книги / Методы управления тепло- и массообменными процессами

ЗАДАНИЕ № 2

Определение оптимального варианта расположения трубопровода для подачи природного газа на предприятие

Цели работы:

1.Получение навыков анализа принимаемых технических решений при наличии сложного критерия оптимальности.

2.Получение навыков проектирования и анализа полученных результатов в составе группы.

3.Получение навыков работы с модулями Design-II for Windows, в которых рассчитываются процессы теплопередачи.

Описание задания

На производство по трубопроводу (длина L = 5000 м, внут-

ренний диаметр Øвнутр = 300 мм, толщина стенки δстенки = 20 мм) от газораспределительной станции (ГРС) подается природный газ

со следующими параметрами:

–состав, об. %: 98 СН4, 1 N2, 1 CO2;

–температура 50 C;

–давление 50 кг/см2;

–расход (приведенный к нормальным термодинамическим условиям) 220 000 м3/ч.

После поступления на производство газ дожимается одноступенчатым компрессором до 50 кг/см2 (Calculation type = Polytropic, Efficiency = 0.72).

В ходе выполнения работы необходимо в среде Design-II for Windows составить проект (рис. 2), добиться его работоспособности и выполнить индивидуальное задание, а затем в составе группы участвовать в обсуждении вариантов с целью выбора оптимального.

11

скорость ветра 5 м/с) или под землей (влажный песок, λ =

=1,13 Вт/(м·К), глубина 3 м).

2.Определить оптимальную глубину (в пределах от 1 до 5 м) подземного расположения трубопровода природного газа (влажный песок, λ = 1,13 Вт/(м·К)).

3.Определить оптимальный грунт для подземного расположения трубопровода природного газа: сырой (λ = 1,13 Вт/(м·К))

или сухой (λ = 0,400 Вт/(м·К)).

4.Определить, стоит ли давать трубопроводу обдуваться

ветром (t = 20 C, λ = 0,034 Вт/(м·К), скорость ветра от 0,1 до 10 м/с).

5.При расположении трубопровода на воздухе (t = 20 C,

λ= 0,034 Вт/(м·К), скорость ветра 5 м/с) определить, какой теплоизоляционный материал толщиной 50 мм лучше выбрать для его теплоизоляции:

–маты прошивные ( = 150 кг/м3, λ = 0,064 Вт/(м·К));

–изделия Аэрофлекс ( = 50 кг/м3, λ = 0,040 Вт/(м·К));

–пенополиуретан ( = 80 кг/м3, λ = 0,050 Вт/(м·К));

–оставить трубопровод без теплоизоляции.

6.При расположении трубопровода на воздухе (t = 20 C,

λ= 0,034 Вт/(м·К), скорость ветра 5 м/с) определить, какую

толщину (от 0 до 100 мм) прошивных матов (ρ = 150 кг/м3,

λ= 0,064 Вт/(м·К)) целесообразно выбрать.

7.При расположении трубопровода на воздухе (t = 20 C,

λ= 0,034 Вт/(м·К), скорость ветра 5 м/с) определить, стоит ли делать дополнительный слой гидроизоляции для слоя теплоизо-

ляции (маты прошивные, ρ = 150 кг/м3, λсух = 0,064 Вт/(м·К), λвлаж = 0,070 Вт/(м·К)).

8.При расположении трубопровода на воздухе (t = 20 C,

λ= 0,034 Вт/(м·К), скорость ветра 5 м/с) без изоляции оценить целесообразность уменьшения или увеличения диаметра трубопровода.

9.При расположении трубопровода на воздухе (t = 20 C,

λ= 0,034 Вт/(м·К), скорость ветра 5 м/с) без изоляции определить

13

целесообразность предварительного снижения (перед подачей

втрубопровод) давления газа менее 50 кг/см2.

10.Определить целесообразность использования многоступенчатого компрессора (двухили трехступенчатого) для сжатия газа вместо одноступенчатого (температура охлаждения

газа между ступенями 50 С).

11.Определить целесообразность предварительного нагрева или охлаждения газа перед подачей в трубопровод.

