Знаете ли вы, что теплообменники существуют уже сотни лет и использовались в бесчисленном множестве необычных приложений? Некоторые из самых ранних приложений были для перегонных кубов, чтобы конденсировать спирт для крепких напитков, таких как виски, или паровых котлов, чтобы питать промышленную революцию. Эти теплообменники были построены на базовых принципах, которые включали большие температурные градиенты для достижения требуемых результатов. Они не были сложными, но они работали.

Сегодня я общаюсь с клиентами на некоторых из самых передовых нефтеперерабатывающих заводов в мире, и они продолжают говорить о типе теплообменника, который, кажется, принадлежит ушедшей эпохе: охладителе коробчатого типа.   

Что такое бокс-кулер?

Бокс-кулер — один из самых простых типов теплообменников, которые можно спроектировать. Он состоит из ряда труб, которые находятся в бассейне с водой. Ниже приведена схема работы бокс-кулера.

Бокс-охладитель представляет собой толстостенный змеевидный трубный пучок, погруженный в ванну (коробку) с водой. Технологическая жидкость циркулирует внутри змеевидного трубного пучка. Охлаждающая вода обычно представляет собой однократный поток, который поступает из поверхностного источника воды, такого как озеро или река. Тепло отводится из процесса в охлаждающую воду в виде явного тепла, хотя если внешняя температура на трубе становится достаточно высокой, чтобы закипеть вода, будет образовываться пар.

Исторически этот тип теплообменников выбирался для охлаждения, где процесс был сложным для традиционных трубчатых теплообменников из-за его высоковязкой природы или вовлеченных твердых частиц. Вторая причина, по которой они были выбраны, заключалась в том, чтобы справляться с внезапными изменениями в работе в аварийных ситуациях, например, когда технологическая установка выходит из строя и процесс необходимо охладить, чтобы он мог перейти на хранение.  

Почему нефтеперерабатывающие заводы их используют?

При необходимости охлаждения тяжелых потоков нефти на нефтеперерабатывающем заводе могут возникнуть следующие проблемы. 

  • Высокие температуры: Недавно я слышал, что у нефтеперерабатывающих заводов нет проблем с отоплением, поскольку нет реальных финансовых или экологических штрафов за более высокие температуры в печах или ребойлерах. С чем у них действительно есть проблема, так это с удалением тепла из технологических потоков перед их дальнейшей обработкой или отправкой в ​​резервуары. Эти потоки могут быть очень горячими (400-600 градусов по Фаренгейту) и требуют большого количества отводимого тепла. Первым выбором должно быть включение тепла обратно в процесс, но если это невозможно или не привлекательно, эту большую тепловую нагрузку необходимо удалить. 
  • Режимы работы: В этих приложениях могут быть большие изменения в расходах в зависимости от работы НПЗ. Нередко можно увидеть случай аварийного отключения с расходом в 4 раза выше, чем при нормальном расходе. 
  • Вязкость: При охлаждении потоков тяжелой нефти вязкость увеличивается. По мере приближения температуры к точке застывания вязкость увеличивается экспоненциально. Вязкость напрямую влияет на тепловую эффективность теплообменника и падение давления в системе. Теплообменники с однопроходной конструкцией могут помочь удерживать поток в предсказуемой зоне теплопередачи.
  • Твердые частицы: многие виды тяжелой нефти прошли процесс термического крекинга или использования катализатора, который остается в нефти. Теплообменники с однопутевой конструкцией могут помочь поддерживать поток в предсказуемой зоне теплопередачи.

Многие НПЗ пытались справиться с этими проблемами с помощью грубой тепловой силы в охладителе. Я слышал комментарии, что НПЗ не любят их, но поскольку ожидания производительности низкие, есть ощущение, что они приемлемы. Вот некоторые аспекты дизайна этого решения: 

  • Использование большой разницы температур между водой и технологической жидкостью для отвода большого количества тепла в процессе.
  • Поскольку не существует конкретного целевого значения температуры, кроме как ниже 200 градусов по Фаренгейту, контроль процесса не так важен.
  • Конструкция с змеевидной трубой позволяет выдерживать большие изменения расхода и производительности.
  • Змеевидный трубопровод действует как единый путь потока, поэтому любые захваченные твердые частицы будут проталкиваться через систему.

