ДОСТИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОЖУХОТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье за счет совершенствования конструкции кожухотрубчатого теплообменного аппарата исследуется достижение энергоэффективности за счет повышения коэффициента теплопередачи в трубах на основе ускорения рабочих процессов аппарата, то есть процесса теплообмена. Проведен анализ фракционного состава углеводородов, выделенных из внутренних труб теплообменника, и мольной доли углеводородов в сырье на входе и выходе греющего агента в аппарат в соответствии с требованиями ГОСТ. Также по результатам эксперимента проанализирована разработка принципиальной технологической схемы аппарата стабилизации конденсата.

ABSTRACT

In this article, by improving the construction of the shell-and-tube heat exchange device, the achievement of energy efficiency by increasing the coefficient of heat transfer in the pipes based on the acceleration of the device's work processes, that is, the heat exchange process, is studied. The fractional composition of hydrocarbons isolated from the internal pipes of the heat exchanger and the mole fraction of hydrocarbons in the raw materials at the inlet and outlet of the heating agent in the device were analyzed in accordance with GOST requirements. Also, based on the results of the experiment, the development of the principle technological scheme of the condensate stabilization device was analyzed.

Ключевые слова: рекуперативная теплообменная установка, закон Фурье, коэффициент теплопередачи, фракционный состав, клапан PCV, утилизация, емкость, орошение.

Keywords: recuperative heat exchange unit, Fourier law, heat transfer coefficient, fractional composition, PCV valve, utilization, capacity, irrigation.

Введение. В настоящее время в ведущих странах мира постоянно растет спрос на продукцию, полученную в результате переработки нефти и природного газа в топливно-энергетической отрасли. Задачи данного исследования заключаются в следующем: изучение закономерностей, описывающих теплообменные аппараты и процессы, протекающие в них; исследование в лабораторных условиях физико-химических и теплофизических свойств нагреваемого конденсата и пара конденсата в теплообменном аппарате; определение влияния факторов, воздействующих на процесс теплообмена, на его эффективность; модернизация установок по переработке углеводородов в связи с устойчивым ростом потребления природного газа и нефти, а также интенсификация процессов тепло- и массообмена при нагреве сырья в теплообменниках; создание оперативных, компактных технологий для теплообменных аппаратов; увеличение межремонтного периода за счёт определения оптимальных гидродинамических режимов движения потоков сырья; производство продукции, соответствующей требованиям международных стандартов.

Цель исследования – интенсификация процесса нагрева при стабилизации газового конденсата на основе совершенствования теплообменного аппарата.

Материалы и методы. Теплопередача — процесс самопроизвольной передачи тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Процессы теплообмена широко применяются в нефте- и газопереработке, нефтехимии и других отраслях промышленности. Например, различное теплообменное оборудование используется в таких процессах, как переработка нефти и мазута, пиролиз, каталитический крекинг, риформинг, гидроочистка, нефтепереработка. Направление ряда технологических процессов происходит только при определенной температуре в результате подвода или передачи тепловой энергии. Рекуперативные теплообменники наиболее распространены в нефтегазоперерабатывающей промышленности [1].

Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье, согласно которому количество теплоты dQ, передаваемое теплопроводностью через элементарную поверхность dF, расположенную перпендикулярно направлению теплового потока, равно градиенту температуры во времени ∂t/∂n. прямо пропорциональна [2].

dQ = -λdF·dτ                                                                                   (1)

где Q-количество теплоты, ккал; n-расстояние, м; F-поверхность, нормальная к направлению теплового потока, м²; τ-время, час; ∂t/∂n-градиент температуры, К/м. Это конвективный теплообмен между двумя потоками охлаждающей жидкости, протекающими вдоль разделяющей их поверхности.

При образовании газов в нагретом жидком углеводороде интенсивность теплопередачи уменьшается. С повышением температуры нагреваемой углеводородной смеси увеличивается газообразование в аппарате и соответственно увеличивается их доля. Кроме того, теплопроводность этих газов и теплопередача от горячей поверхности к нагреваемой среде значительно ниже, чем у жидких углеводородов [3].

Величина коэффициента теплоотдачи α характеризует интенсивность теплообмена между паровой или жидкой стенкой и окружающим рабочим телом. Значение коэффициента α (Вт/м²∙К) показывает количество тепла, переданного от единицы поверхности стенки к жидкости (или от жидкости к стенке) за единицу времени за счет разности температур со стенкой, т. е. это жидкость первого порядка (пар):

α = Q /F (t_st - t_j).                                                                              (2)

Таким образом, коэффициент теплопередачи выражается следующим образом [4]:

[α]=[                                                       (3)

Коэффициент теплопередачи α показывает, какое количество тепла передается от 1 м² поверхности стенки к жидкости (или от жидкости к 1 м² поверхности стенки) за 1 секунду при разнице температур между стенкой и жидкостью.