12.При расположении трубопровода на воздухе (λ =

=0,034 Вт/(м·К), скорость ветра 5 м/с) без изоляции определить возможность отказа от компрессора для сжатия газа после тру-

бопровода для условий зима (–30 С) /лето (+30 С)/осень-весна (+10 С) при условии поднятия давления газа перед ГРС до

75кг/см2.

13.Определить целесообразность установки на ГРС детандера (Efficiency = 0.72) для сброса давления с 75 кг/см2 до 50 кг/см2.

14.Определить целесообразность предварительной очистки газа от паров воды (до 0,1…3 об. %) перед подачей в тру-

бопровод при расположении трубопровода на воздухе (t = 20 C, λ = 0,034 Вт/(м·К), скорость ветра 5 м/с) без изоляции.

14

ЗАДАНИЕ № 3

Расчет энерготехнологического агрегата, производящего перегретый пар, и оптимизация режимов его работы

Цели работы:

1.Получение навыков анализа принимаемых технических решений при наличии сложного критерия оптимальности.

2.Получение навыков проектирования и анализа полученных результатов в составе группы.

3.Получение навыков работы с модулями Design-II for Windows, в которых рассчитываются процессы теплопередачи

ихимических превращений.

Описание задания

В котле (рис. 3), вырабатывающем перегретый пар, сжигается природный газ со следующими параметрами:

–состав, об. %: 98 СН4, 1 N2, 1 CO2;

–температура 20 C;

–давление 0,05 кг/см2 (избыточное);

–расход (приведенный к нормальным термодинамическим условиям) 5000 м3/ч.

На сжигание подается воздух (температура 20 C) с расходом, соответствующим наличию в дымовых газах 2–3 об. % О2.

Температура питательной воды котла 50 С, давление 11 кг/см2. Температурный режим работы котла:

–температура воды на выходе кипятильных труб (т.е. из барабана котла) равна температуре точки росы (Dew Point);

–температура перегретого пара 420 С;

–температура воды на выходе из экономайзера равна температуре кипения (Bubble Point);

–температура дымовых газов 100–150 С.

15

3.Формализовать технологическую схему котла в операторах Design-II for Windows, произвести проектный расчет котла

сопределением площадей теплопередачи теплообменных поверхностей котла.

4.На основании проектных расчетов необходимых поверхностей теплообмена (п. 3) выполнить поверочные расчеты в соответствии с индивидуальным заданием, подтвердить расчеты графиками, объяснить физико-химический смысл полученных зависимостей и сделать выводы.

5.Работая в группе и используя результаты, полученные другими студентами, определить оптимальные условия работы котла и основные положительные и отрицательные результаты, которые могут быть достигнуты путем управления технологическими режимами работы котла.

6.Отчет о проведенных расчетах сдать преподавателю в электронном виде.

Варианты заданий:

1.Определить и объяснить влияние коэффициента из-

бытка воздуха (концентрация О2 на выходе 1–10 об. %) на КПД котла, его производительность и режимы работы теплообменного оборудования.

2.Определить и объяснить наиболее существенное влияние загрязнения экономайзера или кипятильных труб (снижения коэффициента теплопередачи до 80 % от номинальной) на КПД котла, его производительность и режимы работы теплообменного оборудования.

3.Определить и объяснить влияние недожога топлива (на-

личия СО, Н2 и сажи в дымовых газах) на КПД котла, его производительность и режимы работы теплообменного оборудования.

4.Определить и объяснить влияние эффекта частичного испарения воды в экономайзере (до 10 %) на КПД котла, его производительность и режимы работы теплообменного оборудования.

5.Определить и объяснить влияние состава топлива (увеличения в нем азота до 10 %, добавки этана и пропана до 10 % при

17

соотношении этан/пропан, равном 4) на КПД котла, его производительность и режимы работы теплообменного оборудования.

6.Определить и объяснить влияние давления вырабатываемого пара на КПД котла, его производительность и режимы работы теплообменного оборудования.

7.Определить и объяснить влияние температуры перегретого пара на КПД котла, его производительность и режимы работы теплообменного оборудования.

8.Определить и объяснить эффект от наличия в конструк-

ции котла воздухоподогревателя (подогрев воздуха до 100–250 С при Kтп = 25 Вт/(м2·К)) и его влияние на КПД котла, его производительность и режимы работы теплообменного оборудования.

