Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ использования теплообменных аппаратов различной конструкции в области нефтепереработки
1.1. Краткое описание процесса и схемы действующей установки атмосферной перегонки нефти НПЗ
1.2. Анализ конструкций теплообменных аппаратов, применяемых в нефтепереработке
1.3. Теплообменные устройства на базе двухфазных термосифонов и их применение на предприятиях нефтепереработки
1.4. Выводы по главе 1
ГЛАВА 2 Определение энергоэффективности работы теплообмепного оборудования
2.1. Методика проведения экспериментального исследования тепловых характеристик теплотехнического оборудования установок первичной переработки нефти НПЗ
2.2. Исследование термодинамических характеристик нагревательного блока установок первичной переработки нефти и разработка энергосберегающих теплообменных систем
2.3 Влияние недостаточной регенерации тепла в нагреватель ном блоке на работу технологических печей установок первич ной переработки нефти
2.4. Влияние недостаточной регенерации тепла в нагревательном блоке на работу захолаживающего блока установок первичной переработки нефти
2.5. Выводы по главе 2
ГЛАВА 3. STRONG Теоретические и экспериментальные исследования процесса теплоотдачи при
охлаждении и конденсации многокомпонентного потока в холодильниках погружного типа STRONG 76
3.1 К расчету конвективного теплообмена в ограниченном про странстве 76
3.2. Методика поверочного расчета поверхностных теплооб- менных аппаратов 78
3.3 Внешняя теплоотдача промышленных аппаратов погружного типа для охлаждения жидких нефтепродуктов 82
3.4. Внешняя и внутренняя теплоотдача промышленных аппаратов погружного типа для конденсации многокомпонентных углеводородных паров прямогонного бензина 89
3.5. Выводы по главе 3 109
ГЛАВА 4. STRONG Разработка технико-экономических решений для системы охлаждения
технологических потоков установки первичной переработки нефти STRONG 111
4.1. Совершенствование блока захолаживающей аппаратуры установки атмосферной перегонки нефти 111
4.2. Разработка конструкции промышленного образца теплооб-менного аппарата на базе замкнутых двухфазных термосифонов для осуществления конденсации паров прямогонного бензина ... 113
4.3. Разработка методики теплового расчета теплообменного аппарата на базе замкнутых двухфазных термосифонов 129
4.4. Экономическая целесообразность применения промышленного образца термосифонного аппарата для охлаждения потока прямогонного бензина 148
4.5. Выводы по главе 4 150
Основные выводы и рекомендации 152
Библиографический список использованной
Литературы 154
- Теплообменные устройства на базе двухфазных термосифонов и их применение на предприятиях нефтепереработки
- Исследование термодинамических характеристик нагревательного блока установок первичной переработки нефти и разработка энергосберегающих теплообменных систем
- Внешняя теплоотдача промышленных аппаратов погружного типа для охлаждения жидких нефтепродуктов
- Разработка конструкции промышленного образца теплооб-менного аппарата на базе замкнутых двухфазных термосифонов для осуществления конденсации паров прямогонного бензина
Введение к работе
Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) являются крупнейшим потребителем топливно-энергетических ресурсов, в том числе котельно-печного топлива, тепловой и электрической энергии. Эффективность, рациональность их использования в процессах переработки нефти во многом определяется эффективностью работы технологического оборудования завода. Однако технологические установки действующих I ГПЗ - это, в основном, крупнотоннажные мощности, построенные в большинстве случаев много лет назад и не отвечающие современным требованиям по качеству продукции, безопасности, уровню автоматизации управления процессами и т.д.
Для удовлетворения современным требованиям существующие установки подвергаются реконструкции. В ходе такой реконструкции капиталовложение в новое оборудование должно быть сведено к минимуму путем наиболее полного использования уже имеющегося. Оптимизация работы оборудования необходима и по другой причине. Существующие заводы были спроектированы и построены во времена значительно более дешевой, чем сейчас, энергии, поэтому актуальной является необходимость предусмотреть меры по ее экономии.
