Трубчатый подогреватель
Изобретение предназначено для нагрева текучих сред и может быть использовано в нефтяной, химической и других отраслях промышленности. Трубчатый подогреватель имеет корпус с размещенной в нем жаровой трубой, теплообменный элемент в виде ряда труб, прямые участки которых расположены параллельно продольной оси корпуса, промежуточный теплоноситель, газоповоротную камеру и расположенные со стороны, противоположной газоповоротной камере, горелочное устройство, газоотвод в виде дымовой трубы, конвективную камеру и рубашку вокруг жаровой трубы, в которую помещен промежуточный теплоноситель. Теплообменный элемент выполнен в виде продуктового змеевика, состоящего из двух последовательно соединенных секций, трубы которого ориентированы вокруг центральной продольной оси корпуса, причем одна секция продуктового змеевика помещена в рубашку жаровой трубы, а вторая - в конвективную камеру, образованную пространством между рубашкой и внутренней стенкой корпуса. Изобретение обеспечивает расширение арсенала технических средств, применяемых в нефтяной и химической отраслях промышленности для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно к трубчатым подогревателям, и может быть использовано в нефтяной, химической и других отраслях промышленности для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева. В частности, подогреватель может быть использован в технологиях деэмульсации и стабилизации нефтей на нефтепромыслах.
Известны трубчатые подогреватели, в которых источником теплоты служат продукты сгорания топлива, а продуктовые трубы размещены в радиационной и конвективной камерах подогревателя [Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - М.: Химия, 1987 г., с.6-25; Патенты RU: № 2021326, 2048663, 2061200, 2082925, 2140434, 2202591].
Высокая неравномерность распространения температуры продуктов сгорания топлива в теплопередающих камерах таких подогревателей и печей и различные условия обтекания греющими газами отдельных участков продуктовых труб приводят к значительной неоднородности плотности теплового потока на площади поверхности теплопередачи и высоким локальным значениям температуры стенки труб, что осложняет нагрев сред, склонных к термическому разложению и образующих при перегреве твердые коксовые отложения на стенках труб. Они, кроме того, не отличаются высокой пожаробезопасностью.
Известен также трубчатый подогреватель - Авт.св. SU № 1744406, содержащий заполненный промежуточным жидким теплоносителем корпус, расположенный в нем двухходовой газоход с теплообменными трубками и змеевик из продуктовых труб, размещенный между корпусом и двухходовым газоходом.
Такой подогреватель сложен в изготовлении и отличается большими удельными затратами металла.
Известен также трубчатый подогреватель - заявка RU № 2001112823, содержащий металлический теплоизолированный корпус в виде многоугольной горизонтальной призмы, внутри которого размещен вдоль стен продуктовый змеевик и расположена топка с горелочными устройствами, при этом корпус выполнен с одним выходом, который подключен к дымовой трубе. Он дополнительно содержит вторую дымовую трубу и коробчатый дымоход с двумя муфтами на торцах. Его корпус выполнен в виде семиугольной призмы и состоит из блока основания и съемной крыши. Продуктовый змеевик выполнен с дополнительной частью, параллельной плоскости разъема корпуса и установлен в верхней части корпуса, в нижней части которого расположена топка. Радиантная и конвективная зоны продуктового змеевика разделены отражательным экраном. Выход корпуса выполнен в верхней части съемной крыши по всей ее длине в виде прямоугольного проема, который закрыт коробчатым дымоходом. Муфты дымохода подключены к дымовым трубам, которые установлены на две расположенные в торцах корпуса и жестко соединенные с ним подставки.
Недостатками данного решения является недостаточный уровень пожаробезопасности и громоздкость конструкции.
Известна также установка для перегонки углеводородосодержащего сырья - патент RU № 2177493, содержащая печь, выполненную из соосно расположенных пустотелых цилиндров; во внутреннем цилиндре располагается камера сгорания топлива, в наружном - тепловые каналы; нагреваемый продукт протекает по кольцевому зазору, образованному стенкой жаровой трубы с одной стороны и стенками тепловых каналов с другой стороны.
