МИНИСТЕРСТВО НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ВНИИСПТнефть

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ ТЕПЛООБМЕНА В НАГРЕВАТЕЛЯХ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ РД 39 -1 -1073 - 84

1984

Министерство нефтяной промышленности ВНИИС1ГГнефть

УТВЕРЯДЬН

Первым заместителем

министра

В.И.Игревским

22 марта 1964 года

РУКОВОДЯЦИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ ТЕПЛООБМЕНА В НАГРЕВАТЕЛЯХ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

РД 39-1-1073-84

1964

Расчетная скорость движения газожидкостной смеси определяется с учетом объема газовой фазы; для упрощения расчетов принимается равномерное возрастание скорости потока по длине змеевика.

4. РАСЧЕТ ТЕПЛООТДАЧИ В ОГНЕШХ НАГРЕВАТЕЛЯХ "ТРУБА В ТРУБЕ"

4Л. Расчет теплоотдачи в нагревателях "труба в трубе* производится по формулам ( I- 3), в которые вводится множитель

(-А-Л

где - внутренний диаметр наружной трубы;

с/ - наружный диаметр внутренней трубы, м; н

Определяющим размером является наружный диаметр внутренней тру-

при    2200    (см.раздел 3).

4.2. При наличии в межтрубном пространстве спирального

_w /

оребрения коэффициент теплоотдачи подсчитывается по формуле ;

₍ (8)

где С( -расчетный коэффициент теплоотдачи, определяемый 7 по формулам (6,7)

0₃ - эквивалентный диаметр, равный

-т высота ребер, м;

-    наименьшее расстояние между ребрами, м;

-    средний радиус кривизны канала,, м.

5. РАСЧЕТ ТЕПЛООТДАЧИ В ОБЪЕМНЫХ НАГРЕВАТЕЛЯХ

5.1.    Коэффициент теплоотдачи жаровых труб, погруженных в слой отделившейся пластовой воды при отсутствии кипения на стенках, определяется по формуле:

где    Л    -    коэффициент    теплопроводности    воды    при температуре

.......... -г- Тег Тт

пленки / ......-

с/_н - наружный диаметр трубы, м;

Qr — критерий Грасгофа,

Gr- S'dS'ffTer-Гм) *    (_П)

V¹

р_Г' Р_Гап - критерий Прандтля при температуре пленки и стенки.

Коэффициент полезного действия для теплообмена смешением между горячей водой и эмульсией следует принимать 0,90-0,95.

Для ориентировочных расчетов предельную среднюю тепловую напряженность жаровых труб, погруженных в воду, следует принимать равной 32,2 кВт/м^.

5.2.    При температуре стенки жаровой трубы, погруженной в слой воды, превышающей температуру кипения воды при рабочем давлении более чем на 10°, коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

. _f ^ш>

А - удельная теплопроводность воды (эмульсии "нефть

в воде")Вт/(м • К);

- коэффициент теплоотдачи при кипении веды на стенке, Вт/См^);

& - поверхностное натяжение, равное при использовании деэмульгаторов 20-1(ГН/м;

p - плотность жидкости при средней температуре пленки,

равной -TiLlJis-_% кг/М³;

Cj - средняя плотность теплового потока, Вт/м^;

К - параметр, равный,

(13)

-    плотность пара при Т_ст и рабочем давлении, кг/м³;

-    теплота испарения воды, Дж/кг;

-    произведение среднего диаметра пузырьков ^возникающих при кипения на число пузырьков, образувдих-ся в секунду.

где р_# - плотность пара при атмосферном давлении и температуре стенки, кг;

- плотность пара при рабочих условиях, кг/м³.

Следует учесть, что при режиме кипения межремонтные периоды жаровых труб сокращаются до 3 месяцев.

Расчет средней тепл©напряженности поверхности жаровых труб производится с использованием формулы (12). Коэффициент неравномерности нагрева для жаровых труб К ** 1,6. Максимальный нагрев имеет место в верхней зоне нижней трубы.

5.3. Расчет теплоотдачи жаровых труб, погруженных в слой эмульсии, производится по аналогичной методике.