Особенностью процессов переработки углеводородного сырья является то, что сами технологические процессы несовершенны. Так, процессы первичной переработки нефти потребляют 1,91 т у.т. на переработку 100 т нефти при теоретически необходимом 1,016. На нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах вся получаемая тепловая энергия используется лишь на 30-35%, а остальная часть (с низкопотенциальной тепловой энергией) становится нерекуперативноспособ-ной. Так, около 36% энергии, поступающей на завод, уходит с охлаждающей водой или воздухом, до 16% вместе с дымовыми газами технологических печей выделяется в атмосферу, 12-14% энергии рассеивается в окружающую среду в виде тепла, отдаваемого горячими поверхностями оборудования.
Поэтому одним из приоритетных направлений повышения эффективности энергосбережения нефтеперерабатывающих производств является увеличение использования вторичных топливно-энергетических ресурсов, максимальное ис-
пользование рекуперации теплоты и оптимизация режимов работы технологических установок.
Зачастую существующее технологическое оборудование на установках НПЗ не обеспечивает необходимые рабочие параметры даже после оптимизации, и экономически целесообразным становится внедрение высокоэффективного ресурсосберегающего оборудования.
Во многих случаях наряду с повышением тепловой эффективности такого оборудования необходимо решать и другие не менее важные задачи: снижение металлоемкости, повышение эксплуатационной надежности и ремонтопригодности.
Цель работы
Уменьшение удельных энергозатрат при эксплуатации теплотехнического оборудования установок первичной переработки нефти.
Основные задачи исследования
Экспериментальное определение степени энергоэффективности работы теплотехнического оборудования установки первичной переработки нефти.
Разработка энергосберегающих теплообменных систем, позволяющих использовать уже задействованные в технологической цепочке теплообмен-ные аппараты с минимизацией капитальных затрат.
Определение влияния степени регенерации тепла технологических потоков в нагревательной теплообменной аппаратуре на режим работы технологических печей и захолаживающего оборудования установки первичной переработки нефти.
Разработка экспериментальной установки для определения степени вакуу-мирования и проверки работоспособности термосифонных трубок, предназначенных для эксплуатации в трубном пучке термосифонов.
Разработка методики расчета теплообменных устройств, работающих на базе замкнутых двухфазных термосифонов, когда одним из теплоносителей является поток прямогонного бензина, состоящий из жидкой, паровой и газообразной фаз.
Создание термосифонного теплообменного аппарата для конденсации и охлаждения паров прямогонного бензина установки первичной переработки нефти.
Методы исследований. В качестве методологической базы исследований в работе используются методы теории тепломассопереноса, основные принципы технической термодинамики, математическое моделирование, элементы математической статистики.
Научная новизна
Предложен новый метод, позволяющий оценить степень энергоэффективности регенерирующих теплообменных систем установок первичной переработки нефти.
Получены эмпирические уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи змеевиковых и секционных погружных холодильников со стороны охлаждающей воды, справедливые для чисел Рейнольдса в интервале 120-1800.
Установлено, что при расчете и проектировании теплообменных аппаратов, предназначенных для охлаждения и конденсации парогазовой смеси прямогонного бензина, необходимо учитывать дифференциальный дроссельный эффект, влияние которого наблюдается до окончания конденсации паровой фазы потока. Учет этого эффекта позволит сократить поверхность теплообмена при проектировании теплообменных аппаратов на 20-30%.
Установлено, что при расчете коэффициента теплоотдачи теплообменного аппарата на базе замкнутых двухфазных термосифонов, когда горячим теплоносителем является парогазовая смесь прямогонного бензина, необходи-
7 мо учитывать влияние конвективного массообмена, который приводит к интенсификации процесса теплообмена до 15%.
На защиту выносятся теоретические выводы и обобщения, разработанные
конструкции, модели, эмпирические зависимости и практические рекомендации
по повышению эффективности работы теплотехнического оборудования устано-
<ф вок первичной переработки нефти.
Практическая ценность
Применение полученных в работе результатов дает возможность:
проводить оптимизацию работы нагревательного блока теплообменных аппаратов установки первичной переработки нефти;
рассчитывать тепловые и конструктивные параметры термосифонного теплообменного аппарата, когда горячим теплоносителем является смесь паров углеводородов и неконденсируемого углеводородного газа потока прямо-
0! гонного бензина;
- использовать разработанный теплообменный аппарат (на базе замкнутых
двухфазных термосифонов) для конденсации и охлаждения паров прямо-
гонного бензина установок первичной переработки нефти.
