RU2809827C1

RU2809827C1 - Apparatus for heating oil and refined products

Info

Publication number: RU2809827C1
Application number: RU2023121810A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Львович Астановский; Лев Залманович Астановский; Максим Дмитриевич Астановский; Павел Владимирович Кустов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ФАСТ ИНЖИНИРИНГ"
Filing date: 2023-08-18
Publication date: 2023-12-19

Abstract

FIELD: heating; evaporation; chemical transformation.

SUBSTANCE: invention relates to devices for heating, evaporation and chemical transformation of oil and secondary products of its processing and can be used as an integral part of many processes of oil and gas processing and petrochemistry. Inside the cylindrical body of the device, a flameless burner, an oil heater and an air heater mixed with flue gases are installed sequentially from top to bottom along its longitudinal axis. This technical solution ensured the compactness of the device, reduced the loss of media pressure and reduced fuel consumption. To obtain a coolant, a flameless burner is used, on which gaseous or liquid fuel is burned, and air with a reduced oxygen content is supplied to the burner as an oxidizer due to its dilution exhaust flue gas. Heat transfer from the coolant to the heated medium and heating of air diluted with flue gas are carried out in radial-spiral heat exchangers.

EFFECT: technical result is a reduction of harmful emissions into the environment, the exclusion of stagnant zones and deposits on the heat exchange surface, the exclusion of local overheating of the heated medium in certain areas of the heat exchange surface, a decrease in the thermal decomposition of the heated medium when heating oil and its refined products and a decrease in the weight and dimensional characteristics of the apparatus.

6 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к аппаратам для нагрева, испарения и химического превращения нефти и вторичных продуктов ее переработки и может использоваться в качестве составной части многих процессов нефтегазопереработки и нефтехимии - каталитического крекинга, риформинга, гидроочистки и др.The invention relates to devices for heating, evaporation and chemical transformation of oil and secondary products of its processing and can be used as an integral part of many oil and gas refining and petrochemical processes - catalytic cracking, reforming, hydrotreating, etc.

Традиционно нагрев, испарение и химическое превращение нефти и вторичных продуктов ее переработки проводят в трубчатых печах огневого нагрева. Применяемые для этой цели трубчатые печи состоят из камер радиации и конвекции, в которых размещены трубы, по которым проходит нагреваемая среда. В пространстве камеры радиации сжигается газообразное или жидкое топливо. Продукты сгорания топлива являются теплоносителем для нагрева нагреваемой среды до требуемой температуры через теплопередающую поверхность труб. Нагреваемая среда подается в трубы камеры конвекции и далее последовательно поступает в трубы камеры радиации. В зависимости от требований технологического процесса нагреваемая среда нагревается в печи от 70 до 900°С при давлении от 0,1 до 30 МПа. Поверхность теплообмена труб размещенных в камере радиации составляет от 15 до 2000 м². Производительность по нагреваемой среде достигает 8-10⁵ кг/ч. (Капустин В.М., Рудин М.Г., Кукес С.Г. Справочник нефтепереработчика. - М. Стр. 288-296. «Химия», 2018).Traditionally, heating, evaporation and chemical transformation of oil and secondary products of its processing are carried out in tubular fire-heating furnaces. Tube furnaces used for this purpose consist of radiation and convection chambers in which pipes are placed through which the heated medium passes. Gaseous or liquid fuel is burned in the space of the radiation chamber. Fuel combustion products are a coolant for heating the heated medium to the required temperature through the heat transfer surface of the pipes. The heated medium is supplied to the pipes of the convection chamber and then sequentially enters the pipes of the radiation chamber. Depending on the requirements of the technological process, the heated medium is heated in a furnace from 70 to 900°C at a pressure from 0.1 to 30 MPa. The heat exchange surface of the pipes placed in the radiation chamber ranges from 15 to 2000 ^m2 . Productivity in the heated medium reaches 8-10 ⁵ kg/h. (Kapustin V.M., Rudin M.G., Kukes S.G. Oil refinery directory. - M. pp. 288-296. “Chemistry”, 2018).

В зависимости от назначения и производительности, конструкция трубчатых печей огневого нагрева имеет большое разнообразие и отличается формой корпуса, расположением труб в корпусе, видом и способом сжигаемого топлива, применяемыми горелками и их расположением, числом змеевиков трубчатых потоков, конструкцией стен, расположением камер конвекции и радиации и др.Depending on the purpose and performance, the design of tubular fire heating furnaces has a wide variety and differs in the shape of the body, the arrangement of pipes in the body, the type and method of fuel burned, the burners used and their location, the number of tubular flow coils, the design of the walls, the location of the convection and radiation chambers and etc.

Для трубчатых змеевиков применяют бесшовные трубы диаметром от 60 до 325 мм из углеродистых и легированных сталей и сплавов, обладающих жаропрочными свойствами. Соединяют трубы крутоизогнутыми фитингами, сваркой или при помощи калачей, допускающих механическую чистку внутренней поверхности труб от отложений кокса.For tubular coils, seamless pipes with a diameter of 60 to 325 mm made of carbon and alloy steels and alloys with heat-resistant properties are used. The pipes are connected with steeply curved fittings, welding or using rollers, which allow mechanical cleaning of the inner surface of the pipes from coke deposits.