Почему нефтеперерабатывающие заводы хотят от них избавиться?

Хотя коробочные охладители подходят для этого применения, они не лишены существенного недостатка. Если бы большинству НПЗ был предоставлен выбор, они бы удалили их и заменили другими решениями. Вот некоторые комментарии, которые я слышал во время посещения клиентов:

  • В этом решении нет контроля процесса.
    • Бывают моменты, когда процесс становится слишком холодным, что увеличивает вязкость жидкости. В какой-то момент температура опустится ниже точки застывания, и труба засорится. 
    • Если нагрузка слишком высока, вы фактически нагреете воду выше точки кипения и создадите парогенератор низкого давления в середине установки. Что приводит ко второму пункту…
  • Бокс-кулер по сути является открытым бассейном с водой внутри НПЗ, создавая уникальный риск безопасности. Существуют примеры в отрасли, когда люди получали травмы или даже погибали из-за присутствующих опасностей.
  • Кулеры-боксы, как правило, используют однократную воду из поверхностных источников, что означает, что они несут с собой песок, ил и мусор. Со временем их нужно чистить.
  • В случае утечки нефть может попасть в воду и вызвать экологическую проблему, поскольку она будет сброшена обратно в источник воды.

Поскольку клиенты НПЗ все больше сосредотачиваются на целях устойчивого развития, одним из главных стимулов для их устранения является огромное количество энергии, которая тратится на окружающую среду. Большую часть этой энергии следует перерабатывать обратно на заводе, чтобы сократить количество производимого углекислого газа.

Есть ли что-то лучше?

Чтобы справиться с трудностями этого процесса, существуют различные технологии теплообменников, которые могут соответствовать требованиям процесса без негативных проблем. Важно работать с технологом теплообменников, который понимает тепловые проблемы и имеет опыт их применения. Ниже приведены два примера проектов, в которых мы сотрудничали с нашими клиентами из НПЗ, чтобы предложить лучшее решение, чем коробочные охладители, которые они изначально намеревались использовать.

Первый пример — это решение, которое мы предложили одному из наших клиентов на НПЗ Среднего Запада для горячего потока тяжелой нефти, который текал с перерывами. На НПЗ, где есть коксовальные печи, могут возникнуть ситуации, когда необходимо перенаправить поток из-за проблем с коксоудалением из барабана. Клиенту требовалось решение, которое могло бы немедленно отводить большое количество тепла при возникновении такой ситуации. Традиционно это было бы приложением, в котором НПЗ использовал бы коробочный охладитель. Однако клиент искал решение, которое не включало бы риски этой конструкции. Мы работали с ними, чтобы разработать более доступное альтернативное решение с использованием теплообменника Compabloc для создания двух разных давлений пара для охлаждения потока до точки, в которой его можно было бы отправить на хранение. Эта технология предлагала преимущества снижения температуры, необходимой для отправки технологического потока на хранение, а также снижения капитальных затрат из-за уменьшенного размера Compabloc. Также было сотрудничество с НПЗ для обеспечения надлежащей работы системы, чтобы теплообменник всегда был готов к реагированию.

Второй пример проекта — это когда мы перевели клиента нефтеперерабатывающего завода на побережье залива от коробчатого охладителя. У этого клиента была постоянная работа по охлаждению для контура тяжелой нефти, которая становилась вязкой по мере достижения своей конечной требуемой температуры. У клиента уже был опыт работы с коробчатыми охладителями, но он хотел чего-то другого, отказавшись от этого типа теплообменника. Alfa Laval работала с ними над разработкой решения с использованием спирального теплообменника , который мог бы обрабатывать как твердые частицы в потоке, так и вязкую жидкость. На начальных этапах проекта в качестве охлаждающей среды рассматривалась охлаждающая вода, но когда наши специалисты по нефтепереработке оценили проект, было обнаружено, что возникнут проблемы с охлаждением процесса ниже его точки застывания. Это приведет к высокому падению давления и плохим тепловым характеристикам. Проектной группой было разработано и выбрано комплексное решение с вязким охладителем и закаленным технологическим охладителем.