Автор: В.В. Каллус (ООО «СОНОРЭ»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №7/2018
Энергоэффективность большинства технологических установок определяется глубиной переработки исходного сырья и степенью вовлечения в технологический процесс вторичных источников энергии. Именно для этого предназначены, в частности, ребойлеры (кипятильники, испарители) – горизонтальные теплообменные аппараты с паровым пространством. Кипение и испарение в них легких фракций кубового продукта массообменных аппаратов способствует углублению переработки исходного сырья, а использование в качестве теплоносителей вторичных горячих потоков (например, готовых продуктов, идущих на склад) ведет к снижению энергопотребления производства в целом. В связи с этим обеспечение высокой эффективности работы ребойлеров крайне актуально.
Однако несмотря на все многообразие теплотехнических задач, решаемых с их помощью, существующая отечественная практика ограничена набором типовых конструкций из восьми модификаций с U-образными теплообменными трубами и 11 модификаций с плавающими головками. И если первые вполне рациональны по своей конструкции, то последние не отличаются особым совершенством и могут быть значительно улучшены путем внесения соответствующих изменений в существующие конструкции.
Трубные пучки с плавающими головками и с U-об-разными теплообменными трубами предназначены для работы в условиях большой разницы температур кожуха и теплообменных труб, создающей значительную разность температурных удлинений названных элементов и требующей соответствующей компенсации. Коренное отличие между ними заключается в том, что плавающая головка позволяет осуществлять чистку внутренней поверхности прямых теплообменных труб, а U-образные теплообменные трубы такой возможности не дают. В связи с этим в аппаратах с плавающими головками могут быть использованы менее чистые теплоносители, обладающие склонностью к образованию отложений на теплообменной поверхности. При этом практичес-кая реализация данного преимущества трубных пучков с плавающими головками в существующих ребойлерах сопряжена с определенными сложностями, так как снятие крышки плавающей головки требует полной разборки всего аппарата для извлечения трубного пучка вместе с крышкой из глухого кожуха. Контроль герметичности плавающей головки и ее техническое обслуживание также невозможны без извлечения всего трубного пучка из кожуха аппарата.
Кроме того, удаление жидкого остатка испаряемого продукта производится в существующих ребойлерах через сливную камеру, располагаемую в торце кожуха за трубным пучком и сливной перегородкой. Это требует, с одной стороны, значительного увеличения длины кожуха и аппарата в целом, а с другой стороны, приводит к определенной неравномерности в концентрации испаряемого продукта по длине трубного пучка, что сказывается в итоге на интенсивности процессов кипения и испарения.
Реальные теплотехнические задачи, для решения которых используются ребойлеры, определяются расходами и температурами теплоносителей и хладагентов, их теплофизическими свойствами и допустимыми потерями давления в трубах. Использование в качестве теплоносителей вторичных источников тепловой энергии, отличающихся, как правило, малой теплоемкостью, низкой теплопроводностью и повышенной вязкостью, неизбежно требует существенной интенсификации теплообмена, так как в условиях пониженных значений температурного напора и теплоотдачи обусловливает формирование неоправданно большой площади теплообменной поверхности.
Интенсификация процесса кипения жидкого продукта в ребойлерах возможна только за счет увеличения теплоотдачи со стороны теплоносителя, величина которой определяется скоростью потока. Однако уменьшение проходного сечения трубного пространства при неизменном числе ходов по трубам ведет к сокращению площади теплообменной поверхности. Поэтому, обеспечивая нужную площадь теплообменной поверхности в ребойлере, неизбежно приходится жертвовать оптимальностью гидродинамического режима и интенсивностью теплопередачи. То есть применение узкого ряда типовых конструкций неизбежно сопряжено с формированием в аппаратах крайне нерациональных гидродинамических режимов, когда вследствие низких скоростей теплоносителя в трубах создаются условия для интенсивного образования отложений, из-за чего существенно сокращается срок межремонтного пробега. Повсеместная практика увеличения продолжительности межремонтного пробега настоятельно требует значительного увеличения скоростей теплоносителя в трубах, для чего в аппаратах нужно увеличивать число ходов, создавая ребойлеры с шестью и восьмью ходами по трубному пространст-ву. Чем выше скорость теплоносителя в трубах, тем меньше интенсивность образования отложений на теплообменной поверхности и меньше термическое сопротивление возникающих отложений. При этом ограничением для числа ходов должны оставаться только допустимые потери давления.
Действующая нормативно-техническая документация (ТУ 3612-013-00220302–98 «Аппараты теплообменные кожухотрубчатые специального назначения. Испарители с паровым пространством») предлагает для применения в качестве ребойлеров теплообменные аппараты типа BКT по классификации международного стандарта ТЕМА: с распределительной камерой канального типа с глухим днищем (тип B), с глухим кожухом увеличенного диаметра, создающим паровое пространство над трубным пучком (тип K), с полнопроходной плавающей головкой (тип T). При этом набор типовых конструкций ограничен по числу ходов в трубах (только два или четыре хода), по номинальному давлению (не более 2,5 МПа в кожухе и не более 4,0 МПа в трубах) и по проходному сечению в трубах, которое эквивалентно следующим диаметрам трубопроводов, подводящим теплоноситель: DN 400; 350; 300; 250; 200; 150 и 100 мм.
