Теплообменник

Технологические процессы как в нефтехимии, так и в иных сферах промышленности, невозможны без нагрева либо охлаждения сред, а в силу того, что, как правило, используются различные опасные вещества, находящиеся под давлением, необходимо специальное герметичное оборудование для теплообмена между различными средами. Таким оборудованием являются теплообменники.

Теплообменник - это оборудование, предназначенное для теплообмена жидких и газообразных сред. Основным теплоносителем для нагревания, испарения являются:

• водяной пар;
• пары высококипящих органических жидкостей;
• горячая вода;
• горячие топочные газы, отработанные газы;

Основным теплоносителем для охлаждения, конденсации являются:

• воздух (АВЗ, КВО, градирни);
• оборотная вода;
• низкотемпературные агенты (этиленгликоль)
• Сжиженные углеводородные газы

Основные конструкции теплообменников

Кожухотрубный теплообменник

Кожухотрубный стальной теплообменник является одним из наиболее распространенных. Кожухотрубные теплообменники состоят из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, на сальниках и т.п. Трубный пучок расположен внутри общего кожуха, один из теплоносителей движется по трубам (трубное пространство), а другой – в пространстве между кожухом (корпусом) и трубами (в межтрубном пространстве). В зависимости от технологического назначения предусматривают четыре вида кожухотрубных теплообменников:

• испарители (И);
• конденсаторы (К);
• холодильники (Х);
• теплообменники (Т).

По конструкции различают теплообменники:

• с неподвижной трубной решеткой (решетка жестко прикреплена к корпусу и трубы не могут свободно удлиняться – Н);
• с компенсирующими устройствами (К – с линзовым температурным компенсатором на кожухе, П – с плавающей головкой, У – с U-образными трубами, ПК – с плавающей головкой и компенсатором на ней)

Теплообменники изготавливаются в следующих исполнениях:

• горизонтальные (Г);
• вертикальные (В).

Теплообменники могут быть изготовлены (для повышения скорости движения теплоносителей и увеличения интенсивности теплообмена) одно-, двух-, четырех-, шестиходовыми по трубному пространству (кроме U-образных – они всегда двухходовые), путем применения продольных перегородок, с поперечными (сегментные перегородки, в виде чередующихся колец и дисков, в виде сплошных дисков, кольцевыми отверстиями вокруг каждой трубы) перегородками в межтрубном пространстве. Применение данного решения позволяет увеличить КПД аппарата, однако затрудняет чистку и несколько повышает сопротивление потоку.

В теплообменниках с неподвижными трубными решетками при различном тепловом удлинении труб и кожуха возникают температурные напряжения, поэтому такие теплообменники применяют при небольшой (до 50 град. С) разности температур между трубами и кожухом.

Применение кожухотрубных теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе (не более 1,6 МПа). Также одним из недостатков является наличие трудновычищаемой полости, в которой, в случае применения загрязненных сред, может скапливаться шлам, тина, песок, кокс и пр.

Теплообменники с плавающей головкой имеют одну трубную решетку, закрепленную в кожухе; вторая решетка подвижна и может перемещаться внутри аппарата. Такой тип конструкции также исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах, а таже в этих теплообменниках пучок труб можно демонтировать из кожуха для осмотра и чистки.

Теплообменники с U-образным трубным пучком также лишены проблемы возникновения температурных напряжений, однако имеют существенный недостаток в виде сложности чистки трубного пространства. Как и с теплообменником с плавающей головкой, трубный пучок можно вынуть для чистки межтрубного пространства. Также одной из возможных неполадок может быть разрушение перегородки между входом и выходом продукта в трубное пространство, вследствии чего рабочая среда будет двигаться напрямую, минуя трубный пучок, тем самым снижая эффективность аппарата до 0.

Кожухотрубные испарители (рибойлер) с трубными пучками из U-образных труб (марка ИУ), или с плавающей головкой имеют паровое пространство над кипящей в кожухе жидкостью. В этих аппаратах, всегда расположенных горизонтально, горячий теплоноситель движется по трубам. Для предотвращения прогара пучка и постоянного уровня жидкости, перед пучком монтируется перегородка

Теплообменник типа «труба в трубе» применяется при небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность теплообмена не превышает 30 м2. Подобные теплообменники изготавливают следующих типов:

• неразборные однопоточные малогабаритные;
• разборные одно и двухпоточные малогабаритные;
• разборные однопоточные;
• неразборные однопоточные;
• разборные многопоточные.

