В настоящее время на предприятиях нефтехимического комплекса, несмотря на очевидные недостатки, связанные с возрастающим дефицитом и экологическими проблемами, возникающими при сбросе сточных вод в водоемы, достаточно широко в качестве хладагента используется пресная вода. Кроме высокой цены охлаждающего агента, необходимы также затраты на насосное оборудование и водоподготовку [1]. Для охлаждения и конденсации паров, например, бензиновой фракции на установках первичной переработки нефти ЭЛОУ-АВТ, до сих пор применяются малоэффективные теплообменники погружного типа. Альтернативой устаревшей технологии использования оборотной воды для конденсации и охлаждения паровых потоков является применение аппаратов воздушного охлаждения, использование которых позволяет значительно снизить расход оборотной воды на производственные нужды и, следовательно, снизить количество сточных вод.
В России основными отечественными производителями аппаратов воздушного охлаждения являются: ООО «Грибановский машиностроительный завод», ОАО Борисоглебский завод «Борхиммаш», АО «Уралтехнострой – Туймазыхиммаш», Бугульминский механический завод, НПО «Серпуховский механический завод». Выпускаемые этими предприятиями теплообменники воздушного охлаждения изготавливаются в соответствии с ГОСТ Р 51364-99 (ИСО 6758-80) [2] и широко используются в газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.
Несмотря на большое количество разработанных конструкций [3], эти аппараты постоянно совершенствуются. Проводимая в последние годы в России реконструкция и модернизация нефтеперерабатывающих заводов позволяет устанавливать на существующих установках более эффективное теплообменное оборудование [4], что приводит к энерго- и ресурсосбережению.
Цель исследования: замена на установке ЭЛОУ-АВТ теплообменников погружного типа на аппараты воздушного охлаждения.
Материалы и методы исследования
Для решения поставленной цели был проведен обзор и анализ научной, научно-технической и патентной литературы по изучению вопросов энерго- и ресурсосбережения при применении АВО для конденсации и охлаждения технологических потоков на установках первичной переработки нефти. Проведено моделирование процесса конденсации и охлаждения паров бензиновой фракции с помощью программы PRO-II и выбран аппарат воздушного охлаждения.
Результаты исследования и их обсуждение
Энергетическая эффективность аппаратов воздушного охлаждения определяется эффективностью работы отдельных составных частей установки – тепловых секций, осевых вентиляторов, которые в свою очередь зависят от конструкций узлов, их взаимного расположения, обеспечивающих теплообмен между охлаждающим агентом и продуктом.
В статье [5] приведены результаты исследований теплообменной секции АВО, изготовленной из биметаллических труб с навитыми спиральными алюминиевыми ребрами, завальцованными в стенку трубы, что значительно усиливает надежный контакт, позволяющий поднимать температуру стенки до 350 °С. В результате проведенных исследований установлено, что по тепловой эффективности наилучшими являются трубы с завальцованными ребрами, расположенными в шахматном шестирядном пучке с равносторонней компоновкой. Было установлено также, что коэффициент тепловой эффективности непрерывно увеличивается с ростом коэффициента оребрения трубы, а по расходу алюминия на оребрение менее металлоемким является пучок труб с KLM-ребрами (ребро с отогнутой площадкой) [6].
Проф. В.Б. Кунтыш с соавторами из Белорусского государственного технологического университета при участии представителей ЗАО «Октябрьскхиммаш» разработали рекомендации для практически реализуемых способов интенсификации теплообмена [7], что является залогом успешного развития производства теплообменной аппаратуры. Рекомендации разработаны на основании исследований конструкций биметаллических ребристых труб (БРТ), обеспечивающих интенсивную теплопередачу в широком диапазоне температур, с высокой эксплуатационной надежностью при минимальных энергозатратах.
В ряде работ [8, 9] проведены экспериментальные исследования по тепловой эффективности АВО нефтеперерабатывающих производств, имеющих различную компоновку трубных пучков теплообменных секций. Для оценки энергетической эффективности использовался принцип «при прочих равных» на основе теплоаэродинамических характеристик, т.е. по значениям коэффициентов эффективности, на основе полученных обобщенных соотношений для шахматного пучка двух компоновок, шахматно-диффузорной и шахматно-конфузорной с оребренными трубами. Получено, что шахматно-диффузорная компоновка показала повышенную эффективность во всех диапазонах числа рядов труб в пучке. Для проведения исследований разработан стенд, позволяющий анализировать работу различных компоновок трубного пучка, результаты могут быть использованы для проектирования АВО.
