Научно-практическая конференция «Эврика»

«Модернизация

технологической

установки

каталитиче ского

риформинга ЛКС 35/64, секция 100, действующая на Сургутском ЗСК, путем

замены

кожухотрубчатых

теплообменников

с

плавающей

головкой

на

пластинчатые теплообменные аппараты»

2

Оглавление

Введение

3

Глава 1 Теплообменные аппараты. Общие сведения.

4

Характеристика кожухотрубчатых теплообменников с плавающей головкой

4

Пластинчатые теплообменные аппараты

6

Сравнение пластинчатых теплообменников с кожухотрубчатыми

7

Заключение

9

Список литературы

10

3

Введение

В данной научной работе рассматривается тема «Модернизация технологической

установки каталитического риформинга ЛКС 35/64, секция 100, действующая на Сургутском

ЗСК, путем

замены

кожухотрубчатых

теплообменников

с

плавающей

головкой

на

пластинчатые теплообменные аппараты»

В

России

переработкой

углеводородного

сырья

занимаются

порядка

140

предприятий

—

нефтеперерабатывающих

заводов.

В

отрасли

нефтепереработки

пластинчатые теплообменные аппараты встречаются намного чаще, чем в нефтедобывающих

предприятиях.

Около

37,5%

предприятий

используют

в

производстве

такие

виды

теплообменного

оборудования.

Соответственно,

62,5%

предприятия

используют

в

производственном цикле только кожухотрубные теплообменные аппараты.

В среднем на предприятиях, использующих в процессе первичной нефтепереработки

теплообменные аппараты, применяется 6,1% пластинчатых теплообменников от их общего

числа. В целом же в данной отрасли промышленности данный показатель существенно

варьирует

в

зависимости

от

каждого

конкретного

предприятия

—

от

0,7%

до

17,6%.

Спецификой данной отрасли с точки зрения потребления теплообменных аппаратов является

абсолютное доминирование кожухотрубных теплообменников на всех предприятиях. Это

связано с большим количеством процессов переработки нефти на одном предприятии, что

требует значительного количества теплообменных аппаратов. С другой стороны, в сравнении

с

нефтедобычей

модернизация

отрасли

(замена

кожухотрубных

теплообменников

на

пластинчатые)

идет

более

быстрыми

темпами

—

многие

нефтеперерабатывающие

предприятия

уже

начинают

применять

пластинчатые

аппараты

вместо

кожухотрубных,

которые обладают следующими преимуществами:

- использование производственных площадей в 2-3 раза меньше, требуемой для

установки трубчатого теплообменника равной производительности;

- высокий коэффициент теплопередачи к = 1900-5000 Вт/м градусов К

при

относительно

небольшой

разности

давлений,

что

позволяет

избежать

дополнительных

расходов на приобретение мощных насосов;

- минимальный перепад температур между теплоносителями может достигать 1-2

градусов С;

- поверхность аппарата изменяется добавлением или снятием соответствующего

количества теплопередающих пластин;

- не требует теплоизоляции, тепловые потери практически отсутствуют;

- пониженная склонность к загрязнениям теплопередающей поверхности;

- малый внутренний объем заполнения теплоносителями;

- надежность в эксплуатации.

Исходя

из

этого целью

данной

работы

является

замена

кожухотрубчатых

теплообменников с плавающей головкой на пластинчатые теплообменные аппараты.

Основная задача

-

раскрыть

сущность,

назначение

кожухотрубчатых

и

пластинчатых

теплообменников, доказать преимущества вторых путем их сравнения;

4

Глава 1

Теплообменные аппараты. Общие сведения.

Теплообменными

аппаратами,

теплообменниками,

называются

аппараты

для

передачи

тепла

от

более

нагретого

теплоносителя

к

другому

менее

нагретому.

Теплообменники как самостоятельные агрегаты или части других аппаратов и устройств

широко применяются на химических заводах, потому что проведение технологических

процессов в большинстве случаев сопровождается выделением или поглощением тепла.

Для осуществления длительной работоспособности в процессе эксплуатации при

обработке

среды,

загрязненной

или

выделяющей

отложения

на

стенках

аппарата,

необходимо производить периодические осмотры и очистку поверхностей.