Важным показателем, характеризующим работу трубчатых печей огневого нагрева и эффективность использования трубчатого змеевика, является теплонапряженность поверхности нагрева. Величина тепловой напряженности зависит от назначения трубчатой печи, способа сжигания топлива, равномерности распределения теплового потока по теплообменной поверхности труб, опасности термического разложения нагреваемой среды, теплоустойчивости и жаростойкости материала труб. Средняя теплонапряженность радиантных труб (кВт/м²) печей установок атмосферной перегонки нефти 30-60, вакуумной перегонки мазута 20-40, вторичной переработки 30-60, замедленного коксования 20-40, пиролиза бензина 12-24. КПД трубчатых печей лежит в пределах 0,65-0,85 (Владимиров А.И., Щелкунов В.А., Круглое С.А. Основные процессы и аппараты нефтегазопереработки. - М. Стр. 183-187. ООО «Недра», 2002).An important indicator characterizing the operation of tubular fire heating furnaces and the efficiency of using a tubular coil is the thermal intensity of the heating surface. The magnitude of thermal stress depends on the purpose of the tube furnace, the method of fuel combustion, the uniformity of heat flow distribution over the heat transfer surface of the pipes, the danger of thermal decomposition of the heated medium, the heat resistance and heat resistance of the pipe material. The average heat intensity of radiant pipes (kW/m ² ) of furnaces for atmospheric distillation of oil is 30-60, vacuum distillation of fuel oil 20-40, recycling 30-60, delayed coking 20-40, gasoline pyrolysis 12-24. The efficiency of tube furnaces lies in the range of 0.65-0.85 (Vladimirov A.I., Shchelkunov V.A., Krugloe S.A. Basic processes and apparatus for oil and gas processing. - M. pp. 183-187. Nedra LLC , 2002).

В трубчатых печах огневого нагрева теплота к нагреваемой и/или частично испаряемой среды подводится через стенки труб путем сжигания топлива на факельных или инжекционных горелках в свободном пространстве камеры радиации печи. Температура нагрева нагреваемой среды определяется по температуре на выходе из трубчатой печи. Основное количество теплоты к трубам, примерно 70-80%, передается в камере радиации излучением от пламени факела и футеровки печи. В зависимости от вида сжигаемого топлива и коэффициента избытка воздуха, подаваемого на факельные горелки, температура в ядре факела достигает 1600-1900°С, а температура футеровки и во внутреннем пространстве печи достигает 1200-1300°С.In tubular fire heating furnaces, heat is supplied to the heated and/or partially evaporated medium through the walls of the pipes by burning fuel on flare or injection burners in the free space of the furnace radiation chamber. The heating temperature of the heated medium is determined by the temperature at the outlet of the tubular furnace. The main amount of heat to the pipes, approximately 70-80%, is transferred in the radiation chamber by radiation from the torch flame and the furnace lining. Depending on the type of fuel burned and the excess air ratio supplied to the flare burners, the temperature in the torch core reaches 1600-1900°C, and the temperature of the lining and in the internal space of the furnace reaches 1200-1300°C.

В целях предотвращения термического разложения нагреваемой углеводородной среды предусматривается минимальное время ее пребывания в зоне высоких температур.In order to prevent thermal decomposition of the heated hydrocarbon medium, a minimum time of its stay in the high temperature zone is provided.

Недостатком традиционно применяемых трубчатых печей огневого нагрева является невозможность обеспечить равномерный подвод теплоты, как излучением, так и конвекцией, к теплообменной поверхности труб с учетом их расположения в печи, исключив при этом возможность локальных перегревов отдельных участков труб и нагреваемой среды. Также нельзя обеспечить равномерное распределение нагреваемой среды по множеству потоков нагреваемых змеевиков. Процесс передачи теплоты от теплоносителя - продуктов сгорания топлива - к наружной поверхности стенок теплообменных труб печи недостаточно организован. Из-за неравномерности подвода теплоты к разным участкам теплопередающей поверхности труб, также неравномерно нагревается проходящая по трубам среда. На каких-то участках теплообменной поверхности часть нагреваемой среды перегревается до температур не только выше требуемой, но и выше допустимой, а на каких-то участках - недогревается. После перемешивания потоков на выходе из печи нагреваемая среда имеет усредненную требуемую температуру. Даже кратковременный локальный перегрев нагреваемой углеводородной среды приводит к ее частичному термическому разложению и к образованию большого разнообразия продуктов превращений, в том числе к образованию весьма нежелательных частиц кокса, смолистых веществ и др., что приводит к отложению кокса на внутренней поверхности труб змеевиков печи и к необходимости их периодической очистки. Если нагретая среда после трубчатой печи направляется в каталитический реактор, то твердые частицы кокса отлагаются на активной поверхности катализатора и довольно быстро снижают его активность, вызывая необходимость его замены или регенерации. Локальный перегрев отдельных участков поверхности теплообменных труб связан с тем, что при нагреве радиацией основное количество теплоты при более высокой температуре передается только облучаемой поверхности труб, а теневая сторона при этом нагревается до более низких температур излучением от футеровки печи. Локальный перегрев нагреваемой среды при теплообмене конвекцией связан также с неравномерностью распределения потока теплоносителя по наружной поверхности труб. В камере конвекции противоток теплообменных сред также не достаточно организован, что вызывает необходимость поддерживать высокую разность температур между нагреваемой средой и теплоносителем. Иногда этот перепад температур достигает сотни градусов, что также приводит к местным перегревам нагреваемой среды и, как следствие, к частотному термическому ее разложению.The disadvantage of traditionally used tubular fire heating furnaces is the inability to ensure a uniform supply of heat, both by radiation and convection, to the heat exchange surface of the pipes, taking into account their location in the furnace, while eliminating the possibility of local overheating of individual sections of pipes and the heated medium. It is also impossible to ensure uniform distribution of the heated medium over multiple flows of heated coils. The process of heat transfer from the coolant - fuel combustion products - to the outer surface of the walls of the heat exchange pipes of the furnace is not well organized. Due to the uneven supply of heat to different areas of the heat transfer surface of the pipes, the medium passing through the pipes is also unevenly heated. In some areas of the heat exchange surface, part of the heated medium is overheated to temperatures not only above the required, but also above the permissible, and in some areas it is underheated. After mixing the flows at the outlet of the furnace, the heated medium has an average required temperature. Even short-term local overheating of the heated hydrocarbon medium leads to its partial thermal decomposition and the formation of a wide variety of transformation products, including the formation of very undesirable particles of coke, resinous substances, etc., which leads to the deposition of coke on the inner surface of the furnace coil pipes and to the need for their periodic cleaning. If the heated medium after the tube furnace is sent to the catalytic reactor, then solid coke particles are deposited on the active surface of the catalyst and quite quickly reduce its activity, necessitating its replacement or regeneration. Local overheating of individual areas of the surface of heat exchange pipes is due to the fact that when heated by radiation, the main amount of heat at a higher temperature is transferred only to the irradiated surface of the pipes, while the shadow side is heated to lower temperatures by radiation from the furnace lining. Local overheating of the heated medium during heat exchange by convection is also associated with the uneven distribution of the coolant flow over the outer surface of the pipes. In the convection chamber, the counterflow of heat exchange media is also not sufficiently organized, which makes it necessary to maintain a high temperature difference between the heated medium and the coolant. Sometimes this temperature difference reaches hundreds of degrees, which also leads to local overheating of the heated medium and, as a consequence, to its frequent thermal decomposition.

