Интенсификация подогрева нефти в трубчатых аппаратах под воздействием поля центробежных сил

АННОТАЦИЯ

Показано, что организация процесса подогрева нефти в трубчатых теплообменных аппаратах под воздействием поля центробежных сил способствует повышению эффективности питания труб нефтью и улучшению условия теплоотдачи в межтрубном пространстве аппаратов за счет турбулизации, утончения или разрушения пленки конденсата на внешней поверхности труб.

ABSTRACT

It is shown that the organization of process of heating of oil in tubular heat exchangers under the influence of the field of centrifugal forces promotes increase in efficiency of food of pipes oil and to improvement of a condition of a thermolysis in interpipe space of devices due to turbulization, thinning or destruction of a layer of condensate on an outer surface of pipes.

Ключевые слова: нефть, подогрев нефти, пар, теплообменник, теплопередающая труба, интенсификация, поля центробежных сил, теплоотдача, конденсат, пленка, эффективность.

Keywords: oil, heating of oil, steam, heat exchanger, heat-transmitting pipe, intensification, fields of centrifugal forces, thermolysis, condensate, layer, efficiency.

Подогрев углеводородного сырья (нефти, газового конденсата и их смесей с различными соотношениями компонентов) в нефтеперегонной установке осуществляется теплом горячих потоков дистиллятов топливных фракций в паровой и жидкой фазах, циркуляционных орошений и мазута, подлежащих к охлаждению, а в отдельных случаях – водяного пара.

Трубчатые теплообменники нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) характеризуются низкой эффективностью теплопередачи (70÷290 Вт/м^2.К) [1], большими расходами тепловой и электрической энергии, крупными габаритными размерами (диаметр корпуса – 0,63÷1,8 м, рабочая длина теплообменных трубок – 5÷10,6 м) и массой (до 30÷40 тн), а также трудностями при эксплуатации, клалифицированного обслуживания и продолжительностью ремонта [1-3]. Поэтому, разработка научно-практических основ повышения технологической эффективности трубчатых теплообменных аппаратов НПЗ на основе интенсификации процессов подогрева (нагревания) сырья, осуществля-емых в этих аппаратах, является актуальной задачей, имеющей значимую научно-практическую ценность.

Основной целью интенсификации процесса нагревания нефти в трубчатых теплообменниках является увеличение коэффициента теплопередачи в аппаратах, с учётом их технических возможностей.

Одним из основных конструктивных недостатков применяемых на НПЗ трубчатых теплообменников является неравномерность питания нефтью тепло-передающих труб, особенно в центральной зоне их распределительной камеры, вызванные нерациональным в гидравлическом отношении расположением труб на площади трубных решеток аппаратов.

Это объясняется переменностью напора потока нефти в разных точках поперечного сечения камеры распределения, образуемой между трубной решеткой и крышкой аппарата. Соответственно, расход нефти в трубках, расположенных в различных точках площади трубной решетки, также будет не одинаковым.

В результате неравномерного распределения нефти по теплопередащим трубкам в них образуется слой нагара различной толщины, как по их длине (высоте), так и по месту их расположения в трубной решетке. Нагарообразование является причиной локального ухудшения условия теплообмена между теплоносителями, повышенного расхода тепловой энергии на процесс, снижения коэффициента теплопередачи в аппарате и роста эксплуатационных затрат.

Интенсификация нагревания нефти в трубчатых теплообменниках можно достичь организацией данного процесса под воздействием поля центробежных сил, возникающих при вращении потока сырья или теплоносителя. При таком способе интенсификация процесса нагревания нефти в теплообменниках возможно достижение следующих целей [4; 5]:

- обеспечение одинакового питания нефтью всех теплопередающих труб за счет равномерного распределения потока в поперечном сечении теплообменника;

- существенного улучшения условия конденсации греющего пара (паров дистиллятов топливных фракций) в межтрубном пространстве аппаратов при движении потока по винтовой закрутке.

Вышеперечисленные технологические меры приводят к росту интенсивности процессов тепло- и массообмена в трубном и межтрубном пространствах теплообменников.

Эффект интенсификации обуславливается уменьшением толщины вязкого подслоя нефти в трубах и снижением термического сопротивления пленки конденсата на внешней поверхности теплопередающих труб за счет ее турбули-зации, утончения или разрушения под воздействием поля центробежных сил.

Как известно, величина центробежной силы С (в Н), в зависимости от радиуса вращения потока сырья R в распределительной камере теплообменников, определяется по выражению [6]:

С = mυ²/R,                                                                            (1)

где m – масса нефти в распределительной камере аппарата, кг; υ – скорость потока нефти в камере, м/с; R – радиус распределительной камеры аппарата, м.

Соотношение центробежной силы С и силы тяжести G показывает эффективность осуществляемого в теплообменном аппарате процесса:

С/G = (m∙υ²/R)/(m∙g) = υ²/R∙g = K_р ,                                                       (2)

где g = 9,81м/с² – ускорение свободного падения; K_р – фактор разделения или степень интенсификации исследуемого процесса в аппарате.

