Расчёт теплообменника с плавующей головкой

     Введение

 

5 сентября 1955 года начал  действовать Омский нефтеперерабатывающий  завод. Создание в этот период  нефтеперерабатывающего завода  в центре Западной Сибири было  продиктовано необходимостью обеспечения  горюче-смазочными материалами развивающегося народного хозяйства страны – Урала, Сибири, Казахстана и других регионов.

1 августа  1967 года Омский нефтеперерабатывающий  завод переиме-

нован в комбинат, 17 августа 1976 года преобразован в производственное объединение «Омскнефтеоргсинтез», 22 сентября 1993 года переобразо-

ванно в акционерное  общество «Омский нефтеперерабатывающий  завод». 24 августа 1995 года завод вошёл  в состав компании Сибнефть. С 5.07.99 –  ОАО «Сибнефть-ОНПЗ».

Первоначально завод перерабатывал нефть с  месторождений Башкирии. С 1964 года на ОНПЗ начала поступать и западно-сибирская нефть, которая первое время транспортировалась танкерами, а с 1967 года стала поступать по трубопроводу Усть-Балык-Омск. Открытие тюменских месторождений нефти дало мощный импульс дальнейшему развитию завода. К середине 70-х годов мощность завода достигла до 24 млн. тонн, и он по этому показателю стал крупнейшим нефтеперерабатывающим предприятием страны. К 5 апреля 1997 года ОНПЗ переработал 800 млн.  тонн сырой нефти. Установленная мощность завода по переработке нефти составляет 19,5 млн. тонн/год.

Изначально  Омский НПЗ развивался по топливному варианту, но уже в 60-е годы вырабатывался  широкий ассортимент нефтепродуктов: топлив, масел, смазок, началось производство нефтехимической продукции, что  дало возможность создать основу для развития крупного нефтехимическо-

го комплекса  в г.Омске. В 1984 году введён в строй  комплекс по произ-

водству ароматических  углеводородов с использованием новейших технологий известной фирмы UOP.

В настоящее  время на ОАО «Сибнефть-ОНПЗ» интенсифицированы мощности вторичных процессов: каталитического крекинга, гидроочисток дизельного топлива, каталитического риформирования, производства

кокса. В 1994 году введён в строй комплекс глубокой переработки мазута КТ-1/1, включающий вакуумную перегонку, гидроочистку вакуумного газойля, каталитический крекинг, висбрекинг, производство МТБЭ, серы. Благодаря этому Омский НПЗ имеет самые высокие показатели по глубине переработки нефти до 85% в России. В 2001 году введён в эксплуатацию комплекс сернокислотного алкилирования. Это позволило ОНПЗ стать первым в России заводом, который начал производство промышленных партий высокооктанового бензина А-98, показатели качества соответст- вуют требованиям стандарта EN-228, обеспечивает выполнение норм Euro-3 по токсичности отработанных газов.

 

    1 Пояснительная  часть

    1.1 Обоснование темы дипломного проектирования

 

    Экономические  расходы на теплообменные аппараты  тем ниже, чем 

длительнее  межремонтные пробеги и в целом  период безотказной работы

аппарата.

     Наиболее важной причиной выхода  из строя теплообменников являет -

ся коррозионный износ деталей и узлов аппарата. Этот фактор решается

правильным  выбором материалов с учётом температуры, давления и

особенно  коррозионной активности теплоносителей проходящих в труб -

ном пучке  и межтрубном пространстве.

     Для снижения эксплуатационных  затрат на теплообменнике 10Т-1А

установки УПС  с учётом агрессивности МЭА предложено использование

аппарата  с применением легированной стали 12Х18Н10Т.

     Применение дорогостоящей стали, оправдывается длительностью

эксплуатации  и меньшими затратами на ремонт и  чистку аппарата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     1.2 Описание работы и устройства теплообменника

 

     Среди других аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты являются самыми многочисленными. Они предназначены не только для поддержания технологического процесса, но и обеспечивают регенерацию тепла (холода) отходящих потоков, сокращая тем самым расход топлива, пара, а также охлаждающих сред (воды, воздуха, хладагента).

