СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА КОНДЕНСАТА ВОДЯНОГО ПАРА И ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2021 года по МПК F28B1/00 F22B1/16 

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в нефтегазоперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности на любых предприятиях, использующих водяной пар в качестве теплового агента.

В настоящее время практически на всех предприятиях нефтехимии и нефтепереработки используется водяной пар для подвода тепла к технологическому процессу. После нагрева технологических сред через стенку теплообменного оборудования из пара образуется конденсат водяного пара, который, в свою очередь, продолжает нести в себе значительное количество тепловой энергии. При снижении давления, из конденсата водяного пара высокого и среднего давления, возможно и выгодно получить пар вторичного вскипания для последующего использования в сетях пара низкого давления (0,3-0,6 МПа). Чаще всего на предприятиях осуществляется сбор и охлаждение конденсата водяного пара низкого давления для последующей перекачки в котельные в качестве питательной воды паровых котлов. Для технологических установок с большим количеством образования конденсата водяного пара низкого давления целесообразно использовать теплоту конденсата водяного пара низкого давления для нагрева местных систем обогрева трубопроводов, например, подогрева антифриза для обогрева полов насосных и теплоспутников. В связи с тем, что нагрев теплоносителя для обогрева полов насосных и теплоспутников имеет сезонный характер, а потребление пара круглогодично, схема утилизации теплоты конденсата водяного пара сложна в аппаратурном оформлении и схемах управления.

Известен способ рекуперативного теплообмена (см. ТУ 3644-006-00220302-99 Аппараты теплообменные кожухотрубчатые специальные назначения. Испарители и конденсаторы холодильные, чертеж 1, лист 6), включающий рекуперативный теплообмен продукта, подаваемого в верхнюю часть трубного пространства трубного пучка, и хладагента, подаваемого в межтрубное пространство снизу трубного пучка, зону затопления трубного пучка хладагентом, зону парового пространства, вывод потока продукта из нижней части трубного пространства и вывод паров хладагента из зоны парового пространства.

Недостатком известного способа является отсутствие возможности его эффективного применения для утилизации тепла подаваемого продукта с полной его конденсацией и сепарацией, поскольку в известном способе осуществляется передача тепла от продукта, проходящего по трубной части испарителя, к хладагенту, подаваемому в межтрубную часть испарителя, который, испаряясь, в паровом состоянии, выводится из зоны парового пространства, т.е. известный способ выполняет другое функциональное назначение - нагрев и испарение продукта и не может быть использован для конденсации и сепарации продукта с целью оптимизации утилизации его тепла для производственных нужд.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ нагрева теплоносителя, осуществляемый в испарителе с паровым пространством (см. Скобло А.И. и др. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 677 с.; рис. XXII-6, стр. 571-572), включающий рекуперативный теплообмен теплоносителя, подаваемого в верхнюю часть трубного пространства трубного пучка и испаряемой жидкости, подаваемой в межтрубное пространство снизу трубного пучка, формирование поверхности зеркала испарения и объема парового пространства, вывод пара из парового пространства. При этом, для обеспечения достаточной поверхности зеркала испарения и объема парового пространства расстояние от верха сливной перегородки до верхней части кожуха принимается не менее 1/3 диаметра кожуха. Уровень испаряемой жидкости в испарителе поддерживается сливной перегородкой, имеющей зубчатую кромку для равномерного перелива жидкости.

Общими признаками известного и предлагаемого способов являются:

- рекуперативный теплообмен теплоносителя, подаваемого в трубный пучок, и испаряемой жидкости, подаваемой в межтрубное пространство поверхностного теплообменного аппарата;

- зона затопления трубного пучка испаряемой жидкостью;

- вывод потоков испаряемой жидкости и нагретого теплоносителя.

Недостатком известного способа является отсутствие зоны для конденсации и сепарации испаряемой жидкости, подаваемой в межтрубное пространство, а также отсутствие возможности регулирования уровня зоны затопления трубного пучка количеством выводимого потока испаряемой жидкости в зависимости от заданной температуры нагрева теплоносителя, что не позволяет использовать известный способ для полной конденсации такого продукта, как конденсат водяного пара, с целью оптимизации утилизации его тепла для производственных нужд.

Известен испаритель с паровым пространством (см. Скобло А.И. и др. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000. - 677 с.; рис. XXII-6, стр. 571-572), включающий горизонтальный кожух с паровым пространством, имеющий патрубки входа и выхода теплоносителя, трубный пучок, установленный в трубной решетке и соединенный с распределительной камерой, разделительную перегородку, патрубки входа и выхода продукта, регулирующую арматуру.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности регулирования тепловой нагрузки на нагреватель посредством полного либо частичного затопления трубного пучка конденсатом, при этом отсутствует возможность обеспечения полной конденсации и сепарации продукта в паровом пространстве и, как следствие, недостаточно эффективная утилизация тепла продукта такого, например, как конденсат водяного пара.

