Нефть. От первых скважин до новой эпохи - Глеб Олегович Трухин

процесса и, в связи с этим, неустановившимся состоянием во времени. Работа периодически действующих аппаратов проводится по определенным циклам, в течение которых осуществляются все стадии процесса. По окончании цикла аппарат разгружается; после его загрузки новой порцией материалов весь производственный цикл повторяется. Нестационарность периодических процессов затрудняет их автоматизацию, усложняет эксплуатацию аппаратуры, усложняет конструкцию аппаратов и создание крупнотоннажных производств. Однако в целом ряде малотоннажных производств и опытных установок периодические процессы имеют широкое распространение.

Таким образом, можно утверждать, что дисциплина, изучающая различные процессы и аппаратурное оформление, является крайне важной не только для рассматриваемой нами нефтехимической промышленности, но также и для других: пищевой, биологической, фармацевтической, атомной, космической, сельскохозяйственной. Нигде нельзя обойтись без стандартных процессов, даже, как мы выяснили, в обычной, повседневной жизни. Даже обычный день – будь то выходной или будний – не обходится без соприкосновения с проявлениями этой отрасли. Она присутствует в нашей жизни больше, чем любая другая.

Глава 8. Теплообменные аппараты

В нефтеперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты представлены множеством разнообразных типов. Их объединяет то, что в них идет передача тепла (иногда с фазовым переходом), но отсутствуют массообменные процессы. Основные виды: испарители, конденсаторы, нагреватели, холодильники, аппараты воздушного охлаждения, чиллеры, печи.

В холодильниках и нагревателях происходят соответствующие процессы по целевому продукту, определяющему название аппарата. Ведь при охлаждении, допустим, пропиленовой фракции паром, неизбежна конденсация пара, однако аппарат по-прежнему будет иметь название «нагреватель». Сам пропилен не подвергается фазовому переходу, а температура на выходе из аппарата больше, чем на входе.

Теплообмен, за исключением редких случаев, происходит за счет передачи тепла через стенку аппарата. Но бывают и альтернативные варианты: паровые барботеры, барометрические конденсаторы, градирни. Это так называемые аппараты смешения, задействованные в смежном хозяйстве: в водооборотном цикле и паровом хозяйстве.

Поверхностные аппараты востребованы, когда дело касается нефтепродуктов. Тут можно выделить две основные группы: регенеративные и рекуперативные. В регенеративных теплообменниках теплоносители периодически, поочередно, соприкасаются с одной и той же массивной поверхностью теплообмена. В рекуперативных теплообменниках передача тепла происходит через твердую теплопроводящую стенку, по обе стороны от которой одновременно движутся теплоносители, не смешиваясь друг с другом.

Также стоит упомянуть и другую классификацию. Кроме назначения и движения теплоносителей существует и конструкционная классификация: теплообменники с плоской поверхностью, а именно спиральные; с двойной стенкой, пластинчатые разборные, паяные, сварные, а также трубчатые, которые разделяются на кожухотрубчатые, секционные, «труба в трубе», оросительные и оребренные.

Рассмотрим устройство трубчатых теплообменников – самого распространенного вида передачи тепла, с которым конкурируют только кожухотрубчатые аппараты. Конструкция включает два пространства – трубное и межтрубное. По сути, это пучок труб, помещенный в кожух: одна фракция движется внутри труб, противоположный поток – в межтрубном пространстве. Направление потоков подчиняется физике: холодное подают снизу, горячее – сверху. Типичный кожухотрубчатый теплообменник представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Кожухотрубчатый теплообменник

Главный плюс таких теплообменников – большая площадь контакта, а также простота исполнения. Чаще всего на предприятиях встречаются горизонтальные аппараты, но бывают и вертикальные. Пучок самих труб может быть не сквозным, а иметь U-образное исполнение. В межтрубном пространстве для более эффективной передачи тепла устанавливаются вертикальные или параллельные перегородки. Сквозные теплообменники не так эффективны, именно поэтому используют такие аппараты, как на рисунке 2.

Рисунок 2. Современный кожухотрубный теплообменник

На рисунке видно, что вход и выход в трубное пространство находятся с одной стороны – их разделяет перегородка в крышке. Вход и выход в межтрубное пространство расположены с разных сторон. Также хорошо видны перегородки: они не только направляют поток жидкости, но и укрепляют конструкцию.

Теперь определим направление потоков на данном образце. Аппарат горизонтальный – это видно по опорам снизу. Допустим, мы используем его как холодильник. Тогда воду подают снизу в трубное пространство (выход сверху), а нефть направляют сверху в межтрубное пространство (выход снизу). Если бы стояла задача нагреть нефть, направление потоков было бы противоположным: горячий теплоноситель и нефть меняются входами и выходами.

Но откуда взялось правило про горячий и холодный теплоноситель? Тут дело в фазовом переходе. Пусть сам аппарат будет обозначен как холодильник, но вода (по сути, хладагент) может испариться. В нагревателе, наоборот, возможна конденсация пара. А из правил физики легко понять, что пар поднимается вверх, а конденсат стекает вниз. Таким образом получится избежать сквозного прохода пара через аппарат.

Существует и более простое исполнение таких аппаратов – «труба в трубе». Как легко догадаться, здесь вместо пучка труб – всего одна труба, совмещающая трубное и межтрубное пространства. На рисунке 3 представлен такой теплообменник, где I – нагреваемый поток углеводородов, II – водяной пар.

Рисунок 3. Теплообменник «труба в трубе»

Но стоит сказать, что встречаются каскады таких секционных теплообменников, которые включают в себя не три секции, как показано на рисунке, а десятки и сотни. Главный плюс таких сетей – возможность настроить температуру в нужном интервале и наладить секционное включение и отключение, что позволяет облегчить ремонт, а также снизить расход теплоносителя. К недостаткам таких теплообменников можно отнести их громоздкость и сложность при фазовом переходе.

В аппарате этого типа легче обеспечить большие скорости движения потоков, чем в кожухотрубчатых теплообменниках. Благодаря этому увеличиваются коэффициенты теплопередачи и значения теплонапряженности поверхности нагрева. Кроме того, в аппаратах типа «труба в трубе» легче осуществить противоток между теплообменивающимися средами, что также способствует более высокой эффективности процесса.

Поверхность теплообменных аппаратов рассматриваемого типа в меньшей степени подвержена загрязнению продуктами коррозии и механическими примесями, содержащимися в теплообменивающихся средах.

Конструктивно теплообменник оросительного типа отчасти схож с теплообменником «труба в трубе». Такие теплообменные аппараты являются неким гибридом АВО и градирни. Суть такого исполнения заключается в том, что сверху змеевика подается вода, за счет чего и осуществляется охлаждение. Принципиальная схема представлена на рисунке 4.

Так же, как и в АВО, сверху труб находятся вентиляторы, которые отводят пары воды, образующиеся при контакте с горячим теплоносителем в трубе. Именно эта особенность и роднит их с градирнями. В зимнее время возможно нагнетание холодного воздуха, что характерно для АВО.

Рисунок 4. Оросительный теплообменник

Главная особенность таких аппаратов – исполнение трубок (гладкие или оперенные) и высокие требования к качеству воды. В кожухотрубчатом теплообменнике забивка 30 трубок из 1750 не критична: на теплообмен это влияет несильно. В данном же исполнении забивка даже одной