Использование теплообменника в нефтепереработке

В таком устройстве, как теплообменник, происходит процедура теплообмена между теплоносителями, имеющими разную температуру. По принципу действия теплообменники представлены моделями регенераторов и рекуператоров.

В конструкцию рекуператоров входит стенка, разделяющая движущиеся теплоносители. Конструкции такого типа наиболее распространены. Регенераторы отличаются тем, что в них теплоносители, имеющие разную температуру, контактируют с поверхностью поочередно.

Использование теплообменного оборудования

С помощью теплообменников осуществляют теплообменные процессы, служащие для повышения или понижения температуры в рабочей среде для выполнения последующих работ, связанных с ее переработкой или утилизацией.

Типы  устройств для теплообмена

Для классификации теплообменников руководствуются следующими критериями:

• типом конструкции;
• устройствами, сделанными из труб (кожухотрубчатыми, оросительными, змеевиковыми, погружными типами), а также типами «труба в трубе» и с системой воздушного охлаждения;
• устройствами, где для изготовления теплообменной поверхности пользуются листовыми материалами (сотовыми, спиральными и пластинчатыми);
• теплообменниками, для изготовления поверхности которых пользуются неметаллическими материалами (стеклянными, пластмассовыми, графитными и прочими).

По своему назначению теплообменники бывают:

• подогревателями;
• холодильниками;
• конденсаторами;
• испарителями.

В соответствии с  направлением потоков теплоносителей:

• противоточными;
• прямоточными;
• теплоносителями перекрестного тока.

В химической и нефтеперерабатывающей сфере большая часть теплообменников (80%) является аппаратами кожухотрубчатого типа. Они достаточно просты в изготовлении, имеют высокую степень надежности и относятся к достаточно универсальному оборудованию.

Теплообменники, имеющие змеевиковую конструкцию либо конструкцию «труба в трубе», во всем ассортименте теплообменного оборудования составляют около 8%, а конструкции чугунных оросительных устройств не более 2 процентов.

Кожухотрубчатый тип теплообменных аппаратов

Распространение кожухотрубчатых устройств очень широко Их используют в качестве охладителей, нагревателей и конденсаторов в сфере промышленности и транспорта, благодаря работе как в жидких, так и в газообразных жидких средах.

Конструкция таких теплообменников состоит из:

• корпуса, называемого кожухом;
• трубного пучка;
• патрубков;
• камер-крышек;
• запорной арматуры;
• регулирующей арматуры;
• аппаратуры для текущего контроля за процессом;
• опор, держащих устройство;
• каркаса.

Кожух подобных моделей имеет цилиндрическую форму, для его сваривания пользуются одним или несколькими листами (чаще всего стальными). Определяя необходимую толщину стенок кожуха, руководствуются максимальным значением рабочей среды, возникающим в пространстве между трубами, и диаметром теплообменника.

Дно камер должно быть сферической формы (в сварных камерах) либо эллиптической формы (в штампованных камерах).  Использование плоских днищ практикуется реже.  Толщину днища принимают либо равной, либо более толщины стенок корпуса.

Наиболее эффективны вертикально расположенные теплообменники, так как для горизонтальных моделей требуется использование значительно большей площади. В производственных помещениях с вертикальными устройствами работать более комфортно.

Для изготовления пучка теплообменника пользуются гладкими бесшовными трубами, которые могут быть выполнены с стали, латуни или меди. Используют либо прямую форму, либо  U- или W-образную, а величина диаметра  варьируется  до  57 миллиметров.  Длина может составлять несколько сантиметров и даже девять метров. Величина диаметра может достигать 1,4 метра и свыше.

Из каких элементов состоит  конструкция  кожухотрубчатого теплообменника

В холодильных устройствах практикуется использование кожухотрубных  и секционных конструкций, в  оборудование которых входят  низкие накатные  ребра, имеющие продольную, радиальную и спиралевидную форму.  Высота продольных  ребер не превышает 12 – 15 миллиметров. В катаных трубах аналогичный показатель достигает 1,5 – 3 миллиметра (на 1 метр длины применяется 600 – 800 ребер).

Как правило, не существует отличий между внешним диаметром труб с низкорадиальными накатными ребрами и трубами, имеющими гладкую поверхность. Тем не менее, общая площадь теплообменных поверхностей увеличивается до полутора – двух с половиной раз. Благодаря особой форме подобной теплообменной поверхности удается добиться значительного повышения тепловой эффективности при использовании в работе различных сред, отличающихся комплексом своих теплофизических характеристик.

В соответствии с конструкцией накатного или гладкого пучка используются разные способы закрепления труб (двухтрубных и однотрубных решеток) при помощи:

• сварного способа;
• разбортовки;
• развальцовки;
• технологии спайки;
• сальниковых соединений.

Сальниковый способ крепления является наиболее затратным и сложным, поэтому используется реже других, хотя использование такого соединения дает возможность трубам перемещаться в тепловых удлинениях в продольной плоскости

Трубы в трубных решетках размещаются с использованием следующих способов:

• шахматного (по сторонам и вершинам 6-тиугольников с правильной формой);
• коридорного (по сторонам и вершинам квадратов);
• круглого (в виде концентрической окружности);
• по сторонам и вершинам  6-тиугольников, со смещенной на угол β  диагональю.

