Резюме
С развитието на съвременната индустриализация ниско{0}}въглеродната индустрия се превърна в неизбежна тенденция. В различни промишлени области са разработени високо-ефективни и-енергоспестяващи топлообменници, които да заменят традиционното топлообменно оборудване. Самото подобряване на производителността на топлообменниците обаче не може да постигне оптимален-ефект на спестяване на енергия за цялата производствена система.
Въз основа на действителните условия на работа в нефтохимическата промишленост, този документ прави преглед на средите на приложение на различни типове топлообменници, развитието на енергоспестяващи-технологии, както и напредъка в изследванията за отстраняване на замърсяване и отстраняване на дефекти. Предлагат се и нови насоки за изследване.
Топлообменникът, известен още като топлообменник, е устройство, използвано главно за постигане на пренос на топлина между различни течности. По време на нефтохимическото производство технологичните среди често трябва да се нагряват или охлаждат. Според различните работни условия и производствени изисквания могат да бъдат избрани различни видове топлообменници, за да се гарантира, че процесните течности достигат необходимите температурни нива и отговарят на изискванията на процесите на химична реакция.
Поради своите принципи на работа и функции, топлообменниците играят важна роля в целия процес на рафиниране. Те са ключово оборудване за осигуряване на правилен температурен контрол на технологичните флуиди, поддържане на стабилна работа на системите за рафиниране и възстановяване на отпадната топлина за пестене на енергия. Освен това, тъй като топлообменното оборудване се използва широко в нефтохимическата промишленост, то представлява значителна част от инвестиционните разходи за оборудване. Свързаната с това консумация на енергия и загубите на метал също са основни фактори, изискващи внимание.
1. Напредък на приложението на топлообменниците в нефтохимическата промишленост
1.1 Приложение на топлообменници с топлинни тръби при оползотворяване на отпадна топлина
Топлообменниците с топлинни тръби се прилагат успешно при тежки условия за оползотворяване на отпадъчна топлина в петролната промишленост, особено в процеси, включващи горива с високо-серно съдържание.
В нефтохимическите производствени процеси оборудването за високо{0}}нагряване и крекинг е от съществено значение. Например при производството на леки олефини обикновено се използват пещи за високо{2}}температурен крекинг на петролна нафта. Температурата на отработените газове от тези пещи може да достигне 200–400 градуса. Поради тежката работна среда, генерираният отпадъчен газ не може да бъде директно изхвърлен в атмосферата.
Топлообменниците с топлинни тръби за предварително нагряване на въздуха могат да използват остатъчната топлина от отработените газове за предварително загряване на въздуха за горене, като подобряват енергийната ефективност, като същевременно намаляват замърсяването на околната среда.
През последните години различни комбинации от тръбни топлообменници бяха широко разпространени както в страната, така и в международен план, за да се постигне по-добро-спестяване на енергия и оползотворяване на отпадната топлина. Основният производствен процес е показан на фигура 1.
1.2 Приложение на топлообменници със спирална преграда в процеси на охлаждане и топлообмен
Топлообменникът със спираловидна преграда е нов тип високо{0}}ефективно топлообменно оборудване. Неговата концепция произлиза от структурата на спиралния пластинчат топлообменник, предложена от шведската компания Rosenbland през 1930 г., която впоследствие е патентована. По-късно страни, включително Обединеното кралство, Съединените щати, Германия и бившия Съветски съюз, разработват и произвеждат подобно оборудване.
Китай започна да въвежда и прилага тази технология в химическата промишленост през 50-те години на миналия век. До средата на 60-те години местните производители са постигнали масово производство чрез процеси на валцуване. През 1973 г. Китай съставиРъководство за избор на чертежи на спирален пластинчат топлообменник. Най-новият стандарт, JB/T4751Спирален пластинчат топлообменник(издание от 2003 г.), представлява нивото на развитие на технологията за спирален пластинчат топлообменник в Китай.
В сравнение с традиционните топлообменници, спиралните пластинчати топлообменници имат предимства, включително по-високи коефициенти на топлопреминаване и способност за само{0}}почистване, причинена от турбуленцията на флуида, което помага за предотвратяване на натрупването на утайки.
