Нагревающие и охлаждающие агенты

Основным источником энергии на нефтеперерабатывающих заводах является теплота, получаемая при сгораниии топлива. При этом тепло либо непосредственно используется для нагрева, либо передается при помощи промежуточных теплоносителей.

В первом случае топливо сжигают в аппарате, служащем непосред­ственно для нагрева, например в трубчатой печи. Во втором случае теп­ло сжигаемого топлива используется для нагрева теплоносителя, кото­рый далее транспортируется к месту потребления тепловой энергии.

Наиболее удобным и распространенным теплоносителем является водяной пар. Его легко транспортировать к месту потребления, а цен­трализованное производство водяного пара в ТЭЦ или в крупной ко­тельной позволяет наиболее эффективно использовать тепло топлива, совмещая производство водяного пара с выработкой электроэнергии (ТЭЦ). Достоинствами водяного пара как теплоносителя являются высокий коэффициент теплоотдачи при его конденсации, большие величины скрытой теплоты конденсации (испарения), возможность использования конденсата и др.

Обычно в качестве теплоносителя используется насыщенный водя­ной пар, так как расход перегретого водяного пара высок вследствие его малой теплоемкости, а коэффициент теплоотдачи от перегретого пара к теплообменной поверхности мал, в связи с чем требуется значитель­ная поверхность теплообмена.

К недостаткам водяного пара как теплоносителя относится срав­нительно низкая его температура при высоком давлении. Так, при абсолютном давлении Р = 0,98 МПа температура конденсации пара равна 179 "С, и следовательно, использовать его можно при нагреве до температуры не выше 160... 170 °С. Для нагрева до 200 °С требуется на­сыщенный пар давлением 2,5...3,0 МПа.

Значительного снижения давления в теплообменной аппаратуре при нагреве до высоких температур можно достигнуть, применяя конденсирующийся теплоноситель с более высокой температурой кипения.

В промышленной практике применяют такие теплоносители, как смесь дифенила и дифенилоксида, известная под названием даутерма, ртуть и др. Температура кипения даутерма при атмосферном давле­нии равна 257 °С, а при температуре 350 "С абсолютное давление насы­щенных паров даутерма приблизительно составляет 0,6 МПа. Однако скрытая теплота его конденсации значительно ниже, чем для водяного пара и составляет 251 кДж/кг при атмосферном давлении. При нагреве до температуры выше 400 °С находит применение смесь азотнокислых и азотистокислых солей натрия и калия. Так, смесь солей, состоящая из NaNO₂ (40 %), NaNO₃ (7 %) и KNO₃ (53 %) имеет теплоту плавления 81,6 кДж/кг, температуру плавления 142 °С, теплоемкость 1,6 кДжДкг- К) и вязкость при 260 "С, равную 4 мПа • с, а при 538 °С — 1,0 мПа ■ с. В част­ности, такой теплоноситель применялся на установке каталитического крекинга с неподвижным слоем катализатора.

На нефтеперерабатывающих заводах в качестве теплоносителя для нагрева до температуры выше 200 °С часто используются высококипя-щие нефтепродукты. В этом случае теплоноситель нагревают в трубча­той печи, транспортируют к месту его использования, а после охлажде­ния возвращают в печь для нагрева. Иногда в качестве теплоносителя применяют дымовые газы или горячий воздух, нагреваемый в топках под давлением. Недостатками такого теплоносителя являются низкий коэффициент теплоотдачи к теплообменной поверхности (обычно не выше 58 Вт/(м²- К) и малая теплоемкость 1,05... 1,26 кДжДкг- К). Низ­кий коэффициент теплоотдачи может быть несколько скомпенсирован созданием более высокого температурного напора, что в случае исполь­зования дымовых газов не представляет затруднений.

В некоторых отраслях промышленности в качестве теплоносителя используют перегретую воду при температуре 350...360 "С, которая цир­кулирует в системе под давлением выше 20 МПа.

В некоторых контактных процессах нефтепереработки применяют твердые теплоносители, в качестве которых используют катализатор, кокс, малоактивный материал и др. Применение этих теплоносителей обычно связано с особенностями технологических процессов. Теплоно­сителями являются также все получаемые на нефтеперерабатывающих установках высокотемпературные потоки, тепло которых может быть использовано для нагрева сырья в регенераторах тепла.

Помимо топлива источником тепла может служить также электро­энергия. Применение электроэнергии в качестве источника тепла в неф­теперерабатывающей промышленности ограничено.

