Введение к работе
Актуальность работы. Повышение показателей качества продукции, рациональное использование сырьевых и топливно-энергетических ресурсов на основе создания и широкого применения прогрессивных технологических процессов, современного высокоэффективного оборудования в нефтеперерабатывающей и химической отраслях промышленности являются традиционной задачей совершенствования производства и основным направлением обеспечения научно-технического прогресса.
В нефтепереработке, нефтехимии и в ряде смежных отраслей промышленности системы теплообменных устройств являются самыми многочисленными среди других агрегатов технологических установок. Они предназначены не только для поддержания оптимальных эксплуатационных параметров технологических процессов, но и обеспечивают регенерацию тепла (холода) отходящих потоков, сокращая тем самым расход топлива, пара, а также охлаждающих сред.
Для осуществления химико-технологических процессов преимущественное применение находят поверхностные теплообменные аппараты.
Зачастую традиционно применяемые теплообменные установки становятся неспособными решать целевые задачи охлаждения технологических потоков до нужных температур, резко снижается их эффективность при работе с неоднородными по фазовому составу низкотемпературными средами.
Так, например, в нефтепереработке часто светлые нефтепродукты направляются в товарные резервуары при температурах выше температуры испарения лепсокипящих ценных компонентов. В результате снижаются показатели качества товарных нефтепродуктов, одновременно происходит загрязнение окружающей среды. Стабилизация свойств конечных нефтепродуктов путем до-охлаждения с применением существующих конструкпий теплообменных аппаратов практически является нереальной ввиду необходимости чрезмерного увеличения поверхности теплообмена.
Предприятия нефтепереработки и нефтехимии относятся к сложным энергоемким химико-технологическим системам, энергетический коэффициент полезного действия которых не превышает 15-17%. Это связано, прежде всего, с недостаточным использованием вторичных энергоресурсов на технологических установках (30-35%) и почти полной потерей вторичного низкопотенциального тепла. В этих условиях первейшими задачами становятся разработка и внедрение высокоэффективных ресурсосберегающих теплообменных- систем, утилизация энергии жидких и газообразных потоков, повышение теплового коэффициента полезного действия теплотехнических агрегатов.
Во многих случаях наряду с повышением тепловой эффективности аппаратуры возникают и другие не менее важные задачи, такие как: снижение металлоемкости; повышение эксплуатационной надежности и ремонтопригодности; утилизация тепла дымов, газообразных выбросов.
Решение перечисленных задач в совокупности путем разработки тепло-обменных агрегатов, работающих с использованием высокоэффективного физического принципа снятия низкопотенциального тепла, основанного на применении двухфазных термосифонов, представляет сущность проблемы, решаемой в настоящей работе, актуальность которой является очевидной.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с государственными научно-техническими программами «Перспективные технологии в машиностроении, приборостроении, аппаратосгроении и других отраслях промышленности Башкортостана» (1993-1995 гг.); «Разработка новейших технологий и материалов для машиностроения и аппаратостроения». Раздел «Агшаратострое-ние» (1996-1998 гг.); Проблемы машиностроения, конструкционных материалов и технологий». Раздел «Надежность и безопасность технических систем в нефтегазохимическом комплексе» (1996-1998 гг.); «Топливно-энергетический комплекс Республики Башкортостан, стабилизация, развитие». Раздел «Функционально-технологические критерии нефтегазохимической аппаратуры» (1999-2001 гг.).
5 Цель работы. Определение области эффективного применения теплооб-менных агрегатов на базе термосифонов в производствах нефтехимпереработ-ки, разработка методов их расчета, конструктивных решений и антикоррозионг ной защиты.
Основные задачи работы
-
Анализ существующих принципов теплообмена и теплопередающих свойств и современных методов их интенсификации в традиционных конструкциях теплообменников.
-
Обоснование выбора высокоэффективного физического принципа снятия низкопотенциального тепла.
-
Теоретическое обоснование подходов к выбору расчетных параметров для инженерного проектирования термосифонньгх теплообменников.
-
Разработка методов расчета и конструирования теплообменных устройств, работающих на базе замкнутых двухфазных термосифонов.
-
Разработка технологических процессов изготовления термосифонных трубок, способов их заполнения и герметизации.
-
Расчет, конструирование, изготовление модулей теплообменников для охлаждения технологических потоков с малым температурным градиентом применительно к нефтепереработке, производству синтетического каучука, содового производства.
-
Создание антикоррозионного и герметизирующего состава на основе сырьевой базы Республики Башкортостан.
Научная новизна 1. Сочетанием интегрального преобразования Лапласа с вариационным методом решена задача теплообмена в трубе с заданной скоростью и граничными условиями третьего рода при наличии уравнения переноса энергии объемного источника (стока) и произвольного распределения температуры на входе в трубу в ламинарном потоке. Полученное решение позволяет численно определять температурное поле в длинных термосифонах. Показана возможность применения метода решения для случая турбулентного течения потока, при
этом рекомендуется вместо распределения скорости жидкости в трубе брать осредненную скорость турбулентного течения жидкости и вместо коэффициента теплопроводности следует использовать эффективный коэффициент теплопроводности. .
-
Приведены в единую систему аналитические зависимости определения тепловых характеристик, конструктивных параметров теплообменных агрегатов на базе термосифонов для области их эффективного применения в производствах нефтехимпереработки.
-
Осуществлен синтез конструктивных элементов теплообменных агрегатов на базе замкнутых двухфазных термосифонов:
для доохлажденйя прямогонного бензина;
решающего задачи охлаждения парогазовой смеси, конденсации водяного пара и вывода конденсата, утилизации низкопотенциального тепла, снижения полимерных отложений при производстве синтетического каучука.