Реализация работы
1. Разработанные мероприятия по снижению потребления топливно-
энергетических ресурсов установок первичной переработки нефти приняты
к внедрению на установках АВТМ-1,2,9 ОАО «Ново-Уфимский НПЗ»
(НУНПЗ).
* 2. Изготовлен промышленный образец разработанного теплообменного аппа-
рата на базе замкнутых двухфазных термосифонов на ОАО «Салаватнеф-темаш» для конденсации и охлаждения паров прямогонного бензина с верха колонны К-Ї установки первичной переработки нефти АВТМ-9 ОАО «НУНПЗ».
8 3. Разработанные методики расчета термосифонного теплообменного аппарата используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплине «Промышленные тепломассообменные процессы и установки».
Апробация работы
Основные положения работы доложены и обсуждены:
на 49-й и 50-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Уфа, 1998 и 1999гг.);
V Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП -V-99)» (г. Уфа, 1999 г.);
Международном симпозиуме «Наука и технология углеводородных дисперсных систем» (г. Уфа, 2000 г.).
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи исследований, приведено краткое содержание работы, а также сведения о научной новизне и практической ценности.
В первой главе диссертации проведен анализ использования теплообмениых аппаратов различной конструкции в области нефтепереработки. Представлена принципиальная схема действующей установки атмосферной перегонки нефти, из которой следует, что в качестве основной теплообменной аппаратуры используются теплообменники, холодильники, аппараты воздушного охлаждения.
Вводятся понятия нагревательного и захолаживающего блоков. Нагревательный блок представляет собой группу теплообмениых аппаратов, задачей которого является нагрев нефти, поступающей на установку теплотой циркулирующих и отходящих технологических потоков. Аппаратура, обеспечивающая охлаждение технологических потоков после теплообмениых аппаратов нагревательного блока, представляет собой блок захолаживающей аппаратуры.
9 Рассмотрено аппаратурное оформление как нагревательного, так и захола-
живающего блоков.
Представлена таблица сравнительной характеристики теплообменных аппаратов, задействованных на установках первичной переработки нефти.
Выявлено, что теплообменные аппараты, применяемые на установках первичной переработки нефти основаны на принципе конвективного теплообмена через разделяющую поверхность и эффективны при сравнительно больших градиентах температур охлаждаемых сред. При необходимости снятия низкопотенциального тепла (когда разница между начальной и конечной температурами исчисляется лишь несколькими десятками градусов и меньше), их применение становится практически нереальным, ввиду необходимости чрезмерного увеличения поверхности теплообмена и соответственно металлоемкости аппарата.
Сравнение значений коэффициентов теплопередачи различных типов теплообменных аппаратов показывает, что наибольшее значение принадлежит теп-лопередающему устройству, использующему теплоту парообразования промежуточного теплоносителя на базе замкнутых двухфазных термосифонов. Кроме того теплообменные аппараты на базе термосифонных труб предназначены для утилизации низкопотенциального тепла.
Результаты анализа, проведенного в первой главе, позволили сформулировать цель работы и задачи исследований.
Вторая глава посвящена определению энергоэффективности работы теп-лообменного оборудования установок первичной переработки нефти. Рассмотрена взаимосвязь теплотехнологического оборудования установки АВТ.
Предложена методика проведения экспериментального исследования тепловых характеристик технологического оборудования установки первичной переработки нефти ІІПЗ. Цель этих экспериментов - получение необходимых исходных данных для дальнейших расчетов.
Второй раздел главы посвящен исследованию термодинамических характеристик нагревательного блока установки первичной переработки нефти и разработке оптимальных энергосберегающих теплообменных систем.
10 Для оптимизации работы существующей схемы нагревательного блока
предлагается использовать новый критерий оптимальности - коэффициент эффективности (КЭ).
Использование коэффициента КЭ при разработке оптимальных энергосберегающих теплообменных систем позволяет учитывать не только термодинамические характеристики теплообменной системы, такие как количество передаваемого тепла (тепловой поток), скорости потоков, коэффициент загрязнения поверхности теплообмена, но и конструктивные характеристики теплообменного аппарата. Выбранный коэффициент эффективности также позволяет судить, на сколько полезно используется поверхность теплообмена аппаратов.