Следователно в нефтохимическата промишленост спиралните пластинчати топлообменници се използват главно за процеси на нагряване и охлаждане, включващи бензин, дизелово гориво, амонячна вода, хлорна вода, солен разтвор, силни киселини, силни основи и азот-водород-амоняк смесени газове.
Те също се прилагат широко в системи за отопление, охлаждане, кондензация и повторно кипене на алкохоли, смоли, урея, мономери с малка молекула, полимеризирани олефини и свързани междинни продукти.
Hao Zhenliang и др. експериментално изследва връзката между спада на налягането от страна на черупката- и скоростта на потока, вариацията на ефективността на конвективния топлопренос от -страни на черупката с числото на Рейнолдс (Re) и числото на Нуселт (Nu) и коефициента на топлопреминаване на -страни на черупката при условия на падане на налягането на единица за топлообменници със спирална преграда и сегментна преграда.
Техните изследвания предоставиха насоки за избор на оборудване при различни работни условия. Основните изводи са следните:
(1) При същите условия на числото на Рейнолдс коефициентът на конвективен топлопренос на -страни на черупката на топлообменниците със сегментна преграда е по-висок от този на топлообменниците със спирална преграда.
(2) При същия диаметър на обвивката и условия на скорост на потока, спадът на налягането от страната на обвивката-на топлообменниците със спирална преграда е в отрицателна корелация с ъгъла на спиралата. Въпреки това, независимо от избрания спирален ъгъл, спадът на налягането остава по-нисък от този на сегментните топлообменници с преграда.
(3) За разлика от горните две заключения, когато се разглежда производителността на топлопреминаване за единица спад на налягането, коефициентът на конвективен топлопренос на -страни на черупката на топлообменниците със спирална преграда е по-висок. Когато ъгълът на спиралата е приблизително 40 градуса, коефициентът на конвективен топлопренос достига максималната си стойност, което води до най-високата обща производителност на топлопреминаване.
1.3 Енерго{1}}спестяващо приложение на високо-ефективни пластинчати топлообменници при рафиниране на нефт
В средни и големи -мащабни петролни рафинерии може да има приблизително 400 топлообменника от различни типове. Тези системи често работят при условия на високо налягане и висока температура. В международен план кожухотрубните топлообменници са достигнали работни нива от 8,4 MPa налягане и температура от 1500 градуса, като зоните за пренос на топлина достигат до 6700 m².
Поради високите разходи за изграждане на офшорни петролни платформи, заварените пластинчати топлообменници са широко използвани в офшорното производство на нефт поради тяхната компактна структура, лек дизайн, отлична производителност на топлопренос и по-ниска цена.
Основните им приложения включват охлаждане на механично смазочно масло и сладка вода (като вода за охлаждане на кожуха на двигателя). В нефтените полета те могат да се използват и за отопление на суров петрол и други процеси.
Основното предизвикателство е в проектирането и изчисляването на процесните системи. В действителното производство загубите на енергия често се причиняват от неразумно проектиране на процеса.
Chen Jianwei и др. проведе теоретично изследване на изчисляването на спада на налягането на охлаждащи пластинчати топлообменници, използвани в нефтохимически приложения. Въз основа на характеристиките на топлообменниците и принципите на топлопренос, те приемат, че течната фаза по протежение на канала на потока се увеличава линейно и установяват връзки между дължината на канала на потока, действителното масово качество на парите и обемното качество на парите. Резултатите от изчисленията бяха в съответствие с практическите експлоатационни данни.
Основните изводи са следните:
(1) При условия на фазова-промяна, когато се изчислява спадът на налягането на течността, течността трябва да се разглежда като дву-фазен или многофазен поток. Моделите на едно-фазен поток или хомогенен поток не трябва да се използват като заместители на изчисленията на многофазния поток. Трябва да се приложи модел на отделен поток.
