Теплообменники. Инжиниринговая компания ЛОТОС
Снижение энергозатрат производств и значительное уменьшение выбросов
тепла в атмосферу на фоне качественного улучшения жизни людей на Земле…
Александр Шершевский
Генеральный директор ЗАО «ЛОТОС»

Теплообменники: конденсация под контролем Lotus

Анализ конструкций конденсаторов, использующихся на предприятиях нашей страны показал, что все они работают в плёночном режиме без какого-либо управления процессом конденсации, ровно как и процессом охлаждения конденсата, что обусловлено их конструктивным исполнением.

В свою очередь отсутствие управления этими процессами — это прямой путь к увеличенным площадям теплообмена, увеличенным весовым и габаритным характеристикам конденсаторов, нерациональному использованию производственных площадей, увеличенному расходу охлаждающей воды, потерям углеводородных фракций с низкой температурой кипения, что в конечном итоге и ухудшает эффективность и успешность российских перерабатывающих предприятий.

Двигаясь по пути предоставления Заказчикам индивидуальных решений, обеспечивающих максимально эффективную работу каждого конкретного теплообменного аппарата инженеры ЗАО «Лотос» разработали и поставили в адрес ООО «Самараоргсинтез» партию специализированных конденсаторов углеводородных фракций, отличающихся не только оригинальной конструкцией, но своей эффективностью.

Введение

При рассмотрении процессов конденсации углеводородных фракций в смеси с неконденсирующимися компонентами (при рабочих условиях) важнейшим фактором является глубина охлаждения данной смеси — как определяющее условие перехода максимального количества паров в жидкое состояние. Как известно это определяется равновесием парциальных давлений паров над жидкостью и их абсорбционной способностью [1, 5], т. е. чем ниже температура выхода потока, тем меньше массовое содержание пара в газовой смеси и большее количество конденсата.

Описанные условия определяют количество сброса потенциального продукта в паровой фазе на «свечу» или «факел». Таким образом, основной задачей при использовании конденсаторов многокомпонентных смесей является полная конденсация паровой фазы за счет достижения минимальновозможных температур конденсата и находящихся в равновесии с ним паров.

Другим важнейшим моментом при конденсации фракций в смесях является степень «проскока» паров из-за конструктивных особенностей аппаратов, когда некоторая часть входящего газа практически не участвует в теплообмене, минуя теплообменные поверхности, и слабо взаимодействует с охлаждёнными массами среды.

В конструкции стандартных кожухотрубных конденсаторов неизбежны существенные зазоры между поперечными перегородками и обечайкой кожуха, которые способствуют перетокам среды в них, снижая степень теплообменного контакта.

Как правило, вследствие больших проходных сечений по межтрубному пространству скорости потоков в стандартных аппаратах минимальны. Это создаёт условия для расслоения потока на перегретый пар и насыщенный пар. При малых скоростях эффективность охлаждения перегретого пара сводится к свободной конвекции, являющейся самым малоэффективным процессом. Такой же режим характеризует и процесс охлаждения конденсата, скорость движения которого недопустимо мала и, зачастую для снижения его температуры до требуемого уровня, необходимо использовать дополнительный аппарат существенных размеров.

Рассмотренные конструкции унифицированных кожухотрубных конденсаторов, как говорилось выше, характеризуются плёночным режимом конденсации, где скорости паров в межтрубном пространстве крайне низкая. В таком режиме толщина плёнки конденсата на поверхности труб кожухотрубного теплообменника определяется в основном силами поверхностного натяжения жидкости и гравитационными силами. В свою очередь жидкостная плёнка имеет собственное термическое сопротивление, зависящее от её толщины и теплопроводности. Влияние толщины плёнки на эффективность процесса конденсации отражено в литературе [1, 10] при описании экспериментальных данных на статической модели — влияние перепада температур на интенсивность теплоотдачи. Из приведённых зависимостей следует, что с повышением разницы температур (охлаждение стенки при постоянной температуре насыщенного пара) интенсивность конденсации снижается, однако потенциал (температурный напор) для протекания процесса должен быть пропорционален росту эффективности теплоотдачи. Отсюда следует вывод, что при плёночной конденсации основным сдерживающим фактором является термическое сопротивление плёнки, толщина которой увеличивается с ростом температурного напора в силу ограничения скорости движения этой самой плёнки по поверхности труб и увеличения скорости конденсации.