Другим недостатком традиционно применяемых трубчатых печей огневого нагрева является высокий расход топлива в основном за счет потерь теплоты с большим объемом отходящих дымовых газов. Чем больше объем и выше температура отходящих газов, тем больше теряется теплоты. При сжигании топлива на факельных горелках в трубчатой печи обычно коэффициент избытка воздуха поддерживается в пределах 1,2-1,3, что увеличивает объем отходящего газа и потери теплоты. При этом температура отходящих дымовых газов значительно превышает 120-150°С и достигает 300°С и выше.Another disadvantage of traditionally used tubular fire heating furnaces is the high fuel consumption, mainly due to heat losses with a large volume of exhaust flue gases. The larger the volume and the higher the temperature of the exhaust gases, the more heat is lost. When burning fuel on flare burners in a tube furnace, the excess air ratio is usually maintained within 1.2-1.3, which increases the volume of exhaust gas and heat loss. In this case, the temperature of the exhaust flue gases significantly exceeds 120-150°C and reaches 300°C and above.

К недостаткам традиционно применяемых трубчатых печей огневого нагрева также следует отнести значительный выброс в окружающую среду вредных веществ с отходящими дымовыми газами. При сжигании топлива на применяемых горелках температура в факеле достигает 1600-1900°С, то есть всегда превышает 1200°, выше которой начинается интенсивное образование вредных веществ СО и NO_x. При этом чем выше адиабатическая температура горения топлива, тем больше содержание СО и NO_x в отходящих дымовых газах.The disadvantages of traditionally used tubular fire heating furnaces also include significant emissions of harmful substances into the environment with exhaust flue gases. When burning fuel on the burners used, the temperature in the torch reaches 1600-1900°C, that is, it always exceeds 1200°, above which the intensive formation of harmful substances CO and NO _x begins. Moreover, the higher the adiabatic combustion temperature of the fuel, the higher the content of CO and NO _x in the exhaust flue gases.

Трубчатые печи огневого нагрева, как правило, громоздки, металлоемки, занимают большие площади для их размещения и требуют постоянного обслуживания при их эксплуатации.Tubular fire heating furnaces, as a rule, are bulky, metal-intensive, occupy large areas for their placement and require constant maintenance during their operation.

Наиболее близким аналогом по технической сущности изобретения и достигаемому эффекту является «Установка для сжигания топлива и нагрева технологических сред» по патенту RU №2444678 от 14.03.2011 г., содержащая горелку, нагреватель продукта дымовыми газами, вентилятор, воздухоподогреватель, дымосос, дымовую трубу и линии подвода и отвода рабочих сред. При этом нагреватель среды и воздухоподогреватель последовательно соединены по поступающему из горелки потоку дымовых газов и выполнены в виде вертикальных цилиндрических теплообменных аппаратов, в каждом из которых установлен, по крайней мере, один теплообменный блок радиально-спирального типа. Патрубок отвода дымовых газов из воздухоподогревателя присоединен к всасывающему патрубку дымососа, напорная линия дымососа разделена на два потока, причем один поток дымовых газов соединен с дымовой трубой, а второй поток дымовых газов подсоединен к воздушной линии перед вентилятором.The closest analogue in terms of the technical essence of the invention and the achieved effect is the “Installation for burning fuel and heating process media” according to patent RU No. 2444678 dated March 14, 2011, containing a burner, a product heater with flue gases, a fan, an air heater, a smoke exhauster, a chimney and lines for supplying and discharging working media. In this case, the medium heater and the air heater are connected in series along the flue gas flow coming from the burner and are made in the form of vertical cylindrical heat exchangers, in each of which at least one radial-spiral type heat exchange unit is installed. The flue gas exhaust pipe from the air heater is connected to the suction pipe of the smoke exhauster, the pressure line of the smoke exhauster is divided into two streams, with one flue gas stream connected to the chimney, and the second flue gas stream connected to the air line in front of the fan.

Наряду с рядом преимуществ в указанном патенте по сравнению с традиционно применяемыми подогревателями огневого нагрева, имеется ряд недостатков по техническим решениям для его использования в качестве нагревателя, испарения и химического превращения нефти и продуктов ее переработки:Along with a number of advantages in this patent compared to traditionally used fire heaters, there are a number of disadvantages regarding technical solutions for its use as a heater, evaporation and chemical transformation of oil and its refined products:

- множество аппаратов, соединенных между собой технологическими линиями (трубопроводами) приводит к громоздкости установки и необходимости большой площади для ее размещения;- a multitude of devices connected to each other by technological lines (pipelines) leads to the bulkiness of the installation and the need for a large area for its placement;

- высокотемпературные линии от подогревателя воздуха до горелки и газоход дымовых газов от горелки до нагревателя продукта требуют изготовления из дорогостоящих жаростойких сталей и обязательной теплоизоляции;- high-temperature lines from the air heater to the burner and the flue gas duct from the burner to the product heater require manufacturing from expensive heat-resistant steels and mandatory thermal insulation;

