Способ очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов Российский патент 2024 года по МПК B08B9/00 B08B9/28 B08B9/32 

Изобретение относится к очистке внутренней поверхности труб теплообменника от различных загрязнений производственного и эксплуатационного характера, например накипи, асфльтросмолопарафиновых отложений (АСПО) и/или т.п. и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в том числе в нефтепереработке на водяных холодильниках.

Известен способ очистки внутренней поверхности трубных полостей (авторское свидетельство SU №1294397, МПК В08В 9/32, опубл. 07.03.1987), заключающийся в подаче в трубы газожидкостного потока, образованного смесью моющей жидкости и сжатого газа, при этом очищаемые полости подсоединяют к кольцевому коллектору, а моющую жидкость подают тангенциально в коллектор для раскручивания ее до образования кольцевой пленки с последующим продавливанием пленки в трубы сжатым газом.

Недостатками данного способа являются узкая область применения из-за возможности использования только с кольцевым коллектором, по которому моющую жидкость с газом, и высокая опасность выхода из строя из-за последующей закачки только газа, что может привести во вращающемся потоке жидкости с газом к неконтролируемой кавитации, выводящей из строя трубные поверхности.

Наиболее близким по технической сущности является способ очистки внутренней поверхности труб (патент RU №2228805, МПК В08В 9/32, опубл. 20.07.2003 Бюл. №20), заключающийся в тангенциальной подаче в них моющей жидкости, в котором смежные трубы жестко связывают между собой посредством тангенциально расположенных патрубков с образованием коллектора, а в качестве моющей жидкости используют воду природного состава.

Недостатком данного способа узкая область применения из-за возможности использования только в последовательно соединенных трубах посредством тангенциальных патрубков.

Техническим результатом является создание универсального способа очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов, в том числе в нефтепереработке на водяных холодильниках, осуществляющих эффективную очистку за счет скорости прокачки жидкости, обеспечивающей турбулентный поток в трубах с минимальным пристанным слоем.

Техническим решением является способ очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов, включающий подачу в них не ламинарного потока моющей жидкости для очистки от отложений.

Новым является то, что на входе и выходе из труб создается перепад давлений, обеспечивающий обратный рабочему поток моющей жидкости со скоростью, обеспечивающей турбулентный поток, ускоряющий очистку от отложений внутренней поверхности труб без разрушения труб и их соединений.

Новым является также то, что в качестве моющей жидкости используют пресную или минеральную воду.

Новым является также то, что в дополнительно добавляют растворитель отложений.

Новым является также то, что в воду дополнительно добавляют поверхностно-активные вещества - ПАВ.

Новым является также то, что в турбулентный поток добавляют инертный газ - Азот для обеспечения кавитации.

На чертеже изображена схема реализации способа.

Конструктивные элементы, технологические соединения, уплотнения, защитные клапаны и т.п., не влияющие на описание работоспособности способа, на схеме на показаны или показаны условно.

Перед реализацией способа проводят переоборудование теплообменного аппарата, состоящего из теплообменника 1 (не конструкцию теплообменника автор не претендует), входного 2 и выходного 3 патрубков нагреваемой или охлаждаемой жидкости, входного 4 и выходного 5 патрубков теплоносителя (хладагента). Между патрубками 2 и 3 устанавливают перемычку 6, выходной патрубок 3 между перемычкой 6 и теплообменником 1 оснащают байпасом 7, входной патрубок 2 между перемычкой 6 и теплообменником 1 - патрубком слива 8, а вход теплообменника 1 соообщают патрубками 9 и 10 с дозаторами газа (не показан) и реагентов (не показана) соответственно. Патрубки 2, 3, перемычка 6, байпас 7 парубки 8, 9 и 10 оснащают переключаемыми блоком управления а (показан условно) двухпозиционными кранами 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 соответственно. При работе теплообменного аппарата краны 11 и 12 открыты, а 13, 14, 15, 16 и 17 закрыты.

Для реализации способа очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов предварительно определяют необходимую скорость потока для обеспечения турбулентности потока, например, для трубных теплообменников по формуле:

[1]

где v - скорость потока, м/с;

Re = 2000 -- граничное число Рейнольдса для трубок;

η - динамическая вязкость среды, Па⋅с или кг/(м⋅с);

ρ - плотность смеси, кг/м³;

D_Γ - гидравлический диаметр внутренних труб теплообменника 1, м.