Результаты и обсуждение. В нефтегазоперерабатывающей промышленности в основном в качестве источника тепла используются газы и электроэнергия, образующиеся при сжигании топлива. В связи с этим в лабораторных условиях были проанализированы результаты экспериментов по ускорению процесса теплообмена за счет повышения коэффициента теплопередачи путем совершенствования теплообменной установки с оболочкой в цехе стабилизации конденсата Шуртанского нефтегазодобывающего управления. В качестве сырья получен газовый конденсат. Фракционный состав нефти и нефтепродуктов определяется в соответствии с ГОСТ 2177-99, ISO 3405, ASTM D86 и другими аналогичными стандартами [5, 6, 7]. Согласно этим требованиям, эксперимент, проведенный в лабораторных условиях газового конденсата, представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема определения фракционного состава газового конденсата методом простой забивки:

1-трубка; 2-термометр; 3-холодильник; 4-мерный цилиндр; 5-электрическая плита; 6-защитное кольцо; 7-штатив.

В лабораторных условиях методом простой перегонки исходное газоконденсатное сырье нагревают в колбе 1 при температуре 20 ^oС и давлении 0,1 МПа. Трубка с сырьем закреплена на подставке 7. Колба вставляется в защитное кольцо 6 на подставке. Температуру в колбе контролируют, помещая термометр 2 в верхнюю часть колбы. Сырье в колбе нагревают с помощью электроплитки 5. Выходящие из колбы пары газового конденсата охлаждаются конденсатором 3, а перешедшая в жидкое состояние часть газового конденсата собирается в мерном цилиндре. Фракционный состав (%) газового конденсата, собранного в мерном цилиндре в результате экспериментальных испытаний, приведен в таблице 1:

Как видно из таблицы 1, нагревание газового конденсата в колбе от 20 °С до 120 °С привело к выделению до 98 % фракции газового конденсата в мерном цилиндре. Фракционный состав полученного в ходе эксперимента газового конденсата составляет 98 % от исходного газового конденсата в 1 л, остаток на дне колбы – 2 %, теряемая часть – 2 %.

Таблица 1.

Фракционный состав газового конденсата, полученного традиционным способом закачки

На основании проведенных экспериментальных испытаний усовершенствована предлагаемая конструкция кожухотрубчатого теплообменного аппарата промышленного назначения. Предлагаемое в отрасли устройство показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Усовершенствованный кожухотрубчатый теплообменник

G₁T₁–расход нагреваемого агента, газового конденсата, поступающего в теплообменный аппарат; G₂T₂–расход паровой фракции конденсата, выходящей из аппарата; G₃T₃–нестабильный поток конденсата теплоносителя, выходящего из аппарата; G₄T₄ –стабильный расход конденсата теплоносителя, поступающего в аппарат; G₅T₅–стабильный расход конденсата на выходе из аппарата.

Процесс нагрева газового конденсата в лабораторных условиях осуществлялся в кожухотрубчатом теплообменнике в соответствии с требованиями ГОСТ-20448-90. Результаты экспериментальной проверки представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Мольная доля (%) углеводородов в конденсате на входе и выходе из аппарата после испытаний на теплообменную установку с оболочкой

На крышке конструктивно усовершенствованной теплообменной установки с корпусом устанавливается клапан типа PCV. Из этого клапана выделяется конденсатный пар, образующийся при нагревании внутренних трубопроводов устройства. Клапан PCV автоматически контролирует одинаковое давление пара, выходящего из крышки теплообменного устройства, и выходящего продукта. За счет снижения паров во внутренних трубопроводах установки повышается коэффициент теплопередачи конденсата за счет увеличения количества жидкости и, как следствие, ускоряется процесс теплообмена. Разработана принципиальная схема установки стабилизации конденсата Шуртанского нефтегазодобывающего управления. На рисунке 3 [8] приведены технологическая схема установки стабилизации конденсата Шуртанского нефтегазодобывающего управления (а) и принципиальная технологическая схема установки стабилизации конденсата Шуртанского нефтегазодобывающего управления (б).

а)                                                            б)

Рисунок 3. а) технологическая схема устройства стабилизации конденсата; б) принципиальная технологическая схема устройства стабилизации конденсата:

1-разделитель; 2-вентилятор; 3-теплообменник-1/1; 4-теплообменник-1/2; 5-стабилизационная колонна; 6-духовка; 7-насос; 8-утилизатор; 9-емкость контейнера; 10-клапанный; 11-емкость; ГК-газовый конденсат; БК-стабильный конденсат; М-факел

Принципиальную технологическую схему установки стабилизации конденсата Шуртанское нефтегазодобывающее управление, в сравнении с существующими в отрасли технологическими схемами, можно пояснить следующим образом:

