Расчет аппарата воздушного охлаждения

Введение

Процессы переработки нефти и газа претерпели в своем развитии как качественные, так и количественные изменения, вытекающие из задач развития экономики нашей страны. В настоящее время в нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности широкое применение находят совмещенные процессы, для которых характерно использование многофункциональных аппаратов с одновременным протеканием стадий реакции, тепло- и массопереноса. Особенно актуально использование многофункциональных аппаратов в малогабаритных малотоннажных установках переработки углеводородного сырья для доведения показателей качества целевых продуктов до требований стандартов.

Чтобы увеличить глубину переработки нефти, необходимо повысить долю вторичных процессов, разработать и внедрить более эффективные катализаторы и прогрессивное оборудование.[9, c.6]

Значительное расширение ассортимента нефтепродуктов и дальнейшее повышение требований к их качеству в связи с интенсивным развитием техники обусловили необходимость использования широкой гаммы процессов химической технологии при переработке нефти и газа; имеются ввиду такие процессы, как ректификация, абсорбция, экстракция, адсорбция, сушка, отстаивание, фильтрование, центрифугирование и др., а также различные химические и каталитические процессы: пиролиз, каталитический крекинг, риформинг, гидроочистка и другие. Это позволило ориентировать нефтегазопереработку на обеспечение всех отраслей промышленности не только топливом, маслами и другими товарными продуктами, но и дешевым сырьем для химической и нефтехимической отраслей, производящих различные синтетические продукты: пластические массы, синтетические каучуки, химические волокна, спирты, синтетические масла и другие.[25]

Осуществление столь разнообразных процессов при переработке нефти и газа потребовало применения аппаратуры, работающей в широком интервале изменения рабочих параметров.

На мировом рынке химической продукции выделяют три основных центра её развития: США, Западная Европа и Япония. Все эти центры имеют существенные стратегии химических компаний. Безусловным и единственным лидером в развитии химической промышленности являются Соединенные Штаты Америки. США обладает всем необходимым для развития химическим сырьем. Там сосредоточен самый современный в мире парк химического оборудования.[22]

Это предъявляет высокие требования к расчету аппаратуры и обоснованию рабочих параметров процесса.

Теоретическое обоснование

Одним из основных видов технологического оборудования на нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических и смежных с ними производствах является теплообменная аппаратура, которая составляет примерно 3040 % по весу от всего оборудования. Значительную долю всех теплообменных аппаратов составляет конденсационнохолодильная аппаратура, предназначенная для конденсации паров и охлаждения жидких продуктов технологических процессов.

В настоящее время в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности находят всё большее применение конденсаторы и холодильники воздушного охлаждения, использующие в качестве охлаждающего агента атмосферный воздух.

Процесс охлаждения строится следующим образом: вода сначала нагревается в рубашках тепловыделяющих агрегатов, затем подается на радиаторы аппарата. Охлаждение воды происходит при помощи вентиляторов и уличного воздуха. В конце она охлаждается до требуемых параметров, и уже потом подается к потребителю.

Аппараты воздушного охлаждения популярны на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях, их применение особенно эффективно там, где есть дефицит оборотной воды. Аппараты могут работать с использованием воздуха — этот хладагент не имеет стоимости.[30]

Аппарат воздушного охлаждения (АВО) предназначен для охлаждения или конденсации технологических потоков газа и конденсата. Эксплуатируется на открытых технологических площадках в районах с умеренным или холодным климатом. Температура технологического потока от −40 до 300 °С, давление до 7,5 Мпа. Теплообменные трубы выполняются длиной от 1,5 до 8 м с оребрением в виде накатанной моно или биметаллической ленты и компонуются в секции. Коэффициент оребрения (отношение полной поверхности оребренной трубы к наружной поверхности трубы по диаметру основания ребер) 9 или 14,6. Мощность установленных электродвигателей составляет 3–100 кВт, что обеспечивает скорости воздушного потока 5–15 м/с в узких сечениях секций. Количество ходов по трубному пространству от 1 до 8.[21]

Аппараты воздушного охлаждения универсальны и экономичны, благодаря чему имеют широкую область применения. АВО работают в установках синтеза аммиака, риформинга углеводородов и крекинга, в производстве хлорорганических продуктов, метанола и многих других.

Правильный выбор размера и типа каждого аппарата, а также его грамотная установка и рациональная эксплуатация значительным образом влияет на сумму первоначальных и последующих расходов при сооружении установок. Стоит уделить особое внимание условиям и способу регулировки температуры технологических потоков.[26]

Главной особенностью аппаратов воздушного охлаждения является использование оребренных труб с чрезвычайно развитой поверхностью теплообмена.