Также известен теплообменный аппарат (см. ТУ 3644-006-00220302-99 Аппараты теплообменные кожухотрубчатые специальные назначения. Испарители и конденсаторы холодильные, чертеж 1, лист 6), включающий горизонтальный кожух с паровым пространством, патрубками входа и выхода продукта, патрубком входа хладагента. Внутри горизонтального кожуха размещен трубный пучок, установленный в трубной решетке и соединенный с распределительной камерой, снабженной разделительной перегородкой. При этом паровое пространство горизонтального кожуха соединено с пространством теплообменника (сухопарника), установленного в верхней части горизонтального кожуха, и имеющего несколько дополнительных патрубков входа пара, соединенных с паровым пространством горизонтального кожуха и патрубок выхода паров хладагента.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности его эффективного применения для утилизации тепла подаваемого продукта с полной его конденсацией и сепарацией, поскольку в известном устройстве осуществляется передача тепла от продукта, проходящего по трубной части испарителя, к хладагенту, подаваемому в межтрубную часть теплообменного аппарата, который, испаряясь, выводится через дополнительные патрубки и патрубок выхода паров хладагента теплообменника (сухопарника), выполняющего сбор и отвод хладагента в паровом состоянии, т.е. известное устройство выполняет функциональное назначение - нагрев и испарение продукта и не может быть использовано для конденсации и сепарации продукта с целью оптимизации утилизации его тепла для производственных нужд.

Наиболее близким по технической сущности является горизонтальный аммиачный кожухотрубный испаритель (см. «Методические указания по выполнению лабораторных работ и организации самостоятельной работы для бакалавров 141200.62 Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», Часть 1, рис. 30), включающий горизонтальный кожух с паровым пространством, патрубком входа рассола, соединенного с распределительной камерой нижней части трубного пучка, патрубком выхода рассола, соединенного с распределительной камерой верхней части трубного пучка, и патрубком входа хладагента. Паровое пространство горизонтального кожуха соединено с паровым пространством секции (сухопарника), снабженным выходом паров хладагента, который осуществляется через несколько патрубков, объединенных одним коллектором. При этом межтрубное пространство теплообменного аппарата заполнено хладагентом на высоту примерно 0,8 диаметра горизонтального кожуха и незатопленными остаются один или два ряда труб, выполняющих функцию пароперегревателя.

Общими признаками известного и предлагаемого устройств являются:

- горизонтальный кожух с паровым пространством, патрубком входа теплоносителя, соединенным с распределительной камерой нижней части трубного пучка, патрубком выхода теплоносителя, соединенным с распределительной камерой верхней части трубного пучка, и патрубком входа продукта;

- паровое пространство горизонтального кожуха соединено с паровым пространством секции, установленной в верхней части горизонтального кожуха;

- трубный пучок, установленный в трубной решетке распределительной камеры, снабженной разделительной перегородкой;

- регулирующая арматура.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности его эффективного применения для утилизации тепла подаваемого продукта с полной его конденсацией и сепарацией, поскольку в известном устройстве осуществляется передача тепла от теплоносителя, проходящего по трубной части испарителя, к хладагенту, подаваемому в межтрубную часть теплообменного аппарата, который, испаряясь, выводится через дополнительные патрубки и патрубок выхода паров хладагента из секции (сухопарника), выполняющего сбор и отвод хладагента в паровом состоянии, т.е. известное устройство выполняет функциональное назначение - нагрев и испарение продукта и не может быть использовано для конденсации и сепарации продукта с целью оптимизации утилизации его тепла для производственных нужд.

Технической задачей предлагаемого изобретения является оптимизация процесса утилизации тепла конденсата водяного пара для производственных нужд.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности утилизации тепла конденсата водяного пара, регулирование тепловой нагрузки на нагрев теплоносителя посредством затопления трубного пучка конденсатом и снижение капитальных и эксплуатационных затрат на оборудование и строительство.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе утилизации тепла конденсата водяного пара путем рекуперативного теплообмена конденсата, подаваемого в паровое пространство поверхностного теплообменного аппарата, и теплоносителя, подаваемого в трубный пучок, включающий зону затопления конденсатом трубного пучка, зону парового пространства, вывод потока конденсата и нагретого теплоносителя, согласно предлагаемому изобретению, в зону парового пространства подают конденсат водяного пара низкого давления и/или конденсат водяного пара высокого давления, теплоноситель подают на нагрев в трубный пучок ниже уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка, а выводят теплоноситель из трубного пучка после нагрева выше уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка, при этом осуществляют регулирование уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка количеством выводимого потока конденсата в зависимости от заданной температуры нагрева теплоносителя, кроме того над зоной парового пространства создают зону дополнительного съема тепла конденсата, в которую подают часть выводимого потока конденсата, осуществляя непосредственный контакт теплообменивающихся потоков зоны парового пространства и зоны дополнительного съема тепла конденсата, при этом заданную температуру контакта теплообменивающихся потоков обеспечивают с помощью дополнительного теплоносителя.