4. Впервые разработана технология получения дианоформальдегидной
смолы. Усовершенствован способ получения фенолформальдегидной смолы,
позволяющий сократить продолжительность синтеза в два раза. На их основе
создано многофункциональное тампонажное и антикоррозионное покрытие для
защиты технологического оборудования и герметизации резьбовых соедине
ний, которое в сравнении с известными аналогами обладает повышенной адге
зией, стойкостью в кислотных средах, доступной сырьевой базой, сравнительно
низкой стоимостью.
Основные защищаемые положения
-
Научно обоснованные технические и технологические решения по использованию замкнутых двухфазных термосифонов в качестве базового тепло-передающего элемента в теплообменных агрегатах нефтехимпереработки.
-
Совокупность установленных в результате теоретических и экспериментальных исследований закономерностей и полученных аналитических зависимостей для выполнения расчетных и проектно-конструкторских работ.
-
Модульные конструкции теплообменников, разработанные для реализации процессов охлаждения в нефтепереработке и нефтехимии.
-
Компонентный состав и способ получения антикоррозионного и герметизирующего материала.
Практическая ценность
-
Высокая тепловая эффективность термосифонных теплообменных устройств позволяет осуществлять охлаждение низкотемпературных потоков, что способствует повышению качества продукции, более полному использованию вторичных энергоресурсов на технологических установках, снижению выбросов в окружающую среду. Они отличаются меньшей металлоемкостью, обеспечивают легкую очистку от отложений, доступность осмотра при выполнении диагностических работ и позволяют осуществлять утилизацию тепла запыленных газов и агрессивных сред.
-
Оснащение установки АВТм-9 АО «Новоуфимский нефтеперерабатывающий завод» (АО "НУНПЗ") термосифонным теплообменником позволит обеспечить доохлаждение прямогонного бензина до температур ниже 35С. При этом углеводородная фракция С5Н12 полностью конденсируется, что приводит к увеличению выхода целевых продуктов и повышению их качества.
Использование термосифонных теплообменников на установке дегидрирования изопентана АО «Каучук» взамен существующих кожухотрубных наряду с охлаждением парогазовой смеси до нужных температур и выведением конденсата из технологического потока позволяет сократить расход металла в 1,9 раза.
Применение конструктивного варианта типа «газ-газ» позволяет реализовать технологию утилизации тепла запыленных и агрессивных дымовых газов.
Реализация работы
I. Разработан технический проект доохладителя прямогонного бензина
установки АВТм-9 АО «Новоуфимсккй нефтеперерабатывающий завод». Выполнена технологическая подготовка производства для изготовления модуля теплообменника на ОАО «Салаватнефтемаш».
-
На ОАО «Салаватнефтемаш» изготовлены 24 модуля термосифонных теплообменников для системы охлаждения на АО «Каучук», которая прошла опытно-промышленное апробирование, термосифонные теплообменники находятся на стадии монтажа в новой системе охлаждения.
-
На АО «Сода» (г. Стерлитамак) внедрены теплообменники для работы в запыленных и агрессивных средах.
-
Подобран компонентный состав, защищенный патентами РФ, защитного и герметизирующего состава, разработана и внедрена технология его изготовления на ЗАО «Каустик» (г. Стерлитамак).
Разработана и внедрена технология получения основного компонента защитного покрытия, фенолформальдегидной смолы, которая не производится на предприятиях Республики Башкортостан.
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Уфимского государственного нефтяного технического университета (Уфа, 1989, 1992, 1993, 1995, 1997, 2000); научно-технических конференциях по региональным проблемам энергетики Поволжья (Саратов, 1992, 1993, 1994); II Всероссийской научно-технической конференции «Техническая диагностика, промышленная и экологическая безопасность». Секция 2 «Обеспечение надежности сложных технологических систем на стадии проектирования и эксплуатации» (Уфа, 1996); Всероссийской научно-технической конференции по газовой промышленности (Москва, 1996); научно-практической конференции «Проблемы защиты окружающей среды на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии» (Уфа, 1997); Международном симпозиуме «Наука и технология углеводородных дисперсных систем» (Москва, 1997); I и II республиканской научно-практической конференциях «Ресурсо- и энергосбережение в Республике Башкортостан: проблемы и задачи» (Уфа, 1997, 1998); X и XI всероссийской конференциях по химическим реактивам (Уфа-Москва, 1997, 1998); Ш Международном конгрессе «Защита-98» (Москва, 1998); Международной конферен-
ции «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, 1998); Международной конференции «Проблемы эффективного использования энергоносителей и низкосортных топлив в промышленности» (Саратов, 1998); V Международной «научной конференции "Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП-У-99) (Уфа, 1999г.); Международной научной конференции «Химия и химические технологии - настоящее и будущее» (Стерлитамак, 2000); Втором конгрессе нетегазопромышлёнников России (Уфа, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликованы I монография, 29 статей, 12 тезисов докладов, получен I патент и 1 положительное решение.
Объем я структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций. Работа изложена на 229 с. машинописного текста, содержит 16 таблиц, 57 рисунка, список литературы включает 208 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность за оказанную помощь и поддержку в научных исследованиях н выполнении расчетно-проектировочньгх работ д-ру техн. наук проф. Холпанову Л.П., д-ру техн. наук проф. Загидуллину Р.Н., канд. техн. наук Евтюхину Н.А., канд. техн. наук Луксу А.Л.