Аппараты должны обладать достаточной прочностью и иметь возможно малые

габаритные размеры. При конструировании необходимо находить оптимальные решения,

учитывающие требования обеспечения возможности разборки рабочей части аппарата и

герметичности системы каналов, возможно высоких коэффициентов теплопередачи за счет

повышения скорости движения рабочей среды при минимальных гидравлических потерях

в аппарате.

В химических производствах до 70% теплообменных аппаратов применяют для

сред жидкость — жидкость и пар — жидкость при давлении до 1 МПа и температуре до

200 °С. Для указанных условий разработаны и серийно изготовлены теплообменные

аппараты общего назначения кожухотрубчатого и спирального типов. В последнее время

получают распространение пластинчатые теплообменные аппараты общего назначения.

Одним

из

преимуществ

трубчатых

теплообменных

аппаратов

является

простота

конструкции. Однако коэффициент унификации узлов и деталей размерного ряда этих

аппаратов, являющийся отношением числа узлов и деталей (размеры одинаковы для всего

ряда) к общему числу узлов и деталей данного размерного ряда, составляет примерно

0,13. В то же время этот коэффициент применительно к пластинчатым теплообменным

аппаратам составляет 0,9. Удельная металлоемкость кожухотрубчатых аппаратов в 2 — 3

раза больше металлоемкости новых пластинчатых аппаратов.

Режим работы теплообменного аппарата и скорость движения теплоносителей

необходимо

выбирать

таким

образом,

чтобы

отложение

загрязнений

на

стенках

происходило возможно медленнее. Например, если охлаждающая вода отводится при

температуре 45 – 50о С, то на стенках теплообменного аппарата интенсивно осаждаются

растворенные в воде соли.

При

конструировании

следует

обоснованно

решать

вопрос

о

направлении

теплоносителей

в

трубное

или

межтрубное

пространство.

Например,

теплоносители,

загрязненные и находящиеся под давлением, обычно направляют в трубное пространство.

Насыщенный пар лучше всего подавать в межтрубное пространство, из которого легче

удалить

конденсат.

Чистка

трубного

пространства

(в

котором

вероятнее

всего

будут

выпадать

загрязнения)

легче,

а

живое

сечение

для

прохода

теплоносителя

меньше.

Вследствие

этого

в

трубном

пространстве

можно

обеспечить

теплоносителю

более

высокие скорости и, следовательно, более высокие коэффициенты теплоотдачи.

Характеристика кожухотрубчатых теплообменников с плавающей головкой

На рисунке 1 изображен кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой,

предназначенной

для

охлаждения

(нагревания)

жидких

или

газообразных

сред

без

изменения агрегатного состояния. Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка

5

вместе

с

внутренней

крышкой,

отделяющей

трубное

пространство

от

межтрубного,

образует

так

называемую

плавающую

головку.

Такая

конструкция

исключает

температурные напряжения в кожухе и в трубах. Эти теплообменники, нормализованные в

соответствии

с

ГОСТ

14246—79,

могут

быть

двух-

или

четырехходовыми,

горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3 м.

Рисунок 1 Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой: 1-крышка

распределительной камеры; 2 - распределительная камера: 3 - кожух; 4-теплообменные

трубы; 5- перегородка с сегментным вырезом; 6 - штуцер; 7 - крышка плавающей головки.

8 – крышка кожуха

Кожухотрубнатые

конденсаторы

с

плавающей

головкой

(ГОСТ

14247-—79)

отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром щтуцера для подвода

пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до

1,0 МПа, в межтрубном пространстве — от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть

двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до

1400 мм, высота труб 6,0 м.

Теплообменники с постоянным диаметром по всей длине удобны при сборке.

Сборка теплообменников с переменным по длине диаметром (рисунок 2) затруднена, так

как

плавающую

головку

(по

габаритным

размерам)

в

собранном

виде

невозможно

поместить в кожух без трубчатки. Теплообменники с постоянным диаметром не имеют

этого недостатка, так как плавающую головку можно собирать и разбирать вне и внутри

кожуха.

