/с;
о. - нормальное ускорение свободного падения, м/с2
Ц - длина трубы, м;
4 - определяющий размер, м;
- молекулярная масса;
- давление, Па;
\р - разность давлений, Па;
J>ep - критическое давление, Па;
й - количество тепла, Вт;
- плотность теплового потока, Вт/м2;
R - радиус, м;
JL - газовая постоянная, Дгк/Скг.К);
Г - теплота парообразования, Дк/кг;
5 - ход плунжера насоса-дозатора, м;
Т - температура. К;
Ts - температура насыщения жидкости, К;
- б -
Тст - температура поверхности. К;
Тщ - температура критическая. К;
аТ - разность температур, К;
I - энтальпия, Дж/кг;
аі - разность энтальпий, Jfe/кг;
V - объем, объемный расход, м3, м3/с;
V - удельный объем, м3/кг;
w - скорость, м/с;
z - число центров парообразования, 1/м2;
об - коэффициент теплоотдачи, Вт/См2.К);
Р - плотность, кг/м^;
у. - координата, отсчитываемая от стенки;
8 - толщина пограничного слоя, толщина стекащеи пленки, м;
/? - безразмерная толщина пленки;
в - краевой угол смачивания, рад;
(9 - коэффициент извлечения;
- тепловой коэффициент;
е - поправочный коэффициент;
X - коэффициент теплопроводности, Бт/м.К);
^ - длина волны, м;
jl - коэффициент динамической вязкости. Па.с;
І - коэффициент кинематической вязкости, м^/с;
^ - весовая концентрация;
v/p - приведенное давление;
й: - 3,1416;
б - коэффициент поверхностного натяжения, Ц/м;
X - время, с;
X - касательное напряжение. Па;
приведенная температура;
Т/Щр - приведенный объем;
Г=Л- - массовый расход жидкости, отнесенный к периметру '» трубы, кгДм'с);
Гт=^г - объемная интенсивность орошения, M3/(м-C). вн
Индексы:
S- насыщение; кр. - критическое; - насыщенная жидкость;
" - сухой насыщенный пар; ст. - стенка поверхностного нагрева; п - пар; ж - жидкость; ср. - средний; к - кипение; б.к -конвективный теплообмен без изменения агрегатного состояния; а - атмосферное; лок. - локальное; вх. -вход; вых. - выход; X - длина участка трубы от входа; шт. - пленочный, пленка; волн. - волновой; лам. - ламинарный; из. - изоляция; тр.- труба; трение; " (черта над буквой) - знак осреднения.
^unjrlt{j) " модифицированное число Цуссельта; JfiL=~f0 - число Вуссельта; Ь^^Г - число Прандтля;
А V
$епл- -5Г " число Рейнольдса для движения пленки;
число Рейнольдса для кипения;
п 3
* = |г " ЧИСЛ0 Галилея;
Ko~-w-P - безразмерный комплекс;
Ре. =Ле Рг - число Пекле для кипения;
In ~ -тгт" - число Фруда;
j, - число фазового превращения;
^ip4w- числОВебера.
Остальные обозначения поясняются в тексте.
*в» ^у илшт
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года указывается на необходимость продолжения работы по более широкому вовлечению в хозяйственный оборот вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), использование которых является одним из крупных резервов экономии топлива в промышленности.
Актуальным вопросам необходимости существенного изменения структуры энергопотребления и широкому использованию нетрадиционных энергоресурсов, бросового тепла посвящена статья президента Академии наук СССР [З].
Одним из экономически эффективных направлений использования низкопотенциального тепла признано его применение в цроизводстве холода с помощью абсорбционных холодильных машин [5, 15, 20, 59]]
В современных условиях крупные предприятия химической, нефтехимической, микробиологической и ряда других отраслей промышленности, являющиеся потребителями холода, могут обеспечить [б, 62] необходимым вторичным теплом абсорбционные холодильные машины (АХМ). Благоприятные условия длл применения АЖ сложились в быстроразвиващейся газовой промышленности, располагающей значительным количеством низкопотенциального тепла в виде отходящих газов компрессорных агрегатов с газотурбинным приводом, технологического водяного пара и горячего водяного конденсата после ребойлеров, факельных сбросов, газов дегазации, тепла дожига хвостовых газов печей Клауса, водяного пара вторичного вскипания на газоперерабатывающих заводах (ГПЗ). - ю -
Только на компрессорных станциях, оборудованных газовыми турбинами, общие ресурсы вторичной энергии на конец 1980 года превышали 418,7 млн. Ідж/г [Юб] .
