В нефтеперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты представлены множеством разнообразных типов. Их объединяет то, что в них идет передача тепла (иногда с фазовым переходом), но отсутствуют массообменные процессы. Основные виды: испарители, конденсаторы, нагреватели, холодильники, аппараты воздушного охлаждения, чиллеры, печи.

В холодильниках и нагревателях происходят соответствующие процессы по целевому продукту, определяющему название аппарата. Ведь при охлаждении, допустим, пропиленовой фракции паром, неизбежна конденсация пара, однако аппарат по-прежнему будет иметь название «нагреватель». Сам пропилен не подвергается фазовому переходу, а температура на выходе из аппарата больше, чем на входе.

Теплообмен, за исключением редких случаев, происходит за счет передачи тепла через стенку аппарата. Но бывают и альтернативные варианты: паровые барботеры, барометрические конденсаторы, градирни. Это так называемые аппараты смешения, задействованные в смежном хозяйстве: в водооборотном цикле и паровом хозяйстве.

Поверхностные аппараты востребованы, когда дело касается нефтепродуктов. Тут можно выделить две основные группы: регенеративные и рекуперативные. В регенеративных теплообменниках теплоносители периодически, поочередно, соприкасаются с одной и той же массивной поверхностью теплообмена. В рекуперативных теплообменниках передача тепла происходит через твердую теплопроводящую стенку, по обе стороны от которой одновременно движутся теплоносители, не смешиваясь друг с другом.

Также стоит упомянуть и другую классификацию. Кроме назначения и движения теплоносителей существует и конструкционная классификация: теплообменники с плоской поверхностью, а именно спиральные; с двойной стенкой, пластинчатые разборные, паяные, сварные, а также трубчатые, которые разделяются на кожухотрубчатые, секционные, «труба в трубе», оросительные и оребренные.

Рассмотрим устройство трубчатых теплообменников – самого распространенного вида передачи тепла, с которым конкурируют только кожухотрубчатые аппараты. Конструкция включает два пространства – трубное и межтрубное. По сути, это пучок труб, помещенный в кожух: одна фракция движется внутри труб, противоположный поток – в межтрубном пространстве. Направление потоков подчиняется физике: холодное подают снизу, горячее – сверху. Типичный кожухотрубчатый теплообменник представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Кожухотрубчатый теплообменник

Главный плюс таких теплообменников – большая площадь контакта, а также простота исполнения. Чаще всего на предприятиях встречаются горизонтальные аппараты, но бывают и вертикальные. Пучок самих труб может быть не сквозным, а иметь U-образное исполнение. В межтрубном пространстве для более эффективной передачи тепла устанавливаются вертикальные или параллельные перегородки. Сквозные теплообменники не так эффективны, именно поэтому используют такие аппараты, как на рисунке 2.

Рисунок 2. Современный кожухотрубный теплообменник

На рисунке видно, что вход и выход в трубное пространство находятся с одной стороны – их разделяет перегородка в крышке. Вход и выход в межтрубное пространство расположены с разных сторон. Также хорошо видны перегородки: они не только направляют поток жидкости, но и укрепляют конструкцию.

Теперь определим направление потоков на данном образце. Аппарат горизонтальный – это видно по опорам снизу. Допустим, мы используем его как холодильник. Тогда воду подают снизу в трубное пространство (выход сверху), а нефть направляют сверху в межтрубное пространство (выход снизу). Если бы стояла задача нагреть нефть, направление потоков было бы противоположным: горячий теплоноситель и нефть меняются входами и выходами.

Но откуда взялось правило про горячий и холодный теплоноситель? Тут дело в фазовом переходе. Пусть сам аппарат будет обозначен как холодильник, но вода (по сути, хладагент) может испариться. В нагревателе, наоборот, возможна конденсация пара. А из правил физики легко понять, что пар поднимается вверх, а конденсат стекает вниз. Таким образом получится избежать сквозного прохода пара через аппарат.

Существует и более простое исполнение таких аппаратов – «труба в трубе». Как легко догадаться, здесь вместо пучка труб – всего одна труба, совмещающая трубное и межтрубное пространства. На рисунке 3 представлен такой теплообменник, где I – нагреваемый поток углеводородов, II – водяной пар.

Рисунок 3. Теплообменник «труба в трубе»

Но стоит сказать, что встречаются каскады таких секционных теплообменников, которые включают в себя не три секции, как показано на рисунке, а десятки и сотни. Главный плюс таких сетей – возможность настроить температуру в нужном интервале и наладить секционное включение и отключение, что позволяет облегчить ремонт, а также снизить расход теплоносителя. К недостаткам таких теплообменников можно отнести их громоздкость и сложность при фазовом переходе.