(2) По време на процесите на охлаждане в нефтохимическата промишленост може да възникне частична кондензация, което води до образуване на течни филми върху повърхностите за пренос на топлина. Ето защо, когато избирате компактни топлообменници като топлообменници с пластинчати-ребра, постигането на разумен и икономичен дизайн изисква разглеждане на структурни параметри. Простото увеличаване на площта за пренос на топлина и добавяне на граници на безопасност не е достатъчно.
1.4 Приложение на тънкослойни изпарители в процесите на концентриране и сушене
Тънкослойните изпарители обикновено се използват в нефтохимически процеси като концентрация на сода каустик, изпаряване на натриев сулфид, сушене на смола и сушене на каучук. Те осигуряват значителни икономически ползи.
В сравнение с традиционно оборудване като чугунени изпарителни съдове, тънкослойните изпарителни топлообменници, нагрявани от пещи с термично масло, имат следните предимства:
(1) Отпечатъкът на оборудването може да бъде намален с близо 6%. Процесът позволява механизирано изпаряване, опростява работата и преобразува периодичното производство в непрекъснато производство, като по този начин подобрява промишлената ефективност.
(2) Задвижван от въртящия се скрепер, ефективността на топлопреноса е значително подобрена. Времето за изпаряване на повърхността може да бъде намалено до по-малко от една минута, намалявайки образуването на котлен камък и отлагането на въглерод. Продуктът е по-малко вероятно да се разложи и е подходящ за чувствителни към топлина-материали. В същото време се намалява образуването на утайки, което води до по-лесна поддръжка и почистване.
(3) В сравнение с чугунените изпарителни съдове, поддържащата термична маслена пещ може да намали потреблението на въглища с приблизително 50%. Може да работи при температури до 300 градуса, като същевременно поддържа безопасна работа при условия без-налягане.
(4) Оборудването е удобно за проектиране-нагоре на процеса и може да замени традиционните сушилни-тип чайник. По време на мащабно-разширяване на производството, отклонението, причинено от увеличаване на мащаба, е сравнително малко.
Въпреки това все още съществуват някои технически предизвикателства в практическите приложения.
For example, scraper grooves are usually made of polytetrafluoroethylene (PTFE), which has excellent corrosion resistance but limited high-temperature resistance. One possible solution is to use materials such as graphite that provide both corrosion resistance and high-temperature resistance (>280 градуса).
Процесните тръбопроводи обикновено са направени от безшевни тръби, които може да изискват подмяна приблизително на всеки 30 дни. Възможно подобрение е да се използват тръби от неръждаема стомана или тръби с устойчиви на корозия-вътрешни облицовки, като например покрити с флуоропласт-топлообменни тръби.
Освен това проблемите с корозията, свързани с циркулационните помпи, също изискват допълнителни решения.
2. Отстраняване на замърсяване и противодействие на топлообменно оборудване в нефтохимическата промишленост
Според Steinhagen et al., проучване на 3000 различни типа топлообменници в Нова Зеландия показва, че повече от 90% от топлообменниците са имали проблеми със замърсяване. Сравнение на условията на замърсяване между различните видове топлообменници е показано на фигура 2.
Вътрешни и международни проучвания показват, че годишните разходи, свързани с обработката на замърсяване в нефтопреработвателната и химическата промишленост, достигат приблизително 15,6 милиона, което води до значителни икономически загуби и потребление на ресурси.
При реални работни условия в нефтохимическата промишленост, механизмите на образуване и класификациите на замърсяването могат да бъдат разделени главно в следните категории:
Модели на замърсяване от корозия
Модели на замърсяване от втвърдяване
Модели на{0}}предизвикано замърсяване от повърхностен материал
Модели-за замърсяване в газова фаза
Модели на замърсяване с химическа реакция
По време на прогнозирането и анализа на практическата работа замърсяването може да бъде класифицирано според тези механизми. Чрез избор на подходящи типове топлообменници според различните работни условия и изчисляване на оптимални интервали на почистване, икономическите загуби могат да бъдат намалени.