Кроме того, дополнительный теплоноситель могут подавать в зону дополнительного съема тепла конденсата, при этом конденсацию пара осуществляют поверхностным теплообменом потока конденсата зоны парового пространства с дополнительным теплоносителем, например, оборотной водой.

Кроме того, заданную температуру контакта теплообменивающихся потоков в зоне дополнительного съема тепла могут обеспечивать путем подачи с заданной температурой потока конденсата, предварительно охлаждаемого дополнительным теплоносителем, например, воздухом.

Подача в зону парового пространства конденсата водяного пара низкого и/или высокого давления позволяет эффективно утилизировать низко потенциальное тепло конденсатов с разными характеристиками.

Подача теплоносителя на нагрев в трубный пучок ниже уровня затопления конденсатом трубного пучка и вывод теплоносителя из трубного пучка после нагрева выше уровня затопления конденсатом трубного пучка позволяет в условиях частичного затопления трубного пучка конденсатом охладить конденсат водяного пара за счет утилизации тепла выпара конденсата, подаваемого в межтрубную часть теплообменного аппарата, и осуществить нагрев циркулирующего теплоносителя до заданной температуры.

Возможность регулирования уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка количеством выводимого потока конденсата в зависимости от заданной температуры нагрева теплоносителя позволяет эффективно регулировать тепловую нагрузку на нагрев теплоносителя в теплообменном аппарате и интенсифицировать процесс теплопередачи при низкой разнице температур нагреваемого теплоносителя и конденсата.

Создание над зоной парового пространства зоны дополнительного съема тепла конденсата, в которую подают часть выводимого потока конденсата и поток дополнительного теплоносителя, позволяет осуществить непосредственный контакт теплообменивающихся потоков зоны парового пространства и зоны дополнительного съема тепла конденсата, тем самым повысить эффективность утилизации теплоты конденсата водяного пара и пара вторичного вскипания для нагрева теплоносителя, а также интенсифицировать процесс теплопередачи. Кроме того, это также обеспечивает возможность осуществления предлагаемого изобретения в режиме «лето», когда отсутствует необходимость подогрева теплоносителя, и позволяет сконденсировать весь пар, образовавшийся при снижении давления из конденсата водяного пара низкого и/или высокого давления и предотвратить потери конденсата.

Осуществление конденсации пара поверхностным теплообменом потока конденсата зоны парового пространства с дополнительным теплоносителем, например, оборотной водой, позволяет эффективно утилизировать теплоту конденсата водяного пара и избежать его потерь.

Обеспечение заданной температуры контакта теплообменивающихся потоков в зоне дополнительного съема тепла путем подачи с заданной температурой потока конденсата, предварительно охлаждаемого дополнительным теплоносителем, например, воздухом, позволяет также эффективно утилизировать теплоту конденсата водяного пара и избежать его потерь.

Указанный технический результат также достигается тем, что в предлагаемом теплообменном аппарате по первому варианту, включающем горизонтальный кожух с патрубком входа продукта и паровым пространством, соединенным с паровым пространством секции, установленной в верхней части горизонтального кожуха, трубный пучок, установленный в трубной решетке и соединенный с распределительной камерой, снабженной разделительной перегородкой и патрубками входа и выхода теплоносителя, регулирующую арматуру, согласно предлагаемому изобретению, в верхней части горизонтального кожуха установлено по крайней мере не менее одного патрубка входа продукта, патрубок выхода продукта из нижней части горизонтального кожуха соединен с помощью насоса и регулирующей арматуры с системой трубопроводов, один из которых обеспечивает подачу продукта на дальнейшую переработку, а другой трубопровод соединен с паровым пространством секции, снабженной камерами входа и выхода дополнительного теплоносителя, соединенными теплообменными трубками, встроенными в паровое пространство секции.

Указанный технический результат также достигается тем, что в предлагаемом теплообменном аппарате по второму варианту, включающем горизонтальный кожух с патрубком входа продукта и паровым пространством, соединенным с паровым пространством секции, установленной в верхней части горизонтального кожуха, трубный пучок, установленный в трубной решетке и соединенный с распределительной камерой, снабженной разделительной перегородкой и патрубками входа и выхода теплоносителя, регулирующую арматуру, согласно предлагаемому изобретению, в верхней части горизонтального кожуха установлено по крайней мере не менее одного патрубка входа продукта, патрубок выхода продукта из нижней части горизонтального кожуха соединен с помощью насоса и регулирующей арматуры с системой трубопроводов, один из которых обеспечивает подачу продукта на дальнейшую переработку, а другой трубопровод соединен с паровым пространством секции через дополнительно установленный теплообменный аппарат, снабженный входами и выходами дополнительного теплоносителя.

Кроме того, в паровом пространстве секции могут быть установлены перегородки (по первому варианту) или контактные элементы (по второму варианту).