С помощью выбранного критерия были в качестве примера оптимизированы схемы нагревательных блоков АВТМ-1,9 ОАО «НУНПЗ» и приведены результаты проведенной работы.
Определено влияние недостаточной регенерации тепла в нагревательном блоке на работу технологических печей установок первичной переработки нефти.
В третьей главе подробно рассмотрена работа холодильников и конденсаторов погружного типа, а также проведены экспериментальные исследования процесса теплоотдачи при охлаждении жидкого и конденсации многокомпонентного технологических потоков. Приведена методика поверочного расчета поверхностных теплообменных аппаратов с введением уточнений и дополнений при расчете холодильников погружного типа. По рассмотренной методике проведен тепловой расчет аппаратов и произведено сравнение экспериментальных коэффициентов теплоотдачи и расчетных. Представлена графическая иллюстрация различия между экспериментальными и расчетными значениями.
На основании экспериментальных данных получены уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи змеевиковых и секционных погружных холодильников со стороны оборотной воды.
Проведенные экспериментальные исследования процесса охлаждения потока прямогонного бензина показали, что общее падение температуры потока происходит от 140 С до 65,8С. Холодильный аппарат поверхностью теплообмена
1200 м обеспечивает охлаждение в среднем на 10 С. Остальное падение температуры объясняется тепловыми потерями в окружающую среду, а также присутствием эффекта дросселирования при прохождении потоком парогазовой смеси углеводородов технологической аппаратуры и арматуры.
В работе доказано, что присутствие дифференциального дросселирования, характеризующегося изменением температуры при незначительном изменении давления, приводит к снижению температуры рассматриваемого потока. Поток состоит из трех фаз: паровой, газовой и жидкой. Эффект дифференциального дросселирования приводит к охлаждению только паровой фазы прямогонного бензина.
Недостаточное охлаждение потока прямогонного бензина в конденсаторах-холодильниках погружного типа приводит к тому, что на выходе около 52 % (по объему) потока находится в газообразном состоянии. В несконденсировавшемся парогазовом потоке содержится значительное количество ценных углеводородов (С5Н12), которые при использовании жирного газа в качестве топлива подлежат сжиганию в печах. При обеспечении конденсации паров прямогонного бензина до 35 С дополнительно может быть получено 13,4 тыс. т. целевого нефтепродукта.
В качестве решения проблемы конденсации и охлаждения прямогонного бензина на установке первичной переработки нефти в работе предлагается для этих целей использовать теплообменный аппарат на базе замкнутых двухфазных термосифонов.
Четвертая глава посвящена разработке расчетно-теоретической и методологической базы для проектирования теплообменного аппарата на базе двухфазных термосифонов, предназначенного для конденсации и охлаждения светлых нефтепродуктов. Особенностью расчета является тот факт, что один из теплоносителей - смесь паров углеводородов и неконденсируемого газа.
Основным затруднением при решении поставленной задачи являлось сложность характера теплообмена в аппарате, а именно, определение коэффициента теплоотдачи при конденсации смеси паров в присутствии неконденсируемого га-
12 за. В этом случае наблюдается не только конвективный теплообмен, но и массо-
обмен.
Создана методика теплового расчета термосифонного теплообменного аппарата для конденсации парогазового потока углеводородов с учетом влияния массоотдачи на процесс теплопередачи.
Разработана конструкция теплообменного аппарата на базе замкнутых двухфазных термосифонов для осуществления конденсации паров прямогонного бензина применительно к установке первичной переработки нефти. Расчетно-теоретические, проектно-конструкторские работы и конструктивное решение теплообменного аппарата выполнялись применительно к условиям установки АВТм-9 ОАО НУНПЗ.
Эффективность теплообменника достигается поперечными сегментными перегородками, которые обеспечивают интенсивный теплообмен в испарительной зоне аппарата. В конденсационной зоне установлены поперечные перегородки, которые предотвращают образование застойных зон при омывании пучка термосифонных труб.