Освен това, имайки предвид високата-температура и високо{1}}налягане в нефтохимическите приложения, основните методи за обработка включват:
Подобряване на топлообмена
Методи за механично почистване
Химически методи за почистване
Онлайн мониторинг и{0}}технологии за почистване в реално време
3. Анализ на повреди и поддръжка на топлообменници в нефтохимическата промишленост
3.1 Предотвратяване на корозия и износване в топлообменниците
По време на работа на топлообменници в нефтохимическата промишленост често възникват аварии с изтичане на корозия. Тези повреди могат да прекъснат стабилното производство и се считат за един от основните проблеми с оборудването в нефтохимическите системи.
Такива проблеми с изтичане се класифицират главно на изтичане от ерозия и изтичане от корозия. Настоящите решения се фокусират главно върху ремонт на повредено оборудване след възникване на повреди, подобряване на производствените процеси за предотвратяване на повреди и намаляване на деградацията на оборудването чрез правилен избор на материали и типове топлообменници.
3.1.1 Причини за корозия и износване в топлообменниците
Анализ от гледна точка на суровините
Суровините, използвани в нефтохимическото производство, особено суровият нефт, съдържат сложни химически компоненти. В допълнение, суровият петрол обикновено има висок вискозитет и съдържа твърди частици с необичайни размери.
В резултат на това работната среда в контакт с повърхностите на топлообменника е много сложна. Оборудването често е подложено както на механични повреди, причинени от физическо триене, така и на тежка химическа корозия.
Анализ от гледна точка на химичните процеси
The entire petrochemical production chain often involves high-temperature (>1000 градуса ) и работни условия при високо{1}}налягане. Различни форми на корозия могат да възникнат едновременно и да взаимодействат помежду си.
Например, високата скорост на потока, необходима по време на производствените процеси, е пряка причина за ерозионна корозия, като същевременно ускорява съществуващите проблеми с изтичане на корозия.
Следователно при повреда на топлообменника изтичането и корозията обикновено са тясно свързани и могат да създадат синергичен ефект, който ускорява влошаването на оборудването.
3.1.2 Класификация на корозията и износването на топлообменника и мерките за противодействие в нефтохимическата промишленост
(1) Повърхностна корозия и износване на топлообменниците
Повърхностната корозия е най-честата причина за изтичане на тръбата на топлообменника, което представлява приблизително 90% от случаите.
Процесните среди, използвани в нефтохимическото производство, често имат определени нива на вискозитет и адхезия. Високо{1}}скоростните течности, съдържащи твърди частици и мехурчета, непрекъснато въздействат върху повърхностите за пренос на топлина, генерирайки локално повърхностно налягане до 10 MPa, което може да причини ерозия от умора и увреждане на металната повърхност.
Следователно изискванията на процеса често уточняват, че средната скорост на потока трябва да бъде по-голяма от 2 m/s.
(2) Електрохимична корозия, причинена от повърхностни отлагания
По време на процесите на рафиниране на петрол, технологичните среди обикновено имат висок вискозитет и могат да претърпят втвърдяване при определени условия. Това може да доведе до натрупване на материали върху повърхностите на топлообменника и образуване на отлагания.
Нестабилните, прекъснати и неравномерни характеристики на тези отлагания могат да доведат до пукнатини и празнини. Разликите в концентрацията на кислород между вътрешната и външната част на тези празнини могат да предизвикат електрохимична корозия.
Свързаните корозионни реакции включват главно:
Реакции на разтваряне на метали, а именно анодно окисление;
Реакции на катодна редукция;
Прогресивно разширяване на корозията, причинена от електрохимичен дисбаланс.
(3) Корозия на водната повърхност на топлообменните тръби
В системите за топлообмен водата често се използва като среда за пренос на топлина, което прави корозията-от страната на водата често срещан проблем.
Основните механизми на корозия включват:
Намаляване на pH стойността;
Проникване на водни пари;
Атака, причинена от разтворен кислород;
Корозия на хлоридни йони (Cl⁻);
Корозия на сулфидни йони (S²⁻).
Тези реакции могат най-общо да бъдат разделени на химическа корозия и електрохимична корозия.
Изискванията за устойчиви-на корозия материали от страната на водата на топлообменните тръби включват:
Добра топлопроводимост и силна повърхностна адхезия;
Отлична устойчивост на температурни промени и достатъчна твърдост;
Силна устойчивост на йонна корозия;
Добра производителност против-нагар;
Отлична устойчивост на проникване на водни пари.