Использование первого способа расположения труб на трубной решетке является наиболее популярным. Использование прямоугольного типа размещения наиболее популярно в теплообменниках, которые работают с  загрязненными жидкостями, так как благодаря такому размещению существенно облегчается очистка пространства между трубами.

Применение способа размещения, когда трубы располагаются на решетке по сторонам и вершинам 6-тиугольника со смещенной на угол β диагональю наиболее эффективно для конденсирующих кожухотрубных устройств, расположенных горизонтально. Благодаря такому способу размещения удается добиться уменьшения возможности термического сопротивления на внешних поверхностях труб, вызываемого из-за образующейся пленки конденсата. В межтрубном пространстве решетки остаются при этом проходы, сквозь которые свободно проникает пар.

В некоторых конструкциях решетки, расположенные в прямом трубном пучке, зажимают между верхним и нижним фланцем корпуса и крышек аппарата. Подобные теплообменники отличаются жесткой конструкцией. Такими аппаратами пользуются при сравнительно небольшой разности температур у труб и корпуса (максимум 30 градусов), а также при применении материалов для изготовления труб и корпуса, имеющих близкие коэффициенты удлинения.

Проектирование теплообменников невозможно без расчета напряжений, возникающих при тепловых удлинениях, характерных трубам трубной решетки. Особенно важен расчет напряжения в точках соединения поверхности решетки и труб.

Рассчитанные заранее значения напряжений для проектов каждых конкретных теплообменников позволяют определиться с соответствием конкретным задачам устройства, имеющего жесткий тип конструкции. При непригодности такой конструкции применяются модели теплообменников с нежесткой конструкцией либо кожухотрубного типа.

Если в теплообменниках применяют U-образную или  W-образную форму труб, крепление обоих концов осуществляют в трубной решетке. У каждой трубы в пучке есть возможность для свободного удлинения, не соответствующего тепловым удлинениям других труб или прочим элементам конструкции. Если даже возникают существенные тепловые соединения напряжений в тех местах, где труба соединяется с трубной решеткой, а также в тех местах, где сама решетка соединяется с кожухом, проблем с эксплуатацией не возникает.

Теплообменник в сфере нефтепереработки

Применение теплообменников подобного типа практикуется при достаточно высоком давлении в обрабатываемых теплоносителях. Модели теплообменных устройств с изогнутыми трубами нельзя относить к самым лучшим. Это обусловлено трудностями, возникающими при создании в производстве радиусов изгиба, а также при их эксплуатации. Отметим трудности с заменой и чисткой таких труб.

В устройствах кожухотрубчатого типа, с использованием двойных труб, все элементы конструкции состоят из двух труб: наружной, с закрытым нижним концом, и внутренней с открытым концом. Закрепление верхнего конца внутренней трубы меньшего диаметра осуществляется с помощью сварки или развальцовочного способа, на верхней трубной решетке. Закрепление трубы с большим диаметром осуществляется на нижней решетке. Благодаря такому монтажу любой двухтрубный элемент конструкции получает возможность свободного удлинения, причем возникновения тепловых напряжений не происходит.

Нагревание технологической среды происходит внутри трубы, после чего через кольцевой канал, служащий для соединения внутренней и наружной трубы, проникает дальше. Тепловой поток, нагреваемый в греющей среде, проходит через внешнюю стенку трубы. В теплообмене участвует и поверхность внутренней  трубы. Это обусловлено разницей в температурах между нагреваемой средой, проходящей в кольцевом канале, и температурой среды, находящейся во внутренней трубе.

Любая технологическая линия НПЗ состоит из теплообменника. В сфере нефтепереработки без подобных устройств обойтись невозможно.

На предприятиях, занимающихся первичной нефтепереработкой, число теплообменников соответствует:

• объему производимой продукции;
• количеству перерабатывающих технологий, применяемых на производстве.

Объем выпускаемой продукции соответствует количеству технологических линий. От количества линий зависит количество теплообменников.

При рассмотрении конкретных цифр можно утверждать об очень большом разбросе подобных агрегатов на нефтеперерабатывающих предприятиях, на некоторых их единицы, на других свыше одной тысячи. В среднем, в оснащении одного перерабатывающего предприятия находится более 400 теплообменных устройств.

Подобные аппараты, применяющиеся в сфере НПЗ, работают со следующими технологическими средами:

• бензинами;
• дизельными топливами;
• керосинами;
• сырой нефтью;
• нефтяными маслами;
• мазутами;
• гудронами;
• битумами;
• паром;
• этиленом;
• пропиленом;
• фенол-ацетоном;
• парафином.

Наиболее часто работают аппараты с бензинами, дизтопливом, керосинами, маслами, мазутами и нефтью-сырцом. Уровень давления может составлять от 3 до 40 атмосфер. Самыми распространенными являются аппараты, давление в которых составляет 10 – 25 атмосфер.

В теплообменных устройствах применяются патрубки с диаметром от 350 до 1200 миллиметров. Диаметры от 1400 до 2000 миллиметров используются существенно реже. Среди самых распространенных  кожухотрубных  теплообменников  патрубки размером 325 миллиметров. Уровень температур рабочих сред, используемых  на НПЗ, находится в диапазоне 50 – 450 градусов Цельсия.