Thread Content
Управление трубчатыми теплообменниками с заплетенными трубками и анализ перспектив их применения. Трубчатые теплообменники с заплетенными трубками являются не только важным оборудованием в крупных химических производственных процессах, но и эффективным с точки зрения энергосбережения устройством. Эти теплообменники имеют сложную конструкцию, их стоимость высока, к тому же они находятся в критически важных частях установки. Поэтому при возникновении утечек в этих теплообменниках вся установка вынуждена останавливаться на ремонт. Создание нового теплообменника занимает не менее полугода, что приводит к огромным убыткам для компании. Срок службы обычных теплообменников составляет в среднем 12–20 лет. Компании могут планомерно заменять их в зависимости от фактического условия использования и установленного срока службы. Однако в стране также есть множество компаний, которые из-за ненадлежащего управления теплообменниками со временем сталкиваются с проблемами качества уже после короткого периода их использования. Для обеспечения длительной эксплуатации теплообменника с намотанными трубами крайне важен комплексный управление всем процессом его использования. 1. Краткое описание трубчатого теплообменника с обмотанными трубами. Трубчатый теплообменник с обмотанными трубами состоит из двух частей: сердцевины с трубами и корпуса (рисунок 1). Конструкция вокруг ядра включает центральную трубу, теплообменные трубы, прокладки и крепежные элементы. Теплообменные трубы плотно обмотаны вокруг центральной трубы (рис. 2). Между трубами поддерживается определенное расстояние в поперечном и продольном направлениях с помощью шайб и специальных прокладок. Шайбы крепятся к трубам с помощью зажимов. Теплообменные трубы соединяются с трубной пластиной с использованием метода прочного сваривания с последующим деформированием. Центральная труба выполняет функцию опоры в процессе производства; поэтому от нее требуется определенная прочность и жесткость. Корпус состоит из цилиндра и крышки и т. д. Основные преимущества его применения в инженерии заключаются в следующем: а) компактная конструкция, большая площадь теплообмена на единицу объема. Для теплообменных труб диаметром 8–12 мм площадь поверхности для теплообмена на один кубический метр объема может составлять от 100 до 170 м²; b. Возможен одновременный теплообмен с использованием различных сред; c. Давление внутри труб высокое; в настоящее время за рубежом максимальное рабочее давление может достигать 2156 МПа; d. Тепловое расширение теплообменных труб может компенсироваться автоматически; e. Конструкция теплообменников позволяет создавать устройства большого размера. 2. Промышленное применение теплообменников с обмотанными трубками за рубежом. Теплообменники с обмотанными трубками широко используются в охлаждающих устройствах и устройствах для сжижения в крупных установках по разделению воздуха (установки по производству жидкого кислорода и жидкого аммиака). Серия теплообменников с обмотанными трубками, представленная компанией Linde в системах очистки аммиака с использованием метанола, полностью демонстрирует эффективность таких теплообменников. Трубчатые теплообменники с спиральными трубками в нашей стране в настоящее время в основном используются в установках по синтезу аммиака из удобрений (по технологии компании Texaco) в этапе очистки метанолом. В всей стране имеется около 20 таких установок; в каждой из них установлено по 6 трубчатых теплообменников с спиральными трубками. Подробные характеристики этих теплообменников приведены в таблице 1. Большинство из первых более чем десяти установок с трубчатыми теплообменниками в нашей стране уже заменено; в большинстве случаев это произошло из-за истечения срока службы, но немало устройств было повреждено из-за ненадлежащего управления. В таблице 2 приведены основные причины повреждения устройств некоторых пользователей, а в таблице 3 указаны проценты причин повреждения устройств. Управление использованием теплообменников с обмоточными трубками. Процесс управления использованием таких теплообменников включает в себя 4 основных аспекта: контроль процесса производства, выбор методов удаления налета и очистки, эффективное управление работой устройства, а также правильное применение способов устранения дефектов продукции. 3.1 Контроль процесса производства Из-за особенностей теплообменников с намотанными трубами производители обязаны осуществлять контроль на всех этапах производства, устанавливая различные требования к контролю в зависимости от условий использования. Основные пункты контроля: а. Выбор труб. В настоящее время в качестве труб используются стальные трубы с швами и бесшовные стальные трубы. Стальные трубы с швами имеют более низкую надежность и подходят для использования при низком давлении; в то время как бесшовные стальные трубы обладают лучшими эксплуатационными характеристиками, но у них есть слабые места, поэтому соединения необходимо подвергать процедуре закалки. Для сред с высокой коррозионной активностью целесообразно использовать бесшовные стальные трубы; напротив, для таких сред лучше подходят шовные стальные трубы. Для катушек с большим диаметром целесообразно использовать трубы с швами, а для катушек с