2.1.1 Рациональная и эффективная обвязка теплообменников
Исследования показали, что на установках АВТ и АТ имеются большие резервы по использованию вторичных ресурсов и увеличении температуры подогрева нефти в теплообменниках.
Однако увеличивать температуру подогрева перед К-1 возможно лишь до определенного предела, так как:
увеличивается доля испарения светлых, и в результате увеличивается давление в системе, а это приводит к частой замене трубопроводов и арматуры;
повышение температуры нефти на входе в печь приведет к увеличению температуры уходящих дымовых газов, и КПД печи будет уменьшаться.
На Уфимском НПЗ внедрена схема обвязки теплообменников, которая без добавления дополнительной поверхности позволяет подогревать нефть до 240–250оС. Данная схема приведена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Комбинированная схема подогрева нефти на АВТ:
1 – насос; 2 – теплообменник; 3 – электродегидратор; 4 – ректификационная колонна К-1; 5 – трубчатая печь; I – сырая нефть; II – обессоленная нефть; III – отбензиненная нефть; IV – обессоленная нефть в нижнюю часть конвекции; V – обессоленная нефть из печи; VI – газ и пары бензина; VII – дренажная вода из электродегидраторов; VIII –мазут в теплообменники; IX – легкая дизельная фракция; X – циркуляционное орошение К-2
Сырая нефть, нагретая до 90–100 оС двумя равными параллельными потоками за счет тепла дренажных вод из электродегидраторов и повторного использования тепла мазута и верхнего циркуляционного орошения колонны К-2, поступает на блок ЭЛОУ. После электродегидраторов нефть нагревается также двумя потоками: первый поток за счет тепла легкой дизельной фракции и верхнего циркуляционного орошения колоны К-2, второй – за счет тепла тяжелого дизельного топлива и мазута. Затем нефть одним потоком нагревается до 250 оС за счет тепла тяжелого дизельного топлива, промежуточного орошения К-2 и мазута.
После электродегидраторов и первой пары теплообменников часть потока нефти с температурой 110 оС направляется в нижние трубы конвекции, где нагревается за счет тепла уходящих дымовых газов до 250оС. Потоки нефти после теплообменников и печи объединяются и поступают с температурой 250 оС в колонну К-1. Это позволило исключить горячую струю, уменьшить энергозатраты, увеличить отбор бензина. Как упоминалось раннее, в горячей струе отбензиненной нефти меньше легких фракций, которые являются отпаривающим агентом, поэтому использование такой струи менее эффективно по сравнению с увеличением температуры нефти на входе в К-1 [14].
2.1.2. Применение теплообменников нового поколения
Подогреватели сырой нефти должны взаимодействовать с двумя сильно загрязняющими технологическими потоками:
сырой нефтью в трубах;
кубовым остатком или циркулирующим орошением в межтрубной зоне теплообменника.
Главной экономической проблемой является загрязнение линии для подогрева сырой нефти. Если бы она была оборудована теплообменниками, не допускающими загрязнения, то ежегодная экономия могла бы достичь 9,5 млрд долларов [23].
Такие теплообменники были разработаны в Швеции и в США (шт. Техас).
Спиральные теплообменники (Швеция) привлекают большое внимание в качестве хорошей альтернативы кожухотрубным теплообменникам при работе в «грязных» средах.
Спиральный теплообменник состоит из двух длинных металлических листов, навитых спиралью вокруг общей оси. Между витками приваривают шпильки для сохранения расстояния, после чего два соседних витка сваривают, создавая каналы для двух потоков. Спираль устанавливают в цилиндрическом корпусе, выдерживающем избыточное давление (рис. 2.2). Корпус с торцов закрывают крышками, которые уплотняются прокладками. Уплотнение закрывает открытый спиральный канал и заставляет поток проходить весь путь по длине спирали.
