Процессы и агрегаты нефтегазовых технологий Лекция 4 1

Процессы и агрегаты нефтегазовых технологий Лекция 4: 1. Введение С. Классификация химических реакторов по организации теплового режима 2. Теплообмен как физическая основа недеструктивных и деструктивных процессов переработки и очистки нефти и нефтепродуктов 2. 1. Способы теплообмена 2. 2. Нагревание и теплоносители 2. 3. Охлаждение и хладагенты 3. Принцип действия и конструкция теплообменных аппаратов 3. 1. Типы теплообменных аппаратов 3. 2. Конструкция кожухотрубчатых теплообменников 3. 3. Аппараты типа «труба в трубе» 3. 4. Аппараты воздушного охлаждения (АВО) 5. Основы процессов кристаллизации и их место среди процессов переработки и очистки нефти и нефтепродуктов 4. Конструкция промышленных кристаллизационных аппаратов 4. 1. Кристаллизаторы типа «труба в трубе» 4. 2. Кожухотрубчатые кристализаторы и аппараты смешения 4. 3. Ленточные кристаллизаторы

ВВЕДЕНИЕ 3 «кита» фундаментального знания, на которых стоят конструирование, фунционирование и моделирование процессов и агрегатов нефтегазопереработки МАССООБМЕН при физических и химических процессах в реакторе ТЕПЛООБМЕН при физических и химических процессах в реакторе КИНЕТИКА И МАКРОКИНЕТИКА химических процессов в реакторе

С. Классификация химических реакторов. Области их применения. 3. По конструктивному оформлению реакторов 3. 1. Ректоры емкостного типа с перемешивающим устройством различного типа – с механическими мешалками, с барботажным устройством, с циркуляцией при использовании насосов. Каскад реакторов с перемешивающими устройствами. 3. 2. Реакторы колонного типа, секционированные перегородками с перемешиванием в пределах каждой секции. 3. 3. Реакторы трубчатого типа. 3. 4. Змеевиковые реакторы. 4. По характеру протекающих реакций. 4. 1. Реакторы для некаталитических процессов. 4. 2. Реакторы для каталитических процессов. Среди реакторов для каталитических процессов можно выделить реакторы с неподвижным слоем катализатора (1), реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора (2), реакторы с рециклом твердого катализатора (3). 5. По способу организации теплового режима 5. 1. Адиабатические реакторы, в которых все выделяющееся (или поглощаемое) тепло идет на изменение температур реакционной смеси 5. 2. Реакторы с теплообменом. Среди этих реакторов можно выделить реакторы, работающие в изотермическом режиме, обычно это реакторы с интенсивным перемешивающим устройством и эффективным теплообменом, и реакторы политропические, в которых часть тепла отводится через теплообменное устройство из зоны реакции, а часть тепла идет на изменение температуры реакционной среды. В случае использования колонных или трубчатых аппаратов при этом образуется неизотермический профиль изменения температуры по длине реактора.

2. Теплообмен как физическая основа недеструктивных и деструктивных процессов переработки и очистки нефти и нефтепродуктов Теплообмен (англ. heat exchange) - процесс переноса энергии в форме тепла, происходящий между телами с различной температурой. Теплообмен происходит в аппаратах технологических установок нефтегазопереработки при непосредственном контактировании сред с разной температурой, а также в поверхностных аппаратах, например, в трубчатых печах, теплообменниках при нагревании исходного сырья и охлаждении получаемых продуктов. Движущая сила теплообмена - разность температур между более и менее нагретым телами, при наличии которой тепло самопроизвольно в соответствии со вторым законом термодинамики переходит от более нагретого телу к менее нагретому. В результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого - возрастает. Теплообмен между телами происходит на уровне обмена энергии между молекулами, атомами и свободными электронами. 2. 1. Существуют три различных способа теплообмена: 1) теплопроводность, 2) конвективный теплообмен 3) лучистый (радиационный) теплообмен 1) Теплопроводность представляет собой перенос энергии в форме тепла вследствие беспорядочного (теплового) перемещения непосредственно соприкасающихся друг с другом микрочастиц: движение собственно молекул (газы, капельные жидкости), либо колебание атомов (кристаллические решетки твердых тел), или диффузия свободных электронов (металлы).