Если используется турбулентный поток, то для очистки теплообменника рациональнее всего использовать наиболее доступную и дешевую жидкость - воду (ρ=1000 кг/м³, η≈0,001 Па⋅с) или минеральную воду (с общей минерализацией 1 - 15 г/дм³, у которой ρ=0,999 - 1150 кг/м³, η≈0,001 Па⋅с)

Поэтому для трубы d_н=16х1 мм с D_Γ=14 мм=0,014 м по формуле [1] определяем скорость:

,

то есть скорость должна быть v=0,143 м/c для обеспечения турбулентного потока в трубках. Примем v=2 м/с, как показала практика такая скорость гарантировано обеспечивает турбулентность потока для большинства используемых теплообменников с различными моющими жидкостями (вода + поверхностно-активные вещества (ПАВ), растворители (уайт спирит, керосин, ацетон или т.п.) и т.д.)

Зная, что скорость зависит и от перепала давлений и определяется по формуле:

[2]

где v - скорость смеси жидкостей раствора вдоль трубки, м/с;

R=D_Γ/2 - внутренний радиус трубы теплообменника 1, м;

p₁ - p₂ = ΔP -разность давлений на входе и на выходе из трубы теплообменника 1, то есть перепад давлений, Па;

η - динамическая вязкость смеси, Па⋅с или кг/(м⋅с);

L - суммарная длина труб (из паспорта к теплообменнику 1), м.

Из формулы [2] получаем:

[3]

где ΔP=p₁-p₂ - разность давлений на входе и на выходе из трубы теплообменника 1, то есть перепад давлений, Па;

v - скорость смеси жидкостей раствора внутри трубы, м/с;

D_Γ - внутренний диаметр трубы теплообменника 1, м;

η - динамическая вязкость смеси, Па⋅с или кг/(м⋅с);

L - суммарная длина трубы (из паспорта к теплообменнику 1), м.

При использовании воды для очистки трубы теплообменника 1 с трубкой d_н=16х1 мм с D_Γ=14 мм=0,014 и суммарной длиной L=230 м из формулы [3] получаем:

,

с учетом того, что слив происходит в сливную емкость (не показана) по патрубку слива 8 с давлением окружающей среды р₂ ≈0,1 МПа, то получаем входное давление р₁ в теплообменнике 1 не должно быть ниже:

[4]

Давление ≈0,104 МПа (≈1 атм) легко создаст любой промышленный насос (не показан), предназначенный для нагнетания жидкости по патрубку 2 в теплообменник 1, поэтому подключать дополнительный нагнетательный насос высокого давления нет необходимости. При этом чем выше входное давление р₁, тем выше перепад давлений ΔР и, следовательно, скорость потока v, что не противоречит формулам [1] и [4].

Практические испытания также показали, что промывка теплообменника 1 обратным рабочему турбулентным потоком моющей жидкости ускоряет промывку при тех же параметрах давления ΔР и скорости v на 8-12% (чем выше перепад давлений ΔР и скорость потока v, тем эффективность выше). Потому авторы приняли такую схему реализации способа (см. чертеж).

Исходя из параметров работы теплообменника 1 подбирают в лабораторных и/или стендовых испытаниях необходимое количество газа, ускоряющего очистку от отложений внутренней поверхности труб без разрушения труб и их соединений внутри теплообменника 1. Так как кавитация связана с образованием в жидкости множества пузырьков газа в областях локального пониженного давления при неравномерном течении потока жидкости (что естественно для турбулентного потока), и последующие их «схлопывание» (деление, резкое уменьшение в размерах и т.п.) с большим выделением энергии в точке «схлопывания» при резком повышении давления. Однако, малое количество в моющей жидкости газа практически не влияет на разрушение отложений внутри труб теплообменника 1, ускоряя процесс очистки до 20%, а большое количество - может привести к разрушению самих труб и/или их соединений (пайка, сварка, дорнирование и/или т.п.) внутри теплообменника 1. Поэтому газ в моющую жидкость добавляют по патрубку 9 при помощи дозатора газа, отмеряющего необходимое количество газа. Для исключения химических реакций внутри труб теплообменника 1 в качестве добавляемого газа необходимо брать инертный газ - Азот (N), как наиболее распространенный и дешевый инертный газ. На количество газа и способы дозирования авторы не претендует.