Данное техническое решение имеет ряд недостатков, основными из которых являются:
- невозможность обеспечения равномерного нагрева продукта через разделительную стенку и при этом неизбежен локальный перегрев, который при нагреве термомобильных жидкостей приведет к коксообразованию на поверхностях нагрева и, как следствие, возникновению аварийных ситуаций;
- невозможность обеспечения нагрева продукта высокого давления, поскольку в системах сбора, подготовки и транспорта нефти поддерживается высокое давление;
- низкая ремонтопригодность печи и высокая металлоемкость.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является подогреватель жидких и газообразных сред [патент RU 2182679], содержащий корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем. Он имеет теплообменный элемент, состоящий из продуктовой камеры и пучка труб, названных авторами трубным пучком, а также жаровую трубу, подключенную к горелочному устройству, и установленный над ней пучок дымогарных труб, соединенных с дымовой трубой. Отличия данного подогревателя заключаются в том, что он снабжен продуктовой камерой для ввода и вывода жидких и газообразных сред, которая соединена с трубным пучком нагреваемого продукта, в корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем, введен змеевик подогрева топливного газа, а жаровая труба в нижней части снабжена двумя прямоугольными листами, расположенными по касательной к ее поверхности, с углом разворота и шириной, обеспечивающими охват зоны расположения пучка дымогарных труб, и длиной, равной длине жаровой трубы, при этом дымогарные трубы выполнены с пластинчатыми элементами, которые расположены по всей длине труб и прикреплены под углом к их поверхности.
Недостатком наиболее близкого аналога является недостаточная эффективность по причине не использования всех возможностей процесса теплообмена.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении уровня пожаробезопасности без понижения теплотехнических характеристик.
Сущность изобретения заключается в том, что в трубчатом подогревателе, имеющем корпус с размещенными в нем жаровой трубой, теплообменный элемент в виде ряда труб, расположенных параллельно продольной оси корпуса, промежуточный теплоноситель, газоповоротную камеру и расположенные со стороны, противоположной газоповоротной камере, горелочное устройство и газоотвод в виде дымовой трубы, имеются конвективная камера и рубашка вокруг жаровой трубы, в которую помещен промежуточный теплоноситель, а теплообменный элемент выполнен в виде продуктового змеевика, состоящего из двух последовательно соединенных секций, трубы которого ориентированы вокруг центральной продольной оси корпуса, причем одна секция продуктового змеевика помещена в рубашку жаровой трубы, а вторая - в конвективную камеру, образованную пространством между наружной поверхностью рубашки и внутренней стенкой корпуса.
Кроме того, трубчатый подогреватель может иметь корпус горизонтально вытянутого тела с расположенными внутри него и друг в друге в направлении от центральной продольной оси к периферии соосными цилиндрами: жаровой трубы - рубашки - конвективной камеры.
На фиг.1 приведен продольный разрез предлагаемого трубчатого подогревателя; на фиг.2 - поперечный разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - выносной элемент I на фиг.1; на фиг.4 - выносной элемент II на фиг.1.