В аппарате этого типа легче обеспечить большие скорости движения потоков, чем в кожухотрубчатых теплообменниках. Благодаря этому увеличиваются коэффициенты теплопередачи и значения теплонапряженности поверхности нагрева. Кроме того, в аппаратах типа «труба в трубе» легче осуществить противоток между теплообменивающимися средами, что также способствует более высокой эффективности процесса.

Поверхность теплообменных аппаратов рассматриваемого типа в меньшей степени подвержена загрязнению продуктами коррозии и механическими примесями, содержащимися в теплообменивающихся средах.

Конструктивно теплообменник оросительного типа отчасти схож с теплообменником «труба в трубе». Такие теплообменные аппараты являются неким гибридом АВО и градирни. Суть такого исполнения заключается в том, что сверху змеевика подается вода, за счет чего и осуществляется охлаждение. Принципиальная схема представлена на рисунке 4.

Так же, как и в АВО, сверху труб находятся вентиляторы, которые отводят пары воды, образующиеся при контакте с горячим теплоносителем в трубе. Именно эта особенность и роднит их с градирнями. В зимнее время возможно нагнетание холодного воздуха, что характерно для АВО.

Рисунок 4. Оросительный теплообменник

Главная особенность таких аппаратов – исполнение трубок (гладкие или оперенные) и высокие требования к качеству воды. В кожухотрубчатом теплообменнике забивка 30 трубок из 1750 не критична: на теплообмен это влияет несильно. В данном же исполнении забивка даже одной секции может серьезно нарушить процесс.

Интересно, что аппараты, предназначенные для охлаждения, можно использовать и в качестве нагревателя. Такие аппараты используют в градирнях (мы коснемся их позднее). Однако в холодных регионах зимой воду на открытом пространстве использовать неудобно. Поэтому под падающую воду иногда устанавливают змеевики с паром – они не дают температуре воды опуститься ниже критического минимума.

Аппарат воздушного охлаждения встречается в разном исполнении. Он может быть как с участием воды и отведением ее паров, так и с использованием только окружающего воздуха. Вентилятор таких градирен часто расположен снизу труб, а сам аппарат находится над землей. Оба этих варианта можно увидеть на рисунке 5.

Рисунок 5. Аппараты воздушного охлаждения

Аппарат слева оборудован вентиляторами сверху, тогда как правый, наоборот, снизу. Как правило, вентиляторы сверху подразумевают возможность использовать воду в качестве дополнительного хладагента.

В этом и заключается главный минус АВО – необходимость использовать дополнительный хладагент. Ведь, как нетрудно догадаться из названия, эти аппараты ограничены по температурному диапазону использования. Но их главный плюс – это автономность. В отличие от систем с генерацией пара или водооборотным циклом, здесь не нужно продумывать дополнительные хозяйства и применять сверхсложные конструкционные решения.

Возможно, генерация пара выходит дешевле, чем затраты на электричество. Но электричество не требует дополнительных коммуникаций, а организация пароснабжения для одного теплообменника всегда дороже, чем использование АВО. То же касается и воды как хладагента. Поэтому там, где не нужно сильное охлаждение и потребление тепла невелико, оптимальным выбором становится АВО.

В нефтехимической промышленности также используются спиральные и пластинчатые теплообменники разного исполнения: разборные, сварные и т. д. Их отличает компактность.

Так, в спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, свернутыми в виде спиралей. Рабочая среда поступает внутрь устройства через входной патрубок. Потоки жидкостей перемещаются по рабочему каналу, который закручен по спирали. Возникают турбулентные завихрения, что обеспечивает эффективную теплопередачу и самоочищение внутренних поверхностей. Такой теплообменник представлен на рисунке 6.

Рисунок 6. Спиральный теплообменник

В этих аппаратах может осуществляться теплообмен между рабочими средами жидкость/жидкость, газ/газ и газ/жидкость, а также конденсация паров и парогазовых смесей. Благодаря тому, что площадь поперечного сечения каналов по всей длине остается неизменной, загрязнения на стенках в работающем аппарате лучше смываются потоком рабочей среды, и теплообменник может продолжительное время работать без чистки. Конструкцией теплообменников со съемными крышками предусмотрена механическая чистка каналов. Типичная область применения разборных спиральных теплообменников включает теплообмен загрязненных потоков, содержащих кокс или катализаторы, различные минералы и волокна. Неразборные аппараты с глухими каналами без крышек предназначены для охлаждения рабочих сред (например, кислот), при работе с которыми не требуется механическая чистка каналов от загрязнений.

