Рекуперативные процессы широко известны в нефте- и газоперерабатывающей промышленности. Теплообменное оборудование устанавливается для обмена теплом, которое несут собой реакционные газы печей пиролиза, а также используется в процессах каталитического риформинга и каталитического крекинга [1, с. 27].

Учитывая сложный многокомпонентный состав, теплообменные потоки могут находиться в двухфазном состоянии при определенных температурах и давлениях. Важно определить такие условия теплообмена, чтобы в пределах большей части теплообменного пространства потоки были однофазными, а значит и менее агрессивными к материалу аппаратов. Это позволит разделить области однофазного и двухфазного теплообмена и сосредоточить передачу основной части тепла в условиях однофазных потоков для повышения устойчивости и долговечности работы рекуперативных теплообменников.
Для решения этой задачи была разработана методика моделирования процесса рекуперации тепла реакционной смеси каталитического риформинга исходным сырьем, состоящим из водородсодержащего газа и паров бензина.

Предложено два варианта схем. В одном варианте (рисунок 1) – первый аппарат по ходу охлаждаемой газо-продуктовой смеси – высокоэффективный противоточный пластинчатый теплообменник, в котором процесс идет с меньшим перепадом давления. В нем теплообменивающиеся потоки находятся в однофазном состоянии (пар), что позволяет избежать растворения в жидкой фазе имеющегося в газо-продуктовой смеси хлористого водорода, который вызывает коррозию металла теплообменника. Следующий – противоточный кожухотрубный теплообменник, где происходит теплообмен в двухфазной системе. Этот аппарат имеет меньший срок эксплуатации и его конструкция ремонтопригодна. Такая схема, в общем, будет дешевле в эксплуатации, хотя она требует более частой замены. Аппарат работает в области более низких температур, поэтому он может быть изготовлен из менее легированной стали.

Рисунок 1 – Схема рекуперации тепла 1-й вариант

Второй вариант (рисунок 2) – каскад кожухотрубных аппаратов. В последнем из них, по ходу газопродуктовой смеси, потоки находятся в двухфазном состоянии. Применение каскадов из 2 или 3 аппаратов в зависимости от производительности позволяет более экономно рекуперировать тепло газов. В этом случае аппарат для теплообмена двухфазных потоков также делается из низколегированной стали и его конструкция ремонтопригодна.

№ п/п	Компонент смеси	Газосырьевая смесь, (давление на входе в корпус 20 бар)	Газопродуктовая смесь, (давление на входе в трубки 19,8 бар)
1.	Плотность, г/см3	0,738	0,785
2.	Расход сырья, кг/с	21,3
3.	Кратность циркуляции водородсодержащего газа, нм3/м3 сырья	1500
4.	Фракционный состав потоков, 0С
	н.к.	94	50
	10%	111	82
	50%	132	128
	90%	160	167
	к.к.	177	202

В качестве исходных данных (таблица 1) принят состав смеси для бензиновой фракции, подаваемой на узел риформинга [2, с. 43] для межтрубного пространства теплообменника (газо-сырьевая смесь) и состав потока смеси на выходе из реактора риформинга, идущего в трубное пространство (газо-продуктовая смесь или катализат).

Для расчетов схем теплообмена применялась взвешенная модель теплообменника. Математическая модель позволяет рассчитывать материальный и энергетический баланс для теплообменного аппарата, в котором обмениваются теплом два потока, определять температуры, тепловые потоки, тепловые потери, расходы теплоносителей, произведение коэффициента теплопередачи на поверхность теплообмена.

	продукт	сырье	сырье_1	сырье_2	продукт_1	продукт_2
Доля пара	1	0,822	1	1	1	0,827
Температура,0С	500	70	300	470	333	103
Давление, бар	19,8	20	19,3	19	19,5	18,8

	продукт	сырье	сырье_1	продукт_1	продукт_2	продукт_3	сырье_3
Доля пара	1	0,822	1	1	1	0,828	1
Температура,0С	500	70	230	382	265	103	470
Давление, бар	19,8	20	19,3	19,1	18,4	17,7	17,9

Результаты моделирования (таблицы 2,3) показывают, что в пластинчатом теплообменнике для первого варианта и в двух кожухотрубных аппаратах второго варианта схем смеси находятся в однофазном состоянии. Разделение же фаз происходит в последнем кожухотрубном аппарате.

Таким образом, переход фаз представленных схем теплообмена происходит в последнем сменном аппарате, изготовленном из менее легированной стали. В остальных теплообменниках благодаря однофазным потокам высокой коррозии не наблюдается.

На рисунках 3-6 представлено изменение температуры и фазового состава смесей при движении в теплообменниках для обоих вариантов схем.

Рисунок 3 – Изменение температуры сырья по длине аппарата

Рисунок 4 – Доля пара в сырье

Рисунок 5 – Изменение температуры продукта по длине аппарата

Рисунок 6 – Доля пара в продукте

Модель процесса рекуперации в противоточных теплообменниках позволяет определять область исчезновения жидкой фазы по газо-продуктовому и газо-сырьевому потокам для установления условий деления потока на два типа. Такая схема значительно сократит стоимость узла рекуперации, увеличит степень рекуперации тепла риформинга и повысит технологическую устойчивость узла в целом за счет использования дополнительного теплообменника, где происходит теплообмен в двух фазах. 

Данная методика может быть применена в процессах рекуперации тепла двухфазных систем в других областях нефте- и газопереработки.

1. Леффлер Уильям Л. Переработка нефти. − 2-е изд., пересмотренное: пер. с англ. М.: ЗАО «Олимп-Бизнес», 2004. 224 с.
2. Маслянский Г.Н., Шапиро Р.Н. Каталитический риформинг бензинов: химия и технология. Л.: Химия, 1985. 224 с.

Все статьи автора «Петров Павел Андреевич»