Кожухотрубный испаритель — аппарат, в котором жидкость превращается в пар за счёт тепла другой среды: водяного пара, горячей жидкости или газа. ГОСТ 31842-2012 (п. 4.2) называет испарители в нескольких типах: с неподвижными трубными решётками (Н) — испарители и термосифонные испарители; с компенсатором на кожухе (К) и с плавающей головкой (П) — термосифонные испарители; отдельно — испарители с паровым пространством ИП и ИУ.
Ребойлер — тот же испаритель, только работает он в паре с колонной. Ниже — чем различаются типы, какие пределы давления и температуры у каждого по техническим условиям, как выбрать тип под задачу и как это выглядит на ребойлере амина по заказу 2025 года.
Для чего нужен испаритель и что такое ребойлер
Испаритель нужен, когда процессу требуется продукт в виде пара. ТУ 3612-005-00220302-98 формулируют назначение термосифонных испарителей прямо: испарение сред в технологических процессах нефтяной, химической, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности. Головные ТУ 3612-001-85873787-2020 включают испарение и сжижение сред в назначение всех кожухотрубчатых аппаратов.
Ребойлером называют испаритель при колонне: он забирает жидкость из её нижней части, частично испаряет и возвращает пар обратно. В ребойлере амина кипит раствор амина, насыщенный сероводородом, а греет его водяной пар в трубах. Ребойлером называют и аппарат, где кипит вода: ребойлер-парогенератор получает водяной пар за счёт горячего масла.
По устройству ребойлер — кожухотрубный испаритель, и тип для него выбирают по тем же правилам.
Как устроен испаритель: с паровым пространством и без него
Вертикальные испарители ИН и ИК (ТУ 3612-024-00220302-02) устроены как теплообменник: кожух с трубными решётками и теплообменными трубами, распределительная камера, перегородки и подвижная опора. У ИК на кожухе стоит компенсатор — он воспринимает разницу удлинений кожуха и труб. Ход по трубам один.
Термосифонные испарители ИНТ, ИКТ и ИПТ (ТУ 3612-005-00220302-98) обходятся без насоса: жидкость идёт через аппарат потому, что парожидкостная смесь легче жидкости в подводящей линии. На аппарате — штуцеры входа продукта и выхода его паров; в исполнении 2 греющий пар входит через свой штуцер, а конденсат выводится отдельно.
Испарители с паровым пространством ИП и ИУ (ТУ 3612-013-00220302-99) — горизонтальные. Над трубным пучком в корпусе остаётся объём, где пар отделяется от жидкости. Отсюда то, чего нет у теплообменника: штуцеры регулятора уровня Ду40 и указателя уровня Ду50, предохранительного клапана Ду80, люк Ду500, отдельные выходы паров и остатка продукта.
ГОСТ 31842-2012 учитывает эту разницу. Максимальное расстояние между поперечными перегородками у испарителей с паровым пространством — 1200 мм (п. 5.1.9, примечание к таблице 3), а предельное отклонение внутреннего диаметра их кожуха — по более широкому полю H16 вместо H14 (п. 7.6.6).
Какие бывают испарители: типы и их пределы
Буквы в шифре читаются одинаково: И — испаритель, Н — неподвижные трубные решётки, К — компенсатор на кожухе, П — плавающая головка, У — U-образные трубы. Третья буква Т означает термосифонный. Пределы по давлению и температуре у типов разные — их сводит таблица.