Трубчатый подогреватель содержит корпус 1, выполненный в виде горизонтального цилиндра, размещенную в корпусе горизонтальную жаровую трубу 2 с рубашкой 3, заполненной жидким промежуточным теплоносителем, и конвективную камеру 4, образованную пространством между внутренней поверхностью корпуса 1 и рубашкой 3 жаровой трубы и соединенную с жаровой трубой 2 посредством газоповоротной камеры 5. Жаровая труба 2 оснащена горелочным устройством 6 и ребрами-турбулизаторами 7, расположенными в диаметральных плоскостях на ее внутренней поверхности на участке, примыкающем к выходу из нее в газоповоротную камеру 5. Конвективная камера 4 имеет газоотвод в виде дымовой трубы 8, которая, как и горелочное устройство 6 жаровой трубы, расположена со стороны, противоположной расположению газоповоротной камеры 5. Рубашка 3 жаровой трубы в нижней части имеет патрубок 9 для заполнения ее жидким промежуточным теплоносителем и его слива, а в верхней части - расширительный бак 10 с гидрозатвором 11 и воздушным патрубком 12. Внутри рубашки 3, заполненной жидким промежуточным теплоносителем, и в конвективной камере 4 размещен теплообменный элемент, состоящий из двух последовательно соединенных секций зигзагообразного продуктового змеевика соответственно 13 и 14, сформированных из труб, расположенных параллельно продольной оси корпуса 1. Прямые участки труб секций продуктового змеевика соединены между собой посредством печных двойников, обладающих небольшим гидравлическим сопротивлением. В предпочтительном варианте исполнения подогревателя корпус 1, жаровая труба 2 и ее рубашка 3 расположены соосно, а трубы секций продуктового змеевика равномерно располагаются в пределах рубашки 3 жаровой трубы и конвективной камеры 4 (фиг.2). Это способствует более равномерному распределению температуры по сечениям теплопередающих камер и снижает вероятность локального перегрева труб продуктового змеевика, в результате чего повышается надежность работы подогревателя. В целях интенсификации теплообмена внутри продуктовых труб секции 13 продуктового змеевика, расположенной в полости рубашки 3 жаровой трубы, размещены спирально закрученные ленточные вставки 15 (фиг.3), а продуктовые трубы секции 14 продуктового змеевика, расположенной в конвективной камере 4, снабжены проволочной навивкой 16, закрепленной на их наружной поверхности (фиг.4). Для облегчения монтажа и демонтажа секций продуктового змеевика торцевые стенки корпуса 1 и рубашки 3 выполнены съемными. Корпус 1 подогревателя покрыт слоем тепловой изоляции (на чертеже не показана).
Жаровая труба на участке, примыкающем к выходу из нее в газоповоротную камеру, снабжена внутри ребрами-турбулизаторами, расположенными в диаметральных плоскостях.
Внутри продуктовых труб секции продуктового змеевика, расположенной внутри рубашки жаровой трубы, размещены спирально закрученные ленточные вставки, а продуктовые трубы секции продуктового змеевика, расположенной в конвективной камере, снабжены проволочной навивкой, закрепленной на их наружной поверхности.
Указанные особенности выполнения подогревателя позволяют осуществлять процесс подогрева продукта без использования труб-термосифонов, что дает возможность уменьшить диаметр продуктовых труб, создать секции зигзагообразного змеевика с использованием стандартных соединительных элементов, снизить количество неразъемных сварных соединений, более компактно разместить секции продуктового змеевика и снизить строительную высоту и горизонтальные размеры подогревателя. А этим обеспечивается получение заявляемых технических результатов.
Трубчатый подогреватель работает следующим образом. Образующиеся при сжигании топлива в горелочном устройстве 6 продукты сгорания, перемещаясь внутри жаровой трубы 2, интенсивно охлаждаются, отдавая теплоту путем радиации и конвекции через стенку жаровой трубы промежуточному жидкому теплоносителю, находящемуся в рубашке 3, от которого она затем через стенки труб секции 13 продуктового змеевика передается нагреваемому продукту. Наличие ребер-турбулизаторов 7 способствует выравниванию температурного поля по сечению газового потока, увеличивает тепловой поток, передаваемый конвекцией, и повышает жесткость жаровой трубы 2. За жаровой трубой в газоповоротной камере 5 продукты сгорания изменяют направление своего движения на обратное и, охлажденные до заданной температуры и хорошо перемешанные, продольно обтекают продуктовые трубы секции 14 змеевика, находящейся в конвективной камере 4. При этом они отдают теплоту нагреваемому продукту через стенки продуктовых труб, снабженных для интенсификации теплообмена проволочной навивкой 16, а также через стенку рубашки 3 к находящемуся в ней промежуточному жидкому теплоносителю и далее, через стенки продуктовых труб секции 13 змеевика, к нагреваемому продукту. Удаление охлажденных продуктов сгорания топлива из подогревателя осуществляется через дымовую трубу 8.
