Нефть - главное богатство
России

Подогрев посредством переносных и стационарных закрытых подогревателей


Подогрев нефтепродуктов посредством подогревателей заключается в передаче тепла от теплоносителя к нагреваемой жидкости через стенки подогревателя, чем исключается непосредственный контакт теплоносителя с нефтепродуктом.

Такой подогрев наиболее распространен и применяется для всех нефтепродуктов, обводнение которых недопустимо, особенно для масел, присутствие в которых даже следов воды может привести к ухудшению их качества.

В зависимости от способов использования подогреватели делятся на переносные и стационарные.

Переносными называют такие подогреватели, которые помещаются в разогреваемую жидкость во время подогрева последней. В остальное время они находятся вне разогреваемой среды и доставляются к ней различными транспортными и подъемными средствами. Подогреватели, находящиеся в разогреваемой среде постоянно, называются стационарными.

Переносные подогреватели бывают погружные, опускаемые в разогреваемую жидкость, и плавучие, плавающие на поверхности жидкости.

Подогрев нефтепродуктов переносными погружными подогревателями осуществляется:

  1. при сливе из вагонов-цистерн;
  2. при выкачке из нефтеналивных барж;
  3. при эпизодических подогревах в хранилищах, не оборудованных иными подогревательными устройствами.

Основным недостатком этих подогревателей является малая поверхность нагрева, ограничиваемая габаритами люков вагонов-цистерн и отсеков нефтеналивных барж.

Подогрев вязких и застывающих нефтепродуктов при помощи переносных погружных подогревателей (даже с механическими устройствами для перемешивания нефтепродукта) не дает необходимого эффекта вследствие малой тепловой мощности подогревателей и плохой роли самих подогревателей как посредника в процессе передачи тепла от теплоносителя к подогреваемой среде. В самом деле, теплоотдача от теплоносителя к стенке подогревателя составляет 5000-10 000 ккал/м· ч· °С, а тепло-отдача от подогревателя к нагреваемой вязкой жидкости практически не превышает 50-80 ккал/м2 ·ч ·°С. Получается, что подогреватель оказывает тормозящее действие на движение тепла от теплоносителя к подогреваемой среде. В связи с этим получаются большие поверхности нагрева, размеры и вес погружных подогревателей и несовершенный процесс подогрева, характеризуемый чрезмерной длительностью и большими потерями тепла. Так, например, вес подогревателя поверхностного нагрева 17 м2 равен 181 кг, а поверхностью 23 м2 - 228 кг. Обслуживание таких подогревателей требует применения средств механизации, а сами они громоздки и неудобны в эксплуатации. Кроме того, их применение сопровождается загрязнением фронтов слива нефтепродуктами, стекающими с вынутых из емкости подогревателей.

Применение алюминиевых сплавов для изготовления погружных подогревателей большой поверхности нагрева, с целью облегчения веса, не получило развития из-за всплывания подогревателей и необходимости их догрузки.

Применение плавучих подогревателей ограничивается главным образом ямными емкостями, имеющими большую открытую поверхность зеркала подогреваемого нефтепродукта.

Для переносных подогревателей в качестве теплоносителя используется преимущественно водяной пар, дающий наибольшую тепловую эффективность, на единицу поверхности нагрева подогревателя.

Для подогрева нефтепродуктов в вагонах-цистернах, нефтеналивных судах и в хранилищах применяются стационарные устройства. В качестве теплоносителей в них используются водяной пар, горячая вода, высокотемпературные органические теплоносители и горячие нефтепродукты. Стационарные подогреватели изготовляются трубчатыми и имеют различные конструкции. В зависимости от расположения они подразделяются на общие и местные. Общий подогрев выполняется подогревателями, распределенными равномерно по всему горизонтальному сечению котла вагона-цистерны, отсека нефтеналивной баржи или хранилища.

Для нефтепродуктов с невысокой вязкостью, до 10° ВУ при 50° С, и не охлаждающихся ниже температуры застывания, применение общих подогревателей с большой поверхностью нерационально. Подогрев таких нефтепродуктов легко обеспечивается местными подогревателями, располагаемыми у приемной трубы. Местные подогреватели используются для подогрева небольших количеств нефтепродуктов, подлежащих выдаче, примерно до 1/3 от общей емкости хранилища. При выдаче больших количеств нефтепродуктов в короткие сроки целесообразно иметь в хранилищах и общие подогреватели. Для высоковязких нефтепродуктов местный подогрев мало применим, так как он не может обеспечить необходимой текучести во всем объеме хранилища и создать условия для отстоя.

