Общая характеристика испарителей и конденсаторов
Испарители и конденсаторы представляют собой критически важные элементы теплообменного оборудования химических производств, обеспечивающие реализацию фазовых переходов технологических сред. Данные аппараты применяются в широком спектре процессов: концентрирование растворов, разделение жидких смесей, рекуперация растворителей, утилизация тепловой энергии.
Принцип работы испарителей базируется на подводе теплоты к жидкой фазе для обеспечения ее перехода в парообразное состояние при заданных термодинамических параметрах. Конденсаторы реализуют обратный процесс — отвод теплоты от паровой фазы с целью ее конденсации в жидкость. Оба типа аппаратов функционируют в условиях интенсивного тепломассообмена, что предъявляет повышенные требования к материалам конструкции, качеству изготовления и режимам эксплуатации.
Современное испарительное и конденсационное оборудование проектируется в соответствии с требованиями ГОСТ 34347-2017, регламентирующего общие технические условия для стальных сварных сосудов и аппаратов. Расчет на прочность выполняется по нормам ГОСТ 34233.1-34233.12, что гарантирует безопасную эксплуатацию при расчетных давлениях и температурах.
Классификация испарительного оборудования
Кожухотрубные испарители согласно ГОСТ 31842-2012
Стандарт ГОСТ 31842-2012 устанавливает требования к кожухотрубчатым теплообменным аппаратам для нефтяной, нефтехимической и химической промышленности. Согласно пункту 4.2 данного стандарта, кожухотрубные испарители изготавливают следующих типов: ИП с паровым пространством и плавающей головкой, ИУ с паровым пространством и U-образными трубами.
Испарители типа ИП характеризуются конструкцией с извлекаемым трубным пучком. Одна трубная решетка жестко закреплена к распределительной камере, вторая имеет возможность осевого перемещения — плавает. Такое решение обеспечивает компенсацию температурных расширений и позволяет извлекать пучок для проведения механической очистки внешней поверхности труб.
Испарители типа ИУ оснащаются U-образным трубным пучком, в котором каждая труба изгибается в форме буквы U. Оба конца трубы закрепляются в одной трубной решетке. Преимущество данной конструкции заключается в естественной компенсации температурных деформаций без ограничений по величине перепада температур между средами.
Испарители с неподвижными трубными решетками
Испарители типов ИН и ИК изготавливают на условное давление от 0,6 до 4,0 МПа, с диаметром кожуха от 600 до 1400 миллиметров. Данные аппараты применяются при температурах до 350 градусов Цельсия. Конструкция с неподвижными трубными решетками характеризуется жестким соединением труб с решетками, приваренными к кожуху.
Основное ограничение испарителей типа ИН — разность температур между кожухом и трубами не должна превышать 60 градусов Цельсия. При больших температурных перепадах возникают недопустимые температурные напряжения. Испарители типа ИК оснащаются линзовым или сильфонным компенсатором на кожухе, что расширяет диапазон допустимых температурных режимов.
Пленочные испарители
Пленочные испарители реализуют принцип образования тонкой пленки жидкости на теплопередающей поверхности. Толщина пленки составляет от 0,3 до 2,0 миллиметров, что обеспечивает интенсивный теплообмен и минимальное время контакта продукта с горячей поверхностью. Такие аппараты незаменимы при работе с термочувствительными веществами, разлагающимися при длительном нагреве.
Ротационные пленочные испарители оснащаются ротором с лопастями, который распределяет жидкость по внутренней поверхности обогреваемого цилиндра. Частота вращения ротора составляет от 50 до 500 оборотов в минуту в зависимости от вязкости обрабатываемой среды. Образующаяся пленка быстро нагревается, и летучие компоненты испаряются.
Испарители с падающей пленкой представляют собой вертикальные трубы длиной до 8 метров, окруженные паровой рубашкой. Жидкость подается в верхнюю часть труб и под действием силы тяжести стекает вниз, образуя пленку. Данная конструкция эффективна для высоковязких растворов и систем, содержащих твердую фазу.