В связи с большим влиянием плотности и вязкости водонефтяных эмульсий на теплообмен в объемном нагревателе расчет теплообмена и тепловой мощности нагревателя должны производиться в каждом индивидуальном случае привязки нагревателя (деэмульсатора). Для расчета может быть использована модификащя базовой формулы коэффициента теплоотдачи при свободном движении

-W £{Gr ^Pr)*ffi!r) ^ш    as)

Значения критериев Грасгора и Прандтдя определяются для водо-

Т + Т

нефтяной эмульсии при средней температуре пленки Т = ~-2Х

2

Коэффициент теплопроводности эмульсии А принимается при средней температуре эмульсии. Значение критерия Рг определяется при средней температуре стенки для безводной нефти.

Расчеты температуры стенки и средней тепловой напряжен-ности выполняются в соответствии с п.п.3.4. Средняя предельная теплонапряженность поверхности нагрева при погружении жаровых 1руб в эмульсию составляет 13,3 кВт/м^(по литературным данным). Для легких нефтей она может быть превышена.

6. ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ

6.1. При поверочном расчете берутся характеристики рабочей жидкости (вязкость, плотность, теплоемкость, теплопроводность и т.д.) и расход эмульсии. Исходя из наличия обвязки змеевиков.определяется скорость потока W .

Скорость продукта в трубах

X'-jfe • ₃    ^<к|

где V - объемный расход продукта, иг/ч;

/ - сечение труб, равное/—м²; п - число потоков.    •

В связи с наличием газовой фазы на выходе змеевика печи в формулу (16) подставляется средняя скорость движения потока,

условно определяемая как

...    +    WsbM

W -----v,------- *

где YL — ■ ^ *У^Г скорость рабочей среды    (18)

лиг 3600 У Л в выходной трубе, и,

о

где - объемный расход жидкости, м /ч;

^т    3

У_г - объемный расход газа, м /ч.

Это значение скорости потока подставляется в формулу для подсчета числа Рейнольдса.

Дальнейшие расчеты ведутся в следующей последовательности. I) Исходя из технологических требований (температура нагрева эмульсии и температура входа в зимнее время, расход и состав рабочей жидкости), по уравнению теплового баланса определяется требуемая тепловая мощность;

G_a C_t + GeCj-ftfr-1{„) „ (is)

^где    нефти,    воды    и солей, кг/час;

С _t C_ft C_t - теплоемкость нефти, вода и солей, кДж/(кг К);

^ * 1,55 кДжЛкг К) * 0,37 ккад/кг

3)    По формуле (I) или (3). с учетом режима движения, определяет оя коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к эмульсии*по формуле (^определяется температура наружной стенки трубы,она не должна превышать 523 К(250°С).

4)    С учетом температуре стенки трубы находится средняя четная теплонапряженность труб (см. пункт.3.4).

Если расчетная температура наружной стенки превышает 523 X (250°С), то в формулу (4) подставляется значение Т ст.н * 523 К как предельно допустимо*

5) Тс адовая мощность печи определяется по формуле:

Если тепловая мощность по расчету получается выше паспортного значения, в дальнейшем пользуемся последним. В этом случае считаем, что условия теплоотдачи от труб к эмульсии соответствуют паспортным требованиям печи.

6) При расчетной тепловой мощности, меньшей полученной при подсчете по п.п.1, необходимо произвести изменение обвязки печи (уменьшить число потоков, если позволяет перепад давления, или изменить технологическую схему установки). В отдельных случаях необходимо перейти с прямого нагрева эмульсии на схему с нагревом циркулирующей воды или увеличить число печей.

В последнем случае необходимо вновь провести проверочный расчет печей.

7) Гидравлическое сопротивление змеевиков печей (потери напора) определяется по формуле Дарси-Вейсбаха

где аР- потери напора в печи, кг/см²;

L₉ - эквивалентная длина змеевика, м

L_i-n L_rp+(n-i)'p d ,    (22)

где п - число труб;

( - длина трубы, м;

ц/ - коэффициент местного сопротивления в отводах; d - эквивалентный гидравлический диаметр. Определение типа труб (гладкие или шероховатые) производится при помощи неравенства ;

К ^    30    (23

$

в противном случае трубы считаем гладкими.

Величины коэффициентов гидравлических сопротивлений определяем по формулам, приведенным в табл.З.