Так при эксплуатации АВО излишки теплоты отдаются непосредственно в атмосферу, а низкие теплогидравлические свойства воздуха — малая плотность, невысокая теплопроводность и низкая скорость, — обусловливают небольшие значения коэффициентов теплоотдачи со стороны воздуха, то при этом используется поверхность теплообмена с высоким отношением площади, контактирующей с воздухом, к площади, омываемой другим теплоносителем. Самые современные методы оребрения теплообменных труб позволяют достигать отношения площади наружной (оребренной) поверхности трубы к площади ее внутренней (гладкой) поверхности в пределах 15—25 раз.

По своим эксплуатационным характеристикам предлагаемые АВО соответствуют лучшим зарубежным образцам.

Сведения

Аппараты воздушного охлаждения удобны в эксплуатации, очистка и ремонт их не требуют больших трудовых затрат. Загрязнение наружной поверхности теплообмена хладоагентом (вохдухом) практически отсутствует даже в условиях обдувки их запыленным воздухом и при значительной степени оребрения теплообменных труб. Отсутствует и коррозия наружной поверхности, свойственная всем конденсаторам и холодильникам, что позволяет довольно легко выбирать материал труб для воздушных конденсаторов. Поэтому становится возможным применение требуемых ингибиторов (аммиачной воды и других), снижающих коррозию не только самих конденсаторов, но и технологически связанных с ними аппаратов.

Эксплуатация воздушных конденсаторов, в которых не применятся вода в качестве хладоагента, исключает опасность аварий в результате внезапного прекращения подачи её на установку. В случае отключения электроэнергии эти аппараты обеспечивают съём 2530% тепла за счёт естественной конвекции воздуха, что уменьшает вероятность возникновения пожара на время, необходимое для аварийного выключения установки.

В северных районах страны применение воздушных конденсаторов позволяет надёжно и экономично охлаждать все технологические потоки, выходящие с установки. В южных районах охлаждение низкокипящих потоков целесообразно проводить в два этапа: воздухом до 60℃ и далее водой в погружных или кожухотрубчатых конденсаторах. В зарубежной практике известны случаи, когда эксплуатация аппаратов воздушного охлаждения оправдана при градиенте температур между охлаждаемой средой и воздухом 1015℃ .[11]

В связи с переменным характером нагрузки аппарата, зависящей от технологического режима, температуры и влажности воздуха, вентиляторы должны иметь возможность регулирования расхода воздуха в широком диапазоне.

Система регулирования должна обеспечивать требования технологии независимо от изменения режима работы вентилятора. Регулирование расхода воздуха производится несколькими способами:

1) изменением расхода охлаждающего воздуха, подаваемого в теплообменные секции;

2) подогревом воздуха (в зимний период) на входе в АВО;

З) перепуском части технологического потока по байпасным линиям через регулирующие клапаны;

4) увлажнением охлаждающего воздуха и поверхности теплообмена, позволяющим снизить температуру охлаждающего воздуха при высокой его температуре в летний период.

Наиболее распространенным способом регулирования является изменение расхода охлаждающего воздуха, которое осуществляется:

- путем использования двухскоростных электродвигателей, что позволяет иметь две локальные величины расхода воздуха и третью - минимальную величину при остановленном вентиляторе (в зимний период при низкой температуре окружающего воздуха аппарат может работать с отключенным вентилятором, при этом охлаждение продукта происходит за счет естественной конвекции). Данный способ является наиболее практичным и экономичным;

- путем плавного регулирования скорости вращения вентилятора применением электродвигателя с переменным числом оборотов, гидропривода, гидромуфт, вариатора, коробки скоростей и т.д.;

- путем регулирования угла поворота лопасти вентилятора. Изменение угла производится вручную при остановленном вентиляторе переустановкой каждой лопасти отдельно или автоматически при использовании пневматического или электромеханического привода. Ступенчатое изменение угла поворота лопастей с остановкой вентилятора предусматривают для сезонного регулирования. Автоматическое регулирование позволяет поддерживать выходную температуру охлаждаемого продукта с точностью до ± 1оС;

- установкой специальных жалюзийных устройств, располагаемых как до вентилятора, так и после теплообменных секций. Жалюзийные устройства могут снабжаться ручным или пневматическим приводом. При повороте жалюзийных элементов уменьшается расход воздуха и увеличивается диапазон рабочих режимов, но при этом такое регулирование сопровождается снижением КПД вентилятора. [16]

Применение АВО способствует сохранению чистоты рек и водоёмов, а также экономии легированных дорогостоящих сталей, которые требуются для защиты от коррозии со стороны охлаждающей воды.[22]

Всем известно, что воздух не является агрессивной средой; он не требует больших затрат; его запасы не ограничены; он представляет собой чистую охлажденную газообразную среду, не требующую обработки и специальных условий хранения.[17]

Чертеж.cdw