Большое внимание уделяется очистке внутренних и особенно наружных поверхностей теплообменных труб, загрязнение которых образуется как при эксплуатации АВО в результате обдувания потоком воздуха от вентилятора, содержащего частицы пыли, цветочную пыльцу и др., так и при изготовлении труб, когда используется смазка (СОЖ). Внутренняя поверхность труб загрязняется отложениями от горячих продуктов. Известно, что ручной способ очистки является очень трудоемким процессом при плохом качестве и возможных повреждениях оребрения труб. В работе [10] проведено исследование по очистке поверхности труб. Авторы разработали специальный очистительный аппарат, устанавливаемый внизу под трубами, позволяющий проводить чистку автоматически, под давлением пара, подаваемого через форсунки. Кроме этого аппарат может выполнять функции увлажнения воздуха. В патенте [11] приведена одна из конструкций форсунки.
Проведенные в Уфимском государственном нефтяном техническом университете научные исследования выявили, что одной из причин снижающей энергоэффективность АВО являются загрязнения, образующиеся на наружной поверхности оребренных труб как на стадии изготовления АВО вследствие использования СОЖ при накатке, так и от пыли в процессе эксплуатации. Был предложен эффективный способ очистки поверхности оребренных труб АВО [12], заключающийся в применении механизированной очистки труб непосредственно в процессе накатки труб и который состоит из следующих операций: очистка, промывка моющим раствором и осушка. Разработано несколько вариантов моющих машин и методика подбора длины алюминиевых труб для накатки под размер стальной трубы. Для обеспечения надежной работы АВО использована автоматизированная система регулирования теплоотдачи за счет рециркуляции нагретого воздуха.
Группой ученых в статье [13] опубликованы результаты сравнительных исследований интенсивности теплосъема с оребренной поверхности теплообмена АВО только при подаче воздушного потока без увлажнения и при воздушно-водоиспарительном охлаждении. Анализ полученных результатов свидетельствует, что теплосъем при воздушно-водоиспарительном охлаждении в 1,6–3,5 раза выше, чем при воздушном охлаждении. Были получены критериальные зависимости, которые с погрешностью 10 % описывают воздушно-водоиспарительное охлаждение.
По опытным данным почти в 60 % случаев на производстве устанавливают электродвигатели на АВО с завышенной мощностью, что приводит к перерасходу электроэнергии, следовательно, к снижению энергоэффективности. С целью регулирования охлаждающего эффекта при работе АВО проводились исследования [14] по подбору количества одновременно работающих вентиляторов, а также их расположению относительно пучка труб, что обеспечивает более равномерный поток воздуха, позволяющий интенсифицировать теплообмен. На основании экспериментальных исследований установлена зависимость относительного расположения радиатора и вентилятора, который должен быть установлен ниже радиатора. В работе рассмотрено несколько вариантов расположения вентиляторов, полученные результаты могут быть полезны при проектировании АВО.
Описана конструкция устройства для конденсации и охлаждения теплоносителя в условиях жаркого климата [15], представляющая замкнутый контур с форсунками для распыления воды. Контур состоит из полых труб, на которых закреплены форсунки с отверстиями 3 мм, распыл жидкости происходит при давлении 80 атм. Конструкция устройства позволяет провести обслуживание и ремонт форсунок без отключения всей системы, при этом обеспечивается более высокая эффективность работы АВО путем принудительного охлаждения поступающего воздуха за счет испарения распыленной влаги.
Аппараты воздушного охлаждения работают в условиях значительного изменения температур и влажности окружающего воздуха, при этом должна обеспечиваться конечная температура охлаждаемой среды. Поставленная задача может быть решена с помощью разработки различных систем управления работой АВО [16].
Специалистами ООО «Научно-производственная компания Кедр-89» разработана конструкция АВО [17], теплообменные секции в этом аппарате (рис. 1) изготовлены из попарно соединенных гофрированных пластин, которые обеспечивают более высокие значения коэффициентов теплообмена по сравнению с оребренными трубами. Кроме того, по длине герметичных каналов для прохода охлаждающего потока закреплены поперечные планки, разделяющие поток на две равные части, что обеспечивает равномерное распределение хладагента по тепловым секциям.
Рис. 1. АВО с секциями из гофрированных пластин [17]: 1 – станина; 2 – секция; 3 – коллектор; 4 – обечайка вентилятора; 5 – диффузор; 6 – вентилятор; 7 – опора диффузора
Такое конструктивное решение позволяет значительно интенсифицировать процесс теплообмена, сократить эксплуатационные затраты, а также уменьшить металлоемкость и габаритные размеры аппарата.