- все технологические линии между аппаратами вызывают потерю теплоты и создают дополнительное гидравлическое сопротивление по тракту потоков, приводящее к дополнительным затратам энергии;- all technological lines between the devices cause heat loss and create additional hydraulic resistance along the flow path, leading to additional energy costs;

- конструкция традиционно применяемых теплообменных аппаратов радиально-спирального типа имеет одинаковые по ширине щелевые каналы для прохода теплообменных сред, а при нагреве нефти газообразным теплоносителем реальный объем теплоносителя во много раз превышает объем нагреваемой жидкой среды. Это обстоятельство приводит к необходимости обеспечить высокую скорость теплоносителя, и как следствие, к повышенному гидравлическому сопротивлению щелевых каналов со стороны теплоносителя и одновременно к недопустимо низкой скорости жидкой нагреваемой среды по щелевым каналам нагреваемой среды. При этом лимитирующим фактором для теплообмена, как правило, всегда является низкий коэффициент теплоотдачи от газового теплоносителя к теплообменной поверхности. Это также приводит к необходимости увеличения теплообменной поверхности и, как следствие, к большим массогабаритным характеристикам аппарата;- the design of traditionally used heat exchangers of the radial-spiral type has slot channels of equal width for the passage of heat exchange media, and when oil is heated with a gaseous coolant, the actual volume of the coolant is many times greater than the volume of the heated liquid medium. This circumstance leads to the need to ensure a high speed of the coolant, and as a consequence, to increased hydraulic resistance of the slot channels on the coolant side and at the same time to an unacceptably low speed of the liquid heated medium through the slot channels of the heated medium. In this case, the limiting factor for heat exchange, as a rule, is always the low heat transfer coefficient from the gas coolant to the heat exchange surface. This also leads to the need to increase the heat transfer surface and, as a consequence, to greater weight and size characteristics of the apparatus;

- множество применяемых аппаратов с соединяющими их трубопроводами приведет к застойным зонам по тракту теплообменных сред обеих потоков и к необходимости периодической очистки трубопроводов, патрубков и др., что также приведет к необходимости постоянного обслуживания.- a variety of devices used with pipelines connecting them will lead to stagnant zones along the path of heat exchange media of both flows and to the need for periodic cleaning of pipelines, pipes, etc., which will also lead to the need for constant maintenance.

Задачей настоящего изобретения является сократить количество аппаратов и соединяющих их трубопроводов, а также снизить массогабаритные характеристики оборудования для нагрева нефти и продуктов ее переработки.The objective of the present invention is to reduce the number of devices and pipelines connecting them, as well as to reduce the weight and size characteristics of equipment for heating oil and its refined products.

Задачей настоящего изобретения также является повышение эффективности теплопередачи от газообразного теплоносителя к жидкой нагреваемой среде и, как следствие, снижение требуемой теплообменной поверхности.The objective of the present invention is also to increase the efficiency of heat transfer from a gaseous coolant to a liquid heated medium and, as a consequence, to reduce the required heat transfer surface.

Задачей настоящего изобретения также является сократить потребление топлива при нагреве нефти и продуктов ее переработки.The objective of the present invention is also to reduce fuel consumption when heating oil and its products.

Задачей настоящего изобретения также является минимизировать обслуживание аппарата для нагрева нефти и продуктов ее переработки.The objective of the present invention is also to minimize the maintenance of the apparatus for heating oil and its refined products.

Задачей настоящего изобретения является исключить локальные перегревы отдельных участков теплообменных поверхностей, стабилизировать и снизить температуру теплоносителя и, как следствие, минимизировать или полностью исключить термическое разложение нагреваемой среды при нагреве нефти и продуктов ее переработки.The objective of the present invention is to eliminate local overheating of individual sections of heat exchange surfaces, stabilize and reduce the temperature of the coolant and, as a result, minimize or completely eliminate the thermal decomposition of the heated medium when heating oil and its refined products.

Задачей настоящего изобретения также является сократить выброс вредных веществ в окружающую среду с отходящими дымовыми газами, образующимися при сжигании топлива.The objective of the present invention is also to reduce the release of harmful substances into the environment through flue gases generated during fuel combustion.

Для решения поставленных задач предлагается аппарат для нагрева нефти и продуктов ее переработки характеризующийся тем, что процесс передачи теплоты от теплоносителя к нагреваемой среде проводится в теплообменном аппарате радиально-спирального типа по патентам RU №2075020 и RU №2348882, а в качестве теплоносителя используются дымовые газы, полученные сжиганием газообразного или жидкого топлива на беспламенной горелке при адиабатической температуре горения не выше 1200°С, при этом в качестве окислителя, подаваемого на горелку, используется воздух, разбавленный отходящими дымовыми газами, а поддержание заданной адиабатической температуры горения осуществляется посредством регулирования содержания кислорода в окислителе путем изменения степени разбавления воздуха дымовыми газами. При этом, чем ниже содержание кислорода в окислителе, тем ниже адиабатическая температура горения топлива, а, следовательно, и температура теплоносителя. Возможность регулирования температуры теплоносителя в узком диапазоне обеспечивает повышение надежности аппарата при эксплуатации.To solve the problems, we propose an apparatus for heating oil and its refined products, characterized by the fact that the process of heat transfer from the coolant to the heated medium is carried out in a radial-spiral type heat exchanger according to patents RU No. 2075020 and RU No. 2348882, and flue gases are used as the coolant , obtained by burning gaseous or liquid fuel on a flameless burner at an adiabatic combustion temperature not higher than 1200°C, while air diluted with exhaust flue gases is used as an oxidizer supplied to the burner, and maintaining a given adiabatic combustion temperature is carried out by regulating the oxygen content in oxidizer by changing the degree of dilution of air with flue gases. Moreover, the lower the oxygen content in the oxidizer, the lower the adiabatic combustion temperature of the fuel, and, consequently, the temperature of the coolant. The ability to regulate the coolant temperature in a narrow range increases the reliability of the device during operation.