Кроме этого, в предлагаемом теплообменном устройстве (по обоим вариантам) над трубным пучком по всей его длине может быть коаксиально установлена пластина изогнутой полуокружности, при этом ее торец, направленный в сторону трубной решетки, герметично примыкает к горизонтальному кожуху в его верхней части, а по крайней мере один патрубок входа продукта установлен между линией примыкания пластины к горизонтальному кожуху и трубной решеткой.

Заявляемая совокупность признаков предлагаемого теплообменного аппарата по обоим вариантам позволяет обеспечить эффективную утилизацию тепла конденсата водяного пара и пара, выделившегося при снижении давления конденсата, а также эффективно регулировать тепловую нагрузку на нагрев теплоносителя в теплообменном аппарате и интенсифицировать процесс теплопередачи при низкой разнице температур нагреваемого теплоносителя и конденсата за счет возможности регулирования уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка количеством выводимого потока конденсата в зависимости от заданной температуры нагрева теплоносителя.

Установка в верхней части горизонтального кожуха по крайней мере не менее одного патрубка входа продукта позволяет безопасно осуществить одновременно прием продуктов с разными характеристиками (например, конденсата пара низкого давления 130°С и/или конденсата пара высокого давления 150°С, пара низкого давления 180°С) и эффективно утилизировать их низко потенциальное тепло.

Соединение патрубка выхода продукта из нижней части горизонтального кожуха с помощью насоса и регулирующей арматуры с системой трубопроводов, один из которых обеспечивает подачу продукта на дальнейшую переработку (утилизацию), а другой трубопровод (по первому варианту) соединен с паровым пространством секции, установленной в верхней части горизонтального кожуха, позволяет эффективно утилизировать тепло конденсата водяного пара. При этом, снабжение парового пространства секции камерами входа и выхода дополнительного теплоносителя, соединенными трубным пучком, встроенным в паровое пространство секции, позволяет дополнительно сконденсировать весь пар, образовавшийся при снижении давления из конденсата водяного пара низкого и высокого давления и повысить эффективность утилизации теплоты конденсата водяного пара и пара вторичного вскипания для нагрева теплоносителя, а также интенсифицировать процесс теплопередачи.

Соединение трубопровода (по второму варианту) с паровым пространством секции, установленной в верхней части горизонтального кожуха через дополнительно установленный теплообменный аппарат позволяет осуществить предварительный теплообмен продукта с дополнительным теплоносителем и дополнительно сконденсировать весь пар из продукта, тем самым повысить эффективность утилизации теплоты конденсата водяного пара и интенсифицировать процесс теплопередачи.

Установка над трубным пучком по всей его длине коаксиальной установленной пластины изогнутой полуокружности, герметично примыкающей к горизонтальному кожуху в его верхней части со стороны трубной решетки, а также установка по крайней мере одного патрубка входа продукта между линией примыкания пластины к горизонтальному кожуху и трубной решеткой позволяет распределить и направить выпар из конденсата водяного пара в зону конденсации, под пластину, и тем самым интенсифицировать процесс теплопередачи и повысить эффективность утилизации теплоты конденсата водяного пара.

Установка в паровом пространстве секции, установленной в верхней части горизонтального кожуха, перегородок или контактных устройств позволяет дополнительно интенсифицировать процесс теплопередачи.

Кроме того, заявляемая совокупность признаков изобретения позволяет также регулировать сезонную тепловую нагрузку за счет возможности обеспечения работы теплообменного аппарата в режиме «лето», когда отсутствует необходимость подогрева теплоносителя, вследствие возможности конденсации всего пара, образовавшегося при снижении давления из конденсата водяного пара низкого и высокого давления в паровом пространстве секции, установленной в верхней части горизонтального кожуха.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить эффективную утилизацию тепла конденсата водяного пара и пара, выделившегося при снижении давления конденсата водяного пара, и за счет повышения эффективности утилизации тепла конденсата водяного пара и реализации эффективной схемы регулирования тепловой нагрузки на нагрев теплоносителя также позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты на оборудование и строительство.

Способ осуществляется следующим образом.

Теплоноситель холодный подают в трубный пучок ниже уровня затопления конденсатом трубного пучка для предварительного нагрева холодного теплоносителя теплом поступающего в зону парового пространства конденсата водяного пара низкого давления и/или конденсата водяного пара высокого давления (в зависимости от производственной необходимости).

В верхней части трубного пучка происходит догрев предварительно нагретого в нижней части трубного пучка теплоносителя за счет его теплообмена с потоком поступающего конденсата, после чего нагретый теплоноситель выводят из верхней части трубного пучка выше уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка и далее с заданной температурой направляют по дальнейшему назначению.