Разъемная конструкция теплообменного аппарата позволяет осуществлять внутренний осмотр корпуса, наружной поверхности термосифонных труб, производить очистку и обеспечивать эксплуатационную надежность. Использование резьбового соединения в трубной решетке позволяет обеспечить герметичность соединения термосифонов с трубной решеткой.
В табличной форме представлена теплотехническая характеристика разработанного теплообменного аппарата.
Разработана экспериментальная установка для исследования теплопере-дающих характеристик термосифонов. Основными элементами установки являются термосифонные трубы, кожух, контрольно-измерительная и запорная арматура. В качестве горячего теплоносителя используется вода водопроводная открытой системы теплоснабжения, а в качестве холодного - холодная водопроводная вода. Разработана методика проведения экспериментов.
Теплообменные устройства на базе двухфазных термосифонов и их применение на предприятиях нефтепереработки
Витые трубчатые теплообменные аппараты применяются в нефтяной и химической промышленности. Они отличаются простотой конструкции и высокой надежностью (безотказностью, долговечностью и ремонтопригодностью). Элементом, образующим теплообменную поверхность, может быть труба, оребренная проволокой круглого сечения [59]. К основным недостаткам аппаратов такой конструкции можно отнести их большую металлоемкость, невысокий тепловой КПД, очень затрудненную механизацию процессов изготовления аппаратов. Область применения витых телоообменных аппаратов - температура от 0 до 500 С и давление 0,001-40 МПа [58].
Пластинчатые и змеевиковые теплообменники успешно применяются в промышленности переработки углеводородного сырья. Компактные конструкции этих теплообменников позволяют сократить расходы, по сравнению с другими менее надежными конструкциями теплообменных аппаратов, и в то же время обеспечить хорошую эффективность теплопередачи [118].
Пластинчатые теплообменники могут использоваться при давлении ниже 2,5 МПа и температуре ниже 163 С. Поверхность теплопередачи пластинчатых теплообменников может достигать 1800 м , а расходы потоков - 60 м /мин. Поверхность теплообмена таких аппаратов образуется пластинами, что обеспечивает отличные теплообменные характеристики при минимальном использовании дорогостоящих материалов и минимальных габаритных размерах. В пластинчатых теплообменниках обеспечивается истинный противоток потоков, способствующий достижению максимально возможного сближения температур, а следовательно, наибольшей экономичности использования аппарата.
Пластинчатый теплообменник состоит из пакета тонких гофрированных металлических пластин, зажатых в раме стягивающими болтами. Гофры на пластинах создают турбулентность потоков, а также обеспечивают механическую прочность и надежность конструкции. Коэффициент теплопередачи таких аппаратов в 3-5 раз больше, чем в трубчатых теплообменниках. К основным недостаткам существующих пластинчатых теплообменников можно отнести [70]: - наличие толстостенных плоских концевых плит; - применение специальной высокотемпературной пайки, которая увеличивает стоимость изготовления аппарата примерно на 30% и ухудшает экологическую обстановку производства; - наличие температурных деформаций конструкции.
В качестве холодильников и конденсаторов-холодильников на установках первичной переработки нефти широкое применение нашли погружные аппараты. Специфической особенностью аппаратов этого типа является наличие емкости -контейнера с погруженными в него теплообменными трубами. В ящике находится охлаждающая среда, например, вода. Различают змеевиковые и секционные аппараты. Змеевиковые аппараты подразделяются на спиральные и коллекторные. Из-за ограничения поверхности теплообмена аппаратов со спиральными змеевиками они имеют очень ограниченное применение [101].
Значительное распространение получили однопоточные и коллекторные змеевиковые аппараты. Принципиальное устройство таких аппаратов показано на рис. 1.2. Теплообменная поверхность состоит из труб, соединенных при помощи сварки. Охлаждаемый поток последовательно проходит трубы, расположенные в данном горизонтальном ряду, затем переходит в трубы следующего ряда и т.д.