Применение теплообменного аппарата радиально-спирального типа для нагрева нефти и продуктов ее переработки обеспечивает равномерное распределение потоков теплообменных сред по теплообменной поверхности, исключает застойные зоны и отложения на теплообменной поверхности твердых частиц, смол и др., что исключает необходимость периодической очистки теплообменной поверхности и обслуживания аппарата при эксплуатации. Кроме того исключаются местные перегревы нагреваемой среды на отдельных участках теплообменной поверхности. Это обстоятельство также позволяет снизить температуру теплоносителя и разность температур теплоносителя и нагреваемой среды, что позволяет минимизировать или полностью исключить термическое разложение нагреваемой среды при нагреве нефти и продуктов ее переработки. Применение теплообменного аппарата радиально-спирального типа для передачи теплоты от теплоносителя к нагреваемой среде позволяет также сократить потребление топлива за счет сокращения потерь теплоты, снизить массогабаритные характеристики аппарата для нагрева нефти и продуктов ее переработки. Количество последовательно устанавливаемых теплообменных блоков нагревателя нефти и подогревателя воздуха смешанного с дымовым газом определяется необходимой теплообменной поверхностью для обеспечения нагрева нагреваемых сред до требуемой температуры.The use of a radial-spiral type heat exchanger for heating oil and its refined products ensures a uniform distribution of heat transfer fluid flows over the heat transfer surface, eliminates stagnant zones and deposits of solid particles, resins, etc. on the heat transfer surface, which eliminates the need for periodic cleaning of the heat transfer surface and maintenance of the device during operation. In addition, local overheating of the heated medium in certain areas of the heat exchange surface is eliminated. This circumstance also makes it possible to reduce the temperature of the coolant and the temperature difference between the coolant and the heated medium, which makes it possible to minimize or completely eliminate the thermal decomposition of the heated medium when heating oil and its refined products. The use of a radial-spiral type heat exchanger to transfer heat from the coolant to the heated medium also makes it possible to reduce fuel consumption by reducing heat losses and reduce the weight and size characteristics of the apparatus for heating oil and its refined products. The number of sequentially installed heat exchange blocks of an oil heater and an air heater mixed with flue gas is determined by the required heat exchange surface to ensure heating of the heated media to the required temperature.

Для получения теплоносителя требуемой температуры, предлагается сжигать топливо на беспламенной горелке по патенту RU №2335699 с применением способа сжигания топлива по патенту RU №2347977. Применение беспламенной горелки с сочетанием со способом сжигания топлива с поддержанием заданной адиабатической температуры горения позволяет практически полностью сжигать топливо без его недожога, при этом содержание кислорода в окислителе количественно поддерживается на уровне, близком к стехиометрическому. То есть коэффициент избытка воздуха принимается близким к 1-1,05. Адиабатическая температура горения топлива определяет температуру дымовых газов (теплоносителя), подаваемых в теплообменный аппарат для передачи теплоты к нагреваемой среде, при этом не требуется понижение температуры теплоносителя путем его разбавления воздухом. Горение топлива при адиабатической температуре не выше 1200°С практически полностью исключает образование вредных веществ СО и NO_x. Таким образом, исключается выброс вредных веществ в окружающую среду с отходящими дымовыми газами. Очень важно, что дымовой газ после беспламенной горелки имеет одинаковую температуру по всему объему. После передачи теплоты нагреваемой среде в нагревателе, дымовой газ поступает в рекуперативный теплообменный аппарат радиально-спирального типа, где отдает теплоту воздуху, смешанному с дымовым газом, охлаждаясь при этом до температуры 120-140°С и далее выбрасывается в атмосферу.To obtain the coolant at the required temperature, it is proposed to burn fuel on a flameless burner according to RU patent No. 2335699 using the fuel combustion method according to RU patent No. 2347977. The use of a flameless burner in combination with a method of burning fuel while maintaining a given adiabatic combustion temperature makes it possible to almost completely burn the fuel without underburning it, while the oxygen content in the oxidizer is quantitatively maintained at a level close to stoichiometric. That is, the excess air coefficient is taken to be close to 1-1.05. The adiabatic combustion temperature of the fuel determines the temperature of the flue gases (coolant) supplied to the heat exchanger to transfer heat to the heated medium, without the need to lower the temperature of the coolant by diluting it with air. Combustion of fuel at an adiabatic temperature of no higher than 1200°C almost completely eliminates the formation of harmful substances CO and _NOx . Thus, the release of harmful substances into the environment with exhaust flue gases is eliminated. It is very important that the flue gas after the flameless burner has the same temperature throughout the entire volume. After transferring heat to the heated medium in the heater, the flue gas enters a recuperative heat exchanger of the radial-spiral type, where it transfers heat to the air mixed with the flue gas, cooling to a temperature of 120-140°C and then being released into the atmosphere.

Предлагаемые технические решения повышают степень полезного использования теплоты, полученной при сжигании топлива, минимизируют или полностью исключают обслуживание аппарата за счет исключения необходимости периодической очистки теплообменных поверхностей от отложений кокса и др.The proposed technical solutions increase the degree of useful use of heat obtained from fuel combustion, minimize or completely eliminate the maintenance of the apparatus by eliminating the need for periodic cleaning of heat exchange surfaces from coke deposits, etc.