Кроме

того,

теплообменники

с

постоянным

диаметром

по

длине

предпочтительнее теплообменников с переменным диаметром потому, что при очистке их

межтрубного пространства не приходится разбирать плавающую головку.

Рисунок 2 Теплообменник с плавающей головкой

6

Для эффективной работы теплообменника желательно, чтобы средняя часть была

выполнена с наименьшим диаметром; при этом обеспечивается наибольшая скорость

продукта и, следовательно, создаются оптимальные условия для теплопередачи. Это и

является причиной изготовления теплообменников с переменным диаметром по длине.

Однако уменьшать диаметр средней части аппарата имеет смысл лишь при значительных

размерах плаваю щей головки. При применении малогабаритной плавающей головки

отпадает

необходимость

в

изготовлении

теплообменников

переменного

диаметра.

Малогабаритная плавающая головка свободно располагается и в наименьшем сечении

кожуха.

Пластинчатые теплообменные аппараты

Пластинчатые

теплообменники

представляют

собой

аппараты,

теплообменная

поверхность

которых

образована

набором

тонких

штампованных

пластин

с

гофрированной

поверхностью.

Их

разделяют

по

степени

доступности

поверхности

теплообмена

для

механической

очистки

и

осмотра

на

разборные,

полуразборные

и

неразборные (сварные).

Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменники, в которых

пластины отделены одна от другой прокладками. Монтаж и демонтаж этих аппаратов

осуществляют

достаточно

быстро,

очистка

теплообменных

поверхностей

требует

незначительных затрат труда.

Основные размеры и параметры наиболее распространенных в промышленности

пластинчатых

теплообменников

определены

ГОСТ

15518—83.

Их

изготовляют

поверхностью теплообмена от 2 до 600 м

2

в зависимости от типоразмера пластин; эти

теплообменники используют при давлении до 1,6 МПа и температуре рабочих сред от —

30 до +180° С для реализации теплообмена между жидкостями и парами (газами) в

качестве холодильников, подогревателей и конденсаторов.

Серийно выпускаемые разборные пластинчатые теплообменники могут работать с

загрязненными рабочими средами при размере твердых включений не более 4 мм.

Разборные пластинчатые теплообменники изготовляют в пяти исполнениях, в том

числе на консольной раме (исполнение 1), на двухопорной раме (исполнение 2), на

трехопорной раме (исполнение 3).

Разборный

пластинчатый

теплообменник

на

двухопорной

раме

(исполнение

2)

показан на рисунке 3. Аппарат состоит из ряда теплообменных пластин 4, размещенных на

верхней и нижней горизонтальных штангах 3. Концы штанг закреплены в неподвижной

плите 2 и на стойке 7. Нажимной плитой 11 и винтом 8 пластины сжимаются, образуя

теплообменную секцию.

Теплообменные пластины имеют четыре проходных отверстия (а, б, в, г), которые

образуют две изолированные одна от другой системы каналов. Для уплотнения пластин и

каналов имеются резиновые прокладки. Прокладка 6 уложена в паз по контуру пластины и

охватывает

два

отверстия

на

пластине,

через

которые

происходят

приток

и

вывод

теплоносителя в канал между смежными пластинами, а прокладки 5 герметизируют два

других

отверстия

на

пластине.

Для

ввода

теплоносителей

в

аппарат

и

вывода

предназначены штуцера 1, 9, 10, 12, расположенные на неподвижной и подвижной плитах.

7

Рисунок 3 Разборный пластинчатый теплообменник

Серийно выпускаемые пластинчатые теплообменники комплектуют пластинами,

штампованными из листового металла толщиной 1 мм. Гофры пластин обычно имеют в

сечении профиль равностороннего треугольника высотой 4—7 мм и основанием длиной

14—30 мм (для вязких жидкостей до 75 мм). Материал пластин — оцинкованная или

коррозионно-стойкая

сталь,

титан,

алюминий.

К

недостаткам

пластинчатых

теплообменников следует отнести невозможность использования их при давлении более

1,6

МПа.

Расчет

на

прочность

пластинчатых

теплообменников

сводится

к

расчету

нажимных и промежуточных плит, пластин, штанг, стяжных болтов, коллекторов, днищ и

крышек.

