Warmtewisselaar

rkuipers

Besten,

Momenteel ben ik bezig om te proberen om een warmtewisselaar te berekenen.

Alvorens ik hiermee kan beginnen moet ik natuurlijk de warmte-overdracht berekenen:

Proces-condities

Aardgas IN: T=377 graden, P=10 bar, V=8000 Nm3/h

Aardgas UIT: T=50 graden, P=10 bar, V=8000Nm3/h

Water IN: T=20 graden, P=1 bar, V= ?

Water UIT: T=60 graden, P=1 bar, V=?

Ik wil dus aardgas koelen naar 50 graden Celsius met water.

Ik heb de volgende algemene formule voor warmteoverdracht gebruikt.

ɸw = ɸm * Cp * dT water = ɸv * ρ * Cp * Δd aardgas

Cp(water) = 4,186 kJ/(kg.K)

Cp(aardgas) = 3,432 kJ(kg.K) onder 650,15K - dit is de Cp van methaan, wat 87% in het huidige aardgas zit.

dT water = 40 gr. C

dT aardgas = 327 gr. C

Nu moet ik de dichtheid berekenen van aardgas en van Nm3/h naar m3/h, dit heb ik als volgt gedaan:

V2 = (P1 * V1 * T2) / (T1 * P2) = 1904,16 m3/h of 0,53 m3/sec.

V1 * wet van Avogadro = 6656,07 kg/h of 1,85 kg/s.

8000 Nm3/h = 1904,16 m3/h.

rho = kg/m3

1/0,53*1,85 = 3,50 kg/m3

Nu heb ik de dichtheid en van Nm3 naar m3.

Als ik nu verder ga met de hoofdformule: ɸw = ɸm * Cp * dT water = ɸv * ρ * Cp * dT methaan. Nu kan ik ɸw,methaan berekenen.

ɸm,methaan = ɸv * ρ * Cp * dT = 2074,96 kJ/s.

Nu kan ik het aantal m3/h water berekenen wat ik nodig ben om bovenstaande energie te koelen naar het gewenste temperatuur. Dit doe ik middels de formule om te gooien:

(ɸv,aardgas * ρ,aardgas * Cp,aardgas * dT,aardgas) * (Cp,water * dT,water) = 16,52 kg/s water wat neerkomt op ca. 60 m3/h.

En dit alles om 8000 Nm3/h aardgas onder 10 bar druk van 377 graden Celsius te koelen naar 50 graden Celsius. Mijns inziens is dat vrij weinig.

Kan iemand me vertellen waar en of ik een fout gemaakt heb in de huidige berekeningen?

Alvast bedankt.

physicalattraction

Opmerking moderator

Dit onderwerp past beter thuis in het Thermodynamica en Stromingsleer subforum en is daarom verplaatst.

Fred F.

1 kmol gas = 22,4 Nm3, dus 8000 Nm3/h gas = 2,22 Nm3/s = 0,099 kmol/s

Gemiddelde Cp van CH₄ tussen 377 en 50 ^oC is ~ 46 kJ/kmol.K

Gemiddelde Cp van N₂ tussen 377 en 50 ^oC is ~ 30 kJ/kmol.K

Als jouw aardgas 87 % CH4 is met 13 % N2 dan is gemiddelde Cp = ~ 44 kJ/kmol.K

Vermogen is dus 0,099 kmol/s * 44 kJ/kmol.K * (377 - 50) K = 1424 kWatt

Bij een deltaT van 40 graden kost dat dan 1424 / (40 * 4,186) = 8,5 kg/s = ~ 31 m³/h koelwater.

Echter: als je ontwerpt voor een water uitlaattemperatuur van 60 ^oC dan heb je een "temperature cross" met het aardgas, waardoor je 2 mantels (shells) in serie nodig hebt vanwege de LMTD correctiefactoren. Tenzij je een ww met 100 % tegenstroom en vaste pijpplaten gebruikt , maar dat lijkt me gezien de hoge temperatuur niet logisch. Bovendien kun je de bundel dan niet trekken voor onderhoud. Je moet dus nadenken over het te gebruiken TEMA type.

Tenzij het nuttig is dat het water 60 ^oC wordt, zou ik ontwerpen voor een wateruitlaattemperatuur van 45 ^oC (5 graden lager dan de uitlaattemperatuur van het aardgas) zodat je maar één mantel (shell) nodig hebt. Het waterverbruik stijgt dan naar 49 m³/h. Vraag is dus: wat doe je met de warmte in het opgewarmde water?

Als het opgewarmde water nergens nuttig voor gebruikt wordt maar naar een koeltoren gaat, zou je kunnen overwegen om geen waterkoeler maar een luchtkoeler te gebruiken om het aardgas af te koelen.

