Теплообменными называют все аппараты вне зависимости от того, что является его целевым назначением: нагрев или охлаждение, испарение или конденсация.

В большинстве процессов нефтеперерабатывающей промышленности используется нагрев исходного сырья, а также применяемых при его переработке растворителей, реагентов, катализаторов и др. Полученные в результате того или иного технологического процесса целевые продукты или полуфабрикаты обычно требуется охлаждать до температуры, при которой возможны их хранение и транспорт.

Данные процессы осуществляются в теплообменных аппаратах (ТОА), которые предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты.

Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности. Удельный вес ТОА на нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятиях составляет в среднем 50 %.

В зависимости от конкретных условий применения, к промышленным теплообменным аппаратам выдвигаются различные требования:

- обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении;

- компактность и наименьший расход материала;

- надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки от загрязнения;

- унификация узлов и деталей;

- технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и т. д.

Высокая эффективность работы подобных аппаратов позволяет сократить расход топлива и электроэнергии, затрачиваемой на тот или иной технологический процесс, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические показатели.

Поэтому изучению устройства и работы этих аппаратов необходимо уделять особое внимание.

1 Классификация теплообменных аппаратов

 Условия проведения процессов теплообмена в промышленных аппаратах чрезвычайно разнообразны. Эти аппараты применяют для рабочих сред с различным агрегатным состоянием и структурой (газ, пар, капельная жидкость, эмульсия и т.д.) в широком диапазоне температур, давлений и физико -химических свойств.

Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых разных конструкций и типов, причем для аппаратов каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена (от нескольких квадратных метров до тысяч в одном аппарате). В размерном ряду теплообменники различаются по допускаемым давлениям и температурам рабочей среды, а также по материалам, из которых изготовлен аппарат.

Строгой классификации теплообменных аппаратов не существует. Применительно к нефтеперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим основным признакам (рисунок 1.1):

Рисунок 1.1  – Общая классификация ТОА

а)        в зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы (рисунок 1.2):

- поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.

Рисунок 1.2 – Классификация ТОА в зависимости от способа передачи тепла

Данную группу ТОА можно в свою очередь классифицировать по конструкции (рисунок 1.3):

Рисунок 1.3 – Классификация ТОА по  конструкции

- аппараты, изготовленные из труб (кожухотрубчатые ТОА (рисунок 1.4), типа «труба в трубе» (рисунок 1.5), аппараты воздушного охлаждения, погружные (рисунок 1.6), змеевиковые и т.д);

- аппараты, поверхность теплообмена которых изготовлена из листового проката (пластинчатые (рисунок 1.7), спиральные и т.д.);

- аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и т.д.);

Рисунок 1.4 - Кожухотрубчатый ТОА

Рисунок 1.5 - ТОА типа «труба в трубе»

- аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит путем их соприкосновения. Для изготов­ления теплообменных аппаратов смешения требуется, как правило, меньше металла; кроме того, во многих случаях они обеспечивают более эффектив­ный теплообмен. Однако, несмотря на эти преимущества, аппараты смеше­ния часто нельзя использовать вследствие недопустимости прямого сопри­косновения потоков. К таким аппаратам, в частности, относятся градирни. Конструктивно пластинчатый теплообменник (ПТО) представляет собой пакет теплообменных пластин и прокладок, установленный в специальную раму и стянутый резьбовыми шпильками до определенного размера.

б)        в зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы (рисунок 1.8) [5] :

-  теплообменники - аппараты для регенерации тепла, уносимого от-ходящими потоками. Целевым процессом, протекающим в них, может являться нагрев холодного потока, или охлаждение горячего, или тот и другой процесс в равной степени.

При этом нагрев одного и охлаждение другого потока позволяет сократить расход подводимого извне тепла (сократить расход топлива, греющего водяного пара и т. д.) и охлаждающего агента.

К этой группе аппаратов относятся теплообменники для нагрева нефти на установке, осуществляемого за счет использования тепла отходящих с установки дистиллятов, остатка, а также промежуточного циркуляционного орошения. Сюда относятся также котлы-утилизаторы, где получают водяной пар за счет использования тепла нефтепродуктов, дымовых газов или катализатора на установках каталитического крекинга. К этой группе относятся и регенераторы холода;

- подогреватели - аппараты для нагрева дистиллятов или реагентов за счет тепла теплоносителя.

Целевым процессом в них является нагрев. В качестве теплоносителя применяют главным образом водяной пар, характеризующийся высоким коэффициентом теплоотдачи при конденсации и большим значением скрытой теплоты конденсации. Теплоносителями могут служить также высококипящие нефтепродукты, нагреваемые в трубчатых печах;

- конденсаторы - аппараты для конденсации и охлаждения паров путем передачи тепла охлаждающему агенту; 

- холодильники - аппараты для охлаждения жидких потоков. При регенерации тепла того или иного продукта его окончательное охлаждение до температуры, требуемой для безопасного транспорта и хранения, обычно завершается в холодильниках.

Если при охлаждении из жидкого потока выделяют кристаллы, то холодильный аппарат называется кристаллизатором.

В конденсаторах, холодильниках и кристаллизаторах целевым процессом является охлаждение горячей среды.

- испарители, кипятильники, в которых нагрев или нагрев и частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей (водяной пар, пары углеводородов, специальные высоко кипящие жидкости и др.). В таких аппаратах нагрев или испарение одной среды является целевым процессом, тогда как охлаждение горячего потока является побочным и обусловливается необходимостью нагрева исходного холодного потока.

Примером аппаратов этой группы могут служить нагреватели сырья, использующие тепло водяного пара, кипятильники, при помощи которых в низ ректификационной колонны подводится тепло, необходимое для ректификации, ит. д.;

в) в зависимости от направления движения теплоносителей - прямоточные, противоточные, перекрестного тока и др.

г) в зависимости от числа ходов по трубному и межтрубному пространству: одно-; двух-; четырех - и многоходовые.

На нефтехимических предприятиях около 80 % занимают кожухотрубчатые теплообменные аппараты. Эти теплообменники достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и в то же время достаточно универсальны, т.е. могут быть использованы для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и в широком диапазоне их давлений и температур.