Типы конденсаторов химического производства
Кожухотрубные конденсаторы
Кожухотрубные конденсаторы классифицируются согласно ГОСТ 31842-2012 по конструктивному исполнению и способу компенсации температурных деформаций. Обозначение включает букву К для конденсаторов, индекс типа Н с неподвижными решетками, К с компенсатором, П с плавающей головкой и букву ориентации Г горизонтальный, В вертикальный.
Конденсаторы типа КНГ и КНВ имеют трубные решетки, жестко приваренные к кожуху. Это наиболее простая конструкция, однако она накладывает ограничение на разность температур между трубным и межтрубным пространством. Превышение допустимого перепада в 60 градусов приводит к возникновению температурных напряжений, способных вызвать разрушение сварных соединений.
Аппараты типа ККГ и ККВ оснащаются линзовым компенсатором на кожухе, который воспринимает температурные деформации. Компенсатор представляет собой гофрированный элемент, способный удлиняться или укорачиваться в осевом направлении. Расчетное число циклов нагружения компенсатора за весь период работы не должно превышать 1000 согласно пункту 5.9.3 ГОСТ 31842-2012.
Конденсаторы с плавающей головкой маркируются КП. Конструкция предусматривает, что одна из трубных решеток не закреплена к кожуху и может перемещаться вместе с трубным пучком. Важное преимущество данного типа — возможность извлечения трубного пучка для проведения механической очистки внешней поверхности труб со стороны межтрубного пространства.
Пластинчатые теплообменники-конденсаторы
Пластинчатые теплообменники представляют альтернативу кожухотрубным конструкциям и характеризуются компактностью при высокой эффективности теплопередачи. Коэффициент теплопередачи пластинчатых аппаратов достигает 5000 ватт на квадратный метр на градус, что в 3-5 раз выше, чем у кожухотрубных теплообменников. Рабочие среды протекают в узких каналах шириной 3-5 миллиметров между гофрированными пластинами, что обеспечивает интенсивную турбулизацию потока.
Паяные пластинчатые теплообменники изготавливаются методом вакуумной пайки пластин с применением медного или никелевого припоя. Полученная конструкция является неразборной, что исключает возможность механической очистки, однако обеспечивает высокую надежность и отсутствие потребности в замене уплотнений. Данные аппараты выдерживают давление до 3,0 МПа и температуру до 225 градусов Цельсия.
Разборные пластинчатые аппараты собираются на раме с зажимными шпильками. Между пластинами устанавливаются эластомерные уплотнения из каучука EPDM для температур до 150 градусов или NBR для масел и нефтепродуктов. Преимущество данного типа — возможность замены пластин и уплотнений, регулирование производительности добавлением или удалением пластин.
Требования нормативной документации
Проектирование, изготовление и эксплуатация испарителей и конденсаторов регламентируется комплексом нормативных документов. Базовым стандартом является ГОСТ 34347-2017, который распространяется на стальные сварные сосуды и аппараты, работающие под избыточным давлением, вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 паскалей или без давления. Стандарт введен в действие с 1 августа 2018 года и заменил ранее действовавший ГОСТ Р 52630-2012.
ГОСТ 31842-2012 устанавливает специальные требования к кожухотрубчатым теплообменникам для нефтяной и газовой промышленности. Согласно области применения стандарта, он распространяется на теплообменники, конденсаторы, холодильники и испарители, работающие под расчетным давлением не более 21 мегапаскаля, под вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 паскалей при температуре стенки не ниже минус 70 градусов Цельсия.
Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 032/2013 устанавливает требования безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением. Документ определяет процедуры оценки соответствия, требования к маркировке, условия ввода в эксплуатацию. Испарители и конденсаторы подлежат обязательной сертификации при расчетном давлении свыше 0,05 мегапаскаля.
Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности содержат требования к эксплуатации оборудования под давлением. Приказ Ростехнадзора № 536 от 15 декабря 2020 года (ФНП ОРПД) регламентирует порядок технического освидетельствования, периодичность проведения гидравлических испытаний согласно приложению 10 к ФНП, требования к персоналу, обслуживающему оборудование.
