НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Теплоносители в теплообмене

Нагревающие агенты

Преобладающим источником тепла на предприятиях нефте- и газопереработки является сжигание топлива. При этом генерируемое тепло либо напрямую тратится для нагрева, либо передается посредством специальных теплоносителей.

При прямом использовании топливо сжигается в аппарате, предназначенном для непосредственного нагрева, наиболее распространным оборудованием является трубчатая печь. При потребности опсредованной теплопередачи, тепло сгорающего топлива расходуется на нагрев теплоносителя, транспортируемого далее к месту потребления тепла.

Наиболее удобным и имеющим наибольшее применением теплоносителем является водяной пар, который легко перемещать к месту потребления тепла, а централизованная генерация водяного пара на тепловой станции или в высокопроизводительной котельной позволяет максимально эффективно использовать теплоту сжигаемого топлива, комбинируя производство водяного пара с электрогенерацией (ТЭЦ). Преимуществамим водяного пара в качестве теплоносителя являются:

• высокое значение коэффициента теплоотдачи при его переходе в жидкое состояние (конденсация);
• высокие значение скрытой теплоты межфазного перехода;
• возможность вторичного использования конденсата и др.

Стандартным решение является использование в качестве теплоносителя насыщенного водяного пара, потому что потребление перегретого водяного пара по причине его невысокой теплоемкости высоко, а коэффициент теплоотдачи от пара в перегретом состоянии к поверхности теплообмена достаточно мал.

К отрицательным свойствам водяного пара, как теплоносителя следует отнести его относительно низкую температуру при высоких давлениях. Так, при абсолютном давлении Р = 0,98 МПа температура межфазного перехода пара равна 179 °C, и, значит, его использование ограничено нагревом до температуры не превышающей 160 - 170 °C. Чтобы нагреть продукт до 200 °C необходимо подавать насыщенный пар при давлении 2,5 - 3,0 МПа.

При повышении температуры до высоких значений существенного снижения давления в теплообменном оборудовании можно достигнуть, используя теплоноситель переходящий из паровой в жидкую фазу с более высоким значением температуры кипения.

В промышленности используются такие теплоносители, как смесь дифенилоксида и дифенила, называемую даутермом, ртуть и пр. Даутерм кипит при атмосферном давлении при температуре 257 °C, а при температуре 350 °C значение абсолютного давления её насыщенных паров равняется примерно 0,6 МПа. При этом скрытая теплота его перехода в жидкое агрегатное состояние существенно ниже, чем у водяного пара и равна 251 кДж/кг при атмосферном давлении.

При нагреве до температуры превышающей 400 °C используется смесь азотистокислых и азотнокислых солей калия и натрия. Так, смесь солей, состоящая из KNO₃ (53 %), NaNO₂ (40 %) и NaNO₃ (7 %) имеет следующие характеристики:

• теплоту плавления 81,6 кДж/кг;
• температуру плавления 142 °C;
• теплоемкость 1,6 кДж/(кг·К)
• вязкость:
  • при 260 °C - 4 мПа·c;
  • при 538 °C - 1,0 мПа·с.

Такой теплоноситель используется на установках каталитического крекинга со стационарным слоем катализатора.

На предприятиях нефтепереработки в качестве теплоносителя для повышения температуры до значений превышающих 200 °C часто применяются нефтепродукты с высокой температурой кипения. В таком случае теплоноситель подвергается нагреву в трубчатой печи, перемещают к месту его применения, а после передачи тепла направляют обратно в печь для нагрева.

В ряде случаев в качестве теплоносителя используются горячий воздух, нагреваемый в конвекционных камерах печей или дымовые газы. Недостаток подобного теплоносителя - низкий коэффициент теплоотдачи к поверхности теплообмена [стандартно не выше 58 Вт/(м²·К)] и низкая теплоемкость 1,05-1,26 кДж/(кг·К). Низкое значение коэффициента теплоотдачи можно в некоторой степени скомпенсировать созданием более высокой величины температурного напора, что при использования топочных газов не представляет затруднений.

В ряде отраслей промышленности в качестве теплоносителя применяется перегретая вода при температуре 350-360 °C, циркулирующая в системе под давлением превышающем 20 МПа.

В отдельных контактных процессах нефтепереработки используются твердые теплоносители, такие как кокс, катализатор, малоактивный материал и др. Использование этих теплоносителей обычно обусловлено спецификой технологических процессов. Теплоносителями могут служить также все вырабатываемые на нефтеперерабатывающих установках потоки с высокой температурой кипения, тепло которых возможно использовать для нагрева сред в регенераторах тепла.

Помимо топлива тепло может быть получено за счёт использования электроэнергии, например в пароперегревателях низкокипящих смесей углеводородов (например, бутан-пентановая фракция). Использование электроэнергии в качестве источника тепла в нетфепереработке ограничено.