малым диаметром — трубы без швов. б. Контроль над катушками. Качество управления котлованом напрямую влияет на эффективность теплообмена в теплообменнике, особенно сильно сказываясь на процессе образования налета. Поэтому при установке необходимо обеспечить соответствующее расстояние между слоями, без узких промежутков, чтобы избежать неравномерного расположения элементов в определенных зонах, что может привести к блокировке потока жидкости и снижению площади её прохождения. в. Контроль сварки. Наиболее распространенной формой повреждения обмоточной трубы является утечка на ее выходе, что представляет собой критически важную часть оборудования. Как правило, в теплообменниках с обмоточными трубками для повышения эффективности теплообмена используются довольно маленькие и тонкие трубки, при сварке которых легко возникают дефекты. Поэтому при сварке необходимо строго контролировать энергию заряда, желательно использовать автоматическую сварку; шов должен быть ровным и плотным. д. Теплообменники с заплетенными трубами работают в вертикальном положении, что приводит к возникновению коррозии в зазорах между нижней пластиной и трубами. Это также является одной из наиболее распространенных форм повреждения таких теплообменников. Поэтому при сварке под давлением необходимо соблюдать два условия: во-первых, необходимо правильное значение давления, чтобы устранить зазоры и предотвратить коррозию; во-вторых, необходимо избегать чрезмерного давления, которое может привести к пластической деформации трубной пластины и снизить надежность процесса сварки под давлением. Контроль производства теплообменников с обмоточными трубками включает, помимо вышеуказанных аспектов, также контроль качества материалов и процесса проектирования, что позволяет сделать продукцию таких теплообменников соответствующей производственным особенностям различных предприятий. 3.2 Выбор технологии дескальцификации В настоящее время в отечественных предприятиях повреждения теплообменников с трубчатыми элементами в основном происходят из-за незрелости технологий дескальцификации с использованием кислот. Основной причиной является неправильное применение метода обработки кислотой. В настоящее время в качестве растворов для электролитической обработки чаще всего используются три вида веществ: раствор HCl концентрацией 5%, нитратная кислота или фтористоводородная кислота, а также лимонная кислота. При этом использование HCl для химической обработки применяется в основном для углеродистой стали, а два последних вида веществ — в основном для химической обработки нержавеющей стали. Нитратная или фтористоводородная кислоты обладают высокой кислотностью; они используются для удаления налета на основе принципа его отслаивания, но при этом могут вызывать коррозию. Лимонная кислота же удаляет налет путем комплексообразования, причем её кислотность ниже. Автор в качестве примера анализирует причины повреждения теплообменника на метаноле. При процедуре чистки методом использования кислот E9 и E10 на заводе Zhenhai Refining and Chemicaling материалом трубопроводов служил углеродистая сталь. Для чистки использовалась кислота HCl. После процедуры чистки кислота в нижней части теплообменника не была своевременно удалена, в результате чего остатки кислоты оставались в зонах, недоступных для обслуживания. Это привело к кислотному коррозионному разрушению труб во время периода ремонта. На одном из химических заводов в Шанхае использовался теплообменник с трубами массой 36 тонн; для его чистки применялась кислота гидрофтористоводорода. Из-за высокой коррозийной активности этой кислоты по отношению к сварным швам, кислота проникала в зазоры между элементами трубопровода, что приводило к разрушению сварных швов. На химическом заводе в Нинся для удаления налета использовалась кислота HNO3. После её применения образовалось большое количество ионов Fe3+. Если время чистки было слишком долгим, содержание ионов Fe3+ превышало стандартное значение 6×10-4. Ионы Fe3+ вызывали коррозию труб. Кроме того, из-за длительного времени использования кислоты HNO3 она не успевала быть своевременно удалена, что также способствовало разрушению трубопроводов. В настоящее время наиболее эффективным способом подкисления является использование лимонной кислоты с низкой концентрацией. При этом процедуру подкисления необходимо выполнять несколько раз, но в течение короткого времени; для одного теплообменника может потребоваться от 5 до 6 таких процедур. После каждой процедуры необходимо тщательно промыть устройство, чтобы уровень Fe3+ не превышал допустимых значений, а этот элемент своевременно удалялся. Это позволяет предотвратить коррозию теплообменника. Правильное использование технологий дескальцинации имеет огромное значение для срока службы теплообменников; этому вопросу необходимо уделять особое внимание при его управлении. Для процедуры кислотной обработки следует применять разумные технологические решения. 