Интенсификация процесса конденсации для углеводородных фракций имеет существенное значение, т.к. в соответствии с их теплофизическими свойствами теплоотдача их определяется около диапазона 700—6000 Вт/м2*К, чаще 1500-2500 (в плёночном режиме), тогда как у воды она может достигать 14000 Вт/м2*К.

Этот дисбаланс по теплоотдачам определяет целесообразность интенсификации процесса конденсации. Об интенсификации теплоотдачи говорится во многих авторитетных трудах, в том числе у Кутателадзе С.С. [8], где говорится о переводе конденсации из плёночного режима в капельный, при котором коэффициент теплоотдачи повышается в 10 раз.

Для уменьшения поверхности теплообмена и самих компрессорных агрегатов [7] применяется способ распыления жидкого масла в камере сжатия, что позволяет увеличить поверхность контакта теплообмена за счет испарения, конденсации и изменения температуры масла и как следствие охлаждения сжатого воздуха. Из изложенного следует, что срыв плёнки конденсата с теплообменных поверхностей и увеличение поверхности контакта путем разбрызгивания и дробления капель конденсата приводит к значительному повышению интенсификации процессов конденсации и охлаждения конденсата и как следствие к уменьшению потерь углеводородных продуктов.

Анализ используемых сегодня зависимостей по определению коэффициента теплоотдачи при конденсации показал, что, начиная от формулы В. Нуссельта [уравнение 1] для плёнки и П.Л. Капицы для турбулентной плёнки, существующие подходы не учитывают изменение скорости потока пара и скорости самой плёнки, присутствующей всегда на смачиваемой поверхности. Имеющиеся зависимости в основном корректируются эмпирическими коэффициентами для отдельных частных случаев, и данная область является на сегодняшний день не достаточно изученной [1, 2, 6, 10]. Однако, как показывает практика и теоретические исследования [1, 3, 4, 8], управление процессом конденсации возможно посредством организации направленных гидродинамических режимов и скоростей потоков в проходных сечениях кожухотрубных теплообменных аппаратов Lotus.

Все перечисленные факторы, определяющие интенсификацию теплообмена, полностью теряют смысл при появлении отложений на поверхности теплообмена с термическими сопротивлениями 2х10-4 — 4х10-3 м2хК/Вт, сводящие общую теплопередачу к значениям  до 300 Вт/(м2хК) и менее. Поэтому с отложениями необходимо категорически и беспощадно бороться любыми способами, а именно минимизацией застойных зон, уменьшением общей вязкости смеси, смягчением температурных режимов в процессе теплообмена [9], которыми с успехом пользуются специалисты компании ЗАО «Лотос» при разработке высокоэффективных конденсаторов Lotus.

В настоящей статье будут описаны конденсаторы, в том числе работающие и под вакуумом, где всегда присутствуют компоненты атмосферного воздуха, не конденсирующиеся при рабочих условиях установки. В связи со сказанным неизбежно применение специальных устройств для сепарации жидкости и «инерта», а также минимизации описанных выше перетоков.

Работа с вакуумом вносит дополнительные затруднения работы конденсаторов, что также необходимо учитывать при индивидуальном проектировании специализированных конденсирующих устройств.

Цель и задачи

При разработке четырёх интенсивных конденсаторов Lotus для ООО «Самараоргсинтез» была сформулирована основная цель: «Разработка и изготовление эффективных конденсаторов со встроенными охладителями конденсата углеводородных фракций из парогазовой смеси».

Для достижения поставленной цели специалистами компании решались следующие задачи:

  1. Обеспечение максимальной интенсивности теплоотдачи по трубному и межтрубному пространствам в рамках допустимых потерь давления;
  2. Исключение образования отложений на теплообменных поверхностях;
  3. Создание условий для интенсификации процесса конденсации;
  4. Углубление охлаждения конденсата;
  5. Снижение потерь паров продукта, отдуваемых на «свечу»;
  6. Минимизация расхода охлаждающей воды;
  7. Увеличение эффективности использования производственных площадей;
  8. Снижение капитальных затрат при строительстве установки;
  9. Снижения текущих затрат при последующей эксплуатации теплообменного оборудования.