Охлаждающие агенты

Наиболее востребованным и имеющим низкую себестоимость охлаждающим агентом является вода, которая применяется для охлаждения до 30 - 35 °C. В процессе функционирования систем водоснабжения и канализации на предприятиях нефте- и газопереработки сточные воды подвергаются загрязнениям, которые зависят от профиля предприятия, состава перерабатываемой нефти, состояния коммуникаций и технологического оборудования, корректности подключения установок к канализационным системам. Чтобы уменьшить количество загрязняющих веществ, срасываемых в водоемы со сточными водами на предприятиях нефте- и газопереработки создается проточное или, иначе, оборотное водоснабжение. При оборотном водоснабжении нагреваямая вода повторно применяется после снижения её температуры путем испарения части объёма в градирнях или бассейнах аккумуляторах. В ряде случаевв охлаждение воды происходит при её частичном испарении при давлении ниже атмосферного.

Использование воды распространено в качестве охлаждающего агента по причине её доступности и достаточно высокого коэффициента теплоотдачи к теплообменной поверхности.

Однако следует отметить, что из-за интенсивного развития промышленности использование воды как охлаждающего агента для большинства районов является ограничивающим фактором. Кроме того, применение воды на промышленных предприятиях зачастую является источником загрязнящих воздействий на природные водоемы и требует реализации комплекса мероприятий по водоочистке перед её сбросом. Значимым элементом охраны окружающей среды является такое функционирование системы водоснабжения, при которой реализован замкнутый цикл, т.е. стоки воды в природные водоемы отсутствуют.

Необходимо отметить, что пирменение воды как охлаждающего агента влечёт за собой загрязнение внутренних полостей холодильников и конденсаторов, из-за отложения солей жесткости и других загрязнений, которые содержаться в воде. Этот факт приводит к понижению коэффициента теплопередачи, а также снижение эффективности охлаждения и требует достаточно трудоемкой очистки поверхности охлаждения с определенной периодчиностью, зависящей от качества воды.

Важность и необходимость снижения расхода воды на предприятиях нефтегазопереработки и нефтехимии является также следствием того, что потребление воды на таких предприятиях высоко и составляет от 30 до 150 м³ на 1 тонну нефти, а затраты на строительство системы водоснабжения и канализации полного цикла составляют от 9 до 12 % стоимости завода в-целом.

Одним из ключевых мероприятий, которые позволяют значительно снизить водопотребление, является использование воздуха, как охлаждающего агента. В таком случае атмосферный воздух посредством мощных вентиляторов подается в аппараты воздушного охлаждения. Затраты на электроэнергию для питания вентиляторов в большинстве случаев меньше, чем затраты на функционирование системы водяного охлаждения, включающие затраты как на подъем воды из скважин/водоёмов, так и на прямую и обратную транспортировку воды. Если добавить еще затраты, которые требуются для созданием и функционирования системы канализации, а также потенциальный вред, котоырй может быть нанесён водоймам вследствие их загрязнения, то, как это показано рядом технико-экономических расчетов, использование воздуха как охлаждающего агента будет важным мероприятием при развитии отечественной промышленности.

Достоинство воздуха в качестве охлаждающего агента - доступность. Он практически не является источником загрязнения внешней охлаждающей поверхности. Недостатками этого агента, если сравнивать с водой, можно считать:

• достаточно низкий коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, компенсируемый значительным оребрением внешней поверхности теплообменных труб;
• относительно низкая теплоемкость [1,0 кДж/(кг·К)], из-за чего массовый расход атмосферного воздуха четырёхкратно превышает потребление воды;
• значительные колебания начальной температуры воздушного потока, зависящие от географического местоположения объекта, времени года и времени суток.

В стандартных воздушных холодильниках предусматривается возможность незначительно (на несколько градусов) понижения начальной температуры воздушного потока посредством его увлажнения, за счет распыления химочищенной воды с использованием форсунок.

При потребности в охлаждении до низких температур (ниже 10 - 15 °C) используют специальные хладагенты - пропан, испаряющийся аммиак, этан и прочие сжиженные газы. В нефтепереработке такие охлаждающие агенты применяются при низкотемпературном алкилировании изобутана олефинамив серной кислоте, депарафинизации масел, при выпуске ряда высоковязких присадок и др. При переходе сжиженных газов из жидкого в газообразное агрегатное состояние скрытая теплота, требующаяся для превращения жидкости в пар, забирается от охлаждаемого потока. Получающиеся пары хладагента направляются на сжатие или абсорбцию, вновь переводятся в жидкое состояние и возвращаются в процесс.

Температуру испаряющегося агента просто регулировать варьированием давления, при котором хладагент испаряется. Функция температуры испарения жидкого аммиака (Т) от давления насыщенных аммиачных паров описывается следующими данными:

• при температуре 0 °С - 0,43 МПа;
• при температуре -20 °С - 0,19 МПа;
• при температуре -40 °С - 0,07 МПа.

При снижении температуры ниже -35 °С аммиак и пропан не используются в качестве охлаждающего агента, замещая их на этан.