CC BY
76
УДК 665.5.02
Л. С. Алехин, М. М. Башаров, И. И. Салахов, А. Г. Лаптев
МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ ВЕРХНЕГО ПОТОКА КОЛОННЫ ОТБЕНЗИНИВАНИЯ УСТАНОВКИ ЭЛОУ - АВТ
Ключевые слова: нефтепереработка, модернизация, теплообмен, конденсация, повышение производительности.
Представлено разработанное техническое решение по модернизации системы конденсации паров промышленной колонны отбензинивания на нефтеперерабатывающем комплексе «ТАНЕКО».Модернизация заключается в научно - обоснованном выборе высокоэффективного дополнительного теплообменника, который включается параллельно с действующим. Таким образом увеличена пропускная способность установки ЭЛОУ - АВТ завода по сырой нефти на 8% (107% от проектной). Даны уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи от поверхностей с элементами интенсификации.
Keywords: oil refining, modernization, heat transfer, vapor condensation, performance improvement.
A developed engineering solution on modernization of the system of condensation of vapors of an industrial crude stripping column at the TANECO oil refining complex is shown. The modernization is related to science-based selection of highly efficient auxiliary heat exchanger connected in parallel with the operating heat exchanger. Thus, handling capacity of the CDU/VDU unit of the crude oil plant is increased by 8% (107% of the design capacity). Equations for calculation of heat transfer coefficients for surfaces containing intensification elements are provided.
Модернизация промышленных установок с повышением производительности по
перерабатывающему углеводородному сырью является важным и актуальным направлением развития топливно - энергетического комплекса России. Решение таких задач невозможно без привлечения результатов фундаментальных и прикладных исследования процессов разделения углеводородных смесей и теплообмена. В настоящее время накоплен значительный опыт в выполнении таких работ по нескольким направлениям [1, 2].
1. Замена существующего оборудования на более эффективное и производительное, причем, с импортозамещением.
2. Модернизация действующего оборудования путем замены некоторых егоустройств на более совершенные, так с точки зрения пропускной способности, так и энергоэффективности.
В данной статье рассмотрена задача повышения эффективности системы конденсации паров верхнего потока промышленной колонны С 0401 установки электрообессоливания и дистилляции нефти - ЭЛОУ - АВТ (первичная переработка).
На АО «ТАНЕКО» (г. Нижнекамск) существующая схема конденсации паров с верха колонны отбензинивания не обеспечивала конденсацию необходимого количества верхнего потока. Причиной тому являлась недостаточная пропускная способность и эффективность теплообменника 1100 Е 0401. Техническая задача осложнялась недостатком места в верхней части эстакады для размещения дополнительного теплообменника. Поэтому путем расчетов по уравнениям математической модели [3-5] сделан выбор нового дополнительного теплообменника с элементами интенсификации и минимальными размерами.
При выборе теплообменника использовались энергетический комплекс Кирпичева Е и фактор интенсивности теплообмена /[6]:
E = Q = KFAt
N ApG/р
i=Q,
V
(1)
(2)
где ( - количество переданной теплоты, Вт; N -мощность на подачу теплоносителя, Вт; К -коэффициент теплопередачи, Вт/м2 К; ^ -поверхность теплообмена, м2; Л - средняя движущая сила теплопередачи, °С; Лр - перепад давления в теплообменнике, Па; G массовый расход теплоносителя, кг/с; р - плотность среды, кг/м3; V - рабочий объем теплообменника, м3.
Рассмотрены различные способы
интенсификации теплообмена: закрутка потока, кольцевые накатки, кольцевые выступы различной формы, искусственная шероховатость поверхности. В результате расчетов с использованием математических моделей и справочных данных [7, 8] сделан выбор двухходового кожухотрубчатого теплообменника, где в трубках сделаны кольцевые накатки, интенсифицирующие теплообмен, а в межтрубном пространстве - трубы с оребрением поверхности. Выбран шаг накаток и глубина лунок в трубах и конструктивные характеристики оребрения в межтрубном пространстве. Расчет коэффициента теплоотдачи в трубе с накатками выполнялся по выражению, полученному с применением модели турбулентного пограничного слоя [5]:
Nu с1ш =
RedV^/SPr'
0,43
6,521 Re
(Red425 ^ Г
+ 5Re0/25 -11,6
(3)
где № = аd / X - число Нуссельта, а -коэффициент теплоотдачи; Вт/м2 К; d - внутренний диаметр трубы,м; X - коэффициент
теплопроводности среды, Вт/м К; Red = исрй / V -число Рейнольдса; и
"й ~ ■"•ор"
~ср средняя скорость среды,
м/с; V - коэффициент кинематической вязкости среды, м2/с; Рг - число Прандтля; - коэффициент гидравлического сопротивления шероховатой поверхности [7, 8]
Для расчета коэффициента теплоотдачи от поверхности межтрубного пучка труб с оребрением применялось выражение, полученное в результате обобщения гидродинамической аналогии [4]:
а = 0,296рср ^ / р)2/9 (V / Ь)1/9 Рг-2/3, (4)
где р - плотность среды, кг/м3, ср - удельная
теплоемкость Дж/кг К; е - средняя объемная скорость диссипации энергии, Вт/м3; Ь - длина пути обтекания одной трубы в пучке, Ь = %й / 2, м.
Средняя диссипация энергии потока вычисляется с использованием перепада давления пучка труб по формуле:
(- й )АРи„
Ч .Чй2 й й 4
(5)
где tl,t2, поперечные и продольные шаги размещения труб, м; АР - перепад давления, Па; ит - скорость потока в узком сечении пучка, м/с.
Перепад давления, обусловленный
сопротивлением трения и формы трубы, определяется по выражению [8]:
А Р = ГФГа (I / х)х°'5рит ^/2, Па.
(6)
где гц - коэффициент, учитывающий угол атаки ф пучка труб гА и определяемый по рис. 1; гА -коэффициент, учитывающий шероховатость; х -формпараметр, зависящий от а1 и Ь; отношение (£, / х) определяется по номограммам [8] (рис. 2), множитель х - по вспомогательному графику, не приведенному в данной работе, в зависимости от комплекса (а -1) / (Ь-1), а^ Ь - относительные шаги пучка: а1 = ^ / й; Ь = /2 / й .
Рис. 1 - Поправочный коэффициент в формуле (6) Гф для шахматных и коридорных пучков
труб
Рис. 2 - Номограмма для определения коэффициента сопротивления коридорных пучков труб для формулы (6)
На рис.3 даны результаты расчета числа Ыи, отнесенного к Рг036 для коридорного пучка. Аналогичные результаты получены для шахматных пучков.
2 4 I (Г 2 4 10-Рис. 3 - Средняя теплоотдача симметричных коридорных пучков труб глубинных рядов: 1 -расчет по уравнению (4); 2 - опытные данные [8], 1,2 - для гладких труб; 3 - трубы с оребрением
Для расчета коэффициентов теплоотдачи в межтрубном пространстве также можно использовать обобщенное уравнение [9]:
а = Ь2Рср (^ / Р)°'25РГ 3
(7)
где Ь2 = 0,37 ^ет; т = 0,066-шахматных пучков
труб; т=0,08 - для коридорных; Re = итй / V;
Уравнение (7) получено в результате обобщения результатов расчета по математической модели диффузионного пограничного слоя.
Преимуществом выражений (4) и (7) является возможность вычислять коэффициенты теплоотдачи от труб с элементами интенсификации при известном перепаде давления пучка.
Рассчитанный теплообменник был выбран по каталогу теплообменного оборудования и включен в схему конденсации параллельно действующему. (рис. 4). В результате внедрения данного технического решения увеличилась эффективность конденсационного оборудования колонны 1100С0401 отбензинивания нефти.
Эти мероприятия позволили увеличить производительность установки ЭЛОУ-АВТ-7 и в целом НПЗ по сырой нефти на 8% по сравнению до модернизации (107% от проектной) и в дальнейшем довести ее 115% от проектной производительности. Таким образом за счет относительно простых и недорогостоящих технических решений с
а =
2
применением уравнений математических моделей решена важная задача по повышению производительности НПЗ.
дополнительный теплообменник
Рис. 4 - Схема включения дополнительного теплообменника вверху колонны
Литература
1. Лаптев А.Г., Башаров М.М,Фундаментальные исследования, 4, 100-106 (2015)
2. Капустин В.М.,Химагрегаты, 4, 12-16 (2013)
3. Лаптев А.Г. Башаров М.М. Эффективность тепломассообмена и разделения гетерогенных сред в аппаратах нефтегазохимического комплекса. Центр инновационных технологий, Казань, 2016. 344 с.
4. Лаптев А.Г., Лаптева Е.А. Вестник Казанского технологического университета, 16, 23, 64-69 (2013)
5. Лаптев А.Г., Башаров М.М. Инженерно-физический журнал, 88, 3, 656-662 (2015)
6. Башаров М.М., А.Г. Лаптев. Надежность и безопасность энергетики,4 (27), 50-54 (2014)
7. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Энергоатомиздат, Москва, 1990. 367с.
8. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. Наука., Москва, 1982. 472. с.
9. Лаптев А.Г. Модели пограничного слоя и расчет и расчет тепломассообменных процессов. Изд-во Казанск. ун-та, Казань, 2007. 500с.
© М. М. Башаров - АО «ТАНЕКО», заместитель генерального директора по техническому обслуживанию и инжинирингу, кандидат технических наук,tvt_kgeu@maiLru; И. И. Салахов - АО «ТАНЕКО», заместитель генерального директора по технической поддержке и качеству, кандидат технических наук, [email protected]; Л. С. Алехин - АО «ТАНЕКО», генеральный директор, [email protected]; А. Г. Лаптев - д-р техн. наук, профессор, зав. каф. «Технология воды и топлива», КГЭУ.
© М. М. Basharov - JSC TANECO, deputy general director in charge of maintenance and engineering, candidate of technical sciences (Ph.D.), [email protected]; I. I. Salakhov- JSC TANECO, deputy general director in charge of technical support and quality, candidate of technical sciences (Ph.D.), [email protected]; L. S. Alekhin - JSC TANECO, Position: general director,[email protected]; A. G. Laptev - doctor of technical sciences (D.Sc.), Professor, Chairman of department "Technology of water and fuel", Kazan State Power Engineering University.