Параметры эксплуатационного контроля
Температурный мониторинг
Контроль температурных параметров является первостепенной задачей при эксплуатации теплообменного оборудования. Температура измеряется на входе и выходе каждого контура с помощью термометров сопротивления класса допуска А по ГОСТ 6651 или термопар типа ТХА и ТХК по ГОСТ 6616. Точки измерения располагаются в потоке на расстоянии не менее 5 диаметров трубопровода от штуцера аппарата для обеспечения представительности измерений.
Для испарителей критичным является контроль температуры греющего пара и температуры кипения раствора. Перегрев поверхности теплообмена относительно температуры кипения не должен превышать расчетных значений во избежание пригорания продукта. В многокорпусных установках контролируется температурная депрессия в каждом корпусе, вызванная гидростатическим и гидродинамическим давлением столба жидкости.
Конденсаторы требуют мониторинга температуры охлаждающей воды на входе и выходе, а также температуры конденсации пара. Повышение температуры воды на выходе свидетельствует об ухудшении теплопередачи вследствие загрязнения поверхностей. Разность между температурой конденсации и температурой стенки трубы является показателем интенсивности процесса теплообмена.
Контроль давления
Измерение давления осуществляется в каждом контуре аппарата с использованием манометров класса точности 1,5 или 2,5 по ГОСТ 2405. Диапазон измерения манометра выбирается таким образом, чтобы рабочее давление находилось во второй трети шкалы прибора. На каждом манометре наносится красная черта, соответствующая рабочему давлению согласно паспорту аппарата.
Особое внимание уделяется контролю перепада давления на теплообменнике с помощью дифференциальных манометров или датчиков перепада давления. Увеличение гидравлического сопротивления сверх нормативного значения в 1,5 раза указывает на загрязнение каналов и необходимость проведения очистки. Для пластинчатых теплообменников критичным является равномерность распределения потока между каналами.
Вибрационный контроль
Измерения вибрации проводятся в соответствии с ГОСТ Р 55265.7-2012 для насосного оборудования и аналогичными требованиями для статичных теплообменных аппаратов. Контроль виброскорости осуществляется на корпусе аппарата, опорах, трубопроводных подводках. Для исправного оборудования виброскорость должна находиться в зоне А до 2,3 миллиметра в секунду или зоне В до 4,5 миллиметра в секунду.
Превышение нормативных уровней вибрации может свидетельствовать о гидравлических ударах, кавитации, ослаблении крепления элементов конструкции, резонансных явлениях. Регулярный виброконтроль позволяет выявлять дефекты на ранней стадии развития и предотвращать аварийные ситуации.
Типичные дефекты и неисправности
Загрязнение теплопередающих поверхностей
Отложения на поверхностях теплообмена являются наиболее распространенной причиной снижения эффективности работы оборудования. Механизм образования отложений зависит от свойств теплоносителя и рабочих параметров. При нагреве жесткой воды происходит выделение карбоната кальция, сульфата кальция, силикатов с образованием накипи, которая обладает низкой теплопроводностью порядка 1-2 ватта на метр на градус.
Слой накипи толщиной 1 миллиметр снижает коэффициент теплопередачи на 15-20 процентов, что приводит к недостижению проектной производительности. В испарителях накипь вызывает локальный перегрев поверхности и может спровоцировать пригорание продукта. Для конденсаторов, использующих оборотную воду, характерно образование биологических обрастаний микроорганизмами и водорослями.
Диагностика загрязнения осуществляется по косвенным признакам: увеличение перепада давления, снижение коэффициента теплопередачи, повышение температуры выходящего теплоносителя. Прямая оценка степени загрязнения проводится при разборке аппарата с визуальным осмотром и измерением толщины отложений штангенциркулем или ультразвуковым толщиномером.
Коррозионные разрушения
Коррозия материалов теплообменников происходит под действием агрессивных компонентов технологических сред. Различают несколько видов коррозионных повреждений. Общая коррозия характеризуется равномерным утонением стенки по всей поверхности со скоростью от 0,1 до 1,0 миллиметра в год в зависимости от агрессивности среды. Питтинговая коррозия проявляется в виде локальных углублений диаметром 1-5 миллиметров, способных развиться в сквозные свищи.