Над зоной парового пространства создают зону дополнительного съема тепла конденсата, в которую подают часть выводимого конденсата, осуществляя при этом непосредственный контакт теплообменивающихся потоков зоны парового пространства и зоны дополнительного съема тепла. Заданную температуру теплообменивающихся потоков поддерживают дополнительным теплоносителем, которым охлаждают конденсат непосредственно в зоне теплообменивающихся потоков или же предварительно, перед подачей конденсата в зону парового пространства. Выбор варианта подачи дополнительного теплоносителя осуществляют в зависимости от производственных возможностей.

В случае, если производственные возможности позволяют использовать в качестве дополнительного теплоносителя оборотную воду, то в данном случае дополнительный теплоноситель подают в зону дополнительного съема тепла конденсата, осуществляя конденсацию пара за счет поверхностного теплообмена теплоносителя с потоком конденсата зоны парового пространства.

В случае, если отсутствует производственная возможность использовать оборотную воду, то в данном случае в качестве дополнительного теплоносителя используют воздух, при этом заданную температуру контакта теплообменивающихся потоков в зоне дополнительного съема тепла обеспечивают путем подачи с заданной температуры потока конденсата, предварительно охлажденного дополнительным теплоносителем.

В процессе теплообмена, в зависимости от заданной температуры нагрева теплоносителя, осуществляют регулирование уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка количеством выводимого через патрубок выхода потока конденсата, обеспечивая возможность затопления трубного пучка более холодным по отношению к пару продуктом. Уровень конденсата поддерживают клапанами контура регулирования минимально допустимого расхода с коррекцией по температуре теплоносителя.

Для регулирования температуры теплоносителя в случае недостатка тепла, приходящего с конденсатом водяного пара низкого давления и/или конденсатом водяного пара высокого давления, а также для пускового режима работы теплообменного аппарата, в зону парового пространства дополнительно подают водяной пар низкого давления.

На фигурах 1, 2 представлены варианты теплообменного аппарата для осуществления предлагаемого способа, где на фигуре 1 изображен общий вид теплообменного аппарата по первому варианту в соответствии с пунктами 4-6 формулы изобретения, а на фигуре 2 - общий вид теплообменного аппарата по второму варианту в соответствии с пунктами 7-9 формулы изобретения.

Теплообменный аппарат включает горизонтальный кожух 1 с патрубком 2 входа продукта, патрубком 3 выхода продукта и паровым пространством 4.

В соответствии с настоящим изобретением в качестве продукта в теплообменный аппарат подается конденсат водяного пара низкого давления и/или конденсат водяного пара высокого давления. На фиг.1 представлен теплообменный аппарат, имеющий два патрубка 2 входа продукта - конденсата водяного пара низкого давления и конденсата водяного пара высокого давления. На фиг. 2 представлено устройство теплообменного аппарата, имеющего только один патрубок 2 входа продукта - конденсата водяного пара низкого давления.

Паровое пространство 4 горизонтального кожуха 1 соединено с паровым пространством 5 секции 6, установленной в верхней части горизонтального кожуха 1.

Горизонтальный кожух 1 снабжен трубным пучком 7 U-образной формы, установленным в трубной решетке 8 и соединенным с распределительной камерой 9, снабженной разделительной перегородкой 10 и патрубками входа 11 и выхода 12 теплоносителя.

Патрубок 11 входа теплоносителя соединен с распределительной камерой 9 нижней части трубного пучка 7, а патрубок выхода 12 теплоносителя соединен с распределительной камерой 9 верхней части трубного пучка 7.

Над трубным пучком 7 по всей его длине коаксиально установлена пластина 13 изогнутой полуокружности, при этом ее торец, направленный в сторону трубной решетки 8, герметично примыкает к горизонтальному кожуху 1 в его верхней части, а по крайней мере один патрубок 2 входа продукта установлен между линией примыкания пластины 13 к горизонтальному кожуху 1 и трубной решеткой 8.

Патрубок 3 выхода продукта из нижней части горизонтального кожуха 1 соединен с помощью насоса 14 и регулирующей арматуры с системой трубопроводов 15, 16, где также предусмотрен контур регулирования минимально допустимого расхода (в случае необходимости набора уровня продукта в горизонтальном кожухе 1).

Трубопровод 15 обеспечивает подачу продукта на дальнейшую переработку, а трубопровод 16 соединен с паровым пространством 5 секции 6.

Согласно первому варианту предлагаемого теплообменного аппарата (см. фиг. 1) трубопровод 16 соединен с паровым пространством 5 секции 6, снабженной камерами входа 17 и выхода 18 дополнительного теплоносителя, которые соединены теплообменными трубками 19, встроенными в паровое пространство 5 секции 6, в котором также установлены перегородки 20.

Согласно второму варианту предлагаемого теплообменного аппарата (см. фиг. 2) трубопровод 16 может быть соединен с паровым пространством 5 секции 6 через дополнительно установленный теплообменный аппарат 21, снабженный входами и выходами дополнительного теплоносителя (на фиг. 2 не показаны). В качестве теплообменного аппарата 21 может быть использован аппарат воздушного охлаждения (представлен на фиг. 2) или аппарат водяного охлаждения. В данном варианте в паровом пространстве 5 секции 6 установлены контактные элементы 22.