Кожухотрубные теплообменники применяют при давлении до     6,4 МПа (чаще - до 2,5 МПа) и температуре до 400÷500°С. При более высоких температурах применение их нежелательно. Размер поверхности кожухотрубных теплообменников достигает 4000 м², диаметр обычно не превышает 2000 мм, длина труб в крупных конструкциях достигает 9 м.

Как правило, кожухотрубные теплообменники делают сравнительно малого диаметра и большой длины. Это объясняется стремлением увеличить скорости движения теплоагентов и конструктивными соображениями (целесообразно уменьшать диаметр трубной решетки и число соединения трубок с решеткой)

Теплообменники с плавающей  головкой в нефтеперерабатывающей  промышленности находят широкое  применение, так как одна из трубных решёток не прикреплена к корпусу, так что температурные деформации не воспринимаются корпусом и трубным пучком. Благодаря этому и корпус и трубный пучок не испытывают температурных напряжений.

Теплообменник работает следующим образом. Один из теплообмени -

вающих потоков  поступает через штуцер в распределительную  камеру, 

затем через  часть труб пучка – в камеру, образованную подвижной трубной

решёткой  и её крышкой. Изменив в камере направление движения, поток

проходит  оставшуюся часть труб и вновь поступает в распределительную

камеру. Объём  камеры разделён плоской перегородкой на две части. Другой

теплообменивающий поток поступает в корпус и  омывая теплообменные 

трубы, покидает его. Для удлинения пути жидкости в корпусе пучки труб 

снабжают поперечными перегородками из листовой стали, они так же слу-

жат промежуточными опорами для трубного пучка, препятствуя  прогиба -

нию. Конструкция  теплообменников с плавающей  головкой  разъёмная -

трубный пучок  можно извлечь из корпуса, что  позволяет осуществлять

осмотр, чистку и необходимый ремонт трубного пучка  и корпуса.

Теплообменники     жесткой  конструкции  можно  применять  только при  небольшой  разности  температур  трубок  и  кожуха   (обычно не более 30° - 40°С). В остальных случаях необходима компенсация температурных напряжений, возникающих из-за различного теплового расширения кожуха и трубок. Основной элемент кожухотрубных теплообменников - трубы. Масса

 

 

трубного пучка обычно составляет 60 - 80% от массы аппарата. Чем меньше диаметр труб, тем теплообменник компактнее и меньше расход металла, но существенно повышается трудоемкость изготовления аппарата и затрудняется его очистка.

В настоящее  время для стальных и титановых  теплообменников широко применяют трубы размером 25х2; 20x2 мм. Трубки большего диаметра применяют только при выделении отложений из теплоагентов. До недавнего времени кожухотрубные теплообменники изготовляли из бесшовных труб.В настоящее время начали применять дешевые электросварные трубы. Медные теплообменники для установок глубокого холода изготовляются с трубками диаметром до 6 мм.

Когда коэффициенты теплоотдачи по обе стороны стенки существенно различаются, применяют оребренные трубы, что дает возможность развить поверхности с той стороны, где коэффициент теплоотдачи меньше.

Раньше основным способом крепления труб из пластичных материалов была развальцовка. Развальцовывают с помощью специального инструмента — вальцовки, имеющей вращающиеся ролики, которые во время вращения раздвигаются с помощью конуса и расширяют конец трубы. Конец трубы пластически деформируется и плотно прижимается к стенкам гнезда. Материал решетки должен быть тверже, чем материал трубы, чтобы, многократно заменять   трубы и обеспечивать   целостность гнезда. При давлении в теплообменнике свыше 1,6 МПа для увеличения сопротивления вырыванию на поверхности гнезд протачивают канавки, а концы труб разбортовывают.

В последнее время развальцовку труб с успехом заменяют сваркой. Сварное соединение позволяет уменьшить толщину трубной решетки и шаг труб. Оно более надежно по сравнению с развальцовкой, так как обеспечивает лучшую герметичность. В случаях, когда смешение продуктов в теплообменнике недопустимо, обварка труб обязательна. Когда корродирующая среда находится только в трубном пространстве, применение сварки дает возможность использовать трубные   решетки из двухслойной стали, при этом плакирующий слой, обращенный в сторону трубного пространства, сваривается с трубами из кислостойкой стали.