Все представленные задачи и цель были реализованы, что подтверждено внедрением интенсивных конденсаторов Lotus на ООО «Самараоргсинтез».

Методы решения поставленных задач

Накопленный десятилетиями теоретический и практический опыт работы по индивидуальному проектированию интенсифицированного кожухотрубчатого теплообменного оборудования специалисты компании ЗАО «Лотос» спроектировали специализированные конденсаторы для охлаждения фракций изопропилбензола, бензола-сырца, этилбензола, пропилена взамен аппаратов внешнего теплообмена на ООО «Самараоргсинтез» в цехе №7, отделении №15.

Маркировка перечисленных аппаратов:

  • 09386 Конденсатор Lotus WV-4,2;
  • 09387 Конденсатор Lotus WV-2,62;
  • 09388 Конденсатор Lotus WV-4,42;
  • 09389 Конденсатор Lotus WV-5,65.

При достижении максимальной эффективности со сторон обоих пространств кожухотрубного теплообменника целесообразность увеличения теплоотдач определялась допустимыми гидравлическими сопротивлениями, позволяющими выстраивать необходимые гидродинамические режимы для реализации комплекса поставленных задач связанных с обеспечением чистоты теплообменных поверхностей, эффективности теплоотдачи, срыву пленки конденсата, искусственным увеличением поверхности теплообмена и др.

Выстроенные гидродинамические режимы в конденсаторах Lotus минимизировали количество застойных зон, снизили величины перетоков, обеспечили срывы и разрушение пристенного пограничного слоя у теплообменной поверхности. Как следствие  минимизировалась адгезия взвешенных твёрдых частиц и иных отложений на поверхности теплообмена. За счёт смешения элементарных объёмов газа, пара и жидкости значительно снизилась общая вязкость среды относительно вязкости жидкости, находящейся в состоянии свободного конвективного движения в стандартных конденсаторах. Указанные факторы значительно повышают работоспособность конденсаторов Lotus, что подтверждено их эксплуатацией на ООО «Самараоргсинтез».

Как говорилось ранее, организованные режимы (характерные аппаратам Lotus) создают условия для утонения плёнки жидкости при конденсации, её срыву, каплеобразованию с последующим их дроблением, что обеспечивает существенный рост теплоотдачи при конденсации низкотеплопроводных углеводородных фракций. Также способствуют смешиванию фазовых компонентов, интенсифицируя процесс теплоотдачи в зоне конденсации паров.

В конструкциях унифицированных кожухотрубных конденсаторов, применяемых в нашей промышленности создание указанных выше режимов не возможно, по этой причине конденсат стекает с труб по всей длине горизонтального аппарата в зону подтопления, где он находится в состоянии относительного покоя и теплоотдача от него крайне низкая при невысоких температурных напорах. В созданных нами интенсивных кожухотрубчатых конденсаторах Lotus предусмотрен встроенный охладитель конденсата, имеющий чисто противоточную температурную схему [6] и направленный 100% проход конденсата. Это углубляет охлаждение конденсата со значением недорекуперации с входящей охлаждающей водой порядка 1—2 С (данные с термометрии действующих аппаратов). Т.е. при температуре входящей воды в 24 ⁰С охлаждение конденсата происходит до 25—26 ⁰С, что существенно повышает объем конденсируемых паров и выход готовых продуктов.

Глубина охлаждения конденсата в соответствии с описанными выше положениями, определяет параметры равновесия жидкость-пар, следовательно, попадание сконденсировавшейся капли конденсата с меньшей температурой в объём жидкости с более высокой температурой способствует обратному вскипанию элементов смеси, имеющей существенный диапазон температур между началом и окончанием фазового перехода. Описанный фактор повторного вскипания каплей конденсата минимизируется наличием сложной конфигурации системы каналов межтрубного пространства и встроенного охладителя конденсата.