3.3 Управление эксплуатацией устройства. Из-за примесей в сырье также возникает немало проблем с качеством трубок, используемых в таких устройствах. Согласно требованиям проектирования, теплообменники с трубками, скрученными друг на друга, применяются в тех случаях, когда сырье имеет низкое содержание примесей и легко поддается очистке. Поскольку теплообменники с такими трубками разрабатываются с учетом необходимости компактности, расстояние между трубками и слоями является довольно малым; поэтому к качеству сырья предъявляются высокие требования. Как только происходят колебания в работе устройства и т. п., это может привести к увеличению количества примесей в сырье, что в свою очередь способствует образованию засорений. Поэтому для эффективной работы необходимо уделить внимание следующим аспектам: а. выбор сырья. Содержание примесей в сырье должно строго контролироваться. Повышение содержания примесей приводит к тому, что некоторые из них прилипают к опорным элементам между слоями. С течением времени это может вызвать засорение каналов, в результате чего площадь для теплообмена существенно снижается. б. Проектирование структуры системы разумно. Чтобы предотвратить попадание крупных примесей в теплообменник, необходимо установить фильтры выше по течению системы. Число ячеек фильтра должно соответствовать размеру примесей. Сырье может попасть в теплообменник только после прохождения через фильтр, что помогает избежать засорения внутри трубок и корпуса теплообменника. в. Установить устройство обратной промывки. В процессе работы теплообменника примеси легко оседают внизу. С одной стороны, это приводит к засорению каналов потока, а с другой — к коррозии под налетом. Поэтому в нижней части теплообменника устанавливается система обратного промывания, которая с помощью пузырьков перемешивает находящиеся внутри примеси, что позволяет им уноситься вместе с потоком жидкости. Кроме того, при эксплуатации устройства необходимо уделять особое внимание изменениям температуры и давления в момент запуска и остановки оборудования. Необходимо строго контролировать скорость повышения температуры и соответствие значений давления; в противном случае может произойти неравномерное расширение или сжатие материалов, что приведет к повреждению соединений труб. 3.4 Правильный выбор способа ремонта оборудования. Теплообменники с намотанными трубами, как правило, имеют длительный срок службы, но часто сталкиваются с различными проблемами. К основным проблемам относятся засорение, утечки в трубах и утечки на их соединениях. Правильный выбор подходящего способа ремонта имеет огромное значение для надежной работы такого оборудования. При засорении теплообменника существует два способа его очистки: первый — промывка с помощью высоконапорного водяного пистолета, что применяется в случаях, когда засор не слишком серьезный; второй способ — чистка с использованием кислоты, он используется при серьезных засорениях. Если при проверке теплообменника обнаруживается утечка в трубах, то их можно закупорить только после того, как будет подтверждена наличие утечки в ходе испытаний на герметичность. У теплообменника возникла проблема с утечкой в трубах. Для её устранения необходимо рассмотреть два варианта: если количество отверстий в трубах невелико, то следует использовать метод закрытия этих отверстий; если же количество отверстий велико, то закрытие их будет серьезно снижать эффективность теплообмена. В таком случае целесообразно использовать метод замены поврежденных участков труб путем сварки. Хотя процедура ремонта труб в теплообменниках сложна, существует множество примеров успешного выполнения таких работ. 4. Анализ перспектив применения теплообменников с обмоточными трубками. В настоящее время теплообменники с обмоточными трубками широко используются в химической промышленности в устройствах для работы при низких температурах, таких как установки по производству кислорода и метанола. По мере углубления исследований в области теплообменников с обмоточными трубками в стране, различные отечественные организации активно работают над расширением сфер их применения. Были достигнуты первые результаты; основные тенденции заключаются в следующем. 4.1 Увеличение размеров теплообменников с намотанными трубами Благодаря особой конструкции теплообменников с намотанными трубами у них маленькие крышки, а длина труб может достигать сотен метров. В настоящее время уже разработаны и произведены некоторые крупногабаритные теплообменники с намотанными трубами. Рисунок 3 (опущен) показывает крупный теплообменник с обмоткой, используемый на заводе Texas Petrochemicals. Размеры этого теплообменника составляют 1600 мм × 20000 мм; его вес — 60 тонн. Площадь поверхности для теплообмена составляет 2000 м2, что примерно в два раза больше, чем у обычных теплообменников с корпусом аналогичного типа. По мере увеличения размеров устройств, такие теплообменники с обмоточными трубками также требуют увеличения в размерах. В то же время обычные теплообменники с трубчатыми элементами не могут иметь больших размеров из-за ограничений, связанных с трубами. 