С помощью АЖ представляется возможным решить проблему утилизации БЭР и одновременно обеспечить холодом основные технологические процессы: сепарацию газа на цромыслах, осушку газа и разделение углеводородных смесей на ШПЗ, транспорт газа в охлажденном состоянии.
Актуальным и своевременным является постановка и решение вопроса о рациональном использовании АЖ для низкотемпературной переработки природного газа.
Тенденция развития АЖ направлена на создание крупных единичных мощностей оборудования, внедрение воздушного охлаждения аппаратов, совершенствование процессов регенерации и абсорбции, применение пластинчатых аппаратов, использование новых эффективных рабочих веществ, способствующих расширению областей применения холодильных машин.
В связи с этим возникает необходимость проведения глубоких научных и экспериментальных исследовании в направлении интенсификации процессов тепло- и массопереноса в основных аппаратах АЖ.
С I960 года за рубежом и в нашей стране большое внимание уделяется абсорбционным машинам, где хладагентом является метиламин [31, 83, 193, 195]. Малая упругость паров хладагента позволяет значительно упростить конструкцию АЖ, примекять воздушное охлаждение теплообменной аппаратуры, сзщественно снизить металлоемкость и габариты холодильной установки. В области отрицательных температур кипения сопоставление с водо-аммиачныш машинами [831 показало, что тепловой коэффициент - II - машины с раствором метиламин-глщерин выше в среднем на 7 ^. Слабая токсичность и взрывоопасность систем с метиламином, отсутствие корродирующего действия на черные металлы выгодно повышают эксплуатационные показатели аминовой холодильной установки [57, 122]]
Одним из наиболее эффективных методов интенсификации процессов теплопереноса в технологическом оборудовании холодильных машин является проведение их в тонком слое (пленке). Аппараты пленочного типа широко используются в АХМ большой производительности [7, 17б], в химической, нефтеперерабатывающей и пищевой отраслях промышленности для нагрева и охлаждения жидкостей, выпаривания, абсорбции, в точных исследованиях мас-сообмена. Они характеризуются высокой интенсивностью тепло-и массообмена, небольшой металлоемкостью, малым количеством продукта, легкостью автоматизации и удобством регулирования работы аппаратов.
Важно отметить, что оптимальные условия работы пленочных выпарных аппаратов имеют место при невысоких температурных напорах, т.е. представляется возможность использовать тепло низкого потенциала: горячую воду, пар низкого давления, отработанные газы газотурбинных установок.
Следует подчеркнуть малую изученность процессов гидродинамики и теплообмена в цротивоточных выпарных аппаратах со стекающей пленкой жидкости. Большинство экспериментальных работ проведено с чистыми жидкостями: вода, фреоны, аммиак, кислород. Теплообмен при кипении многокомпонентных смесей является малоисследованным вопросом до настоящего времени. Имеющиеся данные показывают, что при кипении смесей веществ наблюдаются специфические явления и более сложные закономерности по срав- нению с чистыми веществами.
Исходя из задачи по расширению области применения АЖ, теоретические и экспериментальные работы по теплоотдаче на новых растворах, содержащих алифатические амины, дальнейшее накопление и обобщение имеющегося опытного материала являются актуальными.
Другим перспективныл типом выпарного аппарата, также позволяющим использовать низкопотенциальное тепло, является кипятильник насадочного типа. Особенность аппарата заключается в том, что в нем, так же как и в пленочном кипятильнике, совмещены процессы выпарки и массообмена, но процесс ректификации протекает намного полнее и совершеннее, и таким образом отпадает необходимость в исчерпывающей колонне [14, 1091.
На газоперерабатывающих заводах предпочтительно применять в качестве рабочих веществ для АЖ сырье или продукты цредприятий: хладагент - пропан, бутан, этан (этилен), абсорбент - шщивидуальные углеводороды или их смеси. Выбор необходимых веществ определяется рядом условий: температурами кипения хладагента и греющей среды, системой охлаадения (вода, воздух), конструкцией и процессами тепло- и массообмена в аппаратах. В научной и технической литературе отсутствуют необходимые данные по расчету генератора насадочного типа углеводородных AM [7, 13, 14, 130, 176].
В связи с вышеуказанным возникает необходимость выполнения исследовательских и экспериментальных работ по определению разделяющей способности, коэффициентов теплопередачи при работе неадиабатической насадочной колонны на смесях углеводородов, решения ряда целевых работ.