Главной отличительной чертой аппаратов данного типа является использование в нем плавающей головки, крышка которой должна монтироваться на подвижной трубной решетке до сборки трубного пучка с кожухом вследствие его размещения в неразборном глухом корпусе. При этом в процессе изготовления и эксплуатации подобных ребойлеров обнаруживаются следующие их особенности, безусловно требующие совершенствования:
- существенно увеличивается масса трубного пучка, собираемого с кожухом;
- нарушение герметичности плавающей головки требует ее извлечения из кожуха вместе с трубным пучком;
- использование полнопроходной плавающей головки значительно уменьшает площадь теплообменной поверхности при сопоставимых размерах трубного пучка.
В связи с этим наиболее рациональной представляется конструкция ребойлера с плавающей головкой, вынесенной за пределы кожуха, что позволит производить ее обслуживание, не извлекая из аппарата весь трубный пучок, уменьшить длину аппарата в целом, увеличить площадь теплообменной поверхности при неизменном диаметре трубного пучка и распределительной камеры, интенсифицировать теплоотдачу со стороны теплоносителя.
Продольный разрез нового ребойлера представлен на рис. 1. В нем, как в аппарате типа S по стандарту ТЕМА, плавающая головка вынесена за пределы кожуха и закрывается отдельной крышкой.
Размещение плавающей головки за пределами кожуха позволяет собирать ее после того, как трубный пучок помещен в кожух, и производить техническое обслуживание без извлечения трубного пучка из аппарата. В случае нарушения герметичности плавающей головки в процессе эксплуатации достаточно разобрать крышку кожуха, чтобы произвести необходимые работы.
В целях дополнительного снижения трудоемкости технического обслуживания ребойлера в процессе эксплуатации представляется необходимым сделать его распределительную камеру типа А по стандарту ТЕМА, т.е. канального типа со съемной плоской крышкой. Тогда при вскрытии аппарата не придется демонтировать трубопроводы теплоносителя, поступающего в трубное пространство.
Вследствие вынесения плавающей головки за пределы кожуха наружный диаметр ее крышки не ограничивается внутренним диаметром распределительной камеры, что позволяет значительно увеличить число теплообменных труб, размещаемых в подвижной трубной решетке. При неизменном размере распределительной камеры площадь теплообменной поверхности в подобном аппарате увеличивается не менее, чем на 40% по сравнению с типовой конструкцией. Так, в аппарате диаметром 1200 мм типа T площадь теплообменной поверхности составляет 357,0 м2, а в аппарате типа S составит 499,3 м2.
Вынесение плавающей головки за пределы кожуха исключает размещение сливной камеры в торце аппарата и предполагает ее создание вдоль цилиндрической части кожуха. При этом общая длина аппарата сократится не менее, чем на 1000 мм по сравнению с типовой конструкцией, а длина переливной перегородки составит не менее половины длины трубного пучка, что значительно облегчит удаление жидкого остатка кипящего продукта.
Поперечный разрез нового ребойлера представлен на рис. 2. В отличие от типовой конструкции трубный пучок в нем приподнят над нижней образующей кожуха, а сливная камера перенесена на боковую поверхность.
Канал, расположенный под трубным пучком и формируемый за счет опорных поверхностей кожуха и полос скольжения трубчатки, обеспечивает равномерное распределение потока жидкого продукта, поступающего в аппарат, по всей длине теплообменных труб и направляет его внутрь трубного пучка, что безусловно способствует интенсификации теплообмена, так как исключает байпасные (паразитичес-кие) перетоки.
Сливная камера, расположенная на боковой поверхности кожуха, представляет собой карман, оборудованный сливным патрубком, через который происходит удаление из аппарата жидкого остатка кипящего продукта. При необходимости аппарат может оборудоваться второй сливной камерой, располагаемой на противоположной стороне кожуха.
По аналогии с типовыми конструкциями аппарат оснащается патрубками для уровнемеров, которые позволяют контролировать уровень жидкости как в сливной камере, так и в самом аппарате, чтобы, с одной стороны, исключить перегрев теплообменных труб при их осушении, а с другой – не допустить проскоков пара через сливную камеру.
Таким образом, перед типовыми решениями предлагаемая конструкция ребойлера обладает следующими неоспоримыми преимуществами:
- увеличенной площадью теплообменной поверхности, которая не менее, чем на 40% превышает аналогичную характеристику стандартного аппарата, имеющего сопоставимый диаметр распределительной камеры;
- высокой интенсивностью теплопередачи, которая обеспечивается за счет оптимизации скоростного режима потока теплоносителя и соответствующего повышения степени нагрева теплообменных труб;
- повышенной надежностью и долговечностью, которые являются следствием вынесения плавающей головки за пределы кожуха и обеспечения ее увеличенной прочности и доступности для технического обслуживания в процессе эксплуатации;
- простотой изготовления и эксплуатации, которая также основана на вынесении плавающей головки за пределы кожуха и создании условий для ее удобной собираемости, как в процессе сборки самого трубного пучка, так и аппарата в целом;
- увеличенным межремонтным пробегом, гарантированная продолжительность которого обеспечивается соответствующим скоростным режимом теплоносителя, значительно снижающим скорость образования и термическое сопротивление отложений, возникающих на теплообменной поверхности в процессе эксплуатации.