9.Определить и объяснить влияние температуры питательной воды на КПД котла, его производительность и режимы работы теплообменного оборудования.

10.Определить и объяснить влияние температуры дымовых газов на КПД котла, его производительность и режимы работы теплообменного оборудования.

11.Определить и объяснить целесообразность использования

очищенного от серы топлива (до 5 % H2S) на КПД котла, его производительность и режимы работы теплообменного оборудования.

12.Определить и объяснить целесообразность подачи потока дымовых газов в КТАН (контактный теплообменник), орошае-

мый водой с температурой 20–70 С, и влияние его включения в систему на КПД системы, ее производительность и режимы работы теплообменного оборудования котла.

Примечание. Под КПД понимается величина, рассчитываемая по формуле:

η= (Σ Enthalpy (потоки Products) – Σ Enthalpy (потоки Feed) –

–Enthalpy (поток дымовых газов)) / (Σ Enthalpy (потоки Products) –

–Σ Enthalpy (потоки Feed)).

Величины Enthalpy потоков берутся с листа Energy после экспорта результатов расчетов в Excel (после расчета нажимаем кнопку All Results).

18

ЗАДАНИЕ № 4

Разработка вариантов технологической схемы для разделения технологического потока

на отдельные компоненты с использованием методов ректификации/абсорбции/десорбции

с учетом минимальных капитальных и текущих затрат на разделение

Цели работы:

1.Получение навыков синтеза химико-технологической системы (ХТС) разделения многокомпонентных жидких смесей на отдельные компоненты с использованием эвристического метода.

2.Получение навыков моделирования ХТС с учетом парожидкостного равновесия в среде Design-II for Windows и технологического расчета колонных аппаратов.

3.Получение навыков анализа и оптимизации ХТС с учетом парожидкостного равновесия.

Описание задания

В ходе выполнения работы необходимо предложить оптимальную технологическую схему разделения смеси на чистые компоненты, т.е. содержащие не менее 99,5 мас. % основного вещества, с учетом следующих требований:

–необходимо подобрать и обосновать выбор того или иного хладагента и его параметров для дефлегматоров колонн (воздух или вода), а также источника тепла и его параметров для кубов колонн (горячая вода или пар, насыщенный или перегретый);

–продукты разделения (дистиллят и кубовый остаток) являются жидкостями;

–при разработке систем разделения следует использовать эвристический принцип синтеза ХТС;

19

–размеры оборудования и затраты на его изготовление должны быть минимальными (стоимость оборудования связана как с его размерами, так и с давлением и температурой внутри аппарата, т.е. для минимальной стоимости аппарат должен быть небольшой, а давление и температура внутри него должны быть близки к давлению и температуре окружающей среды);

–должны быть минимальными затраты энергии на подогрев кубов колонн ректификации и на конденсацию пара в дефлегматорах, а также на дополнительный подогрев или охлаждение технологических потоков при выбранных параметрах хладагента и источника тепла;

–расход питающей смеси компонентов на систему ректификации должен составлять 1000 кг/ч, поток должен быть жидким

(Vapor Fraction = 0), температура 20 С и давление 10–20 кг/см2.

Рекомендации при выполнении работы:

1. Для моделирования ХТС с колонными аппаратами следует использовать упрощенный модуль расчета колонн ректификации Shortcut Fractionator с перепадом давлений Р между кубом и дефлегматором каждой колонны не менее 2 кг/см2; в случае необходимости использовать смесители, делители, теплообменники, насосы и т.д.

2.При расчетах в качестве корреляции давления пара над жидкостью (Equilibrium K-values) в разделе Basic Thermo… сле-

дует использовать модель Vapor Pressure или Ideal (в случае необходимости).

3.При расчетах в качестве теплоты парообразования (Vapor/ Liquid Enthalpy) в разделе Basic Thermo… следует использовать модель Latent Heat или Ideal (в случае необходимости).

4.Особенность работы модуля Shortcut Fractionator такова, что при некоторых расчетах может получиться ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ количество тарелок в колонне. В этом случае необходимо:

– проверить правильность исходных данных (может быть, вы ошибочно задали выделение легкого компонента из куба колонны);

20