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

Интересно, что аппараты, предназначенные для охлаждения, можно использовать и в качестве нагревателя. Такие аппараты используют в градирнях (мы коснемся их позднее). Однако в холодных регионах зимой воду на открытом пространстве использовать неудобно. Поэтому под падающую воду иногда устанавливают змеевики с паром – они не дают температуре воды опуститься ниже критического минимума.

Аппарат воздушного охлаждения встречается в разном исполнении. Он может быть как с участием воды и отведением ее паров, так и с использованием только окружающего воздуха. Вентилятор таких градирен часто расположен снизу труб, а сам аппарат находится над землей. Оба этих варианта можно увидеть на рисунке 5.

Рисунок 5. Аппараты воздушного охлаждения

Аппарат слева оборудован вентиляторами сверху, тогда как правый, наоборот, снизу. Как правило, вентиляторы сверху подразумевают возможность использовать воду в качестве дополнительного хладагента.

В этом и заключается главный минус АВО – необходимость использовать дополнительный хладагент. Ведь, как нетрудно догадаться из названия, эти аппараты ограничены по температурному диапазону использования. Но их главный плюс – это автономность. В отличие от систем с генерацией пара или водооборотным циклом, здесь не нужно продумывать дополнительные хозяйства и применять сверхсложные конструкционные решения.

Возможно, генерация пара выходит дешевле, чем затраты на электричество. Но электричество не требует дополнительных коммуникаций, а организация пароснабжения для одного теплообменника всегда дороже, чем использование АВО. То же касается и воды как хладагента. Поэтому там, где не нужно сильное охлаждение и потребление тепла невелико, оптимальным выбором становится АВО.

В нефтехимической промышленности также используются спиральные и пластинчатые теплообменники разного исполнения: разборные, сварные и т. д. Их отличает компактность.

Так, в спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, свернутыми в виде спиралей. Рабочая среда поступает внутрь устройства через входной патрубок. Потоки жидкостей перемещаются по рабочему каналу, который закручен по спирали. Возникают турбулентные завихрения, что обеспечивает эффективную теплопередачу и самоочищение внутренних поверхностей. Такой теплообменник представлен на рисунке 6.

Рисунок 6. Спиральный теплообменник

В этих аппаратах может осуществляться теплообмен между рабочими средами жидкость/жидкость, газ/газ и газ/жидкость, а также конденсация паров и парогазовых смесей. Благодаря тому, что площадь поперечного сечения каналов по всей длине остается неизменной, загрязнения на стенках в работающем аппарате лучше смываются потоком рабочей среды, и теплообменник может продолжительное время работать без чистки. Конструкцией теплообменников со съемными крышками предусмотрена механическая чистка каналов. Типичная область применения разборных спиральных теплообменников включает теплообмен загрязненных потоков, содержащих кокс или катализаторы, различные минералы и волокна. Неразборные аппараты с глухими каналами без крышек предназначены для охлаждения рабочих сред (например, кислот), при работе с которыми не требуется механическая чистка каналов от загрязнений.

Другой вид теплообменного оборудования – это пластинчатые теплообменники. Они, как и кожухотрубчатые, получили широкое распространение и активно применяются на производствах.

Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменники, в которых гофрированные пластины отделены одна от другой прокладками. Пластины сжимаются между неподвижной и нажимной плитами, образуя теплообменную секцию. В каждой пластине имеются четыре отверстия: одно – для ввода среды в пространство между пластинами, другое – для вывода среды и два – для сквозного прохода среды. Малая толщина пластин и очень высокая турбулентность за счет рифления поверхности обеспечивают более высокие коэффициенты теплопередачи по сравнению с кожухотрубчатыми. Монтаж и демонтаж этих аппаратов осуществляется достаточно быстро, очистка теплообменных поверхностей требует незначительных затрат труда. Серийно выпускаемые разборные теплообменники могут работать с загрязненными рабочими средами при размере твердых включений не более 4 миллиметров. Применение современных материалов для изготовления пластин и прокладок позволяет использовать подобные аппараты в агрессивных средах, например при охлаждении 98,5-процентной серной кислоты с температурой 130–140 °C. Данный теплообменник представлен на рисунке 7.

Рисунок 7. Пластинчатый теплообменник в разборном исполнении

Наряду с плюсами: компактностью, высоким КПД, простотой обслуживания – такие теплообменники также имеют и минусы: частота протечек между пластинами, требования к теплоносителям, ограниченность в рабочем давлении и температуре.

Все эти теплообменники относились к поверхностным аппаратам. А что касается аппаратов смешения? В них тепло передается от одной среды к другой путем непосредственного контакта теплообменивающихся потоков. Такой метод передачи тепла позволяет значительно сократить расход металла на изготовление аппаратов. Однако применять этот способ можно только в тех случаях, когда допустимо смешение потоков.

Например, воду можно нагреть за счет использования тепла водяного пара при их прямом смешении; тепло, выделяемое конденсирующимся паром, непосредственно воспринимается водой. Применение поверхностного аппарата в таких случаях является неоправданным. Непосредственно смешивать теплообменивающиеся потоки можно и в тех случаях, когда они взаимно не реагируют, не растворяются и в дальнейшем хорошо разделяются; такой случай имеет место в бензиновых конденсаторах смешения.

Рассмотрим некоторые теплообменные аппараты смешения подробнее. К ним относятся барометрические конденсаторы вакуумных колонн, предназначенные для конденсации водяных паров с целью уменьшения нагрузки вакуумсоздающего оборудования (вакуум-насосов, эжекторов).

Барометрический конденсатор должен быть установлен на высоте Н, обеспечивающей непрерывный сток воды через барометрическую трубу в колодец для предотвращения заполнения конденсатора водой. Высота Н0 уравновешивает в статическом состоянии разность между атмосферным давлением и давлением в барометрическом конденсаторе. С учетом потери напора при движении жидкости в барометрической трубе H1 и запаса высоты H2 на случай колебания режима работы конденсатора можно определить высоту установки конденсатора Н.

Барометрические конденсаторы бывают различных конструкций, отличающихся по устройству приспособлений для распределения воды. Чаще всего используются аппараты полочного типа, улавливающие 4–7 полок с диаметром отверстий 1–7 мм. Применение таких аппаратов на нефтеперерабатывающих заводах ведет к значительному загрязнению сточных вод (сероводород, нефтепродукты), что требует проведения специальных дорогостоящих мероприятий по очистке. Барометрический конденсатор представлен на рисунке 8.

Рисунок 8. Барометрический конденсатор

К аппаратам смешения можно отнести и паровые барботеры. Их задача – подача пара в нижнюю часть емкости с жидкостью: проходя через слой жидкости, пар отдает ей свое тепло. В целом такая технология для нефтеперерабатывающей промышленности – редкость. Такой вариант генерации горячего теплоносителя имеет смысл только при рекуперации тепла.

Неужели в нефтяной промышленности всего два варианта теплоносителя? Вода как хладагент, пар – для нагрева, а в остальных случаях только рекуперация тепла? Нет, есть также и вспомогательные варианты, и более энергоэффективные решения.

Так, часто кроме пара используют электронагревательный кабель. Он требуется для повышенных температур, а также там, где сложно подвести тепло паром. Обогревы трубопроводов малого диаметра, статичные емкости, приборы и арматура часто снабжаются электрообогревающим кабелем.