Межкристаллитная коррозия поражает границы зерен металла и приводит к потере механических свойств без видимого изменения поверхности. Данный вид коррозии характерен для нержавеющих сталей аустенитного класса при нарушении технологии термообработки сварных швов. Щелевая коррозия развивается в зазорах между деталями шириной менее 0,5 миллиметра при застое агрессивной среды.
Профилактика коррозионных повреждений включает правильный выбор материалов на стадии проектирования, применение ингибиторов коррозии в количестве 50-200 миллиграмм на литр, катодную защиту, нанесение защитных покрытий. Контроль коррозионного состояния выполняется методами неразрушающего контроля: ультразвуковая толщинометрия, радиографический контроль, капиллярная дефектоскопия.
Профилактическое обслуживание
Система планово-предупредительных ремонтов теплообменного оборудования включает текущий, средний и капитальный ремонты. Периодичность проведения ремонтов определяется на основании фактического технического состояния аппаратов и опыта эксплуатации аналогичного оборудования на предприятии.
Текущий ремонт проводится без вскрытия аппарата и включает ревизию запорной и регулирующей арматуры, подтяжку фланцевых соединений моментным ключом, замену прокладок из паронита или фторопласта, замену набивок сальниковых уплотнений. Ремонт теплоизоляции, окраска поверхностей также относятся к объему текущего ремонта. Периодичность составляет от 6 до 12 месяцев.
Средний ремонт предусматривает вскрытие аппарата для осмотра внутренних поверхностей, очистки от загрязнений, выявления дефектов. Проводятся гидравлические испытания на прочность и плотность давлением в 1,25 раза превышающим рабочее, ультразвуковая толщинометрия для оценки коррозионного износа. При необходимости выполняется вальцовка труб в трубных решетках, заварка свищей диаметром до 10 миллиметров, глушение дефектных труб заглушками.
Методы очистки теплообменников
Химическая очистка применяется для удаления накипи, коррозионных продуктов, органических загрязнений. Выбор реагента определяется составом отложений. Для удаления карбонатной накипи используются растворы соляной кислоты концентрацией от 3 до 10 процентов, серной кислоты 2-5 процентов, сульфаминовой кислоты 2-4 процента. Ингибиторы коррозии типа ПБ-5, ХОСП-10 добавляются в количестве 0,2-0,5 процента для защиты металла от воздействия кислоты.
Щелочная промывка применяется для удаления органических загрязнений, жиров, масел, нефтепродуктов. Растворы едкого натра концентрацией 2-5 процентов или тринатрийфосфата 3-5 процентов нагреваются до температуры 60-80 градусов и циркулируют через аппарат в течение 2-4 часов. После химической промывки обязательна нейтрализация кальцинированной содой и многократная промывка водой до нейтральной реакции.
Механическая очистка включает продувку сжатым воздухом давлением 0,4-0,6 мегапаскаля, промывку водой высокого давления 5-15 мегапаскалей, применение вращающихся щеток на гибких валах. Гидродинамическая очистка осуществляется струей воды под давлением 10-20 мегапаскалей, направляемой внутрь труб через специальные насадки. Для пластинчатых теплообменников применяется разборка с последующей ручной очисткой каждой пластины мягкими щетками.
Системы мониторинга состояния
Современные системы мониторинга теплообменного оборудования реализуют концепцию предиктивного обслуживания, позволяющую прогнозировать возникновение неисправностей на основе анализа трендов параметров. Датчики контроля интегрируются с автоматизированными системами управления технологическими процессами, обеспечивая непрерывный сбор данных и формирование отчетов.
Виброакустическая диагностика позволяет выявлять дефекты на ранней стадии развития. Анализ спектра вибрации выявляет дисбаланс вращающихся элементов насосов, нарушение центровки валов электродвигателей, ослабление крепежа опорных конструкций, кавитацию в насосах подачи теплоносителя. Превышение нормативных уровней вибрации по ГОСТ Р 55265.7-2012 является основанием для внеплановой ревизии оборудования.
Тепловизионное обследование проводится для выявления зон локального перегрева, свидетельствующих о нарушении циркуляции теплоносителя, загрязнении каналов, коррозионном износе стенок. Периодичность тепловизионных обследований составляет один раз в квартал для ответственного оборудования первой категории. Результаты измерений документируются в виде термограмм с указанием координат аномальных зон.