Также в лабораторных и/или стендовых условиях подбирают ускоряющие процесс растворения, разрушения и/или выноса отложений в трубах теплообменника 1 подбирают наиболее эффективные растворители (вещества, способные растворять другие твёрдые, жидкие или газообразные вещества, не изменяя их химический состав) отложений и ПАВ (вещества, адсорбирующиеся на поверхности раздела фаз и снижающие межфазное поверхностное натяжение) и их необходимое количество (например, массовое содержание в %) в моющей жидкости. ПАВ облегчают вынос разрушенных или растворённых отложений из труб теплообменника 1. Растворители и ПАВ рекомендуется применять периодически при сильных загрязнениях труб теплообменника (определяется повышением за пределы допустимого перепада давлений ΔР на входе патрубке 2 и выходе в патрубке 3 при работе теплообменника). На состав и способ применения растворителей и ПАВ авторы не претендуют.

Перед началом реализации способа выходной патрубок 3 отсоединяют при необходимости от потребителей (не показаны), ко входу насоса (не показан), нагнетающего жидкость в теплообменник 1 по входному патрубку 2, подсоединяют резервуар (не показан) с моющей жидкостью. При использовании в работе теплообменника 1 (таких на производстве не менее 80-85%) воды как рабочей жидкости, емкости с моющей жидкостью подключать не надо, так как в качестве моющей жидкости можно использовать рабочую жидкость - воду.

Для реализации способа очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов с блока управления а подают сигнал, закрывающий краны 11 и 12 и открывающий краны 11, 12, 13, 14, 15 и 16. В результате моющая жидкость нагнетается насосом во входной патрубок 2, проходит по перемычке 6, байпасу 7 патрубка 3, обогащается азотом из патрубка 9, при необходимости принимает из патрубка 10 реагенты и/или ПАВ (для этого сигналом с блока управления а открывают также кран 17) и поступает на выход теплообменника 1. Далее обратным рабочему от выхода к входу теплообменника 1 турбулентным потоком при помощи кавитации, реагентов (при наличии) и/или ПАВ (при наличии) очищает внутренние поверхности труб теплообменника 1. Далее моющая жидкость с разрушенными и/или растворенными отложениями из входа теплообменника 1 через патрубок слива 8 стекает в сливную емкость, где воду очищают, а отложения - утилизируют.

Далее с блока управления а подают сигнал, открывающий краны 11 и 12 и закрывающий краны 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 (если он был открыт). В результате Рабочая жидкость из входного патрубка 2 поступает на вход теплообменника 1, а нагретая или охлаждённая рабочая жидкость с выхода теплообменника 1 по выходному патрубку 3 поступает потребителю (на установки, в дома, реакторы и/или т.п.).

При необходимости через период времени, определенный технологами (автор на это не претендует) очистку внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов описанным выше способом повторяют с растворителем и/или ПАВ или без них. Благодаря чему можно производить очистку любых теплообменных аппаратов в процессе работы, независимо от их конструкции и способа применения, обеспечивая скорость очистки, как минимум на 30% быстрее аналогов, то есть более эффективно.

Предлагаемый способ очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов универсален, так как может применяться на любых трубных теплообменниках с любой рабочей жидкостью, в том числе в нефтепереработке на водяных холодильниках, при этом осуществлять эффективную очистку за счет скорости прокачки моющей жидкости, обеспечивающей турбулентный поток в трубах с минимальным пристанным слоем.

Приложение

Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром и газом полостей или пузырьков при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. Соотношение содержания газа и пара в полости может быть различным (теоретически от нуля до единицы). В зависимости от концентрации пара или газа в полости их называют паровыми (не рассматриваем) или газовыми [1-10 - литература].

Необходимо отметить, что понижение давления в жидкости до давления насыщенных паров возможно также при кипении или вакуумировании (снижении давления) жидкости. Но эти процессы распространяются по всему объему жидкости в отличие от кавитации, которая имеет ограниченную область. Различают гидродинамическую кавитацию, возникающую за счет местного понижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела, и акустическую кавитацию, возникающую при прохождении через жидкость акустических колебаний, которую не будем рассматривать. Кавитационная каверна, заполненная паром и газом в различных источниках, называется полостью, пузырем, пузырьком, сферой и т.п. [1-10]

Для получения вакуумирования (снижения давления) жидкости необходимо увеличить скорость течения жидкости, так как закон Бернулли гласит, в тех участках течения потока жидкости или газа, где скорость больше, давление меньше, и наоборот, с увеличением давления жидкости, протекающей в трубе, скорость ее движения уменьшается. То есть, где больше скорость (v), там меньше давление (Р).

