УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ДЫХАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ РЕЗЕРВУАРОВ ОТ ЗАКУПОРКИ ВЯЗКИМИ ФРАКЦИЯМИ И ЛЬДОМ (ВАРИАНТЫ)
VESSELS RESPIRATORY EQUIPMENT PROTECTION DEVICE AGAINST PLUGGING WITH VISCOUS FRACTIONS AND ICE (VERSIONS)

Изобретение относится к защите дыхательного оборудования резервуаров от закупорки вязкими фракциями и льдом при хранении тяжелых жидких продуктов в резервуарах нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических производств, энергетических объектов и касается устройства для такой защиты.
При хранении в резервуарах продуктов, требующих для возможности проведения транспортировки и некоторых операций хранения подогрева до подвижного состояния и имеющих в своем составе конденсирующиеся компоненты, важной проблемой является обеспечение безотказной работы дыхательного и вентиляционного оборудования. Такими продуктами следует считать продукты, значительно изменяющие вязкость при изменении температуры, а также легкозастывающие, кристаллизующиеся и расслаивающиеся продукты. В дальнейшем будем называть такие продукты тяжелыми, так как они содержат в своей основе тяжелые фракции, но и имеют легкие (к примеру, ароматические углеводороды). Примерами тяжелых жидких продуктов могут быть некоторые марки сырой нефти, котельные топлива, некоторые смолы, каменноугольные и нефтяные пеки и т.д. Вследствие разницы температур выходящих из резервуаров паров продуктов и стенок оборудования наблюдается процесс конденсации и застывания парафиновых или нафтеновых вязких фракций углеводородов, например, в каналах огневых предохранителей. К такому же результату приводит замерзание воды при конденсации на оборудовании и последующем похолодании. При закупорке проходного сечения дыхательного оборудования становится невозможен обмен между паровоздушным пространством резервуара с атмосферой, что приводит к авариям на резервуарах, связанным с разрушением их крыш, поводкой верхних поясов стенки, выплеском продуктов и так далее. Поэтому обслуживающему персоналу приходится подниматься для очистки оборудования в любую погоду. В связи с этим, зачастую, при эксплуатации наблюдается практика эксплуатации резервуаров без огневых предохранителей, каплеуловителей или снятыми тарелками затворов дыхательных клапанов, что резко увеличивает взрывопожароопасность резервуарного хранения продуктов.
Известно устройство для обогрева огнепреградителя дыхательного оборудования при помощи электрических взрывозащищенных нагревательных элементов (патент РФ №2301096, кл. А62С 4/00, опубл. 20.06.2007). Недостатком известного устройства является зависимость от внешних источников электроэнергии и потенциальная взрывопожароопасность решения.
Известно устройство для хранения нефтепродуктов (авторское свидетельство СССР №1353704, кл. B65D 90/28, опубл. 23.11.1987), направленное на повышение надежности за счет исключения закупорки дыхательного отверстия при низких температурах воздуха. Устройство состоит из резервуара и установленной в его дыхательном отверстии с возможностью теплового контакта со стенкой вертикальной отводной трубы, выполненной из теплопроводного материала, снабженной установленным с зазором к ней и герметично закрепленным на днище резервуара кожухом, причем верхняя часть кожуха смонтирована с образованием зазора с верхней стенкой резервуара, а в нижней его части под отводной трубой установлена воронка для сбора конденсата со сливным патрубком, снабженным гидравлическим затвором, при этом наружная поверхность трубы покрыта теплоизоляцией, а в нижней части установлен радиатор.
При обязательном применении огневого предохранителя для обеспечения взрывопожаробезопасности хранения, дополнительно установленного на дыхательном отверстии известного устройства, возможна закупорка льдом его каналов от сконденсированной на нем атмосферной влаги. Колебания температуры, приводящие к этому, могут быть вызваны, например, сменой времени суток. Также недостатком является применение неочищающейся, необслуживаемой и несъемной конструкции радиатора. Удаление конденсата будет необходимо при применении такого устройства в связи с застыванием на холодных отводной трубе и радиаторе и возможной закупорке зазора между отводной трубой и кожухом. Кроме этого, недостатком является большая материалоемкость устройства.
Известно устройство для снижения выбросов из хранилищ обводненных продуктов коксования (авторское свидетельство СССР №1293079, кл. B65D 90/30, опубл. 28.02.1987), направленное на снижение выбросов, предотвращение конвекции и устранение возможности забивания устройства конденсирующимися компонентами выбросов. Устройство состоит из воздушника и колпака, выполненного в виде цилиндрического перевернутого стакана, установленного соосно с воздушником, а стенки и дно колпака выполнены полыми для подвода теплоносителя или размещения нагревателя. При обогреве кожуха и стакана создается положительная разность температур между верхними и нижними слоями газовой смеси в колпаке, в результате чего устраняется конвективное перемешивание паров и воздуха, в верхней части воздушника и верхней части воздушника образуется затвор, наполненный нагретой паровоздушной смесью, препятствующей выбросам.