3.1.3 Методи за защита от корозия за топлообменници
Понастоящем методите за защита от корозия за топлообменници в нефтохимическата промишленост включват главно:
(1) Защита на жертвения анод
Този метод защитава материалите на топлообменника чрез използване на по-активен метал като жертвен анод за предотвратяване на корозия на основното оборудване.
(2) Разработване и прилагане на анти{1}}корозионни покрития
Анти{0}}корозионните покрития се използват широко в защитата на топлообменниците. Чрез нанасяне на изключително тънко метално покритие или неорганично покритие върху контактната повърхност, вредните вещества и замърсяващите отлагания могат да бъдат ефективно изолирани.
Често използвано покритие е CH-784 епоксидна амино антикорозионна покривна система.
(3) Подобряване на топлообменните материали
За да се предотврати корозия, причинена от качеството на водата и агресивните среди, могат да бъдат избрани подобрени материали.
Топлообменниците, изработени от неръждаема стомана, медни сплави и титанови сплави, обикновено осигуряват отлична устойчивост на корозия. По-високите им разходи за материали обаче ограничават приложението им в някои отрасли.
3.2 Технология на заваряване за ремонт на пукнатини на фланеца на топлообменника
Понастоящем технологията за ремонт чрез заваряване със студен синтез се използва широко за поддръжка на индустриални полета.
Технологията за заваряване чрез студен синтез е нова технология за ремонт, разработена въз основа на техники за заваряване в защитен газ. Често се прилага при ремонт и поддръжка на повредени топлообменници в нефтохимическата промишленост.
Основните му характеристики включват:
(1) Ниско подаване на топлина и кратко време за заваряване
Топлината, генерирана по време на заваряване, е изключително ниска. Процесът на заваряване отнема само няколко десетки милисекунди, избягвайки проблеми като обезцветяване при отгряване.
(2) Малък басейн за заваряване и отлично качество на ремонта
Обемът на заваръчната вана е по-малък от 2 mm³. Разпределението на напрежението е разпръснато, намалявайки концентрираното напрежение върху ремонтирания компонент.
Процесът не причинява напукване или деформация. В допълнение, защитата от инертен газ предотвратява образуването на пори и мехурчета, което води до гладка и чиста ремонтирана повърхност.
(3) Компактно оборудване и пригодност за -ремонт на място
Заваръчното оборудване е малко и е подходящо-за ремонт на място в реално време.
Може да се избере широка гама заваръчни телове, позволяващи ремонт на топлообменници от различни материали.
4. Перспективи за бъдещо развитие
Струва си да се отбележи, че различните изисквания на процеса изискват различни видове топлообменници. В допълнение, паралелното или последователно разположение на топлообменниците оказва значително влияние върху експлоатационните характеристики на цялата технологична система.
Изборът и съвпадението на компонентите също са критични фактори. Надеждният-ориентиран дизайн изисква компонентите да имат достатъчна адаптивност, за да издържат на различни работни условия, произволни промени в натоварването и вариации на напрежението, често срещани в нефтохимическата промишленост. Тази концепция за дизайн осигурява подобрения спрямо ограниченията на конвенционалните методи за проектиране.
По отношение на енергоспестяването и намаляването на емисиите, бъдещото развитие не трябва да се фокусира само върху подобряването на структурите на топлообменника, но също така да обърне повече внимание на разработването на модерни материали за топлообменник.
Сред тези изследователски области технологията за повърхностно покритие на топлообменника има значителен потенциал. Бъдещата посока на развитие на покритията включва:
Лек дизайн;
Устойчивост на висока-температура и високо{1}}налягане;
Отлична устойчивост на корозия;
По-ниски производствени разходи;
По-икономична работа и поддръжка.
Понастоящем развитието на симулационни технологии и инженерен софтуер също се превръща във важно изследователско направление. Тези технологии могат да предоставят ефективни насоки за прогнозиране на замърсяване, оптимизиране на цикъла на почистване и оценка на оперативната ефективност.