1) Теплопроводность представляет собой перенос энергии в форме тепла вследствие беспорядочного (теплового) перемещения непосредственно соприкасающихся друг с другом микро- и наночастиц. Это реализуется следующим образом: а) свободное движение собственно молекул (газы, капельные жидкости), б) упорядоченные колебания атомов (кристаллические решетки твердых тел), в) диффузия свободных электронов (металлы). 2) Конвективный теплообмен – также процесс переноса энергии в форме тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газообразной, жидкой или сыпучей среды. Конвективный перенос тепла возможен в условиях естественной конвекции (движение среды обусловлено только действием силы тяжести на неравномерно нагретую и, следовательно, неоднородную по плотности среду) или вынужденной (движение среды происходит под действием насосов, вентиляторов, мешалок). Если конвективный теплообмен сопровождается переходом среды из одного агрегатного состояния в другое (например, при кипении жидкости или при конденсации пара), то реализуется конвективный теплообмен при изменении агрегатного состояния. 3) Лучистый теплообмен - это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, лучистый теплообмен складывается из процессов лучеиспускания (1) и лучепоглощения (2).

В реальных условиях тепло всегда передается комбинированным путем. Например, при теплообмене от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку тепло передается одновременно теплопроводностью, конвективным и лучистым теплообменом. Этот процесс носит название теплопередачи. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей. В поверхностных теплообменниках при конвективной теплопередаче от одной среды к другой количество тепла Q, передаваемого через поверхность F за время , пропорционально коэффициенту теплопередачи к и температурному напору, т. е. T : Q = k. F T . Коэффициент теплопередачи k характеризует интенсивность теплообмена и зависит от коэффициентов теплоотдачи к стенке и от нее и теплового сопротивления стенки.

2. 1. Нагревание и теплоносители Нагревание (англ. heating) - процесс подвода тепла к среде для повышения ее температуры, изменения агрегатного состояния или химических превращений. Нагревание широко применяется в нефтегазопереработке. Нефть (сырье) при первичной переработке на установках обессоливания и обезвоживания нагревают до температуры 140 -160°С, при атмосферной перегонке - до 300 -360°С, при вакуумной перегонке мазута - до 380 -420°С. В условиях вторичных процессов сырье нагревают до более высоких температур: на установках термического крекинга - до 520 -540°С, на установках коксования - до 510520°С, на установках каталитического крекинга до 460 -560°С, на установках каталитического риформинга - до 480 -540°С, в процессах пиролиза и конверсии углеводородных газов - до 750 -900°С, при производстве технического углерода - до 1300 -1550°С. Для нагревания используют различные теплоносители и электронагреватели сопротивления (индукционные, высокочастотные). На НПЗ нагрев поступающего сырья часто производят в теплообменниках горячими продуктами переработки. Это позволяет регенерировать часть тепла и снизить расход топлива на нагрев сырьевых потоков.