Кроме того, теплообменный аппарат по обоим вариантам также снабжен патрубком 23 входа пара низкого давления, обеспечивающего возможность осуществлять пусковой режим работы теплообменного аппарата, а также осуществлять регулирование температуры продукта в случае недостатка тепла, приходящего с конденсатом водяного пара.

Также теплообменный аппарат снабжен патрубком 24 подачи азота в паровое пространство 5 секции 6 для продувки теплообменного аппарата с целью исключения попадания в зону парового пространства кислорода воздуха. Патрубок 24 также соединен с атмосферой.

Теплообменный аппарат (по обоим вариантам) также снабжен необходимой запорно-регулирующей трубопроводной арматурой. На фиг. 1, 2 представлены только клапаны 25-27 регулирования потока.

Устройство работает следующим образом.

Теплоноситель холодный поступает в нижнюю часть распределительной камеры 9 через патрубок входа 11. В нижней части трубного пучка 7 происходит предварительный нагрев холодного теплоносителя теплом поступающего в зону парового пространства горизонтального кожуха 1 через патрубок 2 продукта -конденсата водяного пара низкого давления и/или конденсата водяного пара высокого давления парового конденсата (в зависимости от производственной необходимости).

Поступающий через патрубок 2 конденсат распределяется в горизонтальном кожухе 1 с помощью пластины 13, установленной над трубным пучком 7 и позволяющей создать зону направленной подачи конденсата на поверхность трубного пучка 7 по всей его поверхности для интенсификации процесса нагрева теплоносителя.

В верхней части трубного пучка 7 происходит догрев предварительно нагретого в нижней части трубного пучка 7 теплоносителя за счет его теплообмена с потоком поступающего конденсата, после чего нагретый теплоноситель через патрубок 12 выводят из верхней части распределительной камеры 9 и далее с заданной температурой направляют по дальнейшему назначению.

Уровень затопления трубного пучка 7 продуктом регулируется количеством выводимого через патрубок 3 конденсата в зависимости от заданной температуры нагрева теплоносителя, при этом гибкость схемы регулирования температуры теплоносителя обеспечивается за счет возможности затопления трубного пучка 7 более холодным по отношению к пару продуктом. Уровень конденсата в горизонтальном кожухе 1 поддерживается клапаном 25 контура регулирования уровня с коррекцией по температуре теплоносителя.

Для обеспечения стабильной работы насоса 14 для откачки конденсата в режиме набора уровня в горизонтальном кожухе предусмотрен контур регулирования минимально допустимого расхода насоса 14 (7-10% от номинального расхода) клапаном 26, установленным на трубопроводе 16 для подачи конденсата в паровое пространство 5 секции 6.

В паровом пространстве 5 секции 6 для исключения потерь конденсата водяного пара осуществляют охлаждение паров непосредственным контактом теплообменивающихся потоков, поддерживая при этом заданную температуру контакта теплообменивающихся потоков в верхней части секции 6 с помощью дополнительного теплоносителя.

По первому варианту предлагаемого устройства дополнительный теплоноситель (например, оборотная вода) поступает в камеру входа 17 и после дополнительного охлаждения конденсата в паровом пространстве секции 5 выходит из камеры выхода 18 и далее направляется на дальнейшую переработку.

По второму варианту предлагаемого устройства часть потока конденсата, поступающего по трубопроводу 16 в паровое пространство 5 секции 6 предварительно охлаждают в дополнительно установленном теплообменном аппарате 21, например, аппарате воздушного охлаждения, за счет его теплообмена с дополнительным теплоносителем - воздухом.

В случае недостатка тепла, приходящего с конденсатом водяного пара низкого давления и конденсатом водяного пара высокого давления (пусконаладочные работы, выходы на балансовый режим по потреблению пара) для обеспечения нагрева теплоносителя до заданных параметров в зону парового пространства горизонтального кожуха 1 через патрубок 23 дополнительно подают водяной пар низкого давления.

В случае отсутствия необходимости нагрева теплоносителя применяется режим «лето». В этом случае прекращается циркуляция теплоносителя, трубный пучок 7 отсекается от сетей и опорожняется, после чего организовывается «дыхание» на атмосферу. Контур поддержания температуры подогретого антифриза отключается от схемы управления уровнем в горизонтальном кожухе, а зона дополнительного съема тепла в секции 6 обеспечивает полную конденсацию выпара конденсата водяного пара.

Моделирование процесса утилизации тепла конденсата водяного пара осуществлялось с помощью программы HYSYS.

