A solution to the problem of low efficiency of a shell-and-tube apparatus for cooling wastewater in the production of dichloroethane and vinyl chloride is being considered. A variant of the heat exchanger reconstruction is proposed, which makes it possible to increase its efficiency
shell-and-tube apparatus, reconstruction of the heat exchanger heat transfer, hydraulic resistance
Цех по производству винилхлорида мощностью около 224 тыс. т/г был запущен на АО «Саянскхимпласт» в 1982 г. на основе комплектной поставки оборудования и технологии фирм "Goodrich" (США) и "Uhde" (ФРГ). Технологическая схема установки выполнена в две производственные нитки, по принципу сбалансированного процесса получения винилхлорида из этилена.
Узел отпарки сточных вод изображен на рисунке 1. Сточные воды узла нейтрализации сточных вод, содержащие дихлорэтан, щелочь, кислоту, керосин и воду насосом Р-104 в количестве до 36 м3/ч подаются в выпарную колонну С-102, предназначенную для очистки сточных вод от органических примесей до остаточной массовой доли дихлорэтана в отпаренной воде не более 0,001%.
В качестве горячего теплоносителя в колонне используется «острый» пар низкого давления, подаваемый в куб колонны противотоком стекающей по тарелкам сточной воде. Температура в кубе колонны составляет 100-112 оС, давление – не более 0,05 МПа.
Поднимающийся пар нагревает воду. При этом происходит практически полное испарение и отгонка растворенного в воде дихлорэтана и легкокипящих компонентов. Парогазовая смесь из головной части колонны поступает в конденсатор Е-105, где происходит ее охлаждение и конденсация паров. Отпаренные сточные воды из куба колонны направляются в трубное пространство кожухотрубчатого теплообменника Е-112, где охлаждаются оборотной водой и далее сбрасываются в канализацию.
Рисунок 1 – Узел отпарки сточных вод
Температура охлаждающей оборотной воды зависит от времени года. Например, при средней температуре атмосферного воздуха 23 оС температура оборотной воды на входе в теплообменное оборудование составляет около 28 оС, а при большей температуре воздуха может достигать 32 оС вместо принимаемых при проектных расчетах 20-25 оС. При таких значениях температур движущая сила процесса теплообмена существенно уменьшается и эффективность работы аппарата снижается. Также этому способствует постепенное засорение труб отложениями осадка по причине малой скорости потока сточной воды в трубном пространстве.
С целью устранения выявленных проблем и обоснованного выбора варианта реконструкции холодильника, был выполнен поверочный технологический расчет аппарата.
В результате расчета общая площадь поверхности теплообмена, необходимая для охлаждения сточной воды в одноходовом аппарате, составила F1 = 570 м2. При этом фактическая площадь поверхности Fфакт= 469 м2, т.е. существует значительный дефицит теплообменной поверхности.
Предложено увеличить число ходов для сточной воды по трубам до 2. Расчеты показали, что в этом случае коэффициент теплопередачи увеличится в 1,27 раза и расчетная поверхность теплообмена составляет F2= 448 м2, фактическая – 451 м2, запас поверхности ΔF = 3 м2 или около 1 %.
Как известно из гидравлики, увеличение количества ходов теплоносителя по трубам и, соответственно, скорости потока приводит к повышению затрат энергии на перекачивание среды, что проявляется в уменьшении ее давления. Величина, на которую уменьшается давление среды, пропорциональна квадрату скорости потока и называется гидравлическим сопротивлением.
Поэтому увеличение скорости потока теплоносителя, с одной стороны, повышает эффективность теплопередачи, но, в то же время, увеличивает гидравлическое сопротивление аппарата и затраты на работу насосно-компрессорного оборудования [1, 2].
Гидравлическое сопротивление трубного пространства рассматриваемого теплообменного аппарата в результате увеличения скорости потока возрастает несущественно (менее чем на 5 %).
Сравнение основных результатов расчета для разного числа ходов по трубам представлено в таблице 1.
Таблица 1
Результаты расчета кожухотрубчатого холодильника
|
Расчетный параметр |
Число ходов по трубам |
|
|
1 |
2 |
|
|
Скорость потока сточной воды в трубах, м/с |
0,145 |
0,29 |
|
Коэффициент теплоотдачи от сточной воды к стенке трубы, Вт/(м2К) |
1125 |
2106 |
|
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) |
518 |
659 |
|
Расчетная поверхность теплообмена, м2 |
570 |
448 |
|
Гидравлическое сопротивление трубного пространства, Па |
17300 |
18045 |
По результатам расчетов можно сделать вывод, что изменение числа ходов для сточной воды по трубному пространству до 2 является рациональным вариантом реконструкции аппарата.
Однако, учитывая вероятность значительной погрешности при использовании интегрального метода расчета [3], запас поверхности теплообмена в 1 % может оказаться недостаточным. Для обеспечения большего запаса следует увеличить число ходов по трубам до 4.
1. Ul'yanov, B.A. Raschet teploobmennyh apparatov / B.A. Ul'yanov, V.Ya. Badenikov, B.I. Schelkunov, K.Yu. Patrushev. – Angarsk : AGTA, 2001. – 220 s.
2. Scherbin, S.A. Rekonstrukcii kondensatora holodil'noy ustanovki / S.A. Scherbin // Vestnik AnGTU. – 2017. – № 11. – S. 113-114.
3. Kuz'min, S.I. Kompleksnaya optimizaciya trubchatogo teploobmennika / S.I. Kuz'min, S.A. Scherbin // Sbornik nauchnyh trudov AnGTU. – 2018. – S. 21-27.