Другой вид теплообменного оборудования – это пластинчатые теплообменники. Они, как и кожухотрубчатые, получили широкое распространение и активно применяются на производствах.

Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменники, в которых гофрированные пластины отделены одна от другой прокладками. Пластины сжимаются между неподвижной и нажимной плитами, образуя теплообменную секцию. В каждой пластине имеются четыре отверстия: одно – для ввода среды в пространство между пластинами, другое – для вывода среды и два – для сквозного прохода среды. Малая толщина пластин и очень высокая турбулентность за счет рифления поверхности обеспечивают более высокие коэффициенты теплопередачи по сравнению с кожухотрубчатыми. Монтаж и демонтаж этих аппаратов осуществляется достаточно быстро, очистка теплообменных поверхностей требует незначительных затрат труда. Серийно выпускаемые разборные теплообменники могут работать с загрязненными рабочими средами при размере твердых включений не более 4 миллиметров. Применение современных материалов для изготовления пластин и прокладок позволяет использовать подобные аппараты в агрессивных средах, например при охлаждении 98,5-процентной серной кислоты с температурой 130–140 °C. Данный теплообменник представлен на рисунке 7.

Рисунок 7. Пластинчатый теплообменник в разборном исполнении

Наряду с плюсами: компактностью, высоким КПД, простотой обслуживания – такие теплообменники также имеют и минусы: частота протечек между пластинами, требования к теплоносителям, ограниченность в рабочем давлении и температуре.

Все эти теплообменники относились к поверхностным аппаратам. А что касается аппаратов смешения? В них тепло передается от одной среды к другой путем непосредственного контакта теплообменивающихся потоков. Такой метод передачи тепла позволяет значительно сократить расход металла на изготовление аппаратов. Однако применять этот способ можно только в тех случаях, когда допустимо смешение потоков.

Например, воду можно нагреть за счет использования тепла водяного пара при их прямом смешении; тепло, выделяемое конденсирующимся паром, непосредственно воспринимается водой. Применение поверхностного аппарата в таких случаях является неоправданным. Непосредственно смешивать теплообменивающиеся потоки можно и в тех случаях, когда они взаимно не реагируют, не растворяются и в дальнейшем хорошо разделяются; такой случай имеет место в бензиновых конденсаторах смешения.

Рассмотрим некоторые теплообменные аппараты смешения подробнее. К ним относятся барометрические конденсаторы вакуумных колонн, предназначенные для конденсации водяных паров с целью уменьшения нагрузки вакуумсоздающего оборудования (вакуум-насосов, эжекторов).

Барометрический конденсатор должен быть установлен на высоте Н, обеспечивающей непрерывный сток воды через барометрическую трубу в колодец для предотвращения заполнения конденсатора водой. Высота Н₀ уравновешивает в статическом состоянии разность между атмосферным давлением и давлением в барометрическом конденсаторе. С учетом потери напора при движении жидкости в барометрической трубе H₁ и запаса высоты H₂ на случай колебания режима работы конденсатора можно определить высоту установки конденсатора Н.

Барометрические конденсаторы бывают различных конструкций, отличающихся по устройству приспособлений для распределения воды. Чаще всего используются аппараты полочного типа, улавливающие 4–7 полок с диаметром отверстий 1–7 мм. Применение таких аппаратов на нефтеперерабатывающих заводах ведет к значительному загрязнению сточных вод (сероводород, нефтепродукты), что требует проведения специальных дорогостоящих мероприятий по очистке. Барометрический конденсатор представлен на рисунке 8.

Рисунок 8. Барометрический конденсатор

К аппаратам смешения можно отнести и паровые барботеры. Их задача – подача пара в нижнюю часть емкости с жидкостью: проходя через слой жидкости, пар отдает ей свое тепло. В целом такая технология для нефтеперерабатывающей промышленности – редкость. Такой вариант генерации горячего теплоносителя имеет смысл только при рекуперации тепла.

Неужели в нефтяной промышленности всего два варианта теплоносителя? Вода как хладагент, пар – для нагрева, а в остальных случаях только рекуперация тепла? Нет, есть также и вспомогательные варианты, и более энергоэффективные решения.

Так, часто кроме пара используют электронагревательный кабель. Он требуется для повышенных температур, а также там, где сложно подвести тепло паром. Обогревы трубопроводов малого диаметра, статичные емкости, приборы и арматура часто снабжаются электрообогревающим кабелем. Такой кабель отдает тепло посредством прохождения тока через большое сопротивление. Иными словами, берется электронагреватель гибкий ленточный (ЭНГЛ), который обматывается вокруг трубы или емкости и подключается к электросети. А для минимизации потерь тепла и стабилизации режима оборудование дополнительно снабжается теплоизоляцией.