Сравнение пластинчатых теплообменников с кожухотрубчатыми

Коэффициент теплопередачи в пластинчатых теплообменниках в 3–4 раза больше,

чем

в

кожухотрубных,

благодаря

специальному

гофрированному

профилю

проточной

части

пластины,

обеспечивающему

высокую

степень

турбулизации

потоков

теплоносителей.

Соответственно,

площадь

теплопередающей

поверхно сти

теплообменников в 3–4 раза меньше, чем кожухотрубных. Вследствие этого пластинчатые

теплообменники

имеют

малую

металлоемкость,

компактны,

их

можно

установить

в

небольшом помещении.

Высокая ремонтопригодность:

В отличие от кожухотрубных они легко разбираются и быстро чистятся. При этом

не требуется демонтаж подводящих трубопроводов;

В пластинчатом теплообменнике можно легко и быстро заменить пластину или

прокладку, а также увеличить поверхность теплообмена, если со временем возросла

тепловая нагрузка.

Пластинчатые теплообменники набираются из отдельных пластин, поверхность

нагрева которых, как правило, не превышает 2 м2. Это обстоятельство в сочетании с

оптимально выбранным типом пластины позволяет точно, без лишнего запаса, выбрать

теплопередающую поверхность теплообменника.

Срок

эксплуатации

первой

выходящей

из

строя

единицы

уплотнительной

прокладки достигает 10 лет. Срок работы теплообменных пластин 15-20 лет. Стоимость

замены уплотнений от стоимости ПТО колеблется в пределах 15-25 %, что экономичнее

аналогичного процесса замены латунной трубной группы в КТТО, составляющей 80-90%

от стоимости аппарата.

8

Стоимость

монтажа

ПТО

составляет

2-4

%

от

стоимости

оборудования

соответственно. Что ниже на порядок, чем у кожухотрубчатого теплообменника.

Даже

теплоноситель

с

заниженной

температурой

в

системах

теплоснабжения

позволяет нагревать воду в ПТО до требуемой температуры.

Индивидуальный расчет каждого ПТО по оригинальной программе Изготовителя

-

позволяет

подобрать

его

конфигурацию

в

соответствии

с

гидравлическим

и

температурным режимами по обоим контурам. Расчет производится в течении 1-2 часов.

Гибкость:

в

случае

необходимости

площадь

поверхности

теплообмена

в

пластинчатом

теплообменнике

может

быть

легко

уменьшена

или

увеличена

простым

добавлением или убавлением пластин при необходимости.

Двухступенчатая система ГВС, реализованная в одном теплообменнике, позволяет

значительно

сэкономить

на

монтаже

и

уменьшить

требуемые

площади

под

индивидуальный тепловой пункт.

Конденсация водяного пара в ПТО снимает вопрос о специальном охладителе, т.к.

температура конденсата может быть 50 °С и ниже.

Устойчивость к вибрациям: пластинчатые теплообменники высокоустойчивы к

наведенной двухплоскостной вибрации, которая может вызвать повреждения трубчатого

аппарата.

Сравнительные технические характеристики одинаковых по мощности

кожухотрубных (КТО) и пластинчатых (ПТО) теплообменников

9

Заключение

Применение нового технологичного оборудования позволяет наряду с экономией

первоначальных затрат (20-30%) переходить на другие режимы работы. Достигается более

эффективное

использование

источников

энергии,

повышение

их

КПД.

Окупаемость

перевооружения объектов на установке колеблется от 2 до 5 лет, а в некоторых случаях

достигает нескольких месяцев.

10

Список используемой литературы

1

Ахметов С.А. и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и

газа: Учебное пособие. – Спб.: Недра, 2006.

2

Баннов П. Г. Процессы переработки нефти. Москва, 2000, 1 – 2 части.

3

Вержичинская С.В. «Химия технология нефти и газа». М., Форум – ИНФРА-М,

2007.

4

Рудин М. Г. Справочник нефтепереработчика. Ленинград, Химия, 1980

5

Эрих В. Н., Расина М. Г., Рудин М. Г. Химия и технология нефти и газа. М.,

Химия, 2004.

11