При использовании в качестве теплоносителей горячей воды, высоко-температурных органических теплоносителей или горячих нефтепродуктов (преимущественно масел) подогрев производится путем циркуляции их по трубкам подогревателей. В этом случае подогреватели могут применяться, так же как и при паровом подогреве, любого типа. Подогрев горячей водой применяется для маловязких нефтепродуктов, не требующих высокого подогрева.

Малая разность температур между горячей водой и нефтепродуктом и низкий коэффициент теплопередачи требуют увеличения поверхности нагрева подогревателей в 4-5 раз по сравнению с паровым подогревом, что ограничивает область применения этого способа.

Подогрев горячим маслом более эффективен, чем горячей водой, так как температура циркулирующего масла может приниматься в 150-160 °С. Этот способ применяется преимущественно в хранилищах для тугоплавких нефтепродуктов. Осуществляется он в специальной трубчатой печи, из которой горячее масло насосом подается в подогреватели хранилища. Отдавая в них свое тепло нефтепродукту, охлажденное масло возвращается снова в трубчатую печь, совершая круговой цикл.

Подогрев нефтяного битума, бензола и некоторых других нефтепродуктов, в силу их физических особенностей, требует особых конструктивных устройств подогревателей.

Для подогрева нефтяных битумов в хранилище устанавливают подогреватели двух типов:

  1. общие, размещаемые над днищем хранилища для предварительного подогрева битума в целях придания ему необходимой текучести; днища в битумохранилищах делаются коническими, со значительной высотой конуса, что облегчает подтекание битума к центру хранилища, где устраивается центральный колодец для забора продукта;
  2. местные подогреватели, размещаемые в центральном колодце для постоянного и высокого подогрева битума в целях обеспечения перекачки.

Подогрев бензола, имеющего низкую температуру вспышки паров  и застывающего при температуре 5-7°С. Рекомендуется производить горячей водой, циркулирующей по трубам змеевика, уложенного на дно хранилища. Другие способы подогрева при помощи теплоносителей с более высокой температурой, чем вода, неприменимы вследствие реальной опасности вскипания бензола (температура кипения 79,6° С).

Переносные погружные подогреватели

Делятся на спиралеобразные, петлеобразные и радиаторные (цилиндрические ж плоские).

Из погружных подогревателей наибольшее распространение получили переносные подогреватели систем Гластовецкого и Чекмарева. Эти подогреватели опускаются в вагон-цистерну или в отсек нефтеналивной баржи через люк. Изготовляются они из тонкостенных цельнотянутых труб диаметром от 20 до 40 мм и состоят из трех секций - одной центральной и двух боковых, соединяемых друг с другом последовательно или параллельно при помощи гибких рукавов. При помощи гибких рукавов осуществляется также подвод к подогревателям пара и отвод конденсата. Для отключения подогревателей от паропровода каждая секция снабжена вентилем.

Центральная секция выполняется в виде прямого цилиндрического спирального змеевика, а боковые - в ввиде изогнутых под углом 135° змеевиков.

Рабочее давление пара в секциях подогревателя принимается в 3 ати.

Нефтепродукты с высокой вязкостью медленно сливаются из вагонов-цистерн, особенно в зимнее время, вызывая простои. При этом многие из существующих способов подогрева не обеспечивают опорожнения вагонов-цистерн без остатков в установленные сроки. Неудовлетворительная работа подогревательных устройств объясняется несовершенством процесса теплоотдачи погружных подогревателей.

Сравнительно быстро подогревается только небольшая часть нефтепродукта, находящегося в зоне соприкосновения с горячими поверхностями подогревателя. Процесс разогрева всей массы нефтепродукта протекает очень медленно и зависит от скорости замещения разогретых частиц нефтепродукта холодными. Разогретый нефтепродукт вследствие уменьшения удельного веса поднимается вверх и растекается по поверхности холодного. По мере разогрева граница между теплой и холодной частью нефтепродукта постепенно опускается вниз, и тем медленнее, чем выше вязкость нефтепродукта. Теплопередача за пределами влияния подогревателя происходит от разогретой части к холодной только за счет теплопроводности, которая у нефтепродуктов невелика.