Чем меньше шаг между  трубами, тем более компактен теплообменник. Минимальное значение шага    ограничивается условиями развальцовки.

Трубы располагают  в трубной решетке по вершинам квадратов, тогда трубный пучок более доступен для очистки снаружи или   равносторонних треугольников. Эта схема компактна и чаще применяется. Расположение по концентрическим окружностям применяют редко.

Диаметр кожуха теплообменника берут таким, чтобы внутри него расположилось необходимое число труб, и остались небольшие зазоры между трубами и кожухом. Диаметр кожуха округляют до ближайшего стандартного размера.

Поперечные перегородки  в межтрубном пространстве служат для  сообщения необходимого направления потоку теплоагента и одновременно поддерживают трубный пучок. Для обеспечения зигзагообразного хода теплоагента обычно устанавливают перегородки в виде кругов с сегментным вырезом, но иногда применяют перегородки с вырезами в виде секторов или комплекта кругов и колец,   расположенных   последовательно.   Толщину   перегородок в зависимости от диаметра аппарата делают 5 ÷ 10 мм, отверстия под трубы — на 1,0 ÷ 1,5 мм больше наружного диаметра труб. Крепят перегородки обычно с помощью стержней, расположенных между трубками. В испарителях и конденсаторах перегородки необходимы только для поддержания трубного пучка, их располагают таким образом, чтобы не мешать нормальному выходу пара или стоку конденсата. Для уплотнения перегородок в камерах трубного пространства на трубной решетке делают паз, в который укладывают прокладку. При уплотнении крышки теплообменника кромка перегородки упирается в прокладку.

Наличие плавающей  головки усложняет конструкцию, так как плавающая головка  представляет собой крышку торца  трубного пучка соединенную на

фланцах или  с помощью струбцины. Этот узел находится  внутри корпуса, поэтому трудно проконтролировать его состояние. Недостаток этого теплообменника – наличие узла головки.

Во время  работы данного теплообменника происходит загрязнение трубного пучка отложениями  и грязью. На практике используют способы  чистки теплообменников: пневматический, механический, гидравлический, ультразвуковой, химический.

        Возможности восстановления таких теплообменников путем ремонта несколько ограниченны. Именно поэтому их долговечность может быть обеспечена только при соблюдении соответствующего режима эксплуатации. Например, нельзя превышать указанную в паспорте аппарата разность температур между теплообменивающимися средами, так как это может привести к нарушению соединений труб с трубными решетками или к разрыву труб. Из двух теплообменивающихся потоков между трубами пускают тот, который не содержит грязи, коррозионно-активных веществ и взвешенных частиц, ухудшающих теплообмен и повышающих гидравлическое сопротивление аппарата. Следует учитывать, что осмотр наружных поверхностей труб и внутренних стенок корпуса аппарата не представляется возможным и, следовательно, состояние аппарата при эксплуатации может оказаться бесконтрольным.      Необходимость в ремонте устанавливают при обследовании внутренних поверхностей труб, доступных для ремонта и механической чистки.

Коррозионный  износ труб и корпуса можно  предотвратить или значительно уменьшить, подбирая металл для их изготовления в зависимости от свойств сред, в которых они работают. Имеется опыт катодной защиты корпуса, труб и крышек теплообменников от коррозии морской водой.

Такая защита замедляет  скорость коррозии в 5 - 6 раз. В зависимости от размеров защищаемых поверхностей определенное количество элементов, подлежащих катодной защите, подвешивают внутри крышек аппарата; по мере износа элементы при ремонтах периодически заменяют новыми.

Визуальному осмотру подлежат только крышки, концы  и внутренние каналы труб, штуцера на корпусе и крышках. Дефекты остальных частей аппарата могут быть обнаружены только при опрессовки.

 

 

Рисунок 1.1 Теплообменник с плавающей головкой

Обозначение:

1 – крышка распределительной  камеры; 2 – распределительная камера;

3 – кожух; 4 – труба теплообменная; 5 – перегородка; 6 – полукольцо;

7 – трубная решётка подвижная; 8 – крышка плавающей головки;

9 – крышка кожуха; 10 – опора неподвижная; 11 – опора подвижная;

12 – трубная решётка неподвижная

 

 

 

 

       1.3 Монтаж и ремонт теплообменника