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裂解热量理论计算与换热塔设计

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众所周知,换热塔是裂解裂化的核心设计。尝试通过理论计算完成换热塔的设计。


IP属地:北京1楼2022-09-06 10:56回复
    首先,补充一些基础知识。
    1.一个无限时间稳定运行的模块,应处于稳态导热状态,即热量流入流出达到平衡,每个点温度保持平均值不变,考虑到缺氧的一些机制,可能会稍有波动。
    2.一个模块在没有电热棒,蒸汽与bug的情况下,理论上总热量应为0,即既不放出,也不吸入,液冷机是热量的搬运工不产生热量。
    3.在缺氧中,相变热小到可以忽略的状态,相变前后温度几乎不变,则总内能不是状态函数,即放热与路径有关。
    4.缺氧中热量计算是间断的,且有一些限制条件,这可能会带来一些想不到的问题。


    IP属地:北京2楼2022-09-06 11:09
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      换热塔结构:高硫天然气通道:(一格耐热砖,一格导热砖间隔排成
      一排):天然气通道。如图所示。
      其中间隔隔热砖是为了让温度不变成一个数字,中间加的那些乱七八糟的桥是为了增加导热率。


      IP属地:北京3楼2022-09-06 11:16
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        传热公式为,每秒传递热量即热流φ=k△T*A,其中k为导热系数,热阻的倒数,△T为温差,A为传热面积,缺氧中少一个纬度,则相邻一格即为一米。由上式可知,总热流φ=k×(温差对换热塔长度上的平均数)×换热塔长度。定义△tm为温差对换热塔长度上的平均数,有公式△tm=(△tmax-△tmin)/(ln △tmax-ln △tmin),其中△tmax,△tmin为换热塔入口和出口天然气和高硫天然气的温差,其实△tmax,△tmin颠倒也无所谓。


        IP属地:北京4楼2022-09-06 11:29
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          上述公式称为对数传热平均温差,推导如下,看不懂建议直接用


          IP属地:北京5楼2022-09-06 11:30
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            公式中涉及导热系数,该导热系数为天然气对金属砖和金属砖对高硫天然气导热系数叠加,定义热阻等于导热系数导数,可得串联导热中,总热阻为分热阻之和,即导热系数k=1/(1/k1+1/k2),缺氧中砖块对气体的导热系数为k=(k1*k2)^0.5×1000*25,该导热系数单位为dtu/(m*s*K)。


            IP属地:北京6楼2022-09-06 11:36
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              对于换热塔结构来说,一节金属砖,一节隔热砖两节为一个循环,在第二节中如果没有桥则不进行温度传导,只计算第一节即可。
              有了如上公式,我们就可以对换热塔进行计算,整个模块分为三部分,1.石油变成高硫天然气,2.高硫天然气与天然气换热。3.高硫天然气冷凝。三个部分加起来热量为0。
              第一部分中,已知原油入口温度,则变化的热量有,固定温度原油输入,原油到石油,石油到高硫天然气,高硫天然气温度输出,液冷放热,可以得出高硫天然气温度与液冷放热有关。
              第二部分中,高硫天然气降温,天然气升温,该升温热量即为换热塔热流,高硫天然气最高温度与第一部分中最终温度相等,天然气换热完成的温度应为整体平衡温度,由总体热量减去各部分温度可得。则△tmax=第一部分高硫温度-热平衡天然气温度。
              第三部分中,高硫天然气被液冷冷却成液体,天然气变成液体直接抽走,暂且认为天然气不换热是原温度(差的误差最多为冷却液温度到蒸发温度)。其中热量有高硫天然气冷却热量等于液冷机热量。△tmin=液冷机热量让高硫天然气冷却前的温度-液态甲烷刚出现的温度。
              三部分热量平衡,我们可以计算出天然气温度,算过的人很多就不详细介绍,计算过程中就可以得出△tmax,△tmin


              IP属地:北京7楼2022-09-06 11:55
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                得到△tmax,tmin以后,由公式可得△tm=(△tmax-△tmin)/ln(△tmax/△tmin),计算出△tm。则换热塔节数为(天然气平衡温度到液态天然气温度总吸热量)/k/△tm


                IP属地:北京8楼2022-09-06 11:58
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                  经过计算可知,换热塔节数与且只与流量,原油温度,硫出口温度,和液冷工作时长有关,甚至与原油滴液换热效率无关。
                  一些计算实例,当流量为1时,硫不换热时,液冷效率最低为15%,此时换热塔最少为27节(仅仅光金属砖就要有27节)


                  IP属地:北京9楼2022-09-06 12:03
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                    当流量为1时,常见液冷机效率20%的时候,换热塔为最少9节,与其他人做的模块数据相似,误差首先是,别人换热塔两节中都插满了各种导热桥,使导热系数比简单计算高,其次缺氧热量计算为0,2s一次,砖块一米一个温度,离散数据不符合微积分中连续定义,但误差已经小到数据可以参考。


                    IP属地:北京11楼2022-09-06 12:09
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                      当流量为10时,如果液冷机工作效率不超过100%(即单台液冷),则硫不参与换热不可能达成,当流量为10,硫出口温度100,液冷机效率最低80%,当效率为100%时,换热塔节数为168节,总长度超300节,这告诉你,正常人造的模块中,如果流量为10,那整体热量一定不平衡(没人想要300高的模块吧),说明一定需要电热棒或者液冷机,这时请自己计算,把原本的热流减去蒸汽机吸热(蒸汽机吸热一般是固定温度,用温差算热流)


                      IP属地:北京12楼2022-09-06 12:14
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                        关于导热系数K如何测定,很多时候我们懒得算或者算不清楚具体导热系数,则可以通过稳态法直接测出导热系数,即达到稳态时,各个点温度与导热系数直接相关。比如下图就是一个简单的测量模块


                        IP属地:北京13楼2022-09-06 12:19
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                          在该模块中,两边无限时间不断输入定量定温的气体,则足够长时间后,各点温度不再大幅变化,则可以测出出口温度二者差和入口温度二者差,分别为tmax,tmin,通过变化的温度,热容,流量和公式
                          △tm=(△tmax-△tmin)/ln(△tmax/△tmin) ,
                          Q=导热率×长度×△tm
                          可以求出导热率。


                          IP属地:北京14楼2022-09-06 12:23
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                            如果使用1kg不爆管设计,则流出回路也可以用对数平均温差计算,不过意义不大,这个导热率较大,正常拉几根就够。


                            IP属地:北京来自Android客户端15楼2022-09-06 12:34
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                              IP属地:福建来自iPhone客户端16楼2022-09-06 12:35
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