Аппарат для нагрева нефти и продуктов ее переработки представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с верхним и нижним днищами. Внутри корпуса вдоль продольной оси аппарата последовательно сверху вниз установлены беспламенная горелка, нагреватель нефти и подогреватель воздуха смешанного с дымовыми газами. Верхняя кольцеобразная камера беспламенной горелки сообщается с патрубком входа топлива в горелку, а нижняя кольцеобразная камера сообщается с внутренней полостью верхнего теплообменного блока нагревателя нефти и продуктов ее переработки для прохода теплоносителя аксиально сверху вниз по внутренним щелевым каналам теплообменных блоков нагревателя нефти. Внутренняя полость нижнего теплообменного блока нагревателя нефти сообщается с кольцеобразной камерой, примыкающей к нижнему торцу этого блока, а также сообщается с внутренней полостью верхнего теплообменного блока подогревателя воздуха смешанного с дымовыми газами и примыкает к нему. Внутренняя полость нижнего теплообменного блока подогревателя воздуха смешанного с дымовыми газами сообщается с установленной ниже кольцеобразной камерой и примыкает к ней, которая также сообщается с патрубком выхода дымового газа из аппарата. При этом все внутренние щелевые канаты всех теплообменных блоков подогревателя воздуха смешанного с дымовым газом для прохода теплоносителя в аксиальном направлении, а также наружные щелевые каналы для прохода нагреваемого воздуха смешанного с дымовым газом в радиально-спиральном направлении имеют одинаковую ширину. А ширина наружных щелевых каналов теплообменных блоков нагревателя нефти для прохода нагреваемой среды в радиально-спиральном направлении значительно меньше ширины внутренних щелевых каналов для прохода теплоносителя в аксиальном направлении и определяется в зависимости от расхода нагреваемой среды. В нижней части аппарата размещена цилиндрическая камера воздуха, смешанного с дымовым газом, которая сообщается с патрубком входа воздуха смешанного с дымовым газом в аппарат и с наружной полостью нижнего теплообменного блока подогревателя воздуха, посредством коаксиально установленной цилиндрической обечайки ограниченной горизонтальной перегородкой. Наружные полости смежных теплообменных блоков подогревателя воздуха смешанного с дымовым газом объединены наружной кольцеобразной камерой ограниченной горизонтальными кольцеобразными перегородками. А наружные полости смежных теплообменных блоков нагревателя нефти объединены наружными и внутренними кольцеобразными камерами, ограниченными горизонтальными кольцеобразными перегородками.The apparatus for heating oil and its refined products is a vertical cylindrical body with an upper and lower bottom. Inside the housing, along the longitudinal axis of the apparatus, a flameless burner, an oil heater and an air heater mixed with flue gases are installed sequentially from top to bottom. The upper annular chamber of the flameless burner communicates with the fuel inlet pipe into the burner, and the lower annular chamber communicates with the internal cavity of the upper heat exchange block of the oil heater and its products for the coolant to pass axially from top to bottom through the internal slotted channels of the heat exchange blocks of the oil heater. The internal cavity of the lower heat exchange block of the oil heater communicates with the annular chamber adjacent to the lower end of this block, and also communicates with the internal cavity of the upper heat exchange block of the air heater mixed with flue gases and is adjacent to it. The internal cavity of the lower heat exchange block of the air heater mixed with flue gases communicates with and is adjacent to the annular chamber installed below, which also communicates with the flue gas outlet pipe from the apparatus. In this case, all internal slotted cables of all heat exchange blocks of the air heater mixed with flue gas for the passage of coolant in the axial direction, as well as external slotted channels for the passage of heated air mixed with flue gas in the radial-spiral direction, have the same width. And the width of the external slot channels of the heat exchange blocks of the oil heater for the passage of the heated medium in the radial-spiral direction is significantly less than the width of the internal slot channels for the passage of the coolant in the axial direction and is determined depending on the flow rate of the heated medium. In the lower part of the apparatus there is a cylindrical chamber of air mixed with flue gas, which communicates with the inlet pipe of air mixed with flue gas into the apparatus and with the outer cavity of the lower heat exchange unit of the air heater, through a coaxially installed cylindrical shell limited by a horizontal partition. The external cavities of the adjacent heat exchange blocks of the air heater mixed with flue gas are united by an outer annular chamber limited by horizontal annular partitions. And the external cavities of the adjacent heat exchange blocks of the oil heater are united by external and internal annular chambers delimited by horizontal annular partitions.

Аппарат для нагрева нефти и продуктов ее переработки работает следующим образом.An apparatus for heating oil and its refined products operates as follows.

Топливо в беспламенную горелку поступает через патрубок входа топлива в кольцеобразную камеру, расположенную в верхней части аппарата над горелкой и далее направляется в горелку. Воздух, смешанный с частью дымового газа, через патрубок входа воздуха, смешанного с дымовым газом, поступает в цилиндрическую камеру, расположенную в нижней части аппарата, а из нее по внутренней цилиндрической полости, установленной коаксиально вдоль оси аппарата, поднимается вверх и поступает в наружные щелевые каналы нижнего теплообменного блока подогревателя воздуха. Далее воздух, смешанный с частью дымового газа, проходит наружные щелевые каналы в радиально-спиральном направлении нижнего теплообменного блока, по наружной кольцевой камере поднимается вверх и поступает в наружные щелевые каналы следующего теплообменного блока. Из верхнего теплообменного блока подогревателя воздуха нагретый воздух, смешанный с частью дымового газа, по цилиндрическому пространству вдоль вертикальной оси аппарата поднимается вверх и поступает в беспламенную горелку. Количество теплообменных блоков подогревателя воздуха устанавливается расчетом для обеспечения требуемой степени утилизации теплоты теплоносителя до выброса его в атмосферу.Fuel enters the flameless burner through the fuel inlet pipe into the annular chamber located in the upper part of the apparatus above the burner and is then directed into the burner. Air mixed with part of the flue gas, through the inlet pipe of air mixed with flue gas, enters a cylindrical chamber located in the lower part of the apparatus, and from it, through an internal cylindrical cavity installed coaxially along the axis of the apparatus, rises upward and enters the external slots channels of the lower heat exchange block of the air heater. Next, the air mixed with part of the flue gas passes through the outer slot channels in the radial-spiral direction of the lower heat exchange block, rises up through the outer annular chamber and enters the outer slot channels of the next heat exchange block. From the upper heat exchange block of the air heater, the heated air, mixed with part of the flue gas, rises upward through a cylindrical space along the vertical axis of the apparatus and enters the flameless burner. The number of heat exchange units of the air heater is established by calculation to ensure the required degree of heat recovery from the coolant before it is released into the atmosphere.