Вследствие повышения интенсивности со стороны межтрубного пространства увеличивается удельная теплопроизводительность каждого килограмма воды пропорционально перепаду температур на входе и выходе теплоносителя. Таким образом, снижается необходимый расход воды для охлаждения продукта, что ощутимым образом сказывается на снижении удельных затрат производства.

Работающие до реконструкции установки аппараты воздушного охлаждения  занимали большие производственные площади и при этом имели низкую эффективность, что сказывалось на выходе готового продукта. После внедрения интенсивных конденсаторов Lotus были высвобождены производственные площади, которые могут быть переоборудованы и использованы более эффективно для нужд расширения производства и увеличения мощностей. В силу своей компактности поставленные конденсаторы Lotus потребовали меньших капитальных затрат при реконструкции установки относительно предлагаемого в альтернативу стандартного кожухотрубного теплообменного оборудования.

Заключение

Инжиниринговая компания ЗАО «Лотос» имея научно-технический потенциал и практический опыт проектирования и поставки эффективных теплообменных аппаратов Lotus оказывает своим Заказчикам профессиональные услуги по проектированию специализированных теплообменных аппаратов с высокими коэффициентами теплопередачи, низкой металлоемкостью, и низкой стоимостью изготовления относительно других конструкций в пересчете на теплопроизводительность.

Начните новую эффективную жизнь совместно с теплообменниками Lotus.

Исключите из затрат своего предприятия расходы, связанные с чисткой и ремонтом теплообменного оборудования. Это многократно окупит ваши инвестиции в современное теплообменное оборудование Lotus, а также позволит решать задачи по: энергосбережению, обеспечению экологической безопасности, снижению удельных затрат, уменьшению ремонтных фондов предприятия и как следствие повышению рентабельности действующего производства.

Авторы: А. Г. Шершевский, Д. В. Рубцов

 

Литература:

  1. Малков М.П. и др. Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения. — М.—Л., Госэнергоиздат, 1963. 416 с.: черт.;
  2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. — М.—Л., «Энергия», 1965. — 424 с.: ил.;
  3. Ковальногов Н.Н. Теплообмен двухфазного потока со стенкой сопла в условиях капельного уноса жидкости с поверхности конденсированной плёнки. Изв.ВУЗов. Авиационная техника — 1982-№3. — С.37—42.;
  4. Ф. Крейт, У. Блэк. Основы теплопередачи. Пер. с англ. Под ред. д. т.н., проф. Н.А. Анфимова. — М.: «Мир», 1983.— 512 с.: ил.;
  5. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам жидкостей и газов. М.: 1972 г., 720 с.: ил.;
  6. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т.1/С74 Пер. с англ., под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 560 с.: ил.;
  7. Пластинин П.И., Щерба В.Е.. Рабочие процессы объемных компрессоров с впрыском жидкости. — М.: ВИНИТИ. Насосостроение и компрессоростроение. Холодильное машиностроение — 1996. — 154 с.: ил.;
  8. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. — М.—Л., МАШГИЗ, 1952, 231 с.: ил.;
  9. Брацихин Е.А., Шульгина Э.С. Технология пластических масс. Учебное пособие для техникумов. — 3-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1982. — 328 с.: ил.;
  10. Разделение воздуха методом глубокого охлаждения. Технология и оборудование.: В 2 т. Т.1, под ред. В.И. Епифановой и Л.С. Аксельрода. — М.: «Машиностроение», 1973. — 472 с.: ил.

 

Капельная конденсация пара в аппаратах Lotus

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке α — пар коренным образом зависит от вида конденсации пара на теплообменных трубах.

Создаваемые в стандартных теплообменниках: конденсаторах, ребойлерах, подогревателях, кипятильниках т. е. аппаратах, работающих со средами меняющими свое агрегатное состояние, гидродинамические режимы движения пара в межтрубном пространстве обеспечивают стабильные условия для пленочной конденсации, отличающейся тем, что коэффициент теплоотдачи при этом не превышает 104 ккал/м2·час·ºС. Поэтому возможное решение по увеличению теплоотдачи со стороны пара может быть связано только с изменением характера конденсации.

Читать целиком