Таблица 3

! Коэффициент гидравлического сопротивления

J шероховатые трубы ! гладкие трубы

6.2. Исходя из практических данных, а также с учетом конструктивных параметров печей, в табл.4 приведены важнейшие характеристики выпускаемых печей

Таблица 4

Показатели j ПТБ-10 i пт-1бо/юом БН-2М I ! 2 ! 3 4 I. Паспортная тепловая мощность, МВт 11,6 1,9 6,3 2. Поверхность натреза(по жидкости), м* 125 47,4 83

I г	2 !	3	! 4
3. Диаметр труб: внутренний, м	0,143	0,096	0,706
диаметр жаровой
труоы, наружный,м	—	-	0,63
4. Число труб, шт.	4 х 8 - 32	23	4
5. Длина труб, м	8,7	6,0	10,0
6. Расчетная теплонал-
ряжешреть труб.	92,8	40,1	75,9
7. Тепловая мощность (по практическим
данным), мВт	8-11,6	0,5-1,4	2,6-6,0
то же Гкад/час	7-10	0,7-1,2	2,3-5,2

6.3. Вместо поверочного расчета для выпускаемых блочных печей можно использовать номограммы, построенные по вышеприведенной методике.

Номограммы для печей ПТБ-Ю, ПТ-160/100М, блока нагрева БН-2Ы (аналогичного БН-5,4) приведены на рис.1,2.

После определения вязкостных характеристик эмульсии при средней температуре жидкости в печи подсчитывается расход эмульсии по трубам (из расчета на один змеевик при многопоточной обвязке). Из точки шкалы расходов, соответствующей найденному расходу, проводим вертикальную линяю до пересечения с кривой найденной вязкости. От точки пересечения проводим горизонтальную линию до шкалы тепловой мощности. Эксплуатация печей рекомендуется на режимах, находящихся правее линия вязкости.

Прямолинейные участки кривых (в нижней части номограммы) соответствуют ламинарному режиму движения эмульсии, недопустимому d печах. Эксплуатация печей с тепловой мощностью, превышающей проектную иля найденную по номограммам, приводит к перегреву

Наибодьтя тяододая мокиооть, »Вт
Рмс.1. Номограмма для определения твидовой мокности пвчм ПТБ-10

■ — / у / .л / У VX- /| j / • /

I

I

'20    30    40    50    70    1 00    200    3    00    400    500

Расход эмульсии, м³/час

--j— j-------

пт_г1бо/1сам

1“т _i

U_

у ю 12    14 16    20

Расход эмульсии, м /

Настоящие методические указания по расчетам теплообмена в нефтяных эмульсиях разработаны в дополнение к действующим методикам расчета трубчатых печей и предназначены для использования при проектировании огневых нагревателей нефтяных эмульсий. В предлагаемых методических указаниях учтены теплофизические свойства нефтяных эмульсий, вводимые при расчетах в виде поправок или критериальных зависимостей. Специфические свойства эмульсий учтены по результатам опытно-экспериментальных исследований и анализа литературной проработки. Приведены упрощенные методики поверочного расчета трубчатых печей, позволяющие инженерно-техническому персоналу предприятий и проектировщикам производить периодическую проверку режима эксплуатации и, при необходимости, оперативно вносить изменения в проекты привязки нагревателей. Приведена методика расчета объемных нагревателей с погружением жаровых труб как в слой воды, так и в эмульсию.

Разработчик - Чурин В.Н. ( ВНИИСПТнефть )•

труб и быстрому росту осадков солей и кокса*

Использование номограмш позволяет оперативно принимать решение о переобвязке труб в печи или об изменении технологической привязки печей на установке*

При необходимости по номэ граммам можно определить требуемый расход э!фЛъсии через змеевик и печь, задаваясь проектной тепловой мощностью и вязкостью эмульсии.

7. ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ОБЪЕМНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ

7.1* Поверочный расчет объемных нагревателей при погружении жаровых труб в воду может быть сокращен за счет принятия предельной средней тепловой напряженности поверхности нагрева

О =» 32,2 кВт/i^.

^гм

Наибольшая тепловая мощность определяется по формуле (20), расход эмульсии по формуле (19).

Рекомендуемые значения тепловой мощности объемных нагревателей, деэмульсаторов и путевых нагревателей приведены в таблице 5.