Ik vraag me overigens wel af hoe je aan aardgas van 377 ^oC komt?

rkuipers

Fred F. schreef: ↑wo 27 mar 2013, 12:50
1 kmol gas = 22,4 Nm3, dus 8000 Nm3/h gas = 2,22 Nm3/s = 0,099 kmol/s

Gemiddelde Cp van CH₄ tussen 377 en 50 ^oC is ~ 46 kJ/kmol.K

Gemiddelde Cp van N₂ tussen 377 en 50 ^oC is ~ 30 kJ/kmol.K

Als jouw aardgas 87 % CH4 is met 13 % N2 dan is gemiddelde Cp = ~ 44 kJ/kmol.K

Vermogen is dus 0,099 kmol/s * 44 kJ/kmol.K * (377 - 50) K = 1424 kWatt

Bij een deltaT van 40 graden kost dat dan 1424 / (40 * 4,186) = 8,5 kg/s = ~ 31 m³/h koelwater.

Echter: als je ontwerpt voor een water uitlaattemperatuur van 60 ^oC dan heb je een "temperature cross" met het aardgas, waardoor je 2 mantels (shells) in serie nodig hebt vanwege de LMTD correctiefactoren. Tenzij je een ww met 100 % tegenstroom en vaste pijpplaten gebruikt , maar dat lijkt me gezien de hoge temperatuur niet logisch. Bovendien kun je de bundel dan niet trekken voor onderhoud. Je moet dus nadenken over het te gebruiken TEMA type.

Tenzij het nuttig is dat het water 60 ^oC wordt, zou ik ontwerpen voor een wateruitlaattemperatuur van 45 ^oC (5 graden lager dan de uitlaattemperatuur van het aardgas) zodat je maar één mantel (shell) nodig hebt. Het waterverbruik stijgt dan naar 49 m³/h. Vraag is dus: wat doe je met de warmte in het opgewarmde water?

Als het opgewarmde water nergens nuttig voor gebruikt wordt maar naar een koeltoren gaat, zou je kunnen overwegen om geen waterkoeler maar een luchtkoeler te gebruiken om het aardgas af te koelen.

Ik vraag me overigens wel af hoe je aan aardgas van 377 ^oC komt?

Fred,

Ik heb aan de hand van de samenstelling van Gronings aardgas het aantal kmol berekend.

Componenten

Stikstof

Kooldioxide

Methaan

Ethaan

Propaan

Butanen

Pentanen

Hexanen

Benzeen

Heptanen

Tolueen

Octaan

Aan de hand van de mol% (100% dus vol%) berekend hoeveel kg/kmol het betreft in het Gronings aardgas. Dit is 18,044 kg/kmol.

De Cp van het aardgas is een gegeven: 3,432 kJ(kg.K). Dit is dus geen gemiddelde zoals je stelde.

Mijn laatste aanpassingen zijn gisteren gecontroleerd door drie proces-technologen;

Te koelen energie:

2163,5 kJ/s (kW)

Benodigde koelwater:

62 m3/h.

Wat mij betreft kunnen we dit deel afsluiten. Het is immers al goedgekeurd.

Je wilde nog weten hoe we aan 377 gronings aardgas komen; productie van methanol middels kraak- en shiftprocessen.

Na de hoeveelheid te koelen warmte en de hoeveelheid benodigde koelwater berekend te hebben komen we natuurlijk bij het volgende deel aan: de warmtewisselaar.

Ik wil het gas door de tubes laten stromen, dus het water via de shell.

Opp. 1 pijp: 1/4 * pi * (0,025^2) = 0,000491 m2.

Nu moet er door deze tubes ɸv = 1904 m3/h

Dus1904 / 0,000491 m2 = benodigd aantal pijpen?

Wellicht klopt dit, zo niet hoor ik het graag van je.

Groetjes van Rkuipers

Fred F.

De Cp van het aardgas is een gegeven: 3,432 kJ(kg.K). Dit is dus geen gemiddelde zoals je stelde.

Mijn laatste aanpassingen zijn gisteren gecontroleerd door drie proces-technologen;

Te koelen energie:

2163,5 kJ/s (kW)

Benodigde koelwater:

62 m3/h.

Wat mij betreft kunnen we dit deel afsluiten. Het is immers al goedgekeurd.

Dat jouw foute getallen goedgekeurd zijn door drie procestechnologen maakt op mij echt geen indruk.

Ik ben zelf procestechnoloog met wellicht meer ervaring dan Kwik, Kwek en Kwak samen.

1 kmol gas = 22,4 Nm³. Dat geldt voor ELK (ideaal) gas, ONGEACHT de samenstelling.