Пример 1 (см. фиг. 1)

Антифриз с температурой 55-65°С в количестве 135 тонн в час подавался в трубный пучок 7 ниже уровня затопления конденсатом трубного пучка 7 для предварительного нагрева антифриза теплом поступающего с температурой 120°С и давлением 0,2 МПа конденсата. В зону парового пространства непрерывно подавался конденсат водяного пара в количестве 30 тонн в час и конденсат водяного пара высокого давления в количестве 3,8 тонн в час.

Тепловая нагрузка на трубный пучок 7 и температура нагретого антифриза регулировалась изменением уровня затопления конденсатом трубного пучка 7 клапаном 25, установленным на трубопроводе 15.

Обеспечение стабильной работы насоса 14 в режиме набора уровня конденсата в горизонтальном кожухе 1 осуществлялось за счет регулирования минимально допустимого расхода насоса 14 (7-10% от номинального расхода) клапаном 26, установленным на трубопроводе 16.

В зоне дополнительного съема тепла за счет непосредственного контакта теплообменивающихся потоков зоны парового пространства и зоны дополнительного съема тепла осуществлялось охлаждение выпара конденсата до температуры 55°С и его конденсация. Заданную температуру теплообменивающихся потоков поддерживали за счет дополнительного теплоносителя - оборотной воды, подаваемой в зону дополнительного съема тепла с температурой 20°С в количестве 40 тонн в час.

Конденсат в количестве 3 тонны в час, охлажденный в зоне дополнительного съема тепла до температуры 55°С, далее отводился в зону затопления конденсатом трубного пучка 7.

Для исключения попадания в зону парового пространства кислорода воздуха, осуществлялась постоянная продувка теплообменного аппарата азотом с расходом 30 нм³ в час.

Нагретый до заданной температуры антифриз с температурой 90-95°С и давлением 0,95-1,1 МПа затем выводился из верхней части трубного пучка выше уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка 7 и далее направлялся по дальнейшему назначению.

Конденсат водяного пара, после утилизации его тепла, с температурой 80-100°С в количестве 33,8 тонн в час выводился из теплообменного аппарата.

Пример 2 (см. фиг. 2)

Антифриз с температурой 55-65°С в количестве 135 тонн в час подавался в трубный пучок 7 ниже уровня затопления конденсатом трубного пучка 7 для предварительного нагрева антифриза теплом поступающего с температурой 120°С и давлением 0,2 МПа конденсата. В зону парового пространства непрерывно подавался конденсат водяного пара низкого давления в количестве 30 тонн в час.

Тепловая нагрузка на трубный пучок 7 и температура нагретого антифриза регулировалась изменением уровня затопления конденсатом трубного пучка 7 клапаном 25, установленным на трубопроводе 15.

Обеспечение стабильной работы насоса 14 в режиме набора уровня конденсата в горизонтальном кожухе 1 осуществлялось за счет регулирования минимально допустимого расхода насоса 14 (7-10% от номинального расхода) клапаном 26, установленным на трубопроводе 16.

В зоне дополнительного съема тепла за счет непосредственного контакта теплообменивающихся потоков зоны парового пространства и зоны дополнительного съема тепла осуществлялось охлаждение выпара конденсата до температуры 55°С и его конденсация. Заданную температуру теплообменивающихся потоков поддерживали путем подачи потока конденсата, предварительно охлажденного до температуры 25°С в аппарате воздушного охлаждения дополнительным теплоносителем - воздухом.

Температура в зоне дополнительного съема тепла регулировалась клапаном 26, установленном на трубопроводе 16.

Нагретый до заданной температуры антифриз с температурой 90-95°С и давлением 0,95-1,1 МПа затем выводился из верхней части трубного пучка выше уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка 7 и далее направлялся по дальнейшему назначению.

Для исключения попадания в зону парового пространства кислорода воздуха осуществлялась постоянная продувка теплообменного аппарата азотом через патрубок 24 с расходом 30 нм³ в час.

Конденсат водяного пара, после утилизации его тепла, с температурой 80-100° выводился из зоны затопления конденсатом трубного пучка 7 теплообменного аппарата.