При большом количестве охлаждающегося потока для уменьшения гидравлического сопротивления применяют коллекторные змеевиковые холодильники, в которых охлаждаемый поток при помощи специального коллектора разбивается на несколько параллельных потоков. Уменьшение гидравлического сопротивления этих аппаратов достигается как за счет уменьшения скорости потока, так и за счет уменьшения длины его пути
Исследование термодинамических характеристик нагревательного блока установок первичной переработки нефти и разработка энергосберегающих теплообменных систем
Па современных крупных нефтетехнологических установках поверхности теплообмена измеряются десятками тысяч квадратных метров. Если применять стандартные кожухотрубчатые теплообменные или погружные аппараты, то на одной установке приходится устанавливать их до сотен единиц [115]. Большое количество аппаратов удлиняет ремонтный период технологических установок, что снижает экономический эффект этих установок. Поэтому применять теплообменники обычных типов не только не экономично, но иногда и невозможно - возникает необходимость в поиске и разработке теплообменников высокой интенсивности.
Сравнение значений коэффициентов теплопередачи различных типов теп-лообменных аппаратов показывает, что наибольшее значение принадлежит теп-лопередающему устройству, использующему теплоту парообразования промежуточного теплоносителя, - на базе замкнутых двухфазных термосифонов.
Используемые в нефтепереработке теплообменные аппараты различных конструкций, обеспечивают теплообмен между средами через разделяющую их поверхность и эффективны при сравнительно больших температурных градиентах охлаждаемых сред. При необходимости снятия низкопотенциального тепла наи 32 более эффективным становится использование теплообменных аппаратов на базе тепловых труб или двухфазных термосифонов.
Потребность в сокращении затрат энергии и материалов, равно как и экономические причины, повлекли за собой необходимость дополнительных исследований по созданию более эффективного теплообменного оборудования. Цель этих исследований состояла либо в уменьшении габаритов теплообменников, которые должны обеспечивать передачу требуемого количества тепла, либо в увеличении их тепловой производительности. Более эффективная теплоотдача способствует также предотвращению перегрева или разрушения систем при заданной интенсивности тепловыделения. Таким образом, решение указанных вопросов привело к созданию высокоэффективных замкнутых испарительно-конденсационных теплопередающих устройств, получивших распространение под названием тепловые трубы [27].
Все тепловые трубы можно разделить на два больших подкласса - фитильные и бесфитильные, или термосифоны [83]. Фитильные тепловые трубы - незаменимые теплопередающие устройства для космической техники, так как они могут успешно работать в условиях невесомости, а в земных условиях, т.е. при наличии сил гравитации, использование термосифонов во многих областях техники более предпочтительно. Это объясняется тем, что фитильная структура создает дополнительное сопротивление для движения конденсата, в результате чего предельные тепловые потоки в фитильных тепловых трубах в 1,2ч-1.5 раза меньше, чем в термосифонах [138], кроме того, изготовление фитильных тепловых труб значительно сложнее, что удорожает теплообменное устройство в целом. Вследствие того, что конструкция теплообменного аппарата на базе термосифонов является более простой и дешевой, по сравнению с тепловыми трубами, выбор был остановлен на последней. Замкнутые двухфазные термосифоны (ЗДТ) представляют собой автономные теплопередающие устройства с фазовым превращением промежуточного теплоносителя и использованием гравитационных сил в качестве побудителя движения.
При подводе теплоты к его нижней части, называемой испарительной, теплоноси W тель начитает кипеть, образующийся пар движется в верхнюю часть, называемую конденсационной, где конденсируется на стенках, отдавая теплоту фазового перехода охлаждающей среде. Конденсат под действием гравитационных сил движется в нижнюю, испарительную часть. Процессы в термосифоне протекают непрерывно, что обеспечивает передачу теплоты от одной зоны к другой. Зона между испарительной и конденсационной частью ЗДТ называется транспортная зона. В этой зоне обычно создаются адиабатные условия, т.е. теплота не подводится и не отводится через стенки. На рис. 1.4 представлена схема испарительного замкнутого двухфазного термосифона
Внешняя теплоотдача промышленных аппаратов погружного типа для охлаждения жидких нефтепродуктов
1.Для определения режима конвективного теплообмена, который происходит при охлаждении потоков жидких нефтепродуктов в холодильниках погружного типа со стороны охлаждающей оборотной воды, проведен анализ существующих эмпирических уравнений для расчета коэффициента теплоотдачи. 2. 11а основании экспериментальных данных получены уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи змеевиковых и секционных погружных холодильников со стороны оборотной воды. 3. При охлаждении и конденсации паров прямогонного бензина имеет место эффект Джоуля-Томсона или дросселирования. Общее падении температуры потока происходит от 140 С до 65,81 С. По результатам проведенных экспери поментов холодильный аппарат обеспечивает охлаждение в среднем на 10 С. Остальное падение температуры объясняется тепловыми потерями и дифференциальным дросселированием потока парогазовой смеси. Рекомендуется учитывать это падение температуры при проектировании теплообменных аппаратов. При этом поверхность теплообмена можно считать прямо пропорциональной среднему температурному напору, при условии, что коэффициент теплопередачи определяется лишь конвекцией, а мощность теплового потока остается неизменной. Для рассматриваемых погружных холодильников конденсаторов необходимая поверхность теплообмена более чем на 40 % меньше установленной.