8000 Nm³/h is dus gelijk aan 0,099 kmol/s. Dat geldt voor ELK (ideaal) gas, ONGEACHT de samenstelling.

Die 3,432 kJ/kg.K is slechts de Cp van puur methaan bij 377 ^oC. Het gaat bij de berekening van het vermogen echter om de GEMIDDELDE Cp tussen 377 en 50 ^oC voor AARDGAS. Gebaseerd op de samenstelling van Gronings aardgas is die gemiddelde Cp 45,4 kJ/kmol.K (bij een druk van 10 bar).

Afkoelen van 8000 Nm³/h Gronings aardgas van 377 naar 50 ^oC komt dus overeen met een vermogen van ongeveer 1470 kW, niet jouw 2163 kW.

En dat warmt 32 m³/h koelwater op van 20 naar 60 oC, niet jouw 62 m³/h.

Opp. 1 pijp: 1/4 * pi * (0,025^2) = 0,000491 m2.

Nu moet er door deze tubes ɸv = 1904 m3/h

Dus1904 / 0,000491 m2 = benodigd aantal pijpen?

Nee. Om het benodigde oppervlak en aantal pijpen van een warmtewisselaar uit te rekenen moet je bekend zijn met Reynolds, Prandtl en Nusselt getallen, warmtedoorgangscoefficient U en logaritmisch temperatuursverschil tussen aardgas en water. Zo te zien heb je daarvan geen flauw idee, maar het gaat veel te ver om dat hier allemaal te behandelen. Bovendien kun je eigenlijk beter aan KK&K vragen wat voor foute berekeningswijze zij wensen goed te keuren, want daar kan ik echt niet naar raden.

rkuipers

Fred,

De berekeningen die je liet zien staan me meer aan. Ik zal KK&K erop aanspreken en de berekeningen aanpassen, bedankt alvast hiervoor.

Ik zal kijken of ik de drie getallen kan vinden of berekenen, ik ben ook al op zoek geweest naar de U-waarde, deze heb ik nog niet kunnen vinden of berekenen.

Groetjes van Rkuipers

rkuipers

Fred F. schreef: ↑do 28 mar 2013, 17:26
1 kmol gas = 22,4 Nm³. Dat geldt voor ELK (ideaal) gas, ONGEACHT de samenstelling.

8000 Nm³/h is dus gelijk aan 0,099 kmol/s. Dat geldt voor ELK (ideaal) gas, ONGEACHT de samenstelling.

Die 3,432 kJ/kg.K is slechts de Cp van puur methaan bij 377 ^oC. Het gaat bij de berekening van het vermogen echter om de GEMIDDELDE Cp tussen 377 en 50 ^oC voor AARDGAS. Gebaseerd op de samenstelling van Gronings aardgas is die gemiddelde Cp 45,4 kJ/kmol.K (bij een druk van 10 bar).

Afkoelen van 8000 Nm³/h Gronings aardgas van 377 naar 50 ^oC komt dus overeen met een vermogen van ongeveer 1470 kW, niet jouw 2163 kW.

En dat warmt 32 m³/h koelwater op van 20 naar 60 oC, niet jouw 62 m³/h.

Hoe heb je de gemiddelde Cp van Gronings-gas berekend?

Q = m . c . dT is de enige formule welke ik ken en kon vinden hiervoor.

m = bekend van elk component.

dT = 327 bij elk component.

Q = onbekend

c = enkel bekend op normaal-waarden.

Of zie ik hier iets over het hoofd Fred?

rkuipers

Zoals overlegd

Hoe bereken je de gemiddelde Cp-waarde van aardgas (en ook stikstof)?

Ik weet de exacte gassamenstelling maar heb geen berekeningen kunnen vinden voor een gemiddelde Cp

Fred F.

Dat Gronings aardgas heb ik gewoon even in een processimulator ingevoerd.

De gemiddelde Cp van dat eerdere 87/13 CH₄/N₂ mengsel heb ik bepaald met data van NIST:

http://webbook.nist.gov/chemistry/form-ser.html

Voer bij 1. bijvoorbeeld CH4 in, kies onder 4. [v] Gas phase en klik bij 5. op [Search]

rkuipers

Fred F. schreef: ↑za 30 mar 2013, 20:48
Dat Gronings aardgas heb ik gewoon even in een processimulator ingevoerd.

De gemiddelde Cp van dat eerdere 87/13 CH₄/N₂ mengsel heb ik bepaald met data van NIST:

http://webbook.nist....y/form-ser.html

Voer bij 1. bijvoorbeeld CH4 in, kies onder 4. [v] Gas phase en klik bij 5. op [Search]

Bedankt, Handige website!

Nu heb ik inderdaad hetzelfde antwoord als jij hebt

Nu kan ik eerst verder met de berekeningen. Topic hoeft (nog) niet dicht aangezien ik waarschijnlijk op nieuwe problemen zal stuiten. Indien het topic dicht kan zal ik een reactie posten.

