HEAT EXCHANGER USE IN OIL PRODUCING AND OIL-REFINING INDUSTRIES

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННИКОВ В НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕЙ И НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЯХ

Обзорная статья

Миронова Ю.А.^1, , Цвяк А.В.^2, *, Наумов С.А.³

¹ ORCID: 0000-0002-0139-7711;

² ORCID: 0000-0002-4561-7034;

³ ORCID: 0000-0002-0511-7131;

^{1, 2, 3} Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия;

² Оренбургский федеральный исследовательский центр УрО РАН, Оренбург, Россия

* Корреспондирующий автор (tsviak[at]rambler.ru)

Аннотация

В статье освещается вопрос использования теплотехнических устройств в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленностях. Определены роль и место теплообменных аппаратов при добыче, транспортировке и переработке углеводородного сырья. Установлено, что основными типами применяемых теплообменников являются кожухотрубчатые и пластинчатые теплообменные аппараты, при этом доля пластинчатых теплообменников на настоящее время составляет 38% и продолжает увеличиваться. Теплообменники необходимы на каждом этапе добычи и переработки нефти. Использование теплообменного оборудования позволяет облегчить протекание технологических процессов.

Ключевые слова: нефтедобыча, переработка нефти, теплоэнергетика, теплообменник.

HEAT EXCHANGER USE IN OIL PRODUCING AND OIL-REFINING INDUSTRIES

Review article

Mironova Yu.A.¹, Tsvyak A.V.^2, *, Naumov S.A.³

¹ORCID: 0000-0002-0139-7711;

²ORCID: 0000-0002-4561-7034;

³ORCID: 0000-0002-0511-7131;

^{1, 2, 3} Orenburg State University, Orenburg, Russia;

² Orenburg Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Orenburg, Russia

*Corresponding author (tsviak[at]rambler.ru)

Abstract

The paper considers the use of heat engineering devices in the oil-producing and oil refining industries. The authors determined the role and place of heat exchangers in the extraction, transportation, and processing of hydrocarbons. It was found that shell-and-tube and plate heat exchangers are the main types of used heat exchangers, while the proportion of plate heat exchangers currently is about 38% and continues to grow. Heat exchangers are required at every stage of oil production and refining. The use of heat exchange equipment allows facilitating the flow of technological processes.

Keywords: oil production, oil refining, heat power engineering, heat exchanger.

Отраслью промышленности, на основе которой формируется экономика Российской Федерации, является добыча нефти и газа. В этой сфере задействованы технологии из многих других направлений, в том числе и из области энергетики. В свою очередь энергетика подразумевает как электричество, так и тепловую энергию. Применение электроэнергии в нефтедобыче очевидно. Механизмы, использующиеся на протяжении всего процесса добычи и транспортировки сырья, запускаются посредством электричества. Применение технологий теплоэнергетики не так ярко выражено и на первый взгляд может показаться незначительным. Однако в нефтедобыче достаточно широко используются такие виды теплотехнических устройств, как теплообменники. Рассмотрим подробнее их применение в этой сфере промышленности.

Процесс добычи и подготовки сырья включает несколько этапов, во многих из которых используются теплообменники. Оборудование, предназначенное для этой промышленности, должно соответствовать особым требованиям: быть способным работать при экстремальных давлениях и температурах, быть устойчивым к агрессивным средам, иметь компактные размеры, работать с двухфазными средами. Предприятия по добыче и переработке нефти и газа используют как кожухотрубное, так и пластинчатое теплообменное оборудование [1]. Стоит заметить, что первый тип теплообменников встречается намного чаще, чем последний. Однако область применения пластинчатых теплообменных аппаратов постепенно расширяется. В связи с этим, возникает вопрос - какой тип теплообменников более целесообразен в процессах нефтяной отрасли? Выяснение этого факта является актуальной задачей для предприятий, так как использование более подходящего оборудования способствует повышению эффективности работы и уменьшению издержек на технологическое обслуживание и ремонт. Рассмотрим некоторые процессы переработки и подготовки нефти и решим этот вопрос относительно них.

