УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДОГРЕВА ВЫСОКОВЯЗКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ИХ СМЕСЕЙ
HEATING DEVICE OF HIGH-VISCOUS OIL PRODUCTS AND THEIR MIXTURES

3
Изобретение относится к устройствам для подогрева высоковязких (густых и труднотекучих плотностью выше 850 кг/м) нефтепродуктов и их смесей, в частности, для подогрева нефтецементной суспензии перед закачкой их в скважину.
Известно устройство для разогрева вязких нефтепродуктов в емкости (патент РФ №2092418, МПК B65G 69/20, B65D 88/74, опубл. БИ №28 1997 г.), например, в железнодорожной цистерне, содержащее головку, имеющую, по меньшей мере, две пары взаимно направленных сопел, предназначенных для подачи теплоносителя в виде нагретой текучей струи в горизонтальных направлениях, и трубопроводы, предназначенные для соединения головки с источником подачи теплоносителя, причем сопла первой пары расположены под углом к соплам второй пары, которые выполнены с меньшим проходным сечением, чем проходные сечения сопел первой пары.
Недостатками такого устройства являются:
- невозможность разогрева до необходимой температуры (60-80°С) высоковязкого (густого и труднотекучего) нефтепродукта за счет разогретой струи;
- неконтролируемое перемешивание сред высоковязкого нефтепродукта и теплоносителя, что нежелательно, приводит к неравномерной консистенции нагрева нефтепродукта.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является теплообменник жесткого типа, имеющий цилиндрический корпус, в котором установлен трубный пучок, закрепленный в трубных решетках, в которых трубки пучка закреплены развальцовкой или сваркой. Корпус аппарата закрыт крышкой и распределительной коробкой. Внутри корпуса установлены перегородки, создающие определенное направление движения потока и увеличивающие скорость в корпусе. Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая - внутри корпуса между трубками. В трубки пускают более загрязненную среду, а также среду с меньшим коэффициентом теплоотдачи, так как очистка наружной поверхности трубок затруднена, а скорости движения среды в межтрубном пространстве меньше, чем в трубках (Ю.К.Молоканов. Процессы и аппараты нефтегазопереработки. М.: Химия, 1980, с.176, 3-й абзац снизу).
Недостатком известного устройства является его низкая надежность, поскольку температуры теплообменивающихся сред обычно сильно различаются, при этом корпус и трубки пучка получают различные удлинения, что приводит к возникновению дополнительных напряжений в элементах теплообменника, и не учитывается изменение текучести вязких нефтепродуктов в зависимости от температуры, что приводит к дополнительным затратам энергии (следовательно, и материальным затратам) на продавливание вязкой жидкости. При большой разности температур это может привести к деформации и даже разрушению трубок и корпуса, нарушению плотности развальцовки и т.п. Поэтому теплообменники жесткого типа применяют при разности температур обменивающихся сред не более 50°С. (Ю.К.Молоканов. Процессы и аппараты нефтегазопереработки. М.: Химия, 1980, с.176, 1-й абзац снизу).
Техническими задачами предлагаемого изобретения являются создание надежного устройства для подогрева высоковязких (густых и труднотекучих) нефтепродуктов, в частности, для подогрева водяным паром нефтецементной суспензии перед закачкой в скважину, когда разность температур теплообменивающихся закачиваемых в устройство сред значительно превышает 50°С, а также обеспечение равномерности сопротивления потоку нефтепродуктов в зависимости от изменения их текучести при изменении температуры.
Техническая задача решается устройством для подогрева высоковязких нефтепродуктов и их смесей, включающим цилиндрический корпус с входной и выходной крышками с соответствующими входным и выходным патрубками, расположенные внутри корпуса трубные решетки и распределительные входную и выходную коробки, оснащенные соответственно входной и выходной трубками и сообщенные с концами трубных решеток для прокачки теплоносителя.
Новым является то, что корпус расположен вертикально, нижняя - выходная крышка выполнена конусной с выходным патрубком в нижней части, охваченным ниже этой крышки входной распределительной коробкой, которая выполнена с возможностью теплообмена с конусной поверхностью нижней крышки, а верхняя - входная крышка снабжена входным патрубком, установленным соосно с корпусом, при этом трубная решетка выполнена в виде изогнутой внутрь корпуса и сужающейся книзу воронки, внутри которой расположен отбойник, распределяющий поток нефтепродуктов к трубным решеткам и соединенный равномерно по периметру как минимум с тремя трубками решетки теплопроводящими пластинами.
На фиг.1 изображена схема устройства в продольном разрезе.
На фиг.2 изображен разрез А-А.