Согласно (1), от периферии камеры распределения аппарата (r = R) по направлению к ее центру (r = 0) величина С потока нарастает. В этом случае, когда r = R, величина С = min, если r = 0, то С = max. При этом темп нарастания центробежной силы (в %), определяется как

j_C = [(C₁ - C₂)/C₁]100 % .                                                               (3)

Преимущество предложенного способа интенсификации теплоотдачи, приводящего к повышению технологической эффективности аппаратов, можно выявлять путем расчета изменения величины центробежной силы С по поперечному сечению камеры распределения, возникающей при касательной подаче жидкости к этой части аппарата.

Расчеты по определению изменения величины центробежной силы в камере распределения нефти выполнены для кожухотрубчатого подогревателя НПЗ, который имеет следующие конструктивно-технологические параметры: площадь теплообмена F = 99 м² ; диаметр кожуха D = 630 мм; диаметр теплопередающих трубок d = 20/25 мм, длина одной трубы l_тр = 6890 мм; высота камеры распределения H = 250 мм; диаметр патрубка для подвода нефти d_п = 250 мм; производительность аппарата по нефти V = 60 м³/ч; нефть в ходе процесса нагревается от t_н1 = 107 ^оС до t_н2 = 130 ^оС и при средней температуре ее нагрева t_ср = 120 ^оС имеет плотность ρ = 781 кг/м³.

Масса нефти m в распределительной камере аппарата равняется

m= (p∙D²/4)H∙ρ = (p∙0,63²/4)∙0,25∙781 = 60,83 кг.                                            (4)

Скорость поступления нефти в камеру теплообменника при диаметре подающего патрубка d_п = 0,25 м составляет:

u = 4V/(3600πd_п²) = 4^.60/(3600^.3,14^.0,25²) = 0,34 м/с.                                        (5)

Величина центробежной силы С (в Н), в зависимости от радиуса вращения потока нефти R в распределительной камере, определяется по (1):

С = mυ²/R = 60,83∙0,34²/R.

Результаты расчетов эффективности распределения нефти по трубкам теплообменного аппарата, выполненные по (1) и (2), сведены в табл. 1.

Таблица 1.

Эффективность распределения нефти по трубкам кожухотрубчатого теплообменника НПЗ под действием центробежной силы

Как видно из таблицы, по направлению от периферии (R = 0,5D) распределительной камеры к ее центру (R = 0,1D) величина центробежной силы потока растет от 22,324 до 111,618 кПа, а темп ее нарастания по (3) составляет от 25 до 100 %. В силу этого и растет величина напора потока, что является благоприятным фактором, улучшающий условия питания нефтью трубок, расположенных в центральной зоне распределительной камеры аппарата.

Результаты расчетов свидетельствует о том, что организация равномерного распределения жидкости по трубкам аппарата под воздействием поля центробежных сил повышает эффективность питания труб высоковязкой нефтью на 18,7 %. Благодаря этому повышается коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке теплопередающих труб, замедляется скорость нагарообразования в трубках и удлиняется продолжительность межремонтного цикла теплообменника [7].

По результатам исследований по интенсификации теплообмена в поле центробежных сил разработана конструкция эффективного трубчатого теплообменника для подогрева углеводородного сырья при конденсации паров на внешней поверхности труб с получением целевого продукта – дистиллятов нефтяных фракций путем конденсации.

Разработанная конструкция кожухотрубчатого теплообменника [8] отличается размещением теплопередающих труб на площади трубной решетки по линии спирали (рис. 1, а) и тангенциальным расположением патрубков для подачи нефти и паров дистиллятов (рис. 1, б). 

Рисунок 1. Схема кожухотрубчатого теплообменника:

а – схема распо-ложения трубок на площади трубной решетки; б – схема движения потока нефти в камере распределения при ее тангенциальной подаче; 1 – корпус; 2 –теплопередающая трубка; 3 – патрубок для подачи пара; 4 – крышка; 5 – патрубок для отвода нагретой нефти; 6 – верхняя трубная решетка; 7 – патрубок для выпуска газов; 8 – сегментные перегородки; 9 – нижняя трубная решетка; 10 – патрубок для отвода конденсата; 11 – днище; 12 – штуцер для слива жидкости; 13 – патрубок для подвода нефти

Принцип действия предложенного теплообменника (рис. 1) заключается в следующем. Тангенциальная подача жидкости в аппарат приводит поток во вращательное движение в его распределительной камере. Под действием возникающей центробежной силы нефть равномерно распределяется по трубкам, расположенным по всей площади трубной решетки аппарата.

Процесс конденсации паров дистиллятов топливных фракций в межтрубном пространстве предложенного теплообменника под действием поля центробежных сил протекает следующим образом.

Греющий пар под давлением вводится в кожух аппарата по патрубку 3, приваренному к корпусу 1 по касательной линии. При тангенциальной подачи пара в межтрубное пространство теплообменника возникает вращательное движение потока, направленное вниз по спиралеобразному коридору, образованное расположением пучка труб 2 на площади трубных решеток 6 и 9 аппарата (рис. 1, а).