Что отразилось в уравнении Бернулли:

где ρ - плотность жидкости, кг/м³;

v - скорость потока жидкости, м/с;

h - высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости, м;

Р - давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости, Па;

g - ускорение свободного падения, ≈ 9,81 м/с².

А так как для получения турбулентного потока внутри теплообменного аппарата необходимо повышать скорость (см. формулы [1] и [2] на стр. 3 и 4 описания изобретения), вакуумирование происходит внутри теплообменного аппарата, приводя к кавитации при наличии газа в турбулентном потоке жидкости. Перепад давлений внутри теплообменного аппарата рассчитывается по формуле [3] на стр. 4 описания изобретения.

B момент схлопывания, давление и температура газа достигают значительных величин (по некоторым данным до 100 МПа и 1000 °C) [10]. После схлопывания полости в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве. В литературе употребляются такие термины, как захлопывание, схлопывание, аннигиляция. коллапс и т.п., которые обозначают одно явление - уменьшение радиуса пузырька до минимального или уменьшение радиуса полости, ее деформацию и распад на несколько пузырьков [4-6], что приводит к процессам разрушения материала, взаимодействующего с потоком жидкости [7-10] (в нашем случае различных отложений на внутренних стенках теплообменника).

Зная объем перекачиваемой жидкости, перепад давлений и скорость потока внутри теплообменника можно рассчитать по формулам [5] необходимое содержание газа в жидкости и время воздействия на различные отложения на внутренних стенках теплообменника для их эффективного разрушения. Эти данные и водятся в блок управления а.

Так как кавитация и ее действие на материалы хорошо известны из открытых источников, авторы на это не претендуют.

Литература:

1. Перник А.Д. Проблемы кавитации. - Л.: Судостроение. 1966. -439 с.

2. Пирсол И. Кавитация. - М.: Мир. 1975. - 95 с.

3. Рождественский В.В. Кавитация. - Л.: Судостроение. 1977. - 248 с.

4. Арзуманов З.С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях. - М.: Энергия. 1978. - 303 с.

5. Терентьев А.Г. Математические вопросы кавитации: Учебное пособие. -Чебоксары: Издательство Чувашского гос. ун-та. 1981. - 132 с.

6. Исследования по развитой кавитации: Сб. науч. тр. - Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1976. - 144 с.

7. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. - М.: Мир. 1974-668 с.

8. Федоткин И.М., Немчин А.Ф. Использование кавитации в технологических процессах. - Киев: Вища шк., 1984. - 68 с. И.

9. Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. -М.: Машиностроение. 1971.-240 с.

10. Немчин А.Ф. Новые технологические эффекты тепломассопереноса при использовании кавитации // Пром, теплотехника. -1997.-Т. 19. №6.-С. 39-47.

Изобретение относится к очистке внутренней поверхности труб теплообменника от различных загрязнений. Способ очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов, включающий подачу в них неламинарного потока моющей жидкости для очистки от отложений, при этом на входе и выходе из труб создается перепад давлений, обеспечивающий обратный рабочему поток моющей жидкости со скоростью, обеспечивающей турбулентный поток, ускоряющий очистку от отложений внутренней поверхности труб без разрушения труб и их соединений. Технический результат – повышение эффективности очистки внутренней поверхности труб. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов, включающий подачу в них неламинарного потока моющей жидкости для очистки от отложений, отличающийся тем, что на входе и выходе из труб создается перепад давлений, обеспечивающий обратный рабочему поток моющей жидкости со скоростью, обеспечивающей турбулентный поток, ускоряющий очистку от отложений внутренней поверхности труб без разрушения труб и их соединений.

2. Способ очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве моющей жидкости используют пресную или минеральную воду.

3. Способ очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов по п. 2, отличающийся тем, что в воду дополнительно добавляют растворитель отложений.

4. Способ очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов по одному из пп. 2 или 3, отличающийся тем, что в воду дополнительно добавляют поверхностно-активные вещества - ПАВ.

5. Способ очистки внутренней поверхности труб теплообменных аппаратов по одному из пп. 2, 3 или 4, отличающийся тем, что в турбулентный поток добавляют инертный газ - азот - для обеспечения кавитации.