Теплоносители (англ. heat carriers) - вещества, используемые в качестве нагревающих агентов. К ним относятся 1) водяной пар, 2) перегретая вода, 3) органические жидкости и их пары, 4) неорганические жидкости - расплавленные соли, жидкие металлы, 4) дымовые газы и горячий воздух, нагретый в топках под давлением. На НПЗ самый распространенный теплоноситель - водяной пар. Достоинство водяного пара как теплоносителя - высокий коэффициент теплоотдачи при его конденсации и большая величина скрытой теплоты конденсации (2260 к. Дж/кг при давлении 9, 8 -104 Па). Обычно в качестве теплоносителя используют насыщенный водяной пар, так как расход перегретого водяного пара высок вследствие его малой теплоемкости, а коэффициент теплоотдачи от него мал. Однако насыщенный водяной пар как теплоноситель обладает сравнительно низкой температурой при высоком давлении. Например, при абсолютном давлении 0, 98 МПа температура конденсации равна 179°С и при этих условиях его можно использовать для нагрева до 170 °С. Для нагрева до 200 °С требуется насыщенный водяной пар с давлением 2, 5 - 3, 0 МПа. В промышленной практике для нагрева до более высоких температур применяют органические теплоносители, конденсирующиеся при более низком давлении. Например, смесь дифенила и дифенилоксида (известная под названием даутерма) конденсируется при атмосферном давлении при 257°С, а давление насыщенных паров даутерма при 350°С составляет 0, 6 МПа. В парообразном состоянии даутерм рекомендуется для нагрева до 380 -400°С, более высокие температуры приводят к заметному разложению даутерма. На НПЗ при нагреве выше 200°С часто используют высококипящие нефтепродукты, которые нагревают в трубчатых печах.

При нагреве до температур выше 400°С находит применение тройная эвтектическая нитрит-нитратная смесь, содержащая по массе 40% азотистокислого натрия, 7% азотнокислого натрия и 53% азотнокислого калия, имеющая температуру плавления 142°С. Для нагрева до температур 400 -800°С применяют ртуть, а также легкоплавкие металлы (натрий, калий, свинец). В качестве универсального теплоносителя используют дымовые газы и горячий воздух, нагретый в топках под давлением. Сравнительно невысокий коэффициент теплоотдачи от них в этом случае может быть скомпенсирован созданием более высокого температурного напора.

2. 2. Охлаждение и хладагенты Охлаждение (англ. cooling) - процесс отвода тепла от вещества с целью понижения его температуры, изменения агрегатного состояния или химического превращения. Охлаждение широко используется в нефтепереработке наряду с нагреванием: охлаждают отходящие горячие продукты; отводят тепло из аппаратов, создавая требуемый температурный режим для проведения технологических процессов (процессы абсорбции, экстракции, низкотемпературной ректификации, депарафинизации масел). В зависимости от уровня температуры и применяемых хладагентов различают естественное и искусственное охлаждение. При естественном охлаждении достигаемая температура определяется температурой окружающей среды - воды, воздуха, льда. В зависимости от времени года температура речной воды изменяется от 4 до 25°С, артезианской - от 8 до 15°С; температура оборотной воды примерно равна 30°С. Воздух имеет большую, чем вода, разницу сезонных температур. Оборотную воду охлаждают в градирнях воздухом. Искусственное охлаждение осуществляют в основном двумя способами: посредством отвода тепла испаряющимися низкокипящими жидкостями - хладагентами (до 393°С) и понижения температуры вследствие расширения предварительно сжатых газов (ниже 393°С) путем простого дросселирования или расширения с совершением внешней работы в турбодетандерном агрегате. В качестве испаряющихся хладагентов применяют сжиженные газы: аммиак, пропан, этан. В технологических установках, где применяют искусственное охлаждение, холод отходящих продуктов регенерируют, используя их как хладагенты для начального охлаждения поступающего сырья.

Хладагенты (англ. cooling agents) - вещества, служащие для отвода тепла от охлаждаемых поверхностей. В качестве хладагентов используют 1) воду, 2) воздух, 3) водные растворы хлористых солей натрия, калия, магния (рассолы), 4) сжиженные газы - аммиак, пропан, этан, фреоны и др. В нефтепереработке для конденсации и охлаждения нефтепродуктов широко применяют воду и воздух. Использование воды часто является источником загрязнения водоемов и требует осуществления комплекса мероприятий по очистке воды перед ее сбросом. Важнейшим элементом по охране окружающей среды является так называемое оборотное водоснабжение, при котором отсутствуют стоки воды в водоемы. При оборотном водоснабжении нагретая вода повторно используется после ее охлаждения путем частичного испарения в градирнях, специальных бассейнах или под вакуумом. Применение воды в качестве хладагента приводит к загрязнению наружной поверхности холодильников и конденсаторов вследствие отложения накипи и других возможных отложений, содержащихся в воде. При этом снижается коэффициент теплоотдачи, а также ухудшаются условия охлаждения и требуется сравнительно трудоемкая периодическая очистка поверхности охлаждения. Расход воды на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях высок и составляет от 30 до 150 м 3 на 1 т нефти, а затраты на сооружение системы водоснабжения и канализации составляет 9 -12% стоимости завода. Очень актуальная задача - сокращение расхода воды на предприятиях.

Применение воздуха в качестве хладагента позволяет существенно снизить расход воды. В этом случае атмосферный воздух при помощи вентиляторов нагнетается в аппараты воздушного охлаждения. Массовый расход воздуха в 4 раза превышает расход воды вследствие сравнительно низкой его теплоемкости [1, 0 к. Дж/(кг-К)]. Сравнительно низкий коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха [до 58 Вт/(м 2 -К)] компенсируют значительным оребрением наружной поверхности теплообменных труб. К недостаткам воздуха как хладагента следует отнести существенные колебания начальной температуры воздуха, обусловливаемые как географическим местом расположения, так и временем года и суток. Наиболее трудные условия охлаждения при помощи воздуха имеют место при жарком климате и в летнее время. В стандартных аппаратах воздушного охлаждения предусматривается возможность снижения начальной температуры воздуха путем его увлажнения, за счет впрыскивания воды с помощью форсунок. При необходимости охлаждения до низких температур, например, при низкотемпературной переработке нефтяных и природных газов, используют испаряющийся аммиак , пропан, этан (температуры кипения при атмосферном давлении соответственно -33, 4; -42, 1; -88, 6°С) и другие сжиженные газы. При испарении сжиженных газов скрытая теплота, необходимая для превращения жидкости в пар, отнимается от охлаждаемого потока. Образующиеся пары хладагентов подвергаются компрессии или абсорбции, вновь сжижаются и возвращаются в процесс.

3. Теплообменники (англ. heat exchangers) — аппараты для передачи тепла от среды с более высокой температурой к среде с более низкой. Теплообменники широко применяются в нефтяной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Теплообменники по своей массе составляют до 30% общей массы металла всего технологического оборудования НПЗ. В зависимости от способа передачи тепла различаются теплообменники смешения и поверхностные. В теплообменниках смешения передача тепла между теплообменивающимися средами происходит путем их непосредственного контакта. Такой способ передачи тепла позволяет значительно сократить расход металла на изготовление аппаратов. Однако их можно применять только в тех случаях, когда допустимо смешение потоков (например, подвод тепла с помощью горячей струи в низ ректификационных колонн, барометрический конденсатор вакуумной колонны). В поверхностных теплообменниках передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется с использованием поверхности теплообмена. Они делятся на 1) рекуперативные и 2) регенеративные. В первых передача тепла осуществляется через поверхность теплообмена. К рекуперативным теплообменникам можно отнести кожухотрубчатые, типа «труба в трубе» , аппараты воздушного охлаждения (АВО), погружные, оросительные, пластинчатые, спиральные. В регенеративных теплообменниках горячая и холодная среды омывают попеременно одну и ту же поверхность, аккумулирующую тепло. В нефтегазоперерабатывающей промышленности широко используются поверхностные рекуперативные теплообменники - кожухотрубчатые, типа «труба в трубе» , АВО.

По конструктивному исполнению кожухотрубчатые теплообменники подразделяются на следующие типы: 1) с неподвижными трубными решетками, 2) с плавающей головкой (Рис. 1, а), 3) с температурным компенсатором на корпусе, 4) с U-образными трубками (Рис. 1, б). 1) В аппаратах с неподвижными трубными решетками существенное различие между температурами труб и кожуха приводит к возникновению температурных усилий и напряжений, что может вызвать нарушение плотности соединения труб с трубной решеткой. Поэтому такие теплообменники применяют при разнице температур теплообменивающихся сред не более 50°С. 2) В теплообменниках с плавающей головкой подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса. В таких аппаратах трубные пучки могут быть сравнительно легко удалены из корпуса, что облегчает их ремонт, чистку и замену. 4) Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубками имеют одну трубную решетку, в которую ввальцованы оба конца U-образных трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры. Преимущество теплообменников с U-образными трубками - отсутствие разъемного соединения внутри кожуха, что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях. Недостаток таких аппаратов - трудность чистки внутренней и наружной поверхностей труб, вследствие которой они используются преимущественно для чистых продуктов.

Рис. 1 а. Кожухотрубчатые теплообменники а - с плавающей головкой: 1 - крышка распределительной камеры; 2 - распределительная камера; 3 - неподвижная трубная решетка; 4 - кожух; 5 - теплообменная труба; 6 - поперечная перегородка; 7 - подвижная трубная решетка; 8 - крышка кожуха; 9 - крышка плавающей головки; 10 - опора; 11 - катковая опора трубчатого пучка

Рис. 1. Кожухотрубчатые теплообменники б - с U-образными трубками: 1 - распределительная камера; 2 - трубная решетка; 3 - кожух; 4 - теплообменная труба; 5 - поперечная перегородка; 6 - крышка кожуха; 7 - опора; 8 - катковая опора трубчатого пучка

Теплообменники типа «труба в трубе» можно разделить на два основных вида – 1) однопоточные (неразборные и разборные) и 2) многопоточные (разборные). Неразборные теплообменники типа «труба в трубе» применяют, если среды не дают отложений, вызывающих необходимость механической чистки поверхности теплообменных труб. Разборные теплообменники (Рис. 2) позволяют чистить трубы механически. Разборные многопоточные теплообменники типа «труба в трубе» (Рис. 2, б) в отличие от однопоточных предназначены для сравнительно больших расходов рабочих сред (в случае жидких сред от 10 до 200 т/ч в трубном пространстве и от 10 до 300 т/ч в кольцевом пространстве). В теплообменниках разборной конструкции внутренние трубы в ряде случаев с наружной стороны выполняют с оребрением, что позволяет в 4 -5 раз увеличить поверхность теплообмена. Отношение поверхности оребренной трубы к наружной поверхности гладкой трубы по основанию ребер называется коэффициентом оребрения ф.

Рис. 2 а. Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» : а - разборный однопоточный: 1 - теплообменная труба; 2 - кожуховая труба; 3 - опора; 4 - решетка кожуховых труб; 5 - поворотная камера; 6 - двойник; 7 - решетка теплообменных труб

Рис. 2 б. Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» б - разборный многопоточный: 1 - первая распределительная камера; 2 - решетка теплообменных труб; 3 - вторая распределительная камера; 4 - решетка кожуховых труб; 5 - опора; 6 - теплообменная труба; 7 - кожуховая труба; 8 - поворотная камера; 9 - двойник

В аппаратах воздушного охлаждения (Рис. 3) в качестве хладагента используется атмосферный воздух, обтекающий в поперечном направлении параллельные ряды оребренных теплообменных труб, по которым движется охлаждаемый продукт. Движение воздуха осуществляется путем нагнетания или отсоса его вентилятором пропеллерного типа с диаметром колеса от 0, 8 до 7 м, а зимой, в ряде случаев, в результате естественной циркуляции. Применение в АВО оребренных труб обусловлено необходимостью компенсировать низкий коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха (для стандартизированных АВО коэффициент оребрения ф лежит в пределах 5, 8 -22, 6). В конструкциях аппаратов воздушного охлаждения предусматриваются меры для регулирования режима работы в связи с сезонным и суточным изменением температуры воздуха. Работу аппаратов воздушного охлаждения можно регулировать следующим образом: 1) изменением частоты вращения колеса вентилятора; 2) изменением угла наклона лопастей вентилятора; 3) жалюзийными устройствами, дросселирующими поток воздуха; 4) отключением части или всех вентиляторов (в зимнее время года); 5) рециркуляцией части воздуха и дренированием в атмосферу; 6) увлажнением воздуха (в жаркое летнее время) за счет впрыска химически очищенной воды. Применение жалюзийных устройств, рециркуляция и дренирование воздуха не обеспечивают экономию электроэнергии и менее выгодны, чем другие способы.

Рис. 3. Аппараты воздушного охлаждения а - зигзагообразный; б - шатровый 1 - трубная секция; 2 - жалюзи; 3 - механизм дистанционного поворота жалюзи с пневматическим приводом; 4 - коллектор впрыска химически очищенной воды; 5 - диффузор; 6 - колесо вентилятора; 7 - металлическая несущая конструкция; 8 - стяжка; 9 - тихоходный электродвигатель

При выборе типа, конструкции и размеров теплообменников необходимо учитывать следующие факторы и характеристики: 1) тепловую нагрузку аппарата, 2) температуру и давление, при которых реализуется процесс, 3) агрегатное состояние и физико-химические свойства теплоносителей, 4) их химическую агрессивность, 5) условия теплоотдачи, 6) возможность и последствия загрязнения рабочих поверхностей аппарата, 7) простоту устройства и изготовления, компактность аппарата, 8) расход металла на единицу переданного тепла и другие техникоэкономические показатели.

4. Основы процессов кристаллизации и их место среди процессов переработки и очистки нефти и нефтепродуктов Кристаллизация (англ. crystallization) - процесс перехода вещества из раствора или расплава в твердое состояние. Кристаллизация применяется в ряде производств нефтегазоперерабатывающей, химической, металлургической, пищевой промышленности. В нефтепереработке кристаллизацию используют при депарафинизации масел, производстве парафинов и церезинов, серы, разделении ксилолов. В газодобывающей промышленности имеет место образование кристаллогидратов компонентов природного газа – физических соединений, включающих молекулы воды. Это явление наблюдается при температурах ниже точки росы. Во избежание гидратообразования производят осушку газа и ингибирование. Процесс кристаллизации может проходить только в пересыщенных растворах. По способам создания таких растворов различают следующие методы: 1) удаление части растворителя путем его испарения или вымораживания (изотермическая кристаллизация); 2) изменение температуры раствора - при положительной растворимости раствор охлаждают, при отрицательной - нагревают (изогидрическая кристаллизация осуществляется при постоянном количестве растворителя); 3) высаливание (добавление в раствор вещества, понижающего растворимость); 4) пересыщение в результате химической реакции; 5) комбинированные способы, такие как вакуумная кристаллизация (охлаждение раствора за счет его частичного испарения), дробная или фракционированная кристаллизация (при последовательном извлечении из раствора нескольких веществ). Кристаллизация, при которой одновременно получают большое количество кристаллов, называют массовой.

Кристаллизация сопровождается выделением тепла для веществ с положительной растворимостью и поглощением тепла - для веществ с отрицательной растворимостью. Теплоту кристаллизации принимают равной теплоте растворения с обратным знаком. Диаграмма состояния растворов вещества в координатах «концентрация температура» делится линией насыщения АВ на области ненасыщенных и пересыщенных растворов (Рис. 4). В последней области вблизи линии насыщения существуют устойчивые или метастабильные растворы и вне этой зоны - неустойчивые или лабильные растворы. Границы метастабильной области зависят от температуры раствора, скорости его охлаждения, перемешивания и других факторов. Пересыщенные лабильные растворы кристаллизуются мгновенно, а метастабильные существуют то или иное время без изменения. Это время называют индукционным (латентным, скрытым) периодом. Его длительность зависит от степени пересыщения, температуры, механических воздействий, перемешивания, вибраций. В зависимости от характера диаграммы состояния растворов выбирают метод кристаллизации и способ ее осуществления.

Рис. 4. Диаграмма состояния раствора АВ - линия насыщенных растворов I - область ненасыщенных растворов; II - область пересыщенных растворов

Степень чистоты получаемого продукта при кристаллизации зависит от 1) качества исходного сырья, 2) условий кристаллизации и 3) последующих операций: промывки, фильтрования, вторичной перекристаллизации. Кристаллизация из расплавов используется при производстве серы, щелочей, реактивов, удобрений, при отверждении которых получают гранулы, пластинки, чешуйки и т. п. Этот процесс применяется также для фракционного разделения бинарных и многокомпонентных смесей на отдельные компоненты или на фракции, обогащенные некоторыми компонентами. Фазовое равновесие при переходе из жидкого состояния в кристаллическое обычно характеризуется диаграммой «давление - температура» (Рис. 5). Линия АВ характеризует равновесие между твердой фазой и жидкостью, линия АС - между паром и твердой фазой, линия AD — между паром и жидкостью. Переход влево через линию АВ соответствует кристаллизации, вправо плавлению.

Рис. 5. Диаграмма фазового равновесия для расплава (например, в производстве бензола, ксилола, нафталина и др. )

4. Конструкция промышленных кристаллизационных аппаратов Кристаллизаторы (англ. crystallizers) - аппараты для проведения процесса кристаллизации с целью разделения веществ и получения их в кристаллическом виде. В нефтегазопереработке кристаллизаторы используют в процессах производства масел, парафина, церезина, серы. На установках депарафинизации масел нашли применение кристаллизаторы поверхностные и смешения. Более широкое распространение получили кристаллизаторы с теплообменом через поверхность. Существует два основных типа таких аппаратов: 1) «труба в трубе» и 2) кожухотрубчатые. В этих аппаратах кристаллизация парафиновых углеводородов происходит в растворе на внутренней поверхности труб, снаружи омываемых охлаждающей средой. В зависимости от применяемой охлаждающей среды кристаллизаторы получили названия регенеративных, охлаждаемых холодным раствором масла, и аммиачных, пропановых, этановых, в которых хладагентом служит испаряющийся аммиак, пропан, этан.

4. 1. Кристаллизаторы типа «труба в трубе» В кристаллизаторах типа «труба в трубе» (Рис. 6) внутренние трубы соединены двойниками и образуют непрерывный змеевик, их диаметр составляет 168 мм, наружных – 219 мм. Для уменьшения температурных усилий и напряжений на наружных трубах кристаллизатора типа «труба в трубе» и кожухе кожухотрубчатого кристаллизатора установлены компенсаторы. Внутри теплообменных труб установлены скребковые устройства, вращающиеся в растворе кристаллизующейся смеси. Они удаляют со стенок внутренних труб отложения парафиновых кристаллов, улучшая теплоотдачу от охлаждаемого раствора к стенке трубы. Скребковое устройство представляет собой вал (частота вращения около 14 мин-1) из частей длиной до 3, 3 м, на котором на подпружиненных опорах попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях по длине установлены скребки длиной до 600 мм. Такая конструкция обеспечивает достаточно хороший контакт скребков с поверхностью трубы. На выходе вала скребкового устройства со стороны привода находится сальник. Привод скребковых устройств осуществляют от электродвигателя через редуктор или от мотор-редуктора.

Рис. 6. Кристаллизатор типа «труба в трубе» 1 - емкость хладагента; 2 - трубчатая секция; 3 - коллектор подвода хладагента; 4 - электродвигатель; 5 - редуктор; 6 - цепная передача; 7 - штуцер ввода масляного раствора; 8 - штуцер вывода суспензии; 9 - компенсатор; 10 - коллектор отвода паров хладагента

Вращение на валы секций кристаллизатора «труба в трубе» передается единой цепной передачей, существуют также конструкции с индивидуальным электроприводом каждого скребкового вала. Кристаллизаторы «труба в трубе» , охлаждаемые испаряющимся хладагентом, устанавливают с небольшим наклоном в сторону привода. Жидкий хладагент из верхней емкости по коллектору поступает в каждую секцию со стороны привода, испаряется, и благодаря наклону пары с другого конца секций уходят по выводному коллектору в верхнюю емкость. В зависимости от поверхности охлаждения кристаллизаторы включают от 10 до 48 трубчатых секций (поверхность охлаждения соответственно от 70 до 340 м 2).

4. 2. Кожухотрубчатые кристализаторы и аппараты смешения Кожухотрубчатый кристаллизатор (Рис. 7. ) имеет кожух внутренним диаметром 800 мм, в котором размещены семь теплообменных труб диаметром 168 мм (6 по правильному шестиугольнику и одна в центре). Кристаллизатор состоит из двух или четырех кожухотрубчатых секций и имеет соответственно поверхность охлаждения 90 или 180 м 2. Материальное исполнение кристаллизатора зависит от допустимой температуры охлаждения, которая составляет в аммиачных -40°С, в пропановых -70°С, в этановых -90°С. В таком кристаллизаторе вращение от центральной шестерни каждой секции передается на шесть периферийных. Хладагент поступает в нижнюю часть кожуха, а пары уходят с верха. Кристаллизатор смешения представляет собой вертикальный аппарат внутренним диаметром 1200 мм и высотой 17 м. Внутри аппарата установлены поперечные перфорированные перегородки и по оси вал со скребками в виде двух радиальных лопастей. Сырье вводится в низ аппарата, холодный растворитель в нижнюю часть и в четырех сечениях по высоте, с верха отводится продукт в виде суспензии кристаллов в растворе. Для отверждения расплавов применяются ленточные, барабанные и дисковые кристаллизаторы.

Рис. 5. Кристаллизатор кожухотрубчатый 1 - емкость хладагента; 2 - кожухотрубчатая секция; 3 - штуцер ввода масляного раствора; 4 - мотор-редуктор; 5 - коллектор отвода паров хладагента; 6 - коллектор подвода паров хладагента; 7 - штуцер вывода суспензии; 8 - компенсатор.

4. 3. Ленточные кристаллизаторы обеспечивают охлаждение расплавов в тонком слое на медленно движущейся стальной ленте (Рис. 8). При этом охлаждение может производиться различными способами: 1) путем подачи хладагента (обычно воды) на нижнюю поверхность ленты; 2) за счет естественного теплообмена с окружающей средой или обдува продукта газообразным хладагентом; 3) непосредственным орошением продукта холодной водой или погружением ленты с продуктом в ванну с проточной водой. Последние два способа применимы только для водонерастворимых веществ (например, серы, эпоксидных смол, пека и др. ). Полученный отвержденный продукт удаляется с ленты при ее изгибе на приводном барабане с помощью вращающегося вала со скребками или ножом. Выбор типа загрузочного устройства зависит от 1) свойств расплава, 2) его температуры и 3) вида готового продукта. При использовании а) двойного отжимного вала или б) переливного устройства можно получить готовый продукт в форме чешуек. Полосоразливочное устройство (в) позволяет получить готовый продукт в виде полосок разной длины. При раскалывании отвержденного продукта на отдельные частички образуется пыль, что является недостатком таких конструкций. Ротационный гранулятор (г) позволяет производить без пыли сыпучий продукт однородной формы и является наиболее прогрессивной конструкцией.

Рис. 8. Схема ленточных кристаллизаторов фирмы «Sandvik» с различными загрузочными устройствами а - двойной отжимной вал; б - переливное устройство; в - полосоразливочное устройство; г - ротационный гранулятор. 1 - приводные барабаны; 2 - стальная лента; 3 - форсунки для подачи охлаждающей воды; 4 загрузочное устройство; 5 - вращающийся вал со скребками; 6 - бункер для отвержденного продукта; 7 - нож.