ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Источники водоснабжения

Источниками водоснабжения НПЗ и НХК могут быть реки, подземные воды, моря, океаны, озера.

Моря являются более щедрыми источниками водоснабжения, чем пресные источники, но использование морской воды имеет специфические особенности и выдвигает дополнительные требования к проектированию и эксплуатации системы.

На нефтеперерабатывающих заводах для технических целей проектируется оборотная система водоснабжения и лишь для небольшого числа объектов и аппаратов – прямоточная.

Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки[3].

1.2.Система прямоточного водоснабжения

Из естественных водоемов вода забирается насосами и подается в общезаводскую водопроводную сеть для распределения по потребителям.

Отработанную воду после конденсаторов и холодильников, промывных аппаратов и другого оборудования направляют в нефтеотделители, нефтеловушки и очистные сооружения. Очищенную от нефтепродуктов отработанную воду сбрасывают в водоем, не охлаждая при температуре 45-650С.

Преимущества прямоточного водоснабжения: простота схемы; меньшая протяженность трубопровода; отсутствие градирен.

Недостатки прямоточной системы: большая потребность в свежей воде; значительное загрязнение водоемов; значительные расходы на осветление.

Каждая из оборотных систем водоснабжения НПЗ включает водопроводные сети, приемные камеры отработанной теплой и охлажденной воды, насосные, градирни, нефтеотделитители, установки для очистки воды и осветления [3].

1.3. Системы оборотного водоснабжения

На большинстве современных нефтехимических заводах используют три системы оборотного водоснабжения, различающиеся требованиями к качеству воды:

I система — для аппаратов, в которых охлаждаются или конденсируются продукты, содержащие углеводороды С5 и выше. вода, используемая для охлаждения нефтепродуктов в холодильниках и конденсаторах; содержание нефтепродуктов в водах этой системы относи­тельно невелико.

II система — для аппаратов, в которых охлаждаются или конденсируются продукты, содержащие углеводороды не выше С4. оборотная вода, предназначенная для аппаратов в которых охлаждаются газы и легкие дистилляты холодильных установок и компрессорных станций, сальников и подшипников насосов и др.; в этих водах нефтепродукты практически отсутствуют. Система пополняется свежей водой из специального водопровода, питающего также отдельные технологические ус­тановки с повышенными требованиями к качеству воды.

III система — для аппаратов установок, воды которых загрязнены сероводородом и нефтепродуктами (на проектируемых НПЗ в связи с заменой барометрических конденсаторов смешения на поверхностные эта система не предусматривается).

IV система — для аппаратов, в которых возможно загрязнение охлаждающей воды парафинами и жирными кислотами.

Для очистки и кондиционирования оборотной воды I и II систем предусматривают нефтеотделители, в которых с помощью специальных устройств улавливаются и собираются нефтепродукты и осадки [3].

1.4. Процессы охлаждения оборотной воды в охладителях

В системах производственного оборотного водоснабжения большое место занимают различные типы охладителей. Наиболее широко используются градирни, брызгальные бассейны, водохранилища-охладители. Охлаждение воды в них протекает в результате совместного действия процессов тепло - массообмена при непосредственном соприкосновении свободной поверхности жидкости с атмосферным воздухом, при этом жидкость и газ обмениваются теплотой благодаря соприкосновению и излучению. Кроме этого, происходит поверхностное испарение жидкости.

Большую часть года (весна, лето, осень) преобладающую роль играет поверхностное испарение. При низких зимних температурах роль поверхностного испарения снижается, и доля отдаваемого водой тепла, приходящаяся на теплоотдачу соприкосновением, увеличивается.

Теплообмен излучением является существенным только при большой открытой поверхности охлаждаемой воды. В этом случае солнечная радиация значительно снижает охладительный эффект, несмотря на некоторую компенсацию за счет передачи теплоты водой поверхности за счет излучения.

Процесс испарения (тепло - массообмен) является комплексным процессом, в котором перенос теплоты взаимно связан с переносом вещества. При испарительном охлаждении воды приближенно принимается, что парциальное давление паров воды в слое воздуха, непосредственно расположенном у поверхности воды, рав­но давлению насыщенного пара Р"пt при средней температуре воды.

Основная масса воздуха над поверхностью жидкости не насыщена водяными парами. Если принять, что водяной пар подчиняется законам идеального газа, то парциальное давление пара в основной массе воздушного потока Рпq при температуре 0°С, будет равно:

где j — относительная влажность воздуха в долях единицы;

Р”пq — давление насыщенного пара при температуре основной массы потока воздуха q, С.

Разность парциальных давлений

является «движущей силой» или «разностью потенциалов», благодаря которой осуществляется перенос пара, образующегося при испарении жидкости, от поверхности воды в основную массу воздушного потока.