В известном устройстве предлагается обогрев стенок колпака выполнять электрическим или паровым. Такое решение является энергозависимым от внешних источников энергии и предполагает дополнительные расходы на прокладку элементов системы энергопитания.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для снижения выбросов из имеющих постоянный уровень налива емкостей продукции химических предприятий, в частности коксохимических предприятий (патент РФ на изобретение №2301768, МПК B65D 90/30, опубл. 10.03.2006), представляющее собой гидравлический клапан, имеющий закрепленный в крышке подводящий патрубок, прикрепленную к подводящему патрубку тарелку, обечайку, дыхательный патрубок, колпак, средство регулировки высоты заглубления колпака и затворную жидкость на тарелке, при этом подводящий патрубок имеет диаметр не менее 500 мм для подогрева затворной жидкости находящимися в емкости парами продукта. Предполагается надежность в работе данного устройства обеспечивать за счет большой поверхности тарелки, где затворная жидкость через патрубок непрерывно подогревается парами жидкости, находящимися в емкости, и она не замерзает даже при низких температурах наружного воздуха. Главным недостатком известного устройства является низкая эффективность работы вследствие резкого снижения коэффициента теплопередачи к жидкости гидрозатвора и ее возможное замерзание при конденсации в смеси с неконденсирующимся газом (воздухом). Недостатками данного известного устройства являются ограниченная область применения, так как работа устройства возможна только при постоянном максимальном уровне заполнения резервуара и при постоянной температуре: невозможно применение известного устройства для резервуаров "холодного" хранения, так как разогрев продукта из "холодного" хранения начинают с нижних слоев продукта, а в данном устройстве одной из теплообменных поверхностей является зеркало продукта. Другим недостатком является то, что с парами ароматических углеводородов выносятся и пары (или даже частицы) тяжелых фракций, которые конденсируются (оседают) не только на тарелке, но и на дыхательном патрубке, не удаляются с них и создают дополнительное сопротивление теплообмену и перекрывают проходное сечение.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для защиты дыхательного оборудования резервуаров от закупорки вязкими фракциями и льдом, при осуществлении которого повысится надежность резервуаров и увеличится эффективность работы дыхательного оборудования.
Задачу решают тем, что в известном устройстве для защиты дыхательного оборудования резервуаров от закупорки вязкими фракциями и льдом, включающем по меньшей мере один трубопровод подачи и отвода теплоносителя, генератор тепла и теплообменник, установленный на дыхательном отверстии резервуара, генератор тепла установлен в продукте в резервуаре.
Так же новым является то, что по меньшей мере на одном трубопроводе подачи и отвода теплоносителя установлен кран; генератор тепла расположен ниже теплообменника; трубопровод подачи и отвода теплоносителя имеет возможность соединения через предохранительный клапан с балластным теплообменником, установленным вне дыхательного отверстия резервуара; трубопровод подачи и отвода теплоносителя теплоизолирован.
Известны основные способы подогрева продуктов в резервуарах (см., например, Назмеев Ю.Г. Теплоперенос и гидродинамика в системах хранения жидкого органического топлива и нефтепродуктов. М.: Издательский дом МЭИ, 2005, с. 26): статическими парозмеевиковыми и секционными подогревателями, качающимися вибрационными подогревателями, горизонтальными вращающимися шнековыми подогревателями, электроподогревателями, а также циркуляционным подогревом.
Независимо от способа подогрева продукта в резервуаре, в основе устройства, осуществляемого в соответствии с настоящим изобретением, лежит принцип термосифона. За счет отбора тепла от хранящегося в резервуаре продукта или его части осуществляется естественная конвекция теплоносителя, по контуру циркуляции "генератор тепла, размещенный в продукте, - теплообменник, установленный на дыхательном оборудовании, - генератор тепла, размещенный в продукте" за счет разности плотностей нагретого и охлажденного теплоносителя. К теплообменнику для поддержания нормальной работоспособности дыхательного оборудования и целостности резервуара подводится достаточное количество энергии для исключения закупорки проходного сечения дыхательного отверстия. Более холодный теплоноситель на теплообменнике обладает более высокой плотностью по сравнению с нагретым теплоносителем в генераторе тепла. Теплоноситель может быть как одно-, так и двухфазным. В контуре циркуляции теплоносителя может быть использована энергия скрытой теплоты парообразования. Она запасается при испарении теплоносителя на генераторе тепла и выделяется на теплообменнике.
Устройство согласно изобретению выполнено в двух вариантах.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для защиты дыхательного оборудования резервуаров от закупорки вязкими фракциями и льдом с одним трубопроводом подачи и отвода теплоносителя. На фиг. 2 представлена принципиальная схема устройства для защиты дыхательного оборудования резервуаров от закупорки вязкими фракциями и льдом по второму варианту с двумя трубопроводами подачи и отвода теплоносителя, расположенными концентрично друг другу. На фиг. 3 представлена схема устройства по второму варианту с двумя трубопроводами подачи и отвода теплоносителя с балластным теплообменником, установленным вне дыхательного отверстия резервуара параллельно теплообменнику.