Плюсы такого решения: снижение затрат на оборудование, простота диагностики неполадок, относительная легкость в ремонте, дешевизна самих ЭНГЛ. Их легко монтировать и следить за работой – как правило, они снабжены индикатором, показывающим состояние нагревателя. Также при отсутствии необходимости, например в летний период, их отключают и экономят на электроэнергии. Замена происходит просто снятием изоляции с конкретного участка и отсоединением от сети. К минусам можно отнести большие затраты при фазовом переходе, малую мощность, частоту выхода из строя.

Стоит упомянуть и такое оборудование, как чиллер – аппарат для создания отрицательных температур. Хладагентом будет выступать сам углеводородный газ, а именно легкие фракции нефти: метан, этан, пропан. Создание холода требуется для определенных низкотемпературных процессов. Холод в данном случае создается путем дросселирования – резкого сброса давления и фазового перехода легких углеводородов.

Сама установка представляет собой несколько блоков. Газ поступает на сжатие: уменьшает объем, повышает давление, становится жидким. Затем отправляется в теплообменный аппарат, где резко сбрасывает давление и переходит опять в газовое состояние, тем самым создавая отрицательную температуру. Конечно, любое испарение связано с поглощением тепла, однако такой низкой температуры можно добиться углеводородами. А в быту метан заменяется другими соединениями. В природе главным хладагентом является гелий – удивительный инертный газ, который получилось охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю: –273 °C.

Глубокий холод, конечно, в нефтяной промышленности используется нечасто, по сравнению с повышенными температурами. А они – залог достижения глубокой переработки. Но здесь все проще. Как ни странно, но для достижения температур выше 200 °C тоже используют углеводородный газ, но не путем его сжатия и дросселирования, а путем сжигания в камерах печи. Я уже упоминал печи раньше – они фигурировали в рассмотренных схемах. Суть их проста: обогрев путем сжигания газа и нагрева змеевиков печи, где находится основная фракция, поступающая в процесс пиролиза или крекинга. Производственная печь представлена на рисунке 9.

Рисунок 9. Производственная печь нагрева сырья

Упомянуть стоит и о еще одном важном промышленном блоке – градирне. Именно от нее зависит весь водооборотный цикл на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Градирня – это теплообменный аппарат, а скорее даже сооружение, которое спроектировано для охлаждения воды путем охлаждения ее наружным воздухом и гравитационными силами. На производствах наиболее распространены вентиляторные градирни – благодаря своим габаритам. А те, что мы видим в городах, относятся к башенному типу. Оба варианта используются в зависимости от поставленных задач. Существуют и гибридные, закрытого типа. Но как же происходит охлаждение в этих аппаратах смешения?

Суть работы градирни сводится к тому, что вода, падая в чашу, охлаждается. Такой эффект можно наблюдать дома в ванне, когда температура воды становится ниже по мере удаления от лейки душа. Но порой этого эффекта недостаточно, тогда на помощь приходит воздух. Наверху градирни устанавливаются вентиляторы, которые подсасывают воздух через окна градирни. Проходя через слой падающей воды, воздух насыщается влагой и уносит лишнюю воду, что ведет к потере тепла и охлаждению воды. Принципиальная схема градирни обозначена на рисунке 10.

Рисунок 10. Устройство градирни

Если говорить о плюсах и минусах градирни, то стоит сказать, что они весьма эффективны для выполнения своей роли, компактны, а также экологичны. К их недостаткам можно отнести следующие факторы: зависимость от климата; риск развития бактерий, которые впоследствии могут осесть в аппаратах; необходимость в свежей воде.

Вода используется не только как хладагент, но и как теплоноситель – после преобразования в пар. Паровое хозяйство – одно из главных вспомогательных производств на заводе, наравне с градирнями и оборотным водоснабжением. Пар получают испарением воды при сжигании газа. После генерации сухой пар насыщают, впрыскивая воду в трубопровод отходящего потока от парогенераторной установки.

Эти два хозяйства обеспечивают не только работу установок, но и кондиционирование рабочих помещений в жаркий период или обогрев при отрицательных температурах. Существуют другие подсобные хозяйства: блок производства сжатого воздуха, азота, водорода, питьевой воды и т. д. Предприятия нефтедобывающей отрасли часто используют свой собственный ресурс для получения автономии от городского хозяйства.

Рисунок 11. Схематичное изображение теплообменных аппаратов на технологических схемах

В завершение темы теплообменного оборудования приведем обозначения, которые чаще всего используются для распознавания теплообменников на технологических схемах. Данный перечень указан на рисунке 11.