Устройство для подогрева высоковязких нефтепродуктов и их смесей включает цилиндрический корпус 1 (фиг.1) с входной 2 и выходной 3 крышками с соответствующими входным 4 и выходным 5 патрубками, расположенные внутри корпуса 1 трубные решетки 6 и распределительные входную 7 и выходную 8 коробки, оснащенные соответственно входной 9 и выходной 10 трубками и герметично сообщенные с концами трубных решеток 6 для прокачки теплоносителя. Корпус 1 расположен вертикально, нижняя - выходная крышка 3 выполнена конусной с выходным патрубком 5 в нижней части, охваченным ниже этой крышки входной распределительной коробкой 7, которая выполнена с возможностью теплообмена с конусной поверхностью нижней крышки 5. Верхняя - входная крышка 2 снабжена входным парубком 4, установленным соосно с корпусом. Трубная решетка 6 выполнена в виде изогнутой внутрь корпуса 1 и сужающейся книзу воронки, внутри которой расположен отбойник 11 (фиг.2), распределяющий поток нефтепродуктов к трубным решеткам и соединенный равномерно по периметру как минимум с тремя трубками 12 решетки 6 теплопроводящими пластинами 13.
Устройство работает следующим образом.
Во входную распределительную коробку 4 (фиг.1) по входной трубке 9 подают теплоноситель (перегретая жидкость под давлением, тосол или антифриз необходимой плотности температурой 110-120°С), который, проходя снизу вверх по трубкам 12 решетки 6, подается в выходную распределительную коробку 8, откуда он отводится по выходной трубке 10. Вязкие нефтепродукты (нефтецементная суспензия перед закачкой в скважину, битуминозная нефть перед разделением на фракции и т.п. температурой 4-30°С) поступают по входному патрубку 4 через входную крышку 2 в вертикально установленный корпус 1 по центру, где нефтепродукты за счет «эффекта разбухания струи» вязких жидкостей увеличивают свой поперечный диаметр (относительно диаметра входного патрубка 4). При этом струя вязких нефтепродуктов снаружи, взаимодействуя с трубной решеткой 6, разогревается и стекает снаружи трубной решетки 6 на нижнюю крышку 3. Внутренняя часть струй вязких нефтепродуктов, которая не взаимодействует с трубной решеткой 6, после взаимодействия с отбойником 11, направляется им изнутри наружу и, проходя через трубные решетки 6 и перемешиваясь с уже нагретой частью струи, нагревается и также стекает снаружи трубной решетки 6 на нижнюю крышку 3. Нижняя крышка 3 за счет теплообмена с нижней - входной распределительной коробкой 7 дополнительно подогревает нефтепродукты, которые, стекая по ее конусной поверхности и проходя через трубную решетку 6 снаружи внутрь, разогреваются окончательно и отбираются из нижней части нижней крышки по выходному патрубку 5.
Так как отбойник 11 (фиг.2) соединен равномерно по периметру как минимум с тремя трубками 12 решетки 6 теплопроводящими пластинами 13, которые увеличивают площадь теплообмена с нефтепродуктами, взаимодействующими с ними, отбойник располагается в центральной части корпуса 1 соосно с ним, при этом придавая большую жесткость трубной решетке 6. Поскольку поток нефтепродуктов в нижней части корпуса 1 (фиг.1) направлен снаружи вовнутрь, а в верхней части и средней частях корпуса 1 изнутри наружу, то внутри корпуса 1 образуется поток нефтепродуктов, направленный изнутри наружу, сверху вниз и снаружи внутрь, проходя два раза через трубную решетку 6, причем температура потока увеличивается сверху вниз. Так как трубные решетки 6 выполнены в виде изогнутой во внутрь корпуса 1 и сужающейся книзу воронки, то расстояние в верхней части корпуса между трубками 12 значительно больше, чем в нижней части, где температура нефтепродуктов и, следовательно, текучесть значительно выше, что позволяет обеспечить равномерное сопротивление потоку струи нефтепродуктов во всем корпусе 1 в зависимости от их нагрева и исключить дополнительные потери энергии, затрачиваемые на прокачку нефтепродуктов через корпус. При этом изогнутая форма трубок 12 лучше выдерживает перепады температур (даже более 50°С) за счет изменения своей кривизны. Причем нагреваемые от входной распределительной коробки 7 выходная крышка 3 и от трубок 12 решетки 6 через теплопроводящие пластины 13 отбойник 11 исключают налипание на них вязких нефтепродуктов и торможение их потока.
При необходимости длительной автономной работы устройства (более одного месяца) количество подаваемого теплоносителя к количеству подаваемых нефтепродуктов подбирают таким образом, что перепад температур в каждом поперечном сечении корпуса 1 между нефтепродуктами и теплопередающими поверхностями (нижней крышки 3, трубок 12 решетки 6, отбойника с пластинами 13) не превышал 50°С, так как температура нефтепродуктов в устройстве растет сверху вниз, аналогично и температура этих поверхностей снижается вместе с температурой теплоносителя снизу вверх.
Предлагаемое устройство для подогрева высоковязких (густых и труднотекучих) нефтепродуктов надежно в работе, особенно когда разность температур теплообменивающихся закачиваемых в устройство сред значительно превышает 50°С и обеспечивает равномерность сопротивления потоку нефтепродуктов в зависимости от изменения их текучести при изменении температуры за счет использования трубной решетки, выполненной в виде изогнутой внутрь корпуса и сужающейся книзу воронки и отбойника в центральной ее части.