Таблица 5

Марка (тип) аппарата	!	! Тепловая мощность МВТ ' (Гкал/час)
	j нагрева, \г	!по паспорту !	}по опытным iданным
I	t 2	! 3	! 4
НН-1,6	31,2	1,9 (1,6)	1,0(0,9)
НН-6,3	130,0	?,3 (6,3)	4,2(3,6)
СП-1000	9,0	0,58(0.5)	0,3(0,25)
ДГ-1600	31,2	1,9(1,6)	1,0(0,9)
УДО-2Н	45,6	1,74(1,5)	I.5(1,3)

руководящий ДОКУМЕНТ

Методические указания по расчет^г теплообмена в нагревателях нефтяных эмульсий

РД 39-1- ID73-84 ___

Вводится впервые

Приказом Министерства нефтяной

промышленности от 18.06.84 г. Д 369

срок введения установлен с 01.08.84 г.

срок действия до 01.08.89 г.

Наотояцие Методические указания распространяются на расчеты теплоотдачи поверхности нагрева водонефтяным эмульсиям при проектировании, выборе и привязке огневых нагревателей на предприятиях Министерства нефтяной промышленности.

I. 0ЫШЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Расчеты огневых нагревателей нефтяных эмульсий производятся согласно основным нормативным документам:

Нормативная методика теплового расчета трубчатых печей.

РТЫ 26-02-40-77-Л:ВНИИнефтемаш, 1977.

Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. - Ы Энергия, 1973.

Методические указания к курсу "Расчеты трубчатых печей. - U ЦНИИТЭнефтехим, 1975.

1.2.    В связи с наличием фазовых превращений нефти и роды при нагреве водонефтяных эмульсий ряд положений в формул для расчета водонефтяных эмульсий отличается от приведенных в ука

занных методиках.

2,ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЕЙ

2Л. Трубчатые огневые нагревателя (трубчатые печи) применяются для нагрева водонефтяной эмульсии, нефти или вода с учетом следующих требований:

1)    источник давления должен обеспечивать перепад давления на входе я выходе змеевика, достаточный для создания турбулентного или переходного режима движения;

2)    расход нагреваемой среда не должен снижаться более чем на 5056 от номинального;

3)    нагреваемая среда не должна содержать грубые механические частицы, вызывающие износ труб, более 0,1 %;

4)    тепловая мощность трубчатых печей, развиваемая в условиях длительной эксплуатации, зависит от свойств и расходов нагреваем й среда и тошшва;

5)    трубчатые печи обладают вюокими теплотехническими характеристиками и могут быть использованы в любой системе нагрева, вплоть до частичного испарения нагреваемой жидкости. Основные теплотехнические показатели блочных печей приведены в разделе 6

2,2, Огневые подогреватели типа "труба в Tjy6e" используются для нагрева водонефтяной эмульсии, нефти или вода с учетом требований, указанных в п.2,1.(1-4), а также

1)    при отсутствия в нагреваемом продукте веществ, образующих обильные осадки солей на поверхности нагрева или шлам;

2)    при нагревании неиспаряющихся жидкостей или нефтей с малым газовым фактором (до 0,5 м^/м^);

3)    иря нагревании до температуры, превышающей начальную-не более чем на 30-40°;

4) при рабочем давлении в отстойных аппаратах не более 0,3 МПа (3 кгс/см²)

Характеристики блока нагрева БН-5,4 (БН-2М) приведены в разделе' 6,

2,3. Объемные жаротрубные нагреватели используются для нагрева водонефтяной эмульсии или воды с учетом следующих положений:

1)    тепловая мощность объемных нагревателей мало зависит от расхода жидкости, что позволяет использовать их при значительных колебаниях расхода;

2)    объемные нагреватели обладают малым гидравлическим сопротивлением;

3)    при условии периодической очистки отсеков объемные нагреватели допускают !1аличие в нагреваемом продукте грубых механических примесей;

4)    при наличии в нагреваемом продукте веществ, вызывающих образование осадков солей на жаровых трубах, межремонтный период нагревателя сокращается до 1-3 месяцев;

5)    жаровые трубы нагревателей могут быть погружены в слой воды или в слой э^льсии. Во всех случаях температура нагрева продукта не должна превышать 353 К(90°С) во избежаний обильного отложения солей на жаровых трубах. Характеристики объемных нагревателей приведены в разделе 7.

Совмещенные нагреватели-деэмульсаторы применяются, кроме вышеукааанкых условий, при разности плотностей нефти и воды не

менее 160 кг/м³.