Под воздействием центробежной силы, возникающей при вращательном движении потока, происходит полное обтекание паром пучка теплообменных трубок. При этом пар, соприкасаясь с холодной поверхностью труб, охлаждается и конденсируется, образуя тонкую пленку жидкости на внешней поверхности труб. В дальнейшем, парожидкостной поток с большой скоростью ударяется по конденсатной пленке на поверхности трубок и разрушает ее на мелкие капли (брызги). Срываемые из пленки капли с большой скоростью выбрасивается на соседние трубы, где также разрушают конденсатную пленку, стягивая ее в крупные капли. Такое действие пара продолжается и на тыльной стороне трубы, противоложной к направлению движения пара, где конденсат собирается в виде жгута, значительно превышающего толщину конденсатной пленки. Движение конденсата в жгуте становится турбулентным и его термическое сопротивление резко падает.

В момент отрыва капель от стенки поверхность трубок освобождается от пленки, тем самым обеспечивается свободный доступ удаленным от стенки слоям пара к обнаженной площади теплообмена. При этом создается благоприятное условие для равномерной конденсации пара. Такая гидродинамическая обстановка близка к возникновению искусственной капельной конденсации пара по всему объему межтрубного пространства аппарата. Как известно, такое изменение характера процесса конденсации пара приводит к значительному повышению интенсивности теплообмена и обеспечению соответствующего увеличения величины коэффициента теплопередачи.

Наконец, при скоростном вращательном движении пара по межтрубному пространству весь конденсат, сорванный с поверхности труб под действием центробежной силы, оттесняется к поверхности кожуха аппарата и движется вдоль нее до тех пор, пока не происходит полная конденсация пара.

При невысоких скоростях обтекания паром трубок влияния естественной конвекции становится заметным. Вследствии этого, удаленные от стенки труб слои пара достигают ее только тогда, когда сконденсировался близлежащий слой. При этом у поверхности труб активизируется накопление неконденсирующихся газов (имеющий место при использовании водяного пара), что замедляет процесс конденсации пара.

Повышение скорости (расхода) конденсирующегося пара вызывает увеличения коэффициента трения λ парового потока о слой конденсата (из-за торможения стекающей пленки о слой пара). С ростом скорости пара растет и величина динамического напора парового потока (ρ_пω_п²), под воздейтвием которого неконденсирующиеся газы из пограничного слоя принудительно уносятся вместе с конденсатом. Это снижает градиент концентрации пара и газов, что уменьшает влияния неконденсирующихся газов на теплоотдачу.

Как известно, с повышением давления пара растет его плотность, температура конденсации и значения числа Pr. Увеличение последнего указывает на целесообразность воздействия центробежных сил на пленку конденсата при ламинарном и переходном режимах ее течения, что интенсифицирует турбулентные пульсации в пристенном слое, где турбулентная теплопроводность мала, а плотность теплового потока максимальна [6].

Таким образом, благодаря организации процесса нагревания углеводо-родного сырья в трубчатых теплообменниках под воздействием поля центро-бежных сил повышается эффективность питания труб высоковязкой нефтью на 18,7 %, устраняется вероятность преждевременного забивания труб слоем нагара, достигается полное омывание трубного пучка паром, уменьшается термическое сопротивление пленки конденсата за счет ее турбулизации, утон-чения или разрушения и улучшается условия теплоотдачи от греющего пара к стенке теплопередающих труб.

Список литературы:
1. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2000. - 677 с.
2. Глаголева О.Ф., Капустин В.М., Гюльмисарян Т.Г. и др. Технология переработки нефти. В 2-х частях. Часть I. Первичная переработка нефти /Под ред. О.Ф. Глаголевой и В.М. Капустина. - М.: Химия, КолосС, 2006. - 400 с.
3. Ахметов С.А., Сериков Т.П., Кузеев И.Р., Баязитов И.М. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа: учебное пособие / Под ред. С.А. Ахметова. - СПб.: Недра, 2006. - 868 с.
4. Худайбердиев А.А. Организация процесса тепловой подготовки нефти в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах под воздействием центробежных сил// Инновационные разработки в сфере химии и технологии топлив и смазывающих материалов: Сборник докладов и тезисов II Международной НТК: - Бухара, БНПЗ, 2017. - С. 142-145.
5. Худайбердиев А.А. Трубчатый теплообменник для интенсивного подогрева углеводородного сырья// Проблемы и перспективы развития инновационного сотрудничества в научных исследованиях и системе подготовки кадров: Материалы международной НПК. - Бухара, БИТИ, 2017. - С. 121-123.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. - 8-е изд., перераб. - М.: Химия, 1971. - 783 с.
7. Артиков А.А., Худайбердиев А.А., Саломов Х.Т. Распределение нагара в предварительных дистилляторах НД-1250// Масложировая промыш-ленность. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. - № 11. - с.36-37.
8. Патент Республики Узбекистан на полезную модель № FAP 00992. Кожухотрубчатый теплообменник / Салимов З., Худайбердиев А.А., Сайдахмедов Ш.М. // Расмий ахборотнома. - 2015. - № 2.