В условиях работы испарительных охладителей парциальное давление воздуха Р"пi всегда выше парциального давления пара Рпq, поэтому независимо от того, больше или меньше температура воды температуры окружающего воздуха, величина положительна. Следовательно, испарение происходит всегда. Ввиду того, что испарение требует затрат теплоты на изменение агрегатного состояния пара, оно вызывает поток теплоты qb только от воды к воздуху, а следовательно, охлаждение воды. Поток теплоты вследствие теплоотдачи соприкосновением qa может, иметь направление как от воды к воздуху, так и от воздуха к воде в зависимости от того, какая из этих сред имеет более высокую температуру.

При температуре воды больше температуры воздуха теплоотдача за счет испарения и соприкосновения (теплопроводность и конвекция) направлена от воды к воздуху. Количество теплоты, отдаваемое водой, в этом случае равно:

Если же температура воздуха выше температуры воды, то поток тепла qa направлен от воздуха к воде. В этом случае результирующее количество теплоты, от­даваемое жидкостью, равно:

Температура воды будет понижаться, пока количество теплоты qb, теряемое жидкостью благодаря ее поверхностному испарению, больше притока теплоты к воде qa. Понижение температуры прекратится, когда направленный от воздуха к воде поток теплоты qa станет равным потерям теплоты водой от испарения qb. Равновесие между qa и qb носит динамический характер, так как ни испарение жидкости, ни подвод теплоты от воздуха не прекращаются. Однако, чтобы процессы тепло - массообмена могли протекать беспрепятственно, к поверхности воды должно быть подведено количество теплоты q, равное количеству теплоты, отдаваемой ею в результате совместного действия обоих процессов. Для этого температура поверхностного слоя жидкости tf должна быть ниже температуры основной ее массы t, т.е. должна существовать положительная разность температур. Величина Dt зависит от условий переноса теплоты в жидкости за счет теплопроводности и конвекции.

Количественное соотношение между теплоотдачей соприкосновением и теплоотдачей испарением зависит от конкретных условий. С увеличением температуры воды общие теплопотери возрастают, причем теплоотдача испарением увеличивается быстрее, чем теплоотдача соприкосновением. При снижении температуры воды до температуры воздуха по сухому термометру потери теплоты соприкосновением становятся равными нулю, а при дальнейшем снижении температуры воды поток теплоты qa будет направлен от воздуха к воде. Когда температура воды, снижаясь, приближается к температуре воздуха по влажному термометру t, тогда потери теплоты водой в результате испарения qb остаются положительными; в то же время отрицательные потери теплоты соприкосновением возрастают по абсолютной величине. При снижении температуры воды до температуры воздуха по влажному термометру отрицательные теплопотери соприкосновением qa становятся равными положительным потерям теплоты при испарении qb. Наступает равновесное динамическое состояние, при котором результирующая составляющая теплоотдачи равна нулю, и вода не снижает свою температуру.

Следовательно, вода может быть охлаждена до температуры более низкой, чем начальная температура охлаждающего ее воздуха (по сухому термометру); это свойственно только испарительному охлаждению. Теоретическим пределом охлаждения воды является температура воздуха по влажному термометру.

В общем виде уравнение теплового баланса в испарительных охладителях имеет вид

где с — удельная плотность воды, кг/м3;

W = pW’ — массовый расход воды, кг/с;

r — удельная плотность воды, кг/м3;

W’— объемный расход воды, м3/с;

Dt — разница температур горячей и охлажденной воды, °С;

Т — рассматриваемый период, сут;

R — приток теплоты от солнечной радиации, Дж.

Процессы, происходящие при испарительном охлаждении, более сложные, чем теплообмен через твердую стенку. Последний имеет место в охладителях, охлажде­ние в которых происходит без контакта охлаждаемой воды с атмосферным воздухом — через стены теплообменников (радиаторов). Такой теплообмен называется конвективным. Он происходит при одновременном действии конвекции и теплопроводности. Конвективный теплообмен зависит от разнообразных факторов, в том числе: режима движения жидкости и воздуха, свободного или принудительного их движения, плотности, вязкости, коэффициента теплопроводности и температуропроводности жидкости и воздуха, формы и размера участвующей в конвективном теплообмене поверхности.

Удельное количество теплоты, переданной через стенку радиатора, определяется формулой Ньютона

где qр — удельное количество теплоты, кДж/(м2/ч);

aр — общий ко­эффициент теплопередачи от воды к воздуху через стенку радиатора, кДж/(м2×ч×°С)

t — температура воды, проходящей через радиатор, °С;

q— температура воздуха, обтекающего радиатор, °С.

Коэффициент aр определяют по экспериментальным данным [4].