Наиболее распространенным и дешевым охлаждающим агентом яв­ляется вода, используемая для охлаждения до 30...35 °С. В зависимости от дефицитности воды и затрат, связанных с ее транспортировкой, на нефтеперерабатывающих заводах организуется проточное или так на­зываемое оборотное водоснабжение. При оборотном водоснабжении нагретая вода повторно используется после ее охлаждения путем час­тичного испарения в градирнях или специальных бассейнах. Иногда температура воды понижается при частичном ее испарении под ваку­умом.

Воду широко применяют в качестве охлаждающего агента вслед­ствие ее доступности и относительно высокого коэффициента тепло­отдачи к поверхности.

Вместе с тем необходимо отметить, что в связи с интенсивным раз­витием промышленности применение воды в качестве охлаждающего агента для многих районов является ограничивающим фактором. Кро­ме того, использование воды промышленными предприятиями часто является источником загрязнения водоемов и требует осуществления комплекса мероприятий по очистке воды перед ее сбросом. Важнейшим элементом по охране окружающей среды является такая организация водоснабжения, при которой осуществляется замкнутый цикл, т. е. от­сутствуют стоки воды в водоемы.

Следует также отметить, что использование воды в качестве охлаж­дающего агента связано с загрязнением наружной поверхности холо­дильников и конденсаторов, вследствие отложения накипи и других возможных загрязнений, содержащихся в воде. Это обстоятельство приводит к снижению коэффициента теплопередачи, а также ухудше­нию условий охлаждения и требует сравнительно трудоемкой перио­дической очистки поверхности охлаждения.

Важность и необходимость сокращения расхода воды на нефтепере­рабатывающих и нефтехимических заводах вытекает также из того, что расход воды на этих предприятиях высок и составляет от 30 до 150 м³ на 1 т нефти, а затраты на сооружение системы водоснабжения и кана­лизации составляют 9...12/6 стоимости всего завода.

Одним из важнейших мероприятий, позволяющих существенно снизить расход воды, является применение воздуха в качестве охлаж­дающего агента. В этом случае атмосферный воздух при помощи мощ­ных вентиляторов нагнетается в аппараты воздушного охлаждения.

Затраты энергии на привод вентиляторов во многих случаях меньше затрат энергии на водяное охлаждение, в которые входят затраты как на подъем воды из водоемов, так и на перемещение воды при оборот­ном водоснабжении, а если учесть еще и затраты, связанные с созда­нием и эксплуатацией системы канализации, а также ущерб, нанесен­ный вследствие загрязнения водоемов, то, как это показано многими технико-экономическими расчетами, применение воздуха в качестве охлаждающего агента является важным мероприятием для всего на­родного хозяйства.

Достоинством воздуха как охлаждающего агента является его до­ступность и то, что он практически не приводит к загрязнению наруж­ной поверхности охлаждения; к недостаткам этого агента по сравнению с водой является сравнительно низкий коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха (до 58 Вт/(м² • К)), который, однако, можно скомпен­сировать значительным оребрением наружной поверхности аппара­та. Недостатком является также сравнительно низкая теплоемкость (1,0 кДжДкг-К)), вследствие чего массовый расход воздуха в 4 раза превышает расход воды. К недостаткам воздуха, как охлаждающего агента, следует отнести также существенные колебания начальной тем­пературы воздуха, обусловливаемые как географическим местом рас­положения, так и временем года; значительные колебания температуры имеют место также в течение суток. Все это необходимо всесторонне учитывать при выборе размеров поверхности аппаратов воздушного охлаждения. Кроме того, надо организовывать систему для возможного регулирования количества нагнетаемого воздуха.

Наиболее трудные условия охлаждения при помощи воздуха имеют место при жарком климате и в летнее время. В стандартных аппаратах воздушного охлаждения предусматривается возможность частичного (на несколько градусов) снижения начальной температуры воздуха пу­тем его увлажнения за счет впрыскивания воды с помощью форсунок.

При необходимости охлаждения до низких температур (< 10...15 °С) применяют специальные хладоагенты - аммиак, пропан, этан и другие сжиженные газы. В нефтепереработке подобные охлаждающие агенты используются при депарафинизации масел, низкотемпературном сер­нокислотном алкилировании изобутана олефинами, при производстве некоторых высоковязких присадок и др. При испарении сжиженных газов скрытая теплота, необходимая для превращения жидкости в пар, отнимается от охлаждаемого потока. Образующиеся пары хладоагента подвергаются компрессии или абсорбции и вновь сжижаются и воз­вращаются в процесс.

Технологические печи