Размеры переносных подогревателей для разогрева нефтепродуктов в вагонах-цистернах ограничиваются размерами последних и, в частности, размером люка колпака. Диаметр люка не позволяет иметь подогреватели с большой поверхностью нагрева, обеспечивающей разогрев нефтепродукта в вагоне-цистерне полностью и в установленные сроки. В вагоне-цистерне остается часть холодного нефтепродукта (от 0,5 до 1,5 т), удаляемая вручную.

В целях усовершенствования переносных подогревателей путем увеличения интенсивности теплоотдачи применяется перемешивание разогреваемой среды или вибрирование подогревателей.

К числу подогревателей, создающих искусственную циркуляцию разогреваемой среды, относится подогреватель, изображаемый ниже на изображении «а». Подогреватель, хотя и обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи, но степень разогрева вдали от подогревателя практически мало отличается от разогрева при естественной конвекции и неразогретые остатки достигают высоты в 10-20 см. Расчеты и наблюдения показывают, что на разогрев оставшегося слоя в 5 см требуется времени до 10 ч, а для слоя в 10 см - до 38 ч.

 

Усовершенствованные конструкции переносных подогревателей: а - подогреватель, создающий вынужденную конвекцию разогреваемой среды; б - подогреватель с раскладывающимися трубами-соплами; в - рабочее положение подогревателя с трубами-соплами в вагоне- цистерне; г - виброподогреватель. 1 - электродвигатель; 2 - подогреватель; 3 - приводной вал; 4 - отверстие для слива продукта из насоса; 5 -шестеренчатый насос; 6 - конденсатоотводящая труба; 7 - подогреватель насоса; 8 - кожух; 9 -труба, отводящая горячий продукт; 10 - пароподводящая труба; 11 - отверстие для слива продукта из труб; 12 - отверстие для слива продукта из кожуха; 13-механизм раскладки и сборки труб; 14 - наружный ряд подогревательных трубок; 15 - пропеллеры; 16 - внутренний ряд подогревательных трубок; 17 - направляющий дефлектор; 18 - горловина резервуара; 19 - паровой вибратор; 20 -труба для отвода конденсата; 21 - гибкий рукав.

На изображении «б» изображен подогреватель, обеспечивающий вынужденную конвекцию разогреваемой среды и подачу ее в нижнюю часть вагона-цистерны и к торцам через раскладывающиеся трубы-сопла. Рабочее положение подогревателя показано на изображении «в». Циркуляция разогреваемой жидкости обеспечивается насосом.

Другим средством интенсификации процесса подогрева, позволяющим, повысить более чем в 10 раз коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности подогревателя к нагреваемой среде, является применение вибрирующих подогревателей, т. е. перемещающихся в нагреваемой среде. Вибраторы, присоединяемые к подогревателям, могут быть паровые, пневматические и электрические. Параметры вибрирования подогревателей выбираются из условия

Rе = Δω/√2·d/ν > 800,

где Δ - амплитуда колебания трубок виброподогревателя;

ω - угловая скорость вибрирования;

d - диаметр трубок виброподогревателя;

ν - кинематическая вязкость нефтепродукта при среднеарифметической температуре стенок подогревателя и нефтепродукта.

Астраханским ЦКБ Министерства речного флота предложен трубчатый подогреватель с витками в виде усеченного конуса, снабженный в качестве вибратора поршневым двигателем, в котором предварительно используется энергия пара, идущего на подогрев (изображение «г»).

Паровой двигатель неподвижно закреплен на горловине 18 резервуара. Пар поступает через впускные окна 19 цилиндра и клапаны поршня поочередно в верхнюю или нижнюю полость, перемещая поршень. Выпуск пара производится через каналы и окно. Движения поршня через шток передаются подогревателю 2, в который поступает мятый пар из двигателя. Конденсат из подогревателя отводится по трубе 20. Соединение труб подогревателя с двигателем и трубой осуществляется гибкими рукавами 21.

Подогреватели имеет поверхность нагрева 1 м2 и вес 40,5 кГ. Режим работы подогревателя:

Давление пара на входе в вибратор, кГ/см2

4,5

Число двойных ходов, 1 /мин

550

Скорость вибрации, среднеквадратичная, м/сек

0,65

Расход пара, кг/ч

100

Температура конденсата, выходящего из подогревателя, °С

95

При скорости вибрации 0,65 м/сек коэффициент теплоотдачи виброподогревателя составил α = 600 ккал/м2 · ч·оС. т. е. в 8-12 раз больше теплоотдачи неподвижного подогревателя.