Научно-производственным внедренческим предприятием «Турбокон» предлагается компоновка АВО с верхним расположением вентиляторов [18], в которой периферийные тепловые секции расположены выше, по сравнению с внутренними секциями, что позволяет получать более высокие значения теплосъема и повышать эффективность работы при уменьшении размеров и массы металлоконструкций.
В патенте [19] описана конструкция распределительной камеры АВО для продукта с трубчатой внутренней полостью и прямоугольной наружной частью, в которой передняя и задняя грани выполнены параллельно-плоскими, что снижает технологическую трудоемкость и повышает надежность работы камеры распределения при высоких давлениях за счет крепления теплообменных трубок.
Авторами [20] разработан способ изготовления прямоугольных секций АВО. В этих секциях верхняя, нижняя и боковые трубные решетки образуют корпус с наружным буртом на задней стенке. После закрепления труб, к задней стенке торца корпуса устанавливают стальную мембрану толщиной 2–3 мм, которая образует с корпусом замкнутую полость. Данная конструкция обладает всеми преимуществами разъемной камеры, что обеспечивает удобство изготовления и обслуживания при эксплуатации, а также увеличения срока работы.
Выше приведен анализ научно-исследовательских работ и конструкций отдельных узлов аппаратов воздушного охлаждения, в которых на основании результатов проведенных исследований определены оптимальные режимы работы этих узлов. Однако установка АВО, собранная по этим рекомендациям, не гарантирует высокоэффективную работу, поскольку не учитывает конкретных условий работы аппарата. Таким образом, необходим системный подход – иметь программное обеспечение, позволяющее по техническому заданию выполнить расчет АВО по конкретным условиям.
Разработанная компьютерная программа расчета АВО [21] учитывает реальные условия и параметры АВО и позволяет надежно рассчитывать физико-химические свойства теплоносителей для различных температур и давлений, а также учитывать коррозию и загрязненность трубного пучка. В результате математического моделирования можно сформулировать требования к вентиляторной установке. Авторам работы удалось снизить на 50 % энергопотребление за счет снижения веса рабочего колеса, изготовленного из композитных материалов, в 3–4 раза.
Автор статьи [22], используя программу Matlab, выполнил тепловой расчет АВО применительно к установке первичной переработки нефти. На основании экспериментальных данных ИТК определен вид аппроксимации кривой кипения, которая применялась для расчета температуры конденсации паров бензиновой фракции. Результатом работы является расчет воздушного конденсатора-холодильника с определением выходных температур теплоносителей. В работе температура конденсации рассчитывается для состава фракций, определенных по выходу паров, а не из расчета ректификационной колонны.
В данной работе выполнено моделирование блока конденсации и охлаждения паров бензиновой фракции на установке
ЭЛОУ-АВТ, выходящих из верхней части колонны переработки нефти К-2 (температура паров взята по опытным данным), с целью замены существующих теплообменников погружного типа на АВО при использовании пакета программ PRO-II. Предлагаемая схема показана на рис. 2.
Рис. 2. Схема подключения аппаратов воздушного охлаждения к колонне К-2: 1 – колонна ректификационная К-2; 21-3 – теплообменники типа АВЗ
Массовый расход паров составлял 75300 кг/ч, температура конденсации по опытным данным равна 129 °С, конечная температура – 60 °С (расчетная). В результате проведенных тепловых расчетов выбрано 3 аппарата воздушного охлаждения поверхностью 8600 м2 каждый типа
АВЗ-20-Ж-1,6-Б5-Т3/ 8-2а-6. Общий расход воздуха составил – 2250000 кг/ч.
Выводы
Анализ работ по совершенствованию конструкций АВО показал, что основными направлениями исследований являются повышение энергоэффективности теплообменных секций за счет применения оребрения биметаллических труб и различной компоновки трубного пучка; чистка теплообменной поверхности при изготовлении теплообменных секций и эксплуатации; разработка конструкций вентиляторов с регулированием числа оборотов, установкой угла наклона лопастей и компоновкой вентиляторов. В условиях значительного изменения температуры и влажности охлаждающего воздуха необходимо применение автоматического регулирования режимов работы установки АВО.
На основании анализа научно-исследовательских работ и патентов можно сделать вывод о том, что экспериментальные исследования по повышению энергоэффективности отдельных узлов АВО не позволяет производителям оборудования в полной мере использовать результаты исследований, так как необходимо еще программное обеспечение, позволяющее выполнять комплексные расчеты для конкретных технологических задач.
Библиографическая ссылка
Шибитова Н.В., Раздолгина М.С., Красников А.Н. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ БЛОКА КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ БЕНЗИНОВОЙ ФРАКЦИИ КОЛОННЫ К-2 // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 12-2. – С. 382-386;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37352 (дата обращения: 26.12.2024).