В статье рассматривается вариант решения проблемы низкой эффективности кожухотрубчатого аппарата для охлаждения сточных вод в производстве дихлорэтана и хлористого винила. Предложен вариант реконструкции теплообменника, позволяющий повысить его эффективность
кожухотрубчатый теплообменник, реконструкция теплообменного аппарата, теплопередача, гидравлическое сопротивление
Поливинилхлорид (ПВХ) – это универсальный полимер, из которого получают огромный спектр пластмассовых изделий, как пластифицированных, так и непластифицированных. Большое количество пластифицированного полимера используется для изготовления изоляции и оболочек электропроводов, кабелей, гибких пленок, листов и труб, используемых в строительстве, сельском хозяйстве и других отраслях. Изоляционные материалы на основе ПВХ отличаются малой чувствительностью к действию влаги и высокой стабильностью в условиях эксплуатации.
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 (рисунок 2), где охлаждаются оборотной водой и далее сбрасываются в канализацию.
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.
Рисунок 1 – Узел отпарки сточных вод
Рисунок 2 – Кожухотрубчатый теплообменный аппарат:
1, 2 – штуцера для ввода сточной и охлаждающей воды; 3 – трубная решетка; 4 – крышка; 5 – стяжка; 6 – сегментная перегородка; 7 – трубы; 8 – кожух; 9 – отбойник; 10, 12 – штуцера для отвода охлаждающей и сточной воды; 11 – распределительная камера; 13 – перегородка;
14 – прокладка
Зачастую эта проблема решается за счет существенного увеличения расхода охлаждающей воды. Очевидно, что такой подход приводит к значительному увеличению затрат электроэнергии на работу насосов [1].
После модернизации, связанной с увеличением производительности установки, тепловая нагрузка на теплообменный аппарат возросла. Это привело к снижению его эффективности.
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. Это позволит увеличить скорость потока в трубах и повысит эффективность теплопередачи.
Однако, как известно из гидравлики, увеличение 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:
где 
– сумма коэффициентов местного сопротивления; 
– коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси); 
, 
– соответственно длина и внутренний диаметр теплообменной трубки, м; 
– плотность теплоносителя, кг/м3; 
– скорость потока, м/с.
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].
Соответственно, при проектировании теплообменных аппаратов важной задачей является определение оптимальных скоростей потоков теплоносителей, обеспечивающих эффективный теплообмен при приемлемом значении гидравлического сопротивления.
Расчеты показали, что при двухходовом исполнении аппарата коэффициент теплопередачи увеличится в 1,27 раза и расчетная поверхность теплообмена составит F2= 448 м2, фактическая – 451 м2, запас поверхности ΔF = 3 м2 или около 1 %. Гидравлическое сопротивление трубного пространства в результате увеличения скорости потока возрастает несущественно (менее чем на 5 %).
Широко применяемый интегральный метод расчета тепловых и гидравлических характеристик не учитывает особенностей сложной гидродинамической обстановки в реальном аппарате, поэтому может привести к значительным погрешностям [2]. Поэтому запас поверхности теплообмена в 1 % может оказаться недостаточным. Для обеспечения большего запаса следует увеличить число ходов по трубам до 4.
В этом случае запас площади поверхности теплообмена достаточный и составляет 8 %.
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 |
4 |
|
|
Скорость потока сточной воды в трубах, м/с |
0,145 |
0,29 |
0,58 |
|
Коэффициент теплоотдачи от сточной воды к стенке трубы, Вт/(м2К) |
1125 |
2106 |
3665 |
|
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) |
518 |
659 |
760 |
|
Расчетная поверхность теплообмена, м2 |
570 |
448 |
388 |
|
Гидравлическое сопротивление трубного пространства, Па |
17300 |
18045 |
24491 |
По результатам расчетов можно сделать вывод, что изменение числа ходов для сточной воды по трубному пространству до 4 является рациональным вариантом реконструкции аппарата.
1. Щербин, С.А. Определение эксплуатационных затрат на кожухотрубчатый теплообменник / С.А. Щербин, А.А. Глотов // Сборник научных трудов АнГТУ. – 2020. – № 17. – С. 140-144.
2. Ульянов, Б.А. Расчет теплооб-менных аппаратов / Б.А. Ульянов, В.Я. Ба-деников, Б.И. Щелкунов, К.Ю. Патрушев. – Ангарск : АГТА, 2001. – 220 с.