Температура потока прямогонного бензина на выходе из холодильника-конденсатора составляет около 66 С. Эта температура является температурой поверхности трубопровода, в самом потоке температура будет несколько выше. При такой температуре около 52 % (по объему) потока находится в газообразном состоянии. В несконденсировавшемся парогазовом потоке содержится значительное количество ценных углеводородов (C5II12), которые при использовании жирного газа в качестве топлива подлежат сжиганию в печах. При обеспечении конденсации паров прямогонного бензина до 35 С дополнительно может быть получено более 10 тыс. т. бензина
Из анализа схемы действующих установок атмосферной перегонки нефти (рис. 1.1) в главе 2 был сделан вывод о недостаточной регенерации тепла отходящих технологических потоков. Остальная часть низкопотенциальной тепловой энергии, которую несут с собой технологические потоки, теряется. Около 36% энергии, поступающей на установку, уходит с охлаждающей водой и воздухом [29]. Решить проблему утилизации низкопотенциального тепла позволит применение теплообменных аппаратов на базе термосифонов.
Предлагаемая технологическая схема установки атмосферной перегонки нефти отражена в [45] и представлена на рис. 4.1.
Водяные холодильники погружного типа и аппараты воздушного охлаждения, входящие в этот блок, не позволяют решить задачи энерго-, ресурсосбережения, экологии из-за отсутствия утилизации низкопотенциального тепла, высоких затрат электрической энергии из-за гидравлических сопротивлений и на привод вентиляторов.
Применение термосифонных теплообменных аппаратов в блоке охлаждения позволяет улучшить экологическую ситуацию за счет снижения выбросов углево 112 дородов в атмосферу, уменьшить температуры охлаждения прямогонного бензина, позволит сконденсировать изопентан, снизить металлоемкость теплообменно-го оформления установки, утилизировать низкопотенциальное тепло.
Установка состоит из соединенных последовательно: 1) блока кожухотруб-чатых теплообменников- нагревателей: 10, 11, 23, 26, 29; 2) ректификационной колонны 2; 3) печи 6; 4) сложной колонны 14 с отпарными колоннами 18 и 19; ох из
лаждение бензина - термосифонные холодильники 15 и 16; охлаждение керосиновой фракции — термосифонные холодильники 24 и 25; охлаждение дизельной фракции - термосифонные холодильники 27 и 28; охлаждение мазута - термосифонные холодильники 30 и 31.
Установка атмосферной перегонки нефти работает следующим образом. После процессов ректификации обессоленной нефти в колонне 2, нагрева в печи 6 и в колонне 14 образуются фракции легкого бензина, тяжелого бензина, керосина, дизельного топлива, мазута и два потока циркуляционного орошения, подаваемых в колонну 14, которые являются горячими теплоносителями для подогрева обессоленной нефти в термосифонных теплообменниках-холодильниках 3, 4, 15, 16 и в кожухотрубчатых теплообменниках 10 и 11 — первый поток; в термосифонных теплообменниках-холодильниках 24, 25, 27, 28, 30, 31, а также в кожухотрубчатых теплообменниках 23, 26, 29 - второй поток.