Переносные плавучие подогреватели

Переносные плавучие подогреватели конструкции Н. М. Оленева и Б. В. Мишина применяются для подогрева мазутов в ямных хранилищах, не оборудованных стационарными средствами подогрева.

Переносный плавучий подогреватель (см. изображение ниже) состоит из 12 отдельных секций с общей поверхностью в 400 м2 и обеспечивает подогрев в течение часа 80-120 м3 мазута на 50° С. Каждая секция состоит из понтона и подвешенного к нему подогревателя. Вес одной секции в собранном виде 840 кг. Секции перевозятся к ямным хранилищам на автомашине и при помощи автокранов опускаются на зеркало нефтепродукта.

Переносные плавучие подогреватели конструкции Н. М. Оленева и Б. В. Мишина. 1 - понтон; 2 - секция подогревателя; 3 - стропы; 4 - паровыпускная труба; 5 - соединительные «калачи»; 6 - рым; 7 - подвеска.

Подогреватели располагаются в ямном хранилище над приемной трубой, через которую откачивается разогретый нефтепродукт. Подача пара к ним осуществляется гибкими рукавами от паровой магистрали. Конденсат сбрасывается на дно ямной емкости под продукт или возвращается на берег.

Стационарные змеевиковые подогреватели

Эти подогреватели характерны своей спиралеобразной формой. Трубка подогревателя, имеющая значительную длину, изгибается в виде спирали, которая может быть как плоской, так и пространственной формы (цилиндрической, конусообразной, эллиптической и т. д.). Подразделяются они на общие и местные. Наиболее распространены плоские спиралеобразные, пространственные спиралеобразные и шахтные для местного подогрева.

К конструкциям общих подогревателей предъявляется требование обеспечить равномерный подогрев нефти и нефтепродуктов по всему поперечному сечению резервуара, необходимый для успешного отстоя от воды и механических примесей. Такой подогрев достигается равномерным размещением подогревателей в нижней зоне резервуара. Подогреватели изготовляются из труб малого диаметра, преимущественно до 50 мм, и укладываются по дну резервуара вагона-цистерны и наливной баржи с минимальными расстояниями между витками.

В резервуарах подогреватели собираются из отдельных секций с самостоятельными вводами я выводами теплоносителей. Делением подогревателя на секции обеспечивается возможность отключения отдельных секций: при выходе их из строя, а также при необходимости изменения теплового режима хранилища.

Трубы секций подогревателя укладываются с уклоном от 1/50 до 1/200 с понижением по направлению движения теплоносителя.

Максимальная величина расстояния между ветвями подогревателя не должна превышать 500-1000 мм.

Высота ввода труб змеевиковых подогревателей в хранилище определяется по формуле

h=ilc+h0,

где i - уклон труб подогревателя;

lc - длина секции подогревателя, мм;

h0 - высота выхода труб подогревателя из хранилища.

Величина h0 по конструктивным соображениям принимается равной 100-250 мм.

Трубы для изготовления подогревателей рекомендуется применять цельнотянутые, соединять их при помощи сварки и только в отдельных местах для сборки и разборки подогревателя устанавливать фланцы.

Подогреватели укладываются на металлических стойках-опорах различной высоты для соблюдения необходимого уклона.

Для распределения пара по секциям подогревателя и для сбора конденсата устанавливаются паровпускной и конденсатный коллекторы с запорными вентилями. На выходной линии из конденсационного коллектора устанавливается конденсационный горшок или запорный вентиль, препятствующий выходу несконденсировавшегося пара из подогревателя.

Конструкции местных подогревателей определяются способом забора нефтепродукта из хранилища.

Местные подогреватели шахтного и теплообменного типов по сравнению с подогревателями других типов наиболее совершенны. Они состоят из полого кожуха с внутренними одно- или многорядными змеевиковыми подогревателями. При откачке нефтепродукт в шахтном подогревателе входит в кожух снизу у дна резервуара, поднимается вверх, проходит через змеевики, где нагревается, и затем поступает в приемную трубу, вход в которую расположен в верхней части кожуха.

В теплообменник продукт поступает через входное отверстие (с обратным клапаном-хлопушкой), проходит внутри кожуха теплообменника и выходит через патрубок, расположенный снаружи резервуара.