Groetjes van Rick

rkuipers

Hier is het al:

gemiddelde Cp 45,4 kJ/kmol.K is het antwoord. Echter heb ik (helaas) in mijn berekeningen andere eenheden gebruikt, namelijk: kJ/(kg.K).

Mijn eerder verkregen getal was: 3,432 kJ/(kg.K).

Hoe converteer ik deze eenheid? Anders kom ik een factor 10 hoger uit?

Fred F.

Vermenigvuldigen met de molmassa van CH₄

3,432 kJ/kg.K * 16,0425 kg/kmol = 55,1 kJ/kmol.K en dat is (ongeveer) de Cp van CH₄ bij 650 K

rkuipers

Dit zijn nu mijn gegevens. Deze kloppen nu allen. ɸm,water heb ik berekend a.d.h.v. de overige gegevens. Echter, deze kan fout zijn mits de berekening wat ik gebruikt heb niet klopt.

Ik heb de volgende berekening gebruikt:

ɸw = ɸm * Cp * ΔT water = ɸv * ρ * Cp * ΔT aardgas

Q = m * c * dT (water)

Q = m * c * dT (aardgas)

m = ρ / v

kg = kg/m3 / m3/s

Dus,

Q = (ρ / v) * c * dT a.d.h.v. bovenstaande gegevens. Nu kom ik op Q,aardgas = 6883,5 kJ/s (kW) uit.

Dit is dus enorm anders dan wat jij had Fred, 1370 kW. Maak ik nu ergens een fout?

Fred F.

Ik had niet 1370 maar 1470 kW.

Nogmaals, voor de derde keer: 8000 Nm³/h gas = 0,99 kmol/s gas en gemiddelde Cp = 45,4 kJ/kmol.K

Dus; Q = 0,99 kmol/s * 45,4 kJ/kmol.K * (377 - 50) K = 1470 kW

Ik zie geen reden voor jouw omslachtige omweg, maar als je dat zo nodig wil: je moet natuurlijk niet delen door Φ_v maar vermenigvuldigen. En bovendien moet je de juiste waarden gebruiken:

Φ_v = 0,537 m³/s (niet 0,45)

ρ = 3,44 kg/m³ (niet 3,64)

Cp = 2,435 kJ/kg.K (niet 2,582)

Dus Q = 0,537 m³/s * 3,44 kg/m³ * 2,435 kJ/kg.K * (377 - 50) K = 1470 kW

rkuipers

Fred F. schreef: ↑zo 31 mar 2013, 21:46
Ik had niet 1370 maar 1470 kW.

Nogmaals, voor de derde keer: 8000 Nm³/h gas = 0,99 kmol/s gas en gemiddelde Cp = 45,4 kJ/kmol.K

Dus; Q = 0,99 kmol/s * 45,4 kJ/kmol.K * (377 - 50) K = 1470 kW

Ik zie geen reden voor jouw omslachtige omweg, maar als je dat zo nodig wil: je moet natuurlijk niet delen door Φ_v maar vermenigvuldigen. En bovendien moet je de juiste waarden gebruiken:

Φ_v = 0,537 m³/s (niet 0,45)

ρ = 3,44 kg/m³ (niet 3,64)

Cp = 2,435 kJ/kg.K (niet 2,582)

Dus Q = 0,537 m³/s * 3,44 kg/m³ * 2,435 kJ/kg.K * (377 - 50) K = 1470 kW

Φ_v = 0,537 m³/s kom ik ook op uit als je van een T2 van 273,15 K uitgaat. Mijn T2 is geen 273,15K maar 323,15K dan kom ik uit op 0,45 m3/h. Of doe ik hier toch iets verkeerd?

Voor de dichtheid heb ik de volgende berekening gebruikt (uit het Gasunie boekje):

Rho = P*M/(z*Ra*T)

De compressibiliteit (z) : 0,9117. Bij deze kom ik dan uit op 3,64 kg/m3. Heb jij hier een andere berekening gebruikt?

De Cp ben ik het met je eens.

Bedankt voor de formule, hier heb ik zeker wat aan! Het klopt inderdaad dat ik een omslachtige manier gebruik, hier kwam ik later, toen ik mijn gehele excel-sheet al had opgesteld, achter. De volgende keer/keren zal ik inderdaad een snellere methode gebruiken hiervoor. Echter is het veranderen van de excel-sheet (waar ik alle berekeningen gekoppeld heb) dus vandaar dat ik het voor ditmaal zo zal laten staan. Ik hoop dat je dit begrijpt

!

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Warmtewisselaar

Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar

Re: Warmtewisselaar