Использование предлагаемой схемы на технологических установках атмосферной перегонки нефти имеет следующие преимущества: 1) процесс разделения нефти на фракции протекает в более благоприятных условия, благодаря уменьшению давления в колоннах; 2) снижаются потери давления в технологической нитке; 3) происходит утилизация низкопотенциального тепла; 4) снижается металлоемкость используемой теплообменной аппаратуры; 5) осуществляется конденсирование изопентата в потоке легкого прямогонного бензина. 4.2. Разработка конструкции промышленного образца теплообменного аппарата на базе замкнутых двухфазных термосифонов для осуществления конденсации паров прямогонного бензина
Разработка конструкции промышленного образца теплооб-менного аппарата на базе замкнутых двухфазных термосифонов для осуществления конденсации паров прямогонного бензина
С охлаждением потока прямогонного бензина до температуры конденсации изопентата (35 С) справится термосифонный теплообменный аппарат.
На конструирование промышленного термосифонного аппарата было получено техническое задание от ОАО «НУНПЗ».
Конструкция разработанного теплообменного аппарата отличается от аппаратов погружного типа и воздушного охлаждения, задействованных на установке первичной переработки нефти в настоящее время, своей меньшей металлоемкостью, большим коэффициентом теплопередачи, лучшей ремонтопригодностью [80].
Термосифонный аппарат состоит из корпуса 1 и закрепленного в его разделительной перегородке 5 пакета термосифонных труб 2 с зонами испарения и конденсации. Испарительная зона аппарата 3 снабжена сегментными перегородками 6. Конденсационная зона 4 — поперечными перегородками. Штуцера А и В предназначены для входа и выхода потока бензина соответственно. Штуцера В и Г - для входа и выхода охлаждающей воды соответственно. Для установки манометров - Патрубки Еі,2,з,4, ТерМОМетрОВ - 3),2,3,4 Эффективность теплообменника достигается поперечными сегментными перегородками, которые обеспечивают интенсивный теплообмен в испарительной зоне аппарата. В конденсационной зоне установлены поперечные перегородки, предотвращающие образование застойных зон при омывании пучка термосифонных труб.
Разъемная конструкция теплообменного аппарата позволяет осуществлять внутренний осмотр корпуса, наружной поверхности термосифонных труб, производить очистку и обеспечивать эксплуатационную надежность. Использование резьбового соединения в трубной решетке позволяет обеспечить герметичность соединения термосифонов с трубной решеткой.
Термосифонный теплообменный аппарат работает следующим образом. Горячий поток прямогонного бензина в парогазовой фазе входит через шту цер А и омывает термосифонные трубы, которые заполнены промежуточным теп лоносителем. При нагреве этого теплоносителя его пары поднимаются вверх по Ф трубке в зону конденсации, где омываются холодным теплоносителем — оборот ной водой, поступающей через штуцер Б. Пары конденсируются, отдавая скрытую теплоту парообразования холодному теплоносителю. Образующийся конденсат возвращается в зону кипения. Поперечные сегментные перегородки 6 организуют движение горячего теп лоносителя, а продольные перегородки 7 в конденсационной зоне - движение хо лодного теплоносителей таким образом, чтобы обеспечить равномерное омывание термосифонных труб и интенсифицировать процесс теплообмена за счет опти мальной скорости движения потоков. V Основные геометрические размеры аппарата представлены в табл. 4.1.
Для исследования теплопередающих характеристик термосифонов с целью выявления максимального теплового потока, а также проверки работоспособности теплообменных труб, которые в дальнейшем будут установлены в трубный пучок спроектированного промышленного образца термосифонного аппарата, разработана экспериментальная установка. Схема этой установки представлена на рис. 4.3.
Основными элементами установки являются: - испарительная часть, состоящая из цилиндра с днищем, диаметром 219 мм (стандартная труба) и высотой 1 м, двух патрубков диаметром 57 мм, двух вентилей (шаровые краны) диаметром 57 мм, смесителя для подготовки горячей воды требуемой температуры, водяного счетчика на входном патрубке. На входном и выходном патрубках предусмотрены карманы для замера температуры. Внутренним элементом в испарительной части являются горизонтальные перегородки с сегментным вырезом площадью 1,13-10" м . Количество перегородок три. Горизонтальные перегородки собираются в единый элемент перегородок при помощи стяжек, которые в свою очередь представляют собой стержни с резьбой;
Похожие диссертации на Повышение энергоэффективности теплотехнического оборудования установок первичной переработки нефти