Коэффициент полезного действия шахтных подогревателей и особенно теплообменников очень высок, так как кожух препятствует распространению тепла в окружающую среду, а тепло, прошедшее через кожух,, все равно полезно используется на нагрев продукта.

В нефтеналивных речных баржах стационарные парозмеевиковые подогреватели распределяются равномерно по всем отсекам. Они состоят из нескольких рядов труб (до четырех), преимущественно диаметром 40 мм, расположенных вдоль отсеков на высоте от 170 до 250 мм от днища баржи: до нижнего ряда.

Паровая разводящая магистраль прокладывается вдоль судна по борту, а от нее устраиваются ответвления к каждому отсеку. Конденсат удаляется через конденсационные горшки или специальные сборники, из которых он откачивается насосами для питания котла или сбрасывается за борт. 

В существующих речных нефтеналивных баржах поверхность нагрева подогревателей составляет от 0,06 до 0,09 м2 на 1 т грузоподъемности баржи.

Подогреватели секционного типа

Предназначаются  для общего и местного подогрева нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Они изготовляются и комплектуются из отдельных подогревательных элементов «ПЭ», представляющих собой ряд параллельных трубок 1, вваренных по концам в коллекторы 2 (изображение «а»). Подогревательные элементы подразделяются на типы, отличающиеся друг от друга своей длиной. Подогревательные элементы собираются в секции на муфтах при помощи соединительных коллекторов или посредством сварки (изображение «б»). Соединительные коллекторы изготовляются четырех типов для соединения 2-5 подогревательных элементов в одну секцию.

Подогреватели секционного типа: а - подогревательный элемент; б - соединительный коллектор; в - стойка. 1 - трубка подогревателя; 2 - коллектор; 3 - соединительная муфта; 4 - патрубок; 5 - хомут с гайкой; 6 - выдвижная стойка; 7 - опора под подогреватели; 8 – неподвижная стойка.

Подогреватели секционного типа размещаются на стойках.

Давление пара на вводе в подогреватели принимается: для подогрева масел и нефтей 4 ати, для подогрева темных нефтепродуктов и моторного топлива 6 ати.

На выходе конденсата из подогревателей устанавливаются конденсационные горшки с термостатом или вентили для ручной регулировки выпуска конденсата.

Подогреватели секционного типа по сравнению со змеевиковыми обладают более высоким тепловым эффектом за счет улучшенного удаления конденсата, встречающего на своем пути меньшие сопротивления. При небольшой длине труб каждой секции, включенных параллельно, гидравлическое сопротивление системы получается малым, и для подогревателя может применяться водяной пар с давлением менее 4 ати.

Недостатком подогревателей секционного типа является большое количество соединений, нарушающих их герметичность.

Из подогревательных элементов могут монтироваться как общие, так и местные (см. изображение ниже) подогреватели, которые размещаются в специальных кожухах. Кожухи изготовляются из тонколистовой стали. Для входа нефтепродукта предусмотрен люк с откидной крышкой.

Местный секционный подогреватель: а - разрез; б - план. 1 - кожух; 2 - крышка люка; 3 - секция подогревателя; 4 - коллектор; 5 - паропровод; 6 - конденсатопровод; 1 - приемная труба.

Подогреватели из ребристых труб

При передаче тепла в подогревателях из гладких труб величина теплового потока зависит от термических сопротивлений теплоотдаче 1/α1d1  и 1/α2d2  (d1 и d2 - внутренний и наружный диаметры трубы). Но так как коэффициент теплоотдачи α1 от пара к внутренней поверхности трубы значительно больше коэффициента теплоотдачи α2 от наружной поверхности к нефтепродукту, то термическое сопротивление теплопередаче определяется в основном

Величиной 1/α2d2 . Поэтому с целью интенсификации теплоотдачи необходимо стремиться к снижению 1/α2d2 . Это достигается за счет увеличения наружной поверхности путем оребрения ее и уменьшения разности между 1/α1F1  и 1/α2F2  (где F1  и F2  - внутренняя и наружная поверхности

теплоотдачи); надо, чтобы эта разность была близка к нулю, так как в этом случае теплопередача будет максимальной.

Ребра на трубах располагаются как вдоль трубы, так и поперек, причем они бывают приварными или литыми; последние изготовляются вместе с трубами в виде сплошных отливок. Для уменьшения веса ребристых труб и расхода металла ребра делают утончающимися по поправлению к наружному краю. Применение ребристых труб сокращает размеры подогревателей и делает их компактными.