Две детали, которые меняют выбор. У ИН и ИК условное давление в трубах ограничено 1,0 МПа, тогда как кожух ИН допускает до 4,0 МПа. А диапазон температур в таблице — объединение по всем материальным исполнениям: конкретная сталь даёт свой, более узкий предел.
| Тип | Устройство | Положение | Диаметр кожуха, мм | Условное давление, МПа | Температура сред, °C |
|---|---|---|---|---|---|
| ИН | неподвижные трубные решётки | вертикальный | 600–1400 | трубы 0,6–1,0; кожух 0,6–4,0 (4,0 — при 600–1000 мм) | от −70 до +350 |
| ИК | неподвижные решётки, компенсатор на кожухе | вертикальный | 600–1400 | трубы 0,6–1,0; кожух 0,6–1,6 | от −70 до +350 |
| ИНТ | термосифонный, неподвижные решётки | вертикальный | 600–2200 | трубы и кожух: 1,0–4,0 при 600–1000 мм; 1,0–2,5 при 1200–2000 мм; 1,0–1,6 при 2200 мм | от −70 до +350 |
| ИКТ | термосифонный, компенсатор на кожухе | вертикальный | 600–1400 | 1,0–1,6 | от −70 до +350 |
| ИПТ | термосифонный, плавающая головка | горизонтальный | 600–1200 | трубы 1,6–6,3; кожух 1,6–2,5 | от −70 до +450 |
| ИП | паровое пространство, плавающая головка | горизонтальный | 800–2000 | кожух до 2,5; трубы до 4,0 (сочетания — по диаметру) | от −30 до +450 |
| ИУ | паровое пространство, U-образные трубы | горизонтальный | 800–2000 | кожух до 2,5; трубы до 4,0 (сочетания — по диаметру) | от −30 до +450 |
Как понять, какой испаритель нужен
Тип определяют четыре вопроса. Первый — нужно ли отделять пар от жидкости в самом аппарате и держать уровень. Если да, это ИП или ИУ: паровое пространство, регулятор уровня и предохранительный клапан у них заложены в конструкцию. Если пар с жидкостью уходит дальше в колонну или сепаратор, достаточно вертикального ИН, ИК или термосифонного аппарата.
Второй — насколько по-разному нагреются кожух и трубы. Аппарат с неподвижными решётками терпит ограниченную разницу: для ИНТ из стали исполнения М1 диаметром 600–800 мм при давлении в кожухе 1,0–1,6 МПа это 40 °C при температуре труб до 250 °C и 30 °C при 250–350 °C. При кожухе 1200–1400 мм, 1,0 МПа и трубах до 250 °C допускается 60 °C. Больше — нужен компенсатор, плавающая головка или U-образные трубы.
Третий — давление в каждой полости. Компенсатор ограничивает кожух ИК и ИКТ давлением 1,6 МПа, трубы ИН и ИК — 1,0 МПа. Если в трубном пространстве нужно 1,6 МПа, вертикальный ИН по ТУ 3612-024 не подходит, а ИНТ, ИП или ИУ — подходят.
Четвёртый — температура и чистка. Выше 350 °C работают только ИП, ИУ и ИПТ; для ИП и ИУ на температуру свыше 300 °C есть исполнение М4 — трубы из 15Х5М или Х8, решётки из 15Х5М. Пучок ИП и ИУ вынимается, а трубы в нём размещены по вершинам квадратов — межтрубное пространство можно чистить механически. Подробнее о выборе между неподвижными решётками, компенсатором, плавающей головкой и U-трубами — в статье ТН, ТК, ТП или ТУ: как выбрать тип.
Из какой стали делают испарители
Сталь задаётся шифром материального исполнения, и от него зависит допустимая температура. Для ИП и ИУ по ТУ 3612-013-00220302-99:
- М1 — корпус из Ст3сп или 16ГС, трубы из стали 10 или 20, от −30 до +450 °C;
- М4 — тот же корпус, трубы из 15Х5М или Х8, свыше 300 до 450 °C;
- Б1 (только ИП) — корпус из двухслойной стали 16ГС+08Х13 или Ст3сп+08Х13, трубы 08Х13, от 0 до +450 °C, для сред без коррозионного растрескивания;
- Б2 и Б3 (только ИУ) — плакировка 12Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т, от −30 до +350 °C.
Для вертикальных ИН и ИК ТУ 3612-024-00220302-02 дают ряд от Ст3сп, 16ГС и 09Г2С до 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т и 08Х22Н6Т. Исполнение выбирают по среде: ТУ на термосифонные испарители и испарители с паровым пространством прямо требуют материалов, стойких к коррозии в данных условиях эксплуатации.