Устройство для защиты дыхательного оборудования резервуаров от закупорки вязкими фракциями и льдом состоит из теплообменника 1, расположенного на дыхательном отверстии 2 резервуара 3, генератора тепла 4, погруженного в продукт 5, теплоносителя 6, трубопровода (трубопроводов) подачи и отвода теплоносителя 7, крана 8, предохранительного клапана 9, балластного теплообменника 10, теплоизоляционного покрытия 11.
Термосифон в устройстве образован непрерывной связью внутренней полости генератора тепла 4, наполненной теплоносителем 6, через трубопровод подачи и отвода теплоносителя 7 с внутренней полостью теплообменника 1. Для настройки и регулировки работы устройства на одном из трубопроводов установлен кран 8 (см. второй вариант схемы устройства на фиг. 3). Для случая, когда теплоотвод от теплоносителя 6 на теплообменнике 1 невелик, а передача тепла на генераторе тепла 4 значительна (например, перегрев продукта 5 в резервуаре 3 или пропарка резервуара 3), в устройстве предусмотрена возможность соединения трубопровода подачи и отвода теплоносителя 7 через предохранительный клапан 9 с балластным теплообменником 10, установленный вне дыхательного отверстия 2 резервуара 3. Для сокращения теплоотдачи от трубопровода подачи и отвода теплоносителя 7 последний выполнен с теплоизоляционным покрытием 11.
Следует отметить, что теплообменник 1 согласно изобретению может быть установлен на дыхательном отверстии резервуара 3 в любом элементе дыхательного оборудования (например, погодном колпаке, корпусе дыхательного клапана, огневом предохранителе, конденсаторе, каплеуловителе, гидравлическом затворе и так далее).
Работа устройства по двум вариантам осуществляется аналогичным образом.
Устройство теплообменником 1 устанавливается на дыхательное отверстие 2 резервуара 3, а генератор тепла 4 вводится в продукт 5, хранящийся в резервуаре 3. Термосифон, образованный трубопроводом подачи и отвода теплоносителя 7, генератором тепла 4 и теплообменником 1 полностью или частично наполненный теплоносителем 6, при необходимости вакуумируется и изолируется от окружающей среды. Продукт 5 в резервуаре 3 находится в горячем состоянии и теплоноситель 6, расположенный в генераторе тепла 4, разогревается. Вследствие разницы плотностей горячий теплоноситель 6 перемещается к теплообменнику 1 по трубопроводу подачи и отвода теплоносителя 7, а холодный опускается к генератору тепла 4. Интенсивная передача тепла от теплоносителя 6 к поверхности теплообмена на теплообменнике 1 препятствует конденсации паров продукта из резервуара 3 или воды на теплообменнике 1 со стороны дыхательного отверстия резервуара 2. Если же фракции продуктов или пары воды конденсируются на дыхательном отверстии 2 резервуара 3, то они находятся в относительно подвижном состоянии за счет переданного им от охлаждающегося в теплообменнике 1 тепла от теплоносителя 6 и не происходит закупорки дыхательного отверстия 2. Конденсат по мере накопления его на теплообменнике 1 со стороны дыхательного отверстия 2 стекает в резервуар 3, и сохраняется возможность массообмена между паровоздушным пространством резервуара 3 и атмосферой. В случае, когда теплоотвод от теплоносителя 6 на теплообменнике 1 невелик, а передача тепла на генераторе тепла 4 значительна, давление в циркуляционном контуре возрастет до значения срабатывания предохранительного клапана 9, который открывается, и трубопровод подачи и отвода теплоносителя 7 соединяется через балластный теплообменник 10, на котором идет дополнительный сброс тепла в атмосферу. Изобретение, в отличие от прототипа, возможно использовать в резервуарах "холодного" хранения продуктов. При запуске резервуаров тяжелых жидких продуктов из такого хранения первыми нагревают наиболее тяжелые и легкозастывающие слои продукта, располагающиеся внизу резервуара. В предлагаемом устройстве это легко осуществить, так как генератор тепла 4 располагается в продукте 5. Таким образом, даже при застывших верхних слоях продукта в резервуаре теплоноситель 6 от генератора тепла 4 получит тепло для работы термосифона и станет возможным обмен между паровоздушным пространством резервуара 3 и атмосферой и проведение технологических операций со всем продуктом, хранящимся в резервуаре 3.
Генератор тепла 4 и/или теплообменник 1 в зависимости от передаваемых тепловых потоков и продукта в резервуаре 3 могут быть выполненными как с гладкими теплообменными поверхностями, так и оребренными.
Совокупность существенных признаков, которой характеризуется устройство для защиты дыхательного оборудования резервуаров от закупорки вязкими фракциями и льдом, позволяет повысить надежность резервуаров и увеличить эффективность работы дыхательного оборудования независимо от уровня наполнения резервуара и состояния основной массы продукта в нем.