4.2 Теплообменники с обмотанными трубками высокой температуры. Теплообменники с обмотанными трубками обладают высокой эффективностью в процессе теплообмена; однако в настоящее время они в основном используются в устройствах для работы при низких температурах. Начиная с 2001 года такие предприятия, как Хэфэйский научно-исследовательский институт, начали разрабатывать трубчатые теплообменники, предназначенные для использования в условиях высоких температур (рис. 4) (сокращено). В 2002 году такие теплообменники были введены в эксплуатацию на заводе Чжэньхай. Для изготовления этих теплообменников используется сталь CrMo, устойчивая к высоким температурам. Параметры их работы приведены в таблице 4. После нескольких лет эксплуатации характеристики этого теплообменника полностью соответствуют требованиям к использованию, а его качество также является надежным. Успешное применение этого продукта позволило расширить сферу использования теплообменников с обмоткой труб. Такие теплообменники могут использоваться как в условиях низких температур, так и при высоких температурах. При наличии соответствующих условий, они также могут полностью реализовать свои преимущества в нефтеперерабатывающей промышленности. 4.3 Высоконапорные теплообменники с обмоточными трубками в настоящее время чаще всего используются в ситуациях, когда давление в корпусе теплообменника высокое, а давление внутри трубок — низкое. Как правило, давление в корпусе достигает 15,0 МПа, в то время как давление внутри трубок обычно составляет менее 5,0 МПа. Благодаря тому, что конструкция теплообменника с обмоточными трубами характеризуется небольшой пластиной труб, большим пространством в корпусе и небольшими входными заглушками с обоих концов, такая конструкция позволяет преодолеть недостатки обычных высоконапорных теплообменников. Обычные высоконапорные теплообменники имеют плавающую или U-образную конструкцию. По мере увеличения давления не только увеличивается толщина корпуса, но и требуется значительно повысить класс прочности фланцев. В случае обычных высоконапорных теплообменников, при давлении, превышающем 10 МПа, если толщина корпуса достигает 1,4 м, сам теплообменник становится очень большим, а фланцы — очень толстыми. Кроме того, по мере увеличения размеров устройства необходимо также увеличивать размеры высоконапорных теплообменников, что создает сложности при их производстве. Например, в случае с теплообменниками типа «замок» для гидроразложения давление в трубопроводе составляет 14,5 МПа, а давление в корпусе — 18,5 МПа; диаметр таких теплообменников составляет 1,4 м. Вес корпуса теплообменника может достигать 45 тонн, что делает его производство крайне сложным. Если же использовать теплообменники с плавающим корпусом, то становится трудно обеспечить необходимые условия герметичности. Следовательно, по мере увеличения размеров установок для гидрогенизации, теплообменники с замыкающими кольцами также должны становиться больше — их размеры должны достигать 1,6 м или 1,8 м. Это не только усложняет процесс производства, но и из-за огромных размеров затрудняет их обслуживание и ремонт. В то время как винтовые теплообменники позволяют увеличить площадь за счёт увеличения длины, а небольшие трубчатые пластины с обоих концов делают фланцы меньшими, что облегчает их производство. В настоящее время некоторые отечественные организации ведут исследования с целью постепенного замены некоторых высоконапорных теплообменников, используемых в нефтеперерабатывающей промышленности — таких как установки для гидроразложения и риформинга, — трубчатыми теплообменниками. 4.4 Многопотоковость теплообменников с намотанными трубками По мере совершенствования применения теплообменники с намотанными трубками постепенно начали использоваться для обеспечения многопотокового теплообмена. Это является уникальной особенностью, которой не обладают другие типы теплообменников. В теплообменнике один среда, находящаяся в корпусе, может одновременно обмениваться теплом с двумя или тремя другими средами. Это позволяет **повысить эффективность теплообмена и увеличить объем пространства для теплообмена**. В настоящее время в стране постепенно начинается исследование и производство теплообменников с несколькими потоками. Некоторые из таких устройств уже находят применение. На рисунке 5 (приведен краткий вариант) показан теплообменник с несколькими потоками от компании Балин Шихуа. 4.5 Миниатюризация трубчатых теплообменников с намотанными трубками. Благодаря высокой эффективности теплообмена, такие теплообменники не только развиваются в направлении увеличения размеров, но и постепенно становятся более компактными. В местах с ограниченным пространством традиционные теплообменники не могут обеспечить необходимый уровень теплообмена, в то время как теплообменники с спиральными трубками позволяют достичь требуемых показателей в таких же условиях. Именно благодаря таким высоким характеристикам теплообменники с обмоточными трубками находят применение в микроустройствах. На рисунке 6 показан теплообменник с обмоточными трубками, используемый в одном военном изделии. Из-за ограниченного пространства в этом изделии после многократных сравнений был выбран именно этот тип теплообменника для обеспечения процесса теплообмена в условиях ограниченного пространства. 5. Заключение. Трубчатый теплообменник с обмоткой представляет собой современный и эффективный тип теплообменника. Правильное управление всем процессом эксплуатации такого оборудования имеет большое значение для его надежной работы. К тому же, по мере совершенствования этого приложения, его сфера применения постоянно расширяется, и оно будет играть все более важную роль.