Теплоноситель, с заданной температурой на выходе из беспламенной горелки, последовательно проходит аксиально с верху вниз по внутренним щелевым каналам всех теплообменных блоков нагревателя нефти и подогревателя воздуха и, отдав теплоту, охлаждается до температуры не более 140°С, поступает в кольцеобразную камеру теплоносителя и далее из нее через патрубок выхода выводится из аппарата.The coolant, with a given temperature at the exit from the flameless burner, sequentially passes axially from top to bottom through the internal slotted channels of all heat exchange blocks of the oil heater and air heater and, having given up heat, is cooled to a temperature of no more than 140 ° C, enters the annular coolant chamber and then from it through the outlet pipe it is removed from the device.

Нагреваемая среда - нефть или продукты ее переработки, поступает в нагреватель через патрубок входа нагреваемой среды, далее, посредством наружных и внутренней кольцеобразных камер проходит последовательно теплообменные блоки снизу вверх по наружным спиралеобразным щелевым каналам и через патрубок выхода нагреваемой среды выводится из аппарата.The heated medium - oil or products of its processing - enters the heater through the inlet pipe of the heated medium, then, through the outer and inner annular chambers, it passes sequentially through the heat exchange blocks from bottom to top along the outer spiral-shaped slot channels and through the outlet pipe of the heated medium is removed from the apparatus.

По тракту теплоносителя аппарат может работать как при давлении больше атмосферного, так и при давлении ниже атмосферного.Along the coolant path, the device can operate both at pressure above atmospheric and at pressure below atmospheric.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами на фиг. 1-4, на которых схематично изображены:In the following, the invention is illustrated by a specific example of its implementation and the accompanying drawings in Fig. 1-4, which schematically depict:

на фиг. 1 - Продольный разрез аппарата для нагрева нефти с размещенными в нем беспламенной горелкой, нагревателем нефти и подогревателем воздуха, смешанного с дымовым газом, для работы по тракту теплоносителя при давлении больше атмосферного.in fig. 1 - Longitudinal section of an apparatus for heating oil with a flameless burner, an oil heater and an air heater mixed with flue gas placed in it, for operation along the coolant path at a pressure greater than atmospheric.

на фиг. 2 - Поперечное сечение аппарата в месте установки теплообменного блока нагревателя нефти (сечение А-А).in fig. 2 - Cross section of the apparatus at the installation site of the heat exchange unit of the oil heater (section AA).

на фиг. 3 - Поперечное сечение аппарата в месте установки теплообменного блока подогревателя воздуха, смешанного с дымовым газом (сечение Б-Б).in fig. 3 - Cross section of the apparatus at the installation site of the heat exchange unit of the air heater mixed with flue gas (section B-B).

на фиг. 4 - Продольный разрез аппарата для нагрева нефти с размещенными в нем беспламенной горелки, нагревателем нефти и подогревателем воздуха смешанного с дымовым газом для работы по тракту теплоносителя при давлении меньше атмосферного.in fig. 4 - Longitudinal section of an apparatus for heating oil with a flameless burner placed in it, an oil heater and an air heater mixed with flue gas for operation along the coolant path at a pressure less than atmospheric.