2.4.    Нагревателя о промежуточным теплоносителем применяются для нагрева любых текучих сред до температуры 338К(65°С). Нагреватели отличаются высокой надежностью, допускают значительные колебания расхода, состава и свойств нагреваемых сред (жидкости или газа).

Характеристики нагревателей с промежуточным теплоносителем приведены в разделе 7.

2.5.    Теплообменники "товарная нефть-эмульсия" используются в системах нагрева при наличии

перепада давления между точками входа эмульсии и вывода нефти;

оборудования (нагревателей, отстойников, электродегидраторов и т.д.), соответствующего выбранным рабочим давлениям;

необходимого температурного напора (средней разности температур нагреваемого и охлаждаемого продукта) не менее 40°.

Среда, содержащая больше загрязнений, в первую очередь механических примесей, должна проходить через устройства теП-лообменикоь, допускающие периодическую очистку (по трубкам и т.д.).

2.6.    Цри проектировании узлов нагрева необходимо предусматривать технологические или химические методы предотвращения отложений солей на поверхностях нагрева.

Технологические методы предотвращения отложений включают глубокий предварительный сброс пластовой воды; подбор вод, не образующих осадка при смешении; обеспечение требуемых гидроди намических условий.

Подбор ингибиторов отложений оолей определяется в соответствии с РД 39-I-64I-8I "Методика подбора ингибиторов отложения солей для технологических процессов подготовки нефти" (Уфа: ИШСПТнефть, 1981).

3, РАСЧЕТ ТЕПЛООТДАЧИ В ТРУБЧАТЫХ ОГНЕВЫХ НАГРЕВАТЕЛЯХ

3.1.    Цри проектировании трубчатых огневых нагревателей (печей) и выполнении проекта их привязки важнейшим условием является обеспечение турбулентного режима течения нагреваемой среды в трубах. В частя труб допускается переходный режим при значении критерия Рейнольдса не менее 5000. Наибольшая скорость осаждения солей жесткости наблюдается при значения критерия Рейнольдса от 2500 до 5000, а также при ламинарном режиме (из-за вскипания капелек воды на поверхности нагрева). С ростом значения критерия Рейнольдса более 5000 скорость осаждения солей снижается.

3.2.    Расчет коэффи циента теплоотдачи от стенок печей к водонефтяной э^льсии производится по формуле:

a_fo,ozi Де ■ Рг *    ■    /    .    ₍₁₎

где А - коэффициент теплопроводности эмульсии при среднелогарифмической температуре потока эмульсии, Вт/(м.К.); о(_в - внутренний диаметр трубы, м;

Л - число Рейнольдса для условий эмульсии при средчело-гарифмической температуре потока,/?£к    —    ;

С !? Р

Рг* - число Прандтля для эмульсии при средаелогаряфмичес-

кой температуре потока Рр в

- число Прандтля для нефти (безводной) при температуре стенки;

^ - коэффициент, учитывающий длину трубы, определяется по таблице I.

Таблица I

Re

\_Udi_

^f________ I I 10 I 20    ?    50    и    более

2	I03	1,90	1,28	1,13	1.0
I	Ю4 4	1,65	1,23	1,13	1.0
2	10	1,51	1,18	1,10	1.0
5	м о	1,34	1,13	1,08	1.0
I	Ю5	1,28	1,10	1,06	1.0
I	ю6	I.I4	1,05	1,03	1.0

f - поправочный коэффициент для переходного режима (2200 <Re< </0000    )• Поправочный коэффициент может быть опре

делен по формуле В.М.Рамма

/~l-6fo‘Re'^U    (2)

3.3, Дня условий ламинарного режима, который может иметь место в змеевике или отдельных трубах, расчет при Re = 2200

ведется по формуле :

_ Л п ^Q* п 4*³ г 4^,/Я^г )***к

^Re-Pr    Л    ₍₃₎

Коэффициент С определяется в зависимости от содержания воды в эмульсии (по данным Антипова А.И.)(таб.2.)

Таблица 2

Содержание воды,£! 0 ! 10 ! 20 ! 30 ! 40 ! 50 С 0>24 0,21 0,19 0,18 0,24 0,35

Qr - критерий Грасгофа, Сг =    &    ^    Ji'ft.&.A*)

3.4. Средняя расчетная теплонапряженность труб определяется, исходя из допустго.их температур стенки трубы (внутренней и

1

¹ -----