Нагреваемый продукт сначала подается в трубы секции 13 продуктового змеевика, внутри которых размещены спирально закрученные ленточные вставки 15. Последние сообщают продукту винтовое движение со смещением максимальной скорости в сечениях потока к стенке трубы. Это значительно интенсифицирует теплообмен в сторону продукта, что особенно важно для вязких сред типа нефтей, и способствует смыву со стенок труб возможных отложений. Продукт получает теплоту от промежуточного жидкого теплоносителя, заполняющего весь объем рубашки 3. Далее продукт поступает в трубы секции 14 продуктового змеевика, расположенной в конвективной камере 4, где окончательно догревается до заданной температуры.
По теплотехническим показателям предлагаемый трубчатый подогреватель не уступает известному устройству, взятому в качестве наиболее близкого аналога. Это обеспечивается размещением секции продуктового змеевика в заполненной промежуточным жидким теплоносителем рубашке жаровой трубы и двусторонним подводом теплоты к промежуточному теплоносителю (через стенку жаровой трубы и со стороны конвективной камеры), интенсифицирующими теплопередачу к нагреваемому продукту, а также использованием дополнительных средств интенсификации теплообмена: ребер-турбулизаторов на внутренней поверхности жаровой трубы, спирально закрученных ленточных вставок в трубах одной из секций продуктового змеевика и проволочной навивки на трубах другой секции продуктового змеевика.
Преимуществами предлагаемого трубчатого подогревателя являются:
высокая пожаробезопасность, которая является следствием нескольких конструктивных преимуществ трубчатого подогревателя и, самое главное, - помещения труб непосредственно в среду безопасного в пожарном отношении теплоносителя;
простота изготовления и большая ремонтопригодность, т.к. выполняется из более простых элементов с высокой степенью унификации, с более широким использованием стандартных соединительных элементов в конструкции продуктового змеевика, при меньшем количестве неразъемных сварных соединений; кроме того, в нем обеспечивается возможность разборки и извлечения наиболее ответственных элементов конструкции - секций продуктового змеевика;
большая компактность и меньшая металлоемкость, поскольку исключение из его конструкции труб-термосифонов позволило снизить строительную высоту подогревателя и выполнить корпус в виде горизонтально расположенного сосуда, при этом несколько уменьшить и его горизонтальные размеры, а также сократить расход труб и уменьшить диаметр остающихся труб - труб секций продуктового змеевика.
меньшее гидравлическое сопротивление по тракту нагреваемого продукта, т.к. все соединения прямых участков труб продуктового змеевика выполняются с помощью печных двойников, исключающих резкие повороты потока нагреваемой жидкости.
Например, трубчатый подогреватель тепловой мощностью 3МВт, предназначенный для нагрева нефтяной эмульсии до температуры 90°С, имеет диаметр жаровой трубы 730 мм, при длине 6500 мм. Удельная металлоемкость, отнесенная к единице тепловой мощности, составляет 1000 кг/МВт, что значительно ниже достигнутого уровня в существующих конструкциях такого же назначения. Тепловой к.п.д. подогревателя не менее 0,86. В качестве промежуточного жидкого теплоносителя используется вода.
Использование предлагаемого изобретения позволит расширить арсенал технических средств, применяемых в нефтяной и химической отраслях промышленности для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева.
1. Трубчатый подогреватель, имеющий корпус с размещенной в нем жаровой трубой, теплообменный элемент в виде ряда труб, прямые участки которых расположены параллельно продольной оси корпуса, промежуточный теплоноситель, газоповоротную камеру и расположенные со стороны, противоположной газоповоротной камере, горелочное устройство и газоотвод в виде дымовой трубы, отличающийся тем, что он имеет конвективную камеру и рубашку вокруг жаровой трубы, в которую помещен промежуточный теплоноситель, а теплообменный элемент выполнен в виде продуктового змеевика, состоящего из двух последовательно соединенных секций, трубы которого ориентированы вокруг центральной продольной оси корпуса, причем одна секция продуктового змеевика помещена в рубашку жаровой трубы, а вторая - в конвективную камеру, образованную пространством между рубашкой и внутренней стенкой корпуса.
2. Трубчатый подогреватель по п.1, отличающийся тем, что он представляет собой горизонтально вытянутое тело с расположенными внутри него и друг в друге в направлении от центральной продольной оси к периферии соосными цилиндрами жаровой трубы, рубашки, конвективной камеры.