Пластинчатые теплообменники

Благодаря небольшому поперечному сечению в этих теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей как в трубах, так и в межтрубном пространстве. В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин. Данные аппараты могут быть разборными, полуразборными и неразборными. В пластинах разборных теплообменников имеются отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которых закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных резин. Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами таким образом, что благодаря прокладке между ними образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов. В полуразборных теплообменниках пластины попарно сварены, доступ к поверхности теплообмена возможен только со стороны хода одной из рабочих сред.

Данные теплообменники очень компактны, что обеспечивает пропускание обоих теплоносителей со значительными скоростями и приводит к достижению высоких коэффициентов теплопередачи, однако крайне плохо справляются с загрязненными средами, и больше других боятся "размораживания".

Спиральные теплообменники

Аппараты, в которых каналы для теплоносителей образованы двумя свернутыми в спирали на специальном станке листами. Расстояние между ними фиксируется приваренными бобышками или штифтами. В соответствии с СТО 00220256-003-2006 навивку спиральных теплообменников производят из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м с поверхностями нагрева от 3,2 до 100 м2 при расстоянии между листами от 8 до 12 мм и толщине стенок 2 мм для давления до 0,3 МПа и 3 мм — до 0,6 МПа. Зарубежные фирмы изготовляют специальные теплообменники из рулонного материала (углеродистых и легированных сталей, никеля, титана, алюминия, их сплавов и некоторых других) шириной от 0,1 до 1,8 м, толщиной от 2 до 8 мм при расстоянии между листами от 5 до 25 мм. Поверхности нагрева составляют от 0,5 до 160 м2.

Спиральные теплообменники устанавливают по штуцерам горизонтально и вертикально. Их часто монтируют блоками по два, четыре, восемь аппаратов и применяют для нагревания и охлаждения жидкостей и растворов. Вертикальные аппараты используют также для конденсации чистых паров и паров из парогазовых смесей. В последнем случае на коллекторе для конденсата имеется штуцер для удаления неконденсирующегося газа.

Данные теплообменники весьма компактны, что обеспечивает пропускание обоих теплоносителей с высокими скоростями, что обеспечивает большой коэффициент теплопередачи. При сопоставимых скоростях движения потока гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников очень низкое, а за счет съемных боковых крышек сильно облегчается чистка аппарата.

Эксплуатация теплообменного оборудования

Теплообменники хоть и являются достаточно простым оборудованием, однако всё же имеют свою специфику.

При использовании в теплообменнике пары теплоносителей "вода-СУГ", нередки случаи "разморозки" аппарата по причине того, что при выводе в ремонт или резерв первым стравливают компонент с очень низкой температурой кипения. Данное действие приводит к закипанию СУГ, а т.к. температура кипения сжиженных газов намного ниже 0 градусов Цельсия, вода начинает замерзать и расширяться, что приводит к разрушению аппарата.

ВАЖНО. Всегда аппарат сначала освобождается от воды, а только после этого от сжиженных газов.

Также частым явлением является срыв перегородок, особенно в U-образных теплообменниках и теплообменниках с плавающей головкой. В случае разрушения перегородки эффективность аппарата равна нулю, т.к. среда идет по пути наименьшего сопротивления, минуя трубную решетку. К причинам можно отнести:

• высокий перепад давления между входом и выходом в аппарат в следствии загрязнения трубной решетки
• резкие (ударные) колебания расхода продукта
• коррозия, усталость металла

Как правило, для возникновения данной ситуации необходимо совпадение 2-х факторов. Аналогичная ситуация может происходить и с перегородками в межтрубном пространстве.

На предприятиях нефтехимической промышленности оборудование, как правило, спроектировано таким образом, чтобы максимально эффективно тратить энергоресурсы, т.е. нагрев и охлаждение осуществляются между имеющимися на производстве продуктами в зависимости от потребности на данном этапе производственной цепочки. Например, для нагрева ЭЭФ для подачи в куб колонны используется этилен, температура которого выросла в результате сжатия компрессором для перекачки товарного этилена в парки, при этом в процессе нагрева этилен охлаждается, и поступает в парк с температурой не 70-80 градусов цельсия, а 25. Для достижения аналогичного результата за счет нагрева паром и охлаждения водой/хладагентом потребовались бы дополнительные расходы на монтаж оборудования, трубопроводов, а также на закуп теплоносителя и хладагента соответственно.

Часто возникает необходимость прочистить оборудование "на ходу", т.е. возможности вывести теплообменник в резерв, вскрыть и прочистить нет. В таком случае в зависимости от среды возможна промывка "обратным ходом", т.е. теплоноситель/хладагент отсекается по входу, и за счет давления на линии выхода с аппарата промывается потоком в обратном направлении на дренаж. Данная операция особенно эффективна когда в качестве хладагента используется оборотная вода, несущая в себе множество примесей. В таком случае для увеличения эффективности промывки допускается осуществлять барботирование техническим воздухом либо азотом.