Цель работы
Научно обосновать новые области эффективного применения абсорбционных холодильных машин, использующих тепло БЭР, для хладоснабженил газодобыващих и газоперерабатыващих предприятий.
Основные задачи исследований
Экспериментальное исследование процесса кипения смесей углеводородов в выпарном аппарате насадочного типа, определение разделяющей способности и коэффициентов теплопередачи.
Разработка методики исследования и определение опытных коэффициентов теплоотдачи при кипении растворов в пленочном противоточном генераторе.
Экспериментальное исследование теплоотдачи в волновой стекающей пленке раствора применительно к абсорберам теплоис-пользующих ММ.
Разработка на основе экспериментальных данных обобщающих зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи в пленочных абсорбере и генераторе абсорбционной холодильной машины.
Обследование промысловых установок и газоперерабатывающих заводов с целью выявления и уточнения параметров вторичных тепловых ресурсов и потребностей технологических установок в искусственном холоде.
Технико-экономические исследования по оптимизации технологических схем подготовки и переработки природных газов с холодильными станциями различного типа и разработка новых схем низкотемпературной обработки природного газа с применением дам.
Научная новизна
Впервые получены экспериментальные данные по коэффищиентам теплоотдачи в стекающей волновой пленке водных растворов метиламина и других веществ при однофазном течении и кипении жидкостей в тонком слое в условиях противотока образующегося пара.
Получены обобщенные зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи в вертикальном пленочном абсорбере и про-тивоточном генераторе АЛ
Экспериментально исследованы процессы теплопередачи и разделения смесей углеводородных газов в неадиабатической испарительно-конденсационнои колонне со спирально-призматической насадкой.
Научно обоснованы границы областей эффективного применения абсорбционных холодильных машин, использующих тепло БЭР, в технологических схемах различных газоперерабатывающих предприятий,
Практическая ценность и реализация работы в промышленности
Обобщающие уравнения по теплообмену в пленочных аппаратах рекомендуются проектным организациям для расчета коэффициентов теплоотдачи при разработке абсорбера и генератора абсорбционных холодильных машин.
Выявленные в результате технико-экономического исследования области эффективного применения АХМ, работающих на тепле БЭР, и разработанные технологические схемы дают возможность на стадии проектирования определить оптимальный тип холодильной станции.
Обследование промыслов и ШПЗ выявило температурные потенциалы и объемы БЭР, позволило энергетически обосновать холодеснабжение газоперерабатывающих объектов с помощью теп-лоиспользузщих холодильных машин. Полученные данные использованы при разработке регламента на проектирование дополнительной мощности холодильных систем ПО "ОРЕНБУРГГАЗЗАВОД", модернизации холодильной установки Оренбургского гелиевого завода, при разработке новых технологических схем для переработки газа на Мубарекском и Астраханском ГПЗ, в комплексном проекте разработки Уренгойского месторождения.
Годовой экономический эффект от внедрения теплоисполь-зущей холодильной машины на Мубарекском ГПЗ составляет 389 тыс. рублей. Технологическая схема охлаждения газа в установке осушки с использованием АЖ, работающей на тепле горячего водяного конденсата, принята Мубарекским ГПЗ для практической реализации.
Усовершенствованная автором технологическая схема пропа-новой холодильной установки внедрена на первой очереди Оренбургского гелиевого завода и рекомендована для второй и следукщих очередей строительства ОГЗ. Экономический эффект от работы одного центробежного агрегата АТП5-5/3 по оптимальным режимам составил 32,5 тыс. рублей в год для I очереди Оренбургского гелиевого завода. Всего на I и П очередях ОГЗ смонтировано и находятся в эксплуатации семь агрегатов типа АТП5-5/3.
Научная апробация работы осуществлена цутем докладов, сообщений и выступлений на всесоюзных совещаниях по АШ, отраслевом семинаре, конференциях МИЖа, секции по теплоисполь- зущим холодильным машинам Научного Совета ГКНТ СССР, секциях НТС Мингазцрома, технических советах ВНИИГАЗа и публикации результатов проведенных исследовании и материалов диссертации в II печатных работах.
Диссертационная работа выполнена во ВБИИГАЗе (лаборатория низкотемпературных процессов и гелия) и МИЖе (кафедра криогенной техники). Она состоит из 4 глав, содержит 34 таблицы, 52 рисунка и 7 приложений. Список использованной литературы - 198 наименований.
При проведении исследований использовались научно-технические материалы институтов ВБИИГАЗ, ЬИШ, ВНИИхолодмаш, ВНИПИГАЗцобыча и КМИИгипрогаз.