Таким образом, в результате осуществления способа в теплообменном аппарате обеспечивается полная утилизация тепла конденсата водяного пара при оптимальном режиме работы теплообменного аппарата, при этом не требуется дополнительного оборудования, которое применяется на практике в производственном процессе для утилизации тепла конденсата, а это обеспечивает осуществление утилизации тепла при оптимальных капитальных и эксплуатационных затратах.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в нефтегазоперерабатывающей, химической и других отраслях промышленности на любых предприятиях, использующих водяной пар в качестве теплового агента. Согласно предлагаемому способу осуществляют рекуперативный теплообмен конденсата водяного пара низкого давления и/или конденсата водяного пара высокого давления, подаваемого в паровое пространство поверхностного теплообменного аппарата, и теплоносителя, подаваемого на нагрев в трубный пучок ниже уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка, после чего выводят нагретый теплоноситель из трубного пучка выше уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка. При этом осуществляют регулирование уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка количеством выводимого потока конденсата в зависимости от заданной температуры нагрева теплоносителя. Кроме того, над зоной парового пространства создают зону дополнительного съема тепла конденсата, в которую подают часть выводимого потока конденсата. Также предложен теплообменный аппарат для осуществления заявленного способа. Технический результат - повышение эффективности утилизации тепла конденсата водяного пара, регулирование тепловой нагрузки на нагрев теплоносителя 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ утилизации тепла конденсата водяного пара путем рекуперативного теплообмена конденсата, подаваемого в паровое пространство поверхностного теплообменного аппарата, и теплоносителя, подаваемого в трубный пучок, включающий зону затопления конденсатом трубного пучка, зону парового пространства, вывод потока конденсата и нагретого теплоносителя, отличающийся тем, что в зону парового пространства подают конденсат водяного пара низкого давления и/или конденсат водяного пара высокого давления, теплоноситель подают на нагрев в трубный пучок ниже уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка, а выводят теплоноситель из трубного пучка после нагрева выше уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка, при этом осуществляют регулирование уровня зоны затопления конденсатом трубного пучка количеством выводимого потока конденсата в зависимости от заданной температуры нагрева теплоносителя, кроме того над зоной парового пространства создают зону дополнительного съема тепла конденсата, в которую подают часть выводимого потока конденсата, осуществляя непосредственный контакт теплообменивающихся потоков зоны парового пространства и зоны дополнительного съема тепла конденсата, при этом заданную температуру контакта теплообменивающихся потоков обеспечивают с помощью дополнительного теплоносителя.

2. Способ утилизации тепла конденсата водяного пара по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный теплоноситель подают в зону дополнительного съема тепла конденсата, при этом конденсацию пара осуществляют поверхностным теплообменом потока конденсата зоны парового пространства с дополнительным теплоносителем, например оборотной водой.

3. Способ утилизации тепла конденсата водяного пара по п. 1, отличающийся тем, что заданную температуру контакта теплообменивающихся потоков в зоне дополнительного съема тепла обеспечивают путем подачи с заданной температурой потока конденсата, предварительно охлаждаемого дополнительным теплоносителем, например воздухом.

4. Теплообменный аппарат, включающий горизонтальный кожух с патрубком входа продукта и паровым пространством, соединенным с паровым пространством секции, установленной в верхней части горизонтального кожуха, трубный пучок, установленный в трубной решетке и соединенный с распределительной камерой, снабженной разделительной перегородкой и патрубками входа и выхода теплоносителя, регулирующую арматуру, отличающийся тем, что в верхней части горизонтального кожуха установлено по крайней мере не менее одного патрубка входа продукта, патрубок выхода продукта из нижней части горизонтального кожуха соединен с помощью насоса и регулирующей арматуры с системой трубопроводов, один из которых обеспечивает подачу продукта на дальнейшую переработку, а другой трубопровод соединен с паровым пространством секции, снабженной камерами входа и выхода дополнительного теплоносителя, соединенными теплообменными трубками, встроенными в паровое пространство секции.

5. Теплообменный аппарат по п. 4, отличающийся тем, что в паровом пространстве секции установлены перегородки.

6. Теплообменный аппарат по п. 4, отличающийся тем, что над трубным пучком по всей его длине коаксиально установлена пластина изогнутой полуокружности, при этом ее торец, направленный в сторону трубной решетки, герметично примыкает к горизонтальному кожуху в его верхней части, а по крайней мере один патрубок входа продукта установлен между линией примыкания пластины к горизонтальному кожуху и трубной решеткой.

7. Теплообменный аппарат, включающий горизонтальный кожух с патрубком входа продукта и паровым пространством, соединенным с паровым пространством секции, установленной в верхней части горизонтального кожуха, трубный пучок, установленный в трубной решетке и соединенный с распределительной камерой, снабженной разделительной перегородкой и патрубками входа и выхода теплоносителя, регулирующую арматуру, отличающийся тем, что в верхней части горизонтального кожуха установлено по крайней мере не менее одного патрубка входа продукта, патрубок выхода продукта из нижней части горизонтального кожуха соединен с помощью насоса и регулирующей арматуры с системой трубопроводов, один из которых обеспечивает подачу продукта на дальнейшую переработку, а другой трубопровод соединен с паровым пространством секции через дополнительно установленный теплообменный аппарат, снабженный входами и выходами дополнительного теплоносителя.

8. Теплообменный аппарат по п. 7, отличающийся тем, что в паровом пространстве секции установлены контактные элементы.

9. Теплообменный аппарат по п. 7, отличающийся тем, что над трубным пучком по всей его длине коаксиально установлена пластина изогнутой полуокружности, при этом ее торец, направленный в сторону трубной решетки, герметично примыкает к горизонтальному кожуху в его верхней части, а по крайней мере один патрубок входа продукта установлен между линией примыкания пластины к горизонтальному кожуху и трубной решеткой.