Аппарат для нагрева нефти и продуктов ее переработки представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 1 с верхним 2 и нижним 3 днищами. Вдоль продольной оси аппарата последовательно сверху вниз установлены один за другим беспламенная горелка 4, нагреватель нефти 5 и подогреватель воздуха, смешанного с дымовыми газами 6. Топливо в беспламенную горелку поступает по линии 7 через патрубок 8, а воздух поступает по линии 9 смешивается с частью дымового газа по линии 10, выходящего по линии 11 из патрубка 12 аппарата для нагрева нефти. Остальная часть дымового газа по линии 13 сбрасывается в атмосферу. Воздух, смешанный с дымовым газом вентилятором 14 по линии 15 через патрубок 16 подается в нижнюю цилиндрическую полость 17 аппарата нагрева нефти, далее поднимается по внутренней цилиндрической трубе 18 до перегородки 19 и поступает в наружные спиралеобразные щелевые каналы 20 теплообменного блока 21, проходит кольцеобразную полость 22 и поступает в наружные спиралеобразные щелевые каналы 20 следующего по ходу теплообменного блока 23. Пройдя наружные щелевые каналы 20 воздух, смешанный с дымовым газом, поднимается по внутренней цилиндрической полости аппарата 24 и поступает в беспламенную горелку 4. В беспламенной горелке 4 топливо окисляется воздухом, смешанным с дымовым газом при требуемой (заданной) адиабатической температуре горения и образующиеся продукты сгорания (теплоноситель) проходят кольцеобразную камеру 25 и поступают во внутренние щелевые каналы 26 верхнего теплообменного блока нагревателя нефти 27. Далее теплоноситель аксиально проходит, отдавая теплоту, сверху вниз через внутренние щелевые каналы 26 теплообменный блок 28 нагревателя нефти 5 и через кольцеобразную камеру 29 поступает в теплообменные блоки 23 и 21 подогревателя воздуха смешанного с дымовыми газами 6 и поступает в кольцеобразную камеру 30, откуда через патрубок 12 выводится из аппарата. Нагреваемая среда поступает в нагреватель нефти 5 по линии 31 через патрубок 32 и поступает в нижнюю наружную кольцеобразную камеру 33, а из нее в наружные щелевые канаты 34 нижнего теплообменного блока 28 нагревателя нефти 5. Далее нагреваемая среда проходит последовательно внутреннюю кольцеобразную камеру 35, наружные щелевые каналы 34 верхнего теплообменного блока 27, верхнюю наружную кольцеобразную камеру 36, а из нее через патрубок 37 по линии 38 выводится из аппарата.The apparatus for heating oil and its refined products is a vertical cylindrical body 1 with an upper 2 and lower 3 bottoms. Along the longitudinal axis of the apparatus, a flameless burner 4, an oil heater 5 and an air heater mixed with flue gases 6 are installed one after the other from top to bottom. The fuel enters the flameless burner through line 7 through pipe 8, and the air enters through line 9 and is mixed with part of the flue gas. gas through line 10, exiting through line 11 from pipe 12 of the apparatus for heating oil. The rest of the flue gas is discharged into the atmosphere through line 13. Air mixed with flue gas by fan 14 along line 15 through pipe 16 is supplied to the lower cylindrical cavity 17 of the oil heating apparatus, then rises through the inner cylindrical pipe 18 to the partition 19 and enters the outer spiral-shaped slot channels 20 of the heat exchange unit 21, passes the annular cavity 22 and enters the outer spiral-shaped slot channels 20 of the next heat exchange block 23. Having passed the outer slot channels 20, the air mixed with the flue gas rises through the internal cylindrical cavity of the apparatus 24 and enters the flameless burner 4. In the flameless burner 4, the fuel is oxidized by the air mixed with flue gas at the required (preset) adiabatic combustion temperature and the resulting combustion products (coolant) pass through the annular chamber 25 and enter the internal slotted channels 26 of the upper heat exchange block of the oil heater 27. Next, the coolant passes axially, giving off heat, from top to bottom through the internal slotted channels 26, the heat exchange block 28 of the oil heater 5 and through the annular chamber 29 enters the heat exchange blocks 23 and 21 of the air heater mixed with flue gases 6 and enters the annular chamber 30, from where it is discharged from the apparatus through pipe 12. The heated medium enters the oil heater 5 through line 31 through the pipe 32 and enters the lower outer annular chamber 33, and from it into the outer slotted ropes 34 of the lower heat exchange block 28 of the oil heater 5. Next, the heated medium passes sequentially through the inner annular chamber 35, outer slotted channels 34 of the upper heat exchange block 27, the upper outer annular chamber 36, and from it through the pipe 37 along line 38 it is removed from the apparatus.

При работе аппарата по тракту теплоносителя при давлении меньше атмосферного (см. фиг. 4) дымовой газ выводится из аппарата через патрубок 39 и по линии 40 поступает на всас дымососа 41. Из дымососа 41 дымовой газ по линии 42 выбрасывается в атмосферу. При этом из линии 42 часть дымового газа отбирается по линии 43 и смешивается с воздухом, поступающим в аппарат по линии 44. Воздух, смешанный с дымовым газом по линии 45 через патрубок 46 подается в нижнюю цилиндрическую полость 17 аппарата нагрева нефти. Далее тракт воздуха смешанного с дымовым газом и тракт дымового газа аналогичен как на фиг. 1.When the apparatus operates along the coolant path at a pressure less than atmospheric (see Fig. 4), the flue gas is removed from the apparatus through pipe 39 and through line 40 enters the suction of the smoke exhauster 41. From the smoke exhauster 41, the flue gas is released into the atmosphere through line 42. In this case, part of the flue gas is taken from line 42 via line 43 and mixed with air entering the apparatus via line 44. The air mixed with the flue gas via line 45 through pipe 46 is supplied to the lower cylindrical cavity 17 of the oil heating apparatus. Next, the air path mixed with flue gas and the flue gas path are similar to those in Fig. 1.

Claims

1. An apparatus for heating oil and its products, characterized by the fact that inside a vertical cylindrical body with upper and lower bottoms, with pipes for supplying and discharging the heated medium, fuel and air mixed with flue gas, exhausting flue gas from the apparatus, along the longitudinal a flameless burner, an oil heater and an air heater mixed with flue gas are installed sequentially on the axis of the apparatus from top to bottom, wherein the heat exchange surface of the air heater mixed with flue gas and the oil heater is formed from heat exchange blocks, and the heat exchange surface of each heat exchange block is formed from heat exchange elements, representing smooth or corrugated spiral walls welded in pairs along the contour, forming internal spiral-shaped slot channels for the passage of coolant in the axial direction from top to bottom along the vertical axis of the apparatus; spiral-shaped heat exchange elements are installed in heat exchange blocks, tightly adjacent to each other, forming external spiral-shaped slot channels for the passage of the heated medium in the radial-spiral direction, and in the heater of air mixed with flue gas, the width of the slot channels for the passage of coolant and air mixed with flue gas is the same, and in an oil heater the width of the slot channels for the passage of the heated medium in the radial-spiral direction is always less than the width of the slot channels for the passage of the coolant in the axial direction.

2. An apparatus for heating oil and its refined products according to claim 1, characterized in that the apparatus for producing the coolant uses a flameless burner on which gaseous or liquid fuel is burned, and air with a reduced oxygen content is supplied to the burner as an oxidizer. due to its dilution with exhaust flue gas.

3. An apparatus for heating oil and its refined products according to claim 1, characterized in that fuel combustion on a flameless burner is carried out at an adiabatic combustion temperature of no higher than 1200°C.

4. An apparatus for heating oil and its refined products according to claim 1, characterized in that the specified adiabatic combustion temperature is maintained by regulating the oxygen content in the oxidizer by changing the degree of air dilution with flue gases.

5. An apparatus for heating oil and its refined products according to claim 1, characterized in that the heat transfer from the coolant to the heated medium is carried out in a radial-spiral type heat exchanger.

6. An apparatus for heating oil and its refined products according to claim 1, characterized in that the pressure along the heated medium path is determined by the requirements of the technological process, and the pressure along the coolant path can be taken either above atmospheric or below atmospheric.