Первоначально газовый конденсат с месторождений поступает в сепаратор 1 при температуре 30 ^oС. и давление 2,5-2,7 МПа. Из нижней части сепаратора конденсат поступает в вентилятор 2 (где конденсат осушается от влаги). Легкие углеводороды отделяются из верхней части сепаратора и поступают в блок утилизации 8. Четыре из пяти частей конденсата, выходящего из вентилятора, поступают в теплообменник 3, т.е. во внутренние трубы Т-701/1, при температуре 25 ^oС и давлении 2,3-2,5 МПа в качестве теплоносителя. Пятая часть конденсата направляется в стабилизационную колонну 5 и используется в качестве орошения. Пар, образующийся во внутренних трубах в результате нестабильного нагрева конденсата, выходит через клапан, установленный в крышке теплообменника Т-701/1, при давлении 2 МПа и температуре 50 ^oС и разделяется на пар, жидкость и легкий газ, достигая мощности 11. Жидкость, т.е. смесь пропана и бутана, имеет емкость 9. Легкий газ направляется в установку утилизации из верхней части резервуара. Объем жидкости во внутренних трубках теплообменника Т-1/1 увеличился за счет пара, выделяющегося из внутренних трубок. Исходя из этого, в результате увеличения коэффициента теплопередачи конденсатной жидкости температура конденсата на выходе из аппарата увеличилась до 70 ^oС (ранее 60-65 ^oС), а Т-1/2 теплообменник привел к повышению температуры конденсата на выходе из аппарата до 135 ^oС (ранее 120 ^oС). Это произошло. Конденсат из Т-1/2 подается на тарелки 19 и 21 колонны стабилизации при температуре 120 ^oС и давлении 2 МПа. Нестабильный конденсат отделяется от легких углеводородов и кислых компонентов в стабилизационной колонне. Собранный в кубовой части колонны конденсат перекачивается в печь 6, где конденсат нагревается до 220 °С (ранее 240 °С). При этом было доказано, что за счет усовершенствования устройства Т-1/1 достигнута экономия энергии на газе и тепле, используемых для розжига печи, за счет снижения температуры до 20 °С. Стабильный конденсат из низа стабилизационной колонны поступает в межтрубное пространство теплообменника Т-1/2 при температуре 220 °С в качестве теплоносителя. Стабильный конденсат выходит из теплообменника Т-1/1 при температуре 100 °С (ранее 110 °С) и собирается в емкости 9.

Заключение. Сделан вывод о том, что за счет усовершенствования конструкции теплообменника Т-1/1 удалось повысить коэффициент теплопередачи в трубах за счет отрыва пара от внутренних труб аппарата. В результате установлено, что температура продукта на выходе из теплообменников Т-1/1 и Т-1/2 повысилась, а также достигнута экономическая эффективность за счет снижения температуры в печи до 20 ^оС, что означает экономию газа и тепловой энергии. потребляется духовкой.

Cписок литературы:

1. Салимов З. Процессы и оборудование переработки нефти и газа. 2010/ст 182.
2. Абдурахмонов О., Салимов З. и Бобохонов Х. Исследование теплообмена при ректификации нефтегазоконденсатных смесей с использованием углеводородного теплоносителя / Доклады Академии наук / Республики Узбекистан 2011 / №3 / с. 48-50.
3. Абдурахмонов О., Салимов З. и Кобилов Х. Сравнение параметров отпаривающих агентов при ректификации углеводородного сырья / Узбекский химический журнал  / 2011 / №6 / ст. 3-6.
4. Касаткин А. Г. 1971 Основные процессы и аппараты химической технологии / Учебник для вузов / 8-е изд. / репринт (М.: Химия) 783 с.
5. Молоканов Ю. К. Процессы и аппараты переработки нефти и газа (М.: Химия) / 1980 / 254-263 с.
6. Джеймс Г. Спейт. Анализ нефти. Справочник / перевод с англ. Под ред. Л.Г.Нехамкиной, Е.А.новикова / СПб.: ЦОП «Профессия», / 2010. – 480 с.
7. Ю. Г. Кирсанов, М. Г. Шишов, А. П. Коняева ; О. А. Белоусова. Анализ нефти и нефтепродуктов.  М-во образования и науки Рос. Федерации / Урал. федер. ун-т. / Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та / 2016. – 88 с. 
8. Tilloyev, L. I., & Dustov, H. B. (2020). Method of degassing of waste oil, determination of the composition and physical properties of the obtained gas. Scientific and technical journal “Development of science and technology, 2, 68-73.
9. Islomov A.N., Abduraxmonov O.R., Do’stov H.B., Panoyev E.R. “Sanoatda issiqlik almashinish jarayonini optimallashtirish” / “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Buxoro / 2024 yil 6-son.
10. Abduraxmonov O.R., Islomov A.N., “Ways to intensify the heat exchange process during heating of liquid carbohydrates” APITECH-IV-2022 / Journal of Physics: Conference series. 2388(2022) 012179 doi:101088/1742-6596/2388/1/012179./https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742/6596/2388/1/012179.