Рис. 2.2. Спиральный теплообменник
При работе в системе жидкость-жидкость один поток подается в центр спирального теплообменника, идет по спирали к периферии и выходит из штуцера на обечайке. Второй поток, наоборот, идет по другому спиральному каналу от периферии к центру. Таким образом, в спиральном теплообменнике осуществляется 100%-ный противо- ток [23]. Движение потоков в спиральных теплообменниках происходит по криволинейным каналам, близким по форме к концентрическим окружностям. Направления векторов скоростей движения потоков постоянно претерпевают изменения. Шпильки в каналах и их кривизна создают сильную турбулентность, что интенсифицирует теплопередачу, уменьшают загрязнение [24].
Положительные стороны спиральных теплообменников:
коэффициент теплопередачи вдвое выше, чем у кожухотрубных;
большая поверхность теплообмена в расчете на единицу объема при небольшой занимаемой площади, благодаря чему уменьшается их масса;
такие теплообменники могут самоочищаться. В отличие от кожухотрубных, где загрязнение какой-либо трубки приводит к уменьшению потока через нее, и загрязнение начинает расти как снежный ком, в спиральных теплообменниках, если в каком-либо месте появляются отложения, то поперечное сечение уменьшается, а скорость потока возрастает, что способствует удалению отложения;
обладают малым гидравлическим сопротивлением (ширина канала обычно превышает 10 мм; более узкие каналы трудно чистить);
удлиняется срок безостановочной работы (такие теплообменники чаще всего промывают водой высокого давления) [23].
Отрицательные стороны спиральных теплообменников:
аппараты сложны в изготовлении;
работают при ограниченных давлениях (не более 10 атм), так как намотка спиралей затрудняется с увеличением толщины листов;
могут возникнуть трудности при создании плотного соединения между спиралями и крышками [25];
спиральные теплообменники обычно дороже кожухотрубных, но затраты на установку окупаются за один год [23].
Теплообменники с псевдоожиженным слоем (США) позиционируются как «теплообменники с нулевым загрязнением». В настоящее время еще не достигнуто нулевое загрязнение (если они в течение нескольких лет непрерывной работы не показывает сколько-нибудь уловимого понижения коэффициента теплоотдачи) в теплообменниках для подогрева сырой нефти. В современных, уже действующих, теплообменных аппаратах можно уменьшить загрязнение путем применения химических реагентов, внутритрубных устройств, снижающих степень загрязнения или других новейших разработок.
Технология нулевого загрязнения не предусматривает химических реагентов, снижения турбулентности, и, как следствие, понижения температуры стенок труб.
Все происходит на основе концепции «пусть загрязнение происходит», но с удалением отложений по мере их образования. Внутренняя поверхность трубы очищается в результате мягкого и непрерывного действия псевдоожиженных твердых частиц, которые не только поддерживают поверхность чистой, но также разрушают приповерхностный слой и способствуют тем самым повышению коэффициента теплоотдачи даже при малых скоростях течения жидкости.
Принцип действия (рис. 2.3) основан на циркуляции псевдоожиженных твердых частиц по трубам.
Рис. 2.3. Теплообменник с псевдоожиженным слоем
Обычно твердыми частицами является металлическая проволока диаметром от 2 до 3 мм, порезанная на кусочки длиной, равной диаметру проволоки. Эти частицы оказывают мягкое отшелушивающее воздействие на внутреннюю стенку трубы, удаляя на раннем этапе всякий осевший на ней материал. Интенсивность изнашивания практически равна нулю, потому что скорость жидкости низка.
Конструкция с нулевым загрязнением требует всего лишь 33 % той поверхности теплоотдачи, которая необходима для обычного подогревателя сырой нефти. А если будет использоваться более эффективный подогреватель, то снизятся затраты на топливо для печей.
Экономия прямых затрат на борьбу с загрязнением, при применении таких подогревателей, включает:
затраты на обеспечение энергией и чистоты экологии;
производственные убытки на период отключения аппаратов с целью очистки их от загрязнений;
капитальные затраты на увеличение поверхности теплообмена;
затраты на техобслуживание [22].