Как читать обозначение — и где в нём ошибаются
Обозначение испарителя по ТУ 3612-013-00220302-99: «1200ИУ-2,5-2,5-М4/20-6-2-Т» — диаметр 1200 мм, U-образные трубы, давление в кожухе и в трубах, исполнение М4, трубы диаметром 20 мм длиной 6 м, два хода, тропический климат.
Термосифонный по ТУ 3612-005-00220302-98: «800 ИНТ-1-1,0-2,5-М1/25Г-3-1-У-И» — диаметр 800 мм, исполнение 1, давление в трубах 1,0 и в кожухе 2,5 МПа, гладкие трубы 25 мм длиной 3 м, один ход, умеренный климат, детали для теплоизоляции.
Главная ловушка — порядок давлений. В ИП и ИУ первым стоит давление в кожухе, в ИН, ИК и ИНТ — в трубах. Если перенести обозначение из одних ТУ в заявку по другим, давления полостей поменяются местами, и аппарат рассчитают не на те условия.
Пример из практики: ребойлер амина с U-образными трубами
Ребойлер амина 02E203ABCD (заказ 1668П) — горизонтальный кожухотрубчатый аппарат с U-образными трубами на двух седловых опорах. По устройству это испаритель с паровым пространством, как ИУ: корпус шире камеры, отдельный выход пара и люк. В межтрубном пространстве кипит насыщенный амин с сероводородом 2,18–3,29 % мольных при 0,1 МПа и 140 °C. В трубах — греющий пар под 0,4 МПа и 150 °C.
Корпус диаметром 2400 мм при камере 1400 мм: над пучком из 949 труб Ø18×2 остаётся объём для отделения пара, который уходит через штуцер Ду500. Поверхность теплообмена — 883 м², вместимость межтрубного пространства — 25,6 м³. Это больше ряда ТУ 3612-013, где у ИУ диаметр до 2000 мм, поверхность до 585 м² и трубы 20×2, поэтому аппарат сделан по своему проекту, а не по ТУ на ИУ; в перечне его нормативов — ГОСТ 31842-2012.
Почему такие решения. Амин с сероводородом коррозионный, поэтому трубы из 12Х18Н10Т, а корпус из 09Г2С с прибавкой на коррозию 3 мм и указателем коррозии; аппарат прошёл термообработку. Трубы закреплены обваркой с развальцовкой и размещены по квадрату с шагом 27 мм — пучок вынимается и межтрубное пространство чистится. Назначенный срок службы — 20 лет, масса — 25540 кг.
Обратный случай — ребойлер-парогенератор 1683П: вода кипит в межтрубном пространстве под 2,0 МПа, термомасло в трубах остывает с 280 до 240 °C, производительность — 7 т/ч пара. Корпус 1400 мм при камере 690 мм и пучок из 200 U-образных труб. Здесь под большим давлением работает полость, где кипит вода, а не греющая — поэтому давления полостей в заявке задают раздельно.
Что указать в опросном листе и зачем
- среды и их состав в каждой полости, включая коррозионные примеси, — от них зависит материальное исполнение и прибавка на коррозию;
- где кипит продукт и нужно ли отделять пар в аппарате — это выбор между вертикальным типом и испарителем с паровым пространством;
- давление и температуру отдельно для трубного и межтрубного пространства — по ним проверяют пределы типа и разницу температур кожуха и труб;
- количество пара и расход теплоносителя — исходные данные теплового расчёта;
- нужна ли механическая чистка межтрубного пространства — она требует вынимаемого пучка;
- место установки, климат и сейсмичность — термосифонные испарители по ТУ 3612-005 рассчитаны на районы сейсмичностью менее 7 баллов.
Выбор размеров по техническим условиям определяется тепловым и гидравлическим расчётом и анализом вибрации труб, поэтому без