Выясним, с чем может быть связано доминирование кожухотрубных аппаратов. Во-первых, это обусловлено тем, что в нефтедобыче пластинчатые теплообменники появились намного позже, чем их конкуренты. Долгое время этот вид оборудования применялся только в пищевой промышленности. Это замедляло процесс модернизации и усовершенствования теплообменников. Но уже с шестидесятых годов двадцатого века пластинчатое оборудование, претерпев ряд улучшений, стало конкурентоспособным и начало применяться во многих производственных отраслях. Следовательно, нефтедобывающая промышленность, имея колоссальное число теплообменников, возможно, просто не успела бы полностью перейти на новое оборудование [2]. Во-вторых, применение определённого типа оборудования связано с особенностями процесса, для которого требуется теплообменник, и с характеристиками аппарата. Есть много критериев, по которым проводится сравнение. По габаритам пластинчатый теплообменник более компактный, а это хорошее преимущество, ведь любое предприятие имеет в своём распоряжении ограниченное пространство. Однако одним из значимых параметров является лёгкость очистки. В нефтедобывающей промышленности теплообменники работают с самыми разными теплоносителями. Нефть содержит большое количество примесей, которые в различных процессах могут загрязнять аппарат. Теплообменники очищаются различными способами. Например, механическим. При этом необходимо разобрать аппарат и очистить его вручную. После повторной сборки пластинчатого теплообменника велика вероятность неплотного соединения пластин между собой, из-за чего оборудование приходится собирать заново. При гидродинамической очистке аппараты также разбираются, кроме трубчатых. Химический способ промывки самый распространённый. Его можно осуществлять, не разбирая аппарат. Таким образом, кожухотрубчатые теплообменники очищаются проще, чем пластинчатые. Это является одним из преимуществ этого типа тепловых аппаратов в рассматриваемой сфере производства.

На предприятиях переработки нефти пластинчатые теплообменники используются чаще, чем, например, в нефтедобыче (их применяют около 38% предприятий). Доминирование определённого типа оборудования связано с большим количеством процессов переработки, что выражается в большом количестве аппаратов. В то же время в этой отрасли достаточно быстро идёт модернизация, то есть переход на пластинчатые теплообменники. В среднем, на одном предприятии по нефтепереработке используется 400 теплообменных аппаратов. Здесь особенно широко применяются следующие типы теплообменников: витые, прямотрубные, с плавающей головкой, спиральные, труба в трубе, U-образные. Последние два типа встречаются наиболее часто. При первичной переработке нефти предприятия используют теплообменные аппараты в следующих процессах: висбрекинг, реформинг, гидроочистка, ректификация [3].

Технология гидроочистки позволяет замещать нежелательные атомы (например, органических соединений серы, кислорода, азота, хлора, металлов и других веществ) в молекулах соединений нефти на водород. Поток нефтепродукта и водорода смешивают, нагревают до температуры 260- 430 °С и при давлении около 4 МПа направляют в реактор, где происходят необходимые химические реакции [4]. В наиболее часто встречающейся схеме продуктовая смесь, выходящая из реактора, нагревает, проходя через блок теплообменников, сырьевую смесь, которая подаётся в реактор. Это позволяет наиболее полно использовать энергию, выделяющуюся в процессе химических реакций [6]. Таким образом, в теплообменниках оба теплоносителя являются непосредственными участниками химического процесса. Нефть, ещё не прошедшая гидроочистку, имеет фактор загрязнения 0,86 – 1,38 [7]. Согласно приведённым в таблице 1 данным (в таблице приведены усредненные данные) для процесса гидроочистки является актуальным использование пластинчатых теплообменных аппаратов (конкретно моделей, способных работать при температуре около 300 °С). Применение трубчатых конструкций также приемлемо, однако они потребуют более частой очистки.

 

Таблица 1 – Сравнение теплообменников по некоторым параметрам

Параметр сравнения	Кожухотрубные теплообменники	Пластинчатые теплообменники
Масса, кг	130 - 22000	20 - 230
Максимальная рабочая температура, °С	350-800	200 - 400
Максимальное рабочее давление, МПа	4 - 20	1,6 - 4
Минимальное рабочее давление, МПа	0,5	0,5
Фактор загрязнения	0,1 - 0,5	1 - 3
Теплоносители	Жидкость/жидкость Газ/жидкость Газ/газ	Жидкость/жидкость Газ/жидкость Пар/жидкость

 

Ректификация нефти заключается в разделении на различные фракции, различающиеся по температуре кипения, при нагревании. Низкокипящие фракции называются легкими, а высококипящие – тяжелыми. Бензин, керосин и дизельное топливо получают в атмосферной фракционирующей колонне, процесс в которой протекает при атмосферном давлении. Перед поступлением в эту установку нефть проходит через трубчатую печь (см. рисунок 1). В ней жидкость проходит по змеевиковому пути, который нагревают, тем самым увеличивая температуру сырья до 350 °С [6]. Далее смесь паров и горячей нефти поступает в среднюю часть ректификационной колонны. Пары поднимаются, а мазут стекает вниз. Пары постепенно охлаждаются и конденсируются, причем сначала конденсируются тяжелые углеводороды. По мере перемещения паров вверх выделяются всё более лёгкие фракции. Из верхней части колонны отводятся бензиновые фракции (дистилляты). Ниже получают керосин и реактивные топлива. Еще ниже отводятся тяжелые фракции. Мазут из нижней части отводится в печь, а затем в ректификационную вакуумную колонну, из которой получают смазочные масла и гудрон [6]. Температура кипения дистиллятов в вакуумной колонне 410 – 420 °С. В ней поддерживается давление 2,6 – 7,9 кПа. Так как температура дистиллятов, выходящих из колонны и поступающих в теплообменник, высока, целесообразней использовать кожухотрубные аппараты, у которых граница этого рабочего параметра выше (см. таблицу 1).

 

Рис. 1 – Схема установки для ректификации нефти

1 – трубчатая печь; 2 - ректификационная колонна; 3 – погружные холодильники; 4 – газоотделитель; 5 – вакуумная колонна; 6 – теплообменники

 

В нефтехимической промышленности предприятия используют теплообменные аппараты в установках пиролиза, полимеризации, варки смол. Как и в нефтепереработке, функцией теплообменников здесь является нагрев сырья до нужной температуры перед основным процессом.

В сфере нефтедобычи можно выделить три группы предприятий:

• используют только кожухотрубные теплообменники;
• используют незначительное количество пластинчатых, наряду с кожухотрубными;
• используют значительное количество пластинчатых в сравнении с кожухотрубными.

Самой многочисленной является первая категория. Только 16% компаний среди всего оборудования имеют пластинчатые теплообменные аппараты, остальные применяют только кожухотрубные. В основном применяются теплообменники типа «труба в трубе», прямотрубные и U-образные в процессах обессоливания нефти, обезвоживания и сепарации. [2]

Нефть, поступающая из скважин, представляет собой смесь попутного газа, воды и различных углеводородов. Непосредственно после извлечения сырьё подвергается сепарации. Это процесс отделения газов и лёгких углеводородов с помощью однократного или многократного испарения при снижении давления. Многоступенчатая сепарация начинается под давлением примерно 4 – 8 МПа с его понижением на 0,6 МПа в каждой ступени до атмосферного. Предварительно нефть нагревают в теплообменниках до 40-80°С. Далее смесь поступает в сепаратор, где протекает сам процесс разделения. Лёгкие углеводороды с помощью компрессора направляются в холодильную установку, тяжёлые углеводороды конденсируются. Сепараторы могут различаться в зависимости от принципа действия. Однако все эти аппараты имеют одинаковые секции: основную сепарационную, осадительную, секцию для отбора нефти и каплеуловительную [8]. Нефть, прошедшую сепарацию в какой-то степени можно назвать стабильной (для полной стабилизации она направляется на ректификацию). После сепаратора она снова проходит через теплообменник, в этот раз выступая в качестве горячего теплоносителя. Так как данный процесс протекает при высоком давлении, применение кожухотрубного оборудования наиболее приемлемо.

 

Рис. 2 – Схема термохимической установки обезвоживания нефти 1 – сырьевой резервуар; 2 – насос; 3 – теплообменник; 4 – печь; 5 – отстойник; 6 – резервуар

 

Одним из следующих этапов для нефти является обезвоживание. Для этого существуют различные способы, одним из которых является термохимический. На рисунке 2 представлена технологическая схема этого процесса. Теплообменник здесь используется для повышения температуры смеси перед печью до 70 – 100 °С. Это способствует более лёгкому соединению молекул воды между собой и отслоению их от молекул нефти. Процесс протекает под давлением около 0,9 МПа. Разделение происходит из-за разности плотностей жидкостей. Более тяжёлые молекулы воды опускаются вниз, вытесняя молекулы нефти. После отстойника обезвоженная нефть на пути в резервуар снова проходит через теплообменник, где отдаёт тепло потоку, поступающему в печь [2]. Фактор загрязнения для обводнённой нефти 0,35 – 0,95 [8]. Исходя из приведённых показателей, можно сделать вывод, что для процесса обезвоживания допустимо использование как кожухотрубных, так и пластинчатых теплообменников. Выбор будет зависеть от конкретных условий эксплуатации и технических характеристик рассматриваемых моделей.

Также существуют установки подогрева нефти, необходимые для повышения температуры нефтепродуктов до 40 – 60 °С перед поступлением в трубопровод. При транспортировке сырой нефти или тёмных нефтепродуктов (мазута, смазочных масел) возникают трудности, обусловленные тем, что при понижении температуры воздуха эти вещества становятся более вязкими. Поэтому при перемещении этих веществ не обойтись без подогрева. Установка подогрева нефти работает по двухконтурной схеме (см. рисунок 3). Первый контур (греющий) – электронагреватели и теплообменник, второй контур – теплообменник и подогреваемый трубопровод.

 

Рис. 3 – Схема установки подогрева нефти

 

Нагрев трубопровода (резервуара, емкости) осуществляется промежуточным теплоносителем через теплообменник. В качестве теплоносителей при этом используют горячую воду, водяной пар, электроэнергию и горячие газы и нефтепродукты. Самым распространённым является водяной пар, так как он не является пожароопасным, обладает хорошей теплоотдачей, имеет маленький вес и легко транспортируется. В качестве теплообменного устройства могут быть использованы два вида теплообменников:

• кожухотрубчатый с винтовыми перегородками (для установок мощностью от 100 кВт и выше) – нагрев в нефтепроводах;
• пластинчатый разборный (для установок мощностью до 100 кВт) – нагрев/подогрев в резервуарах, емкостях.

Особенностью теплообменника с винтовыми перегородками является более высокая эффективность теплопередачи со стороны межтрубного пространства, меньшее гидравлическое сопротивление и способность к самоочистке [4]. Таким образом, для подогрева нефти при транспортировке возможно применение как пластинчатых, так и трубчатых аппаратов. Определяющим фактором является требуемая мощность.

Итак, мы рассмотрели некоторые этапы подготовки нефти: гидроочистку, ректификацию, сепарацию, обезвоживание и транспортировку. В результате можно прийти к выводу, что полный переход на использование пластинчатых теплообменников актуален только для процесса гидроочистки. При обезвоживании и транспортировке оба типа оборудования одинаково целесообразны. А для процессов ректификации и сепарации приемлемы кожухотрубные аппараты. Таким образом, расширение области использования пластинчатых теплообменников в нефтедобывающей промышленности пока весьма ограничено. Это обусловлено техническими характеристиками оборудования. Возможно, при дальнейшем совершенствовании и улучшении некоторых параметров (таких как максимальное давление и максимальная температура) они могут стать альтернативой использующимся теплообменникам.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Теплообменники для нефтяной и газовой промышленности [Электронный ресурс]// ТЕПЛОПРОФИ. URL: https://www.teploprofi.com/teploobmenniki-neftyanoi-promyshlennosti/ (дата обращения 18.04.2020).
2. Булыгин Ю.А. Теплообменные аппараты в нефтегазовой промышленности: курсовое проектирование: Учебное пособие/ Ю.А. Булыгин, С.С. Баранов. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015 - 100 с.
3. Гидроочистка [Электронный ресурс]// Petrodigest.ru. URL: https://petrodigest.ru/info/refining/secondary/hydrotreating (дата обращения 18.04.2020).
4. Установка гидроочистки [Электронный ресурс]// proНПЗ.Нефтепереработка. URL: https://pronpz.ru/ustanovki/gidroochistka.html (дата обращения 18.04.2020).
5. Теплообменники: история развития производства [Электронный ресурс]// ТЕПЛОХИМ. URL: https://teplohimvrn.ru/teploobmenniki-istoriya-razvitiya-pro-3/ (дата обращения 18.04.2020).
6. Ректификация нефти [Электронный ресурс]// Нефтегазовый портал Neft-product.ru. URL: https://www.neft-product.ru/info_detail-110.html (дата обращения 18.04.2020).
7. Сырьё для производства топлив и смазочных материалов [Электронный ресурс]// StudFiles. URL: https://studfile.net/preview/7513619/page:2/ (дата обращения 18.04.2020).
8. СЕПАРАЦИЯ НЕФТИ [Электронный ресурс]// СТУДЕНЧЕСКАЯ БИБЛИОТЕКА. URL: https://students-library.com/library/read/49426-separacia-nefti (дата обращения 18.04.2020).
9. Подогрев нефтепродуктов в резервуарах [Электронный ресурс]// СПЕЦНЕФТЕМАШ. URL: https://snmash.ru/articles/182-podogrev-nefteproduktov-v-rezervuarakh.html (дата обращения 18.04.2020).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Teploobmenniki dlja neftjanoj i gazovoj promyshlennosti [Heat exchangers for the oil and gas industry] [Electronic resource]// TEPLOPROFI. URL: https://www.teploprofi.com/teploobmenniki-neftyanoi-promyshlennosti/ (accessed: 18.04.2020). [in Russian]
2. Bulygin Yu.A. Teploobmennye apparaty v neftegazovoj promyshlennosti: kursovoe proektirovanie: Uchebnoe posobie [Heat exchangers in the oil and gas industry: course design: Textbook] / Yu.A. Bulygin, S.S. Rams. - Voronezh: FSBEI HPE "Voronezh State Technical University", 2015 - 100 p.
3. Gidroochistka [Hydrotreating] [Electronic resource]// Petrodigest.ru. URL: https://petrodigest.ru/info/refining/secondary/hydrotreating (accessed: 18.04.2020). [in Russian]
4. Ustanovka gidroochistki [Hydrotreating unit] [Electronic resource] // proNPZ.Нефтепереработка. URL: https://pronpz.ru/ustanovki/gidroochistka.html (accessed: 18.04.2020). [in Russian]
5. Teploobmenniki: istorija razvitija proizvodstva [Heat exchangers: the history of the development of production] [Electronic resource] // TEPLOCHIM. URL: https://teplohimvrn.ru/teploobmenniki-istoriya-razvitiya-pro-3/ (accessed: 18.04.2020). [in Russian]
6. Rektifikacija nefti [Rectification of oil] [Electronic resource] // Oil and gas portal Neft-product.ru. URL: https://www.neft-product.ru/info_detail-110.html (accessed: 18.04.2020). [in Russian]
7. Syr'jo dlja proizvodstva topliv i smazochnyh materialov [Raw materials for the production of fuels and lubricants] [Electronic resource] // StudFiles. URL: https://studfile.net/preview/7513619/page:2/ (accessed: 18.04.2020). [in Russian]
8. SEPARACIJa NEFTI [OIL SEPARATION] [Electronic resource] // STUDENT LIBRARY. URL: https://students-library.com/library/read/49426-separacia-nefti (accessed: 18.04.2020). [in Russian]
9. Podogrev nefteproduktov v rezervuarah [Heating of oil products in tanks] [Electronic resource] // SPECNEFTEMASh. URL: https://snmash.ru/articles/182-podogrev-nefteproduktov-v-rezervuarakh.html (accessed: 18.04.2020). [in Russian]