CC BY
1
УЛУЧШЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ КРЫШКИ ТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
Исломов Алишер Нуриллаевич
докторант,
Бухарский инженерно-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Бухара
Абдурахмонов Олим Рустамович
д-р техн. наук, проф., Бухарский инженерно-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Бухара E-mail: [email protected]
IMPROVING THE HEAT EXCHANGE PROCESS BY CHANGING THE DESIGN OF THE SHELL OF A TUBULAR HEAT EXCHANGER
Alisher Islomov
PhD student,
Bukhara Engineering and Technological Institute, Republic of Uzbekistan, Bukhara
Olim Abdurakhmonov
Doctor of tech. sc., prof., Bukhara Engineering and Technological Institute Republic of Uzbekistan, Bukhara
АННОТАЦИЯ
При этом особое внимание уделяется таким приоритетам, как эффективная организация процесса теплообмена в промышленности, совершенствование процессов переработки углеводородного сырья, повышение эффективности оборудования и создание технологий глубокой переработки сырья, создание быстрые, компактные технологии теплообменных устройств. В этой статье обсуждается информация о тепле и энергии, используемых для нагрева нагревательного агента до высокой температуры путем предотвращения нагрева нагревающего агента в кожухотрубном теплообменнике и предотвращения образования пара во внутренних трубах.
ABSTRACT
At present, special attention is paid to such priority areas as the effective organization of the heat exchange process in the industry, the improvement of hydrocarbon feedstock extraction processes, the improvement of equipment efficiency and the creation of deep processing technologies for raw materials, the creation of fast, compact technologies for heat exchange devices. This article presents information on achieving savings in heat and energy spent on heating the heating agent to a high temperature in a shell-and-tube heat exchange device by preventing the formation of steam in the internal pipes from heating the heating agent, and preventing accidents in the device, extending the repair interval.
Ключевые слова: теплоноситель, теплоноситель, испаритель, испаренный углеводород, клапан, межтрубное пространство, комплект трубок.
Keywords: heating agent, heated agent, evaporator, vaporous hydrocarbon, valve, intertube space, tube bundle.
В нефтегазовой отрасли при глубокой переработке углеводородного сырья проводятся обширные научные исследования по повышению эффективности теплообменных устройств и созданию энергосберегающих технологий.
В нефтегазовой и химической промышленности процесс теплообмена осуществляется в следующих целях: поддержание температуры процесса на заданном уровне; холод, нагрев продукта или охлаждение горячего продукта; конденсация пара; в том числе
конденсирующие растворы и другие. Эти процессы осуществляются в отдельных теплообменных аппаратах или в самом технологическом устройстве. Теплообменники в производстве различаются по типу, размерам, параметрам и материалам. Поэтому можно подобрать оптимальное по всем параметрам устройство для конкретных условий. Теплoобмeнники можно выбиpать, исхoдя из слe-дующих пpавил [1, 3]: - если давление теплоносителя высокое, следует применять кожухотрубные
Библиографическое описание: И^мов А.Н., Абдурахмoнов О.Р. УЛУЧШЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ КРЫШКИ ТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2024. 11(128). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/18740
теплообменники, в таких условиях теплоноситель с более высоким давлением направляется внутрь труб, поскольку диаметр трубок меньше корпуса устройства, благодаря небольшому диаметру он выдерживает несколько высокое давление; - по трубкам трубчатого теплообменника подается коррозионно-активный теплоноситель, поскольку оболочка устройства не изменяется даже при разрушении труб коррозией; - при использовании агрессивных теплоносителей следует применять теплообменники из коррозионностойких полимерных материалов (например, фторопласта и его сополимеров); - если один из теплоносителей загрязнен или имеет свойство откладываться на поверхности устройства, необходимо направить такой теплоноситель на ту сторону теплообменной поверхности, которая легко очищается (например, внутренняя поверхность трубок в кожухо-трубных устройствах и наружная поверхность трубок в спиральных устройствах; - улучшение условий теплообмена не всегда зависит от скорости теплоносителя (например, скорость конденсации пара зависит от правильной организации отвода конденсата с поверхности теплообмена), поэтому в каких-либо конкретных условиях оно необходимо выбрать устройство соответствующей конструкции.
В технологии первичной и глубокой химической переработки нефти и газа в качестве прямого источника тепла часто используются газы и электроэнергия, получаемая при сжигании топлив. В технологических процессах в качестве теплоносителя в теплообмен-ных устройствах в основном используются вода, водяной пар и высокотемпературные углеводороды, выходящие из технологического процесса [2].
При нагреве сырья в кожухотрубных теплообменниках при движении жидкого сырья по внутренним трубкам аппарата во внутренних трубках происходит частичное испарение сырья (в зависимости
от температуры испарения сырья). В результате этого возникают следующие ситуации [4, 5]: -в результате испарения нагретого жидкого сырья во внутренних трубах аппарата начинается образование пара. В результате возникает сопротивление движению нагретого сырья во внутренних трубах и это вызывает потерю давления; - эффективность теплообмена оценивается по разнице температур. Одним из факторов, существенно влияющих на эффективность теплообмена, является поверхность теплообмена, теплоотдача, теплоотдача и коэффициенты теплоотдачи нагревателя и теплоносителей. Коэффициенты теплоотдачи жидкостей значительно выше, чем у газообразных веществ. Поэтому при нагреве углеводородного сырья греющий агент начинает испаряться за счет нагрева во внутренних трубах кожухотрубного теплообменника, что отрицательно влияет на эффективность теплообмена; -образование пара во внутренних трубах аппарата воздействует на поверхность внутренних труб аппарата избыточным давлением. В результате время между ремонтами устройства сократится. -в процессе нагрева движущегося сырья до высокой температуры жидкое сырье во внутренних трубах кожухотрубного теплообменного аппарата отрицательно влияет на эффективность теплообмена аппарата;^ результате нагрева высокотемпературных углеводородов при высокой температуре увеличивается расход тепла и электроэнергии на нагревательный агент, наблюдается снижение температуры продукта, выходящего из аппарата, в результате закрытия внутренние трубы устройства, начинают происходить мелкие аварии.
Технологическая схема предлагаемого в промышленности кожухотрубного теплообменника с изменением конструкции клапана в крышки представлена на рис. 1.
Т1Р1 - термометр и монометр на входе подогретого сырья; Т2Р2 - термометр и монометр на выходе нагреваемого продукта; Т3Р3 - термометр и монометр на входе теплоносителя; Т4Р4- термометр и монометр на выходе теплоносителя; ТР^термометр и монометр на выходе паров углеводородов из крышки клапана; 1-счетчик расхода пара и клапан регулирования расхода пара; 2-водоохладитель; 3-сосуд; 4-кран управления; 5-испаритель теплоносителя; 6-манометр; 7-монометрический термометр; 8-клапан регулирования расхода природного газа и счетчик расхода газа.
Рисунок 1. Экспериментальное устройство кожухотрубного теплообменника
Экспериментальное устройство работает в следующей последовательности. Для эксперимента были взяты водяной пар греющего агента и нестабильный конденсат греющего агента. Сырье подается через вход кожухотрубного теплообменника во внутренние трубы с помощью насоса. В теплообменнике сырье вынималось из выхода продукта устройства и собиралось в контейнер. В этом процессе начальная и конечная температура сырья контролируется термометрами, а давление - монометрами. Теплоноситель
нагревается в испарителе 5 с помощью природного газа или плитки и образующиеся его горячие пары выводятся в межтрубный вход устройства. Горячие пары, образующиеся в результате нагрева в испарителе, измеряются термометром 6 и монометром 7. Тeплоноситель обмениваeтся тeплом с тeплоноси-телeм внутри аппарата через стенку труб, темпеpатура снижаeтся, теплоноситель выделяeтся на выходе из аппаpата и набавляется обpатно в испаритель для нагрева.
Таблица 1.
Результаты лабораторных исследований
Температура пара, выходящего из клапанной крышки устройства, T1, 0C Расход a>i|)i>u,G, л/мин Температура сырья на входе в аппарат, T2,0C Температура сырья на выходе из аппарата T3, 0C Теплоноситель на входе в аппарат, T3, 0C Bыход из устройства, T3,0C Mольная доля отделенного пара, %
30 10 25 53 170 108 8
35 10 25 58 170 106 13
40 10 25 62 170 101 16
45 10 25 67 170 98 18
50 10 25 70 170 90 20
Таким образом продолжают нагрев греющего агента. Затем, по мере нагревания теплоносителем потока жидкости, во внутренних трубках появляются парообразные углеводороды. Пар, выходящий из внутpенних тpуб, oхлаждается вoдяным охладителем черeз клапан, установленный в ^ышке аппаpата, и пpиводится в жидкое состояние. ^и этом объем пара измеряют через каждые 5 оС, определяют объемную долю исходного сырья по отношению к объему нестабильного конденсата и записывают в таблицу.
Были проведены исследования в лабораторном устройстве кожухотрубного теплообменника цеха
стабилизации конденсата Шyртанского нефтегазодобывающего управления и проанализированы результаты опытно-промышленных испытаний. Эксперимент проводился в два этапа. На первом этапе (в настоящее время имеется в промышленности) клапан на крышке устройства испытывался в закрытом положении, а на втором этапе (предлагаемый способ) клапан испытывался в открытом положении. При этом греющий агент нагревает водяной пар в испарителе до температуры 170 оС, поступает в межтрубное пространство теплообменника и охлаждается до 100 оС в первом эксперименте и 90 оС во втором эксперименте.
25%
0% -
О 10 20 30 40 50 60
Рисунок 2. Изображение температурной зависимости пара, выходящего из клапана
Во внутренние трубы устройства греющий агент -нестабильный конденсат поступает при температуре 25 оС, а температура на выходе изменяется до 50 оС в первом опыте и до 70 оС во втором опыте.
Если во втором эксперименте температура нестабильного конденсата нагревателя поддерживается в пределах 150-170 оС, то в результате экспериментальной проверки установлено, что температура продукта, выходящего из устройства, составляет
около 50 оС, а экспериментальная проверка результаты представлены в таблице 1.
Пар, выходящий из клапана устройства, в зависимости от изменения температуры от 30 оС до 50 оС, его графическое изображение изображено на рис. 2. Также в лаборатории методом хроматографии был определен состав пара, результаты представлены во 2-м эксперименте.
Таблица 2.
Мольная доля углеводородов (%) в паре на входе и выходе кожухотрубного теплообменника и паре
на выходе из крышки аппарата
CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 IC7H16 выше, чем N2 CO2 H2S общий
Доля товаров в вводе, (%) 12,758 6,479 4,685 4,086 0,997 0,399 68,763 0,498 1,296 0,047 100
Мольная доля на выходе из клапана, % 44,593 32,852 7,685 5,845 1,208 0,472 0,987 1,241 4,892 0,234 100
Доля товаров в выпуске, (%) 2,043 2,847 4,105 3,514 0,972 0,415 85,696 0,091 0,317 0,009 100
Благодаря тому, что пар отделяется от внутренних труб через клапан, установленный в крышке предлагаемого в промышленности устройства, пар во внутренних трубах уменьшается, а так как давление и температура пропорциональны друг-другу, то температура продукта увеличивается из-за увеличения давления, а пространство, занимаемое жидкими углеводородами, из-за его увеличения, увеличивается процесс теплообмена в трубах, и в результате доказано, что процесс теплообмена улучшается [6].
Краткое содержание
По результатам этих испытаний был усовершенствован предложенный в промышленности кожухотрубный теплообменник. Парообразный углеводород, образующийся при нагреве сырья в трубопроводах, отделялся от клапана, установленного в крышке устройства, и исследовался его состав методом хроматографии. За счет уменьшения пара из труб увеличилась теплоотдача жидкости. В результате была достаточно повышена температура продукта и достигнута экономическая эффективность за счет экономии тепла и энергии, затрачиваемой на нагрев теплоносителя в печи.
Список литературы:
1. Yusupbekov N.R., Nurmuhamedov H.S., Zokirov S.G. Kimyoviy texnologiya asosiy jarayon va qurilmalari / Toshkent / O'qituvchi, 2015. - 848 b.
2. A.N. Islomov., O.R. Abduraxmonov, "Ways to intensify the heat exchange process during heating of liquid carbohydrates", APITECH-IV-2022, Journal of Physics:Conference series / 2388(2022) 012179 doi:101088/1742-6596/ 2388/ 1/012179, 1-9 p.
3. O.R. Abduraxmonov, A.N. Islomov "The use of heat exchangers in the processing of natural compounds", Educational Research in Universal Sciences ISSN: 2181-3515, https://t.me/Erus_uz, Multidisciplinary Scientific Journal, Volume 2 / Issue 6 / 2023, 50-53 page.
4. O.R. Abduraxmonov , A.N. Islomov, "Интенсификация процесса теплообмена в кожухотрубчатых теплообменниках" Development of science / May 2024/1 Volume1, 218-222 p.
5. Исломов A.H. "Совершенствование процесса теплообмена жидких и газообразных углеводородов" UZBEKNEFTEGAZ " Место молодежи в образовательно-производственном кластере» сборник Республиканской научно-технической конференции / 28-29 октября 2022 года / Гузорский район, Кашкадарьинская область, стр. 71-74.
6. Барулин Е.П., Кувшинова A.C., Кириллов Д.В. и др. Лабораторный практикум по тепловым процессам. Учебное пособие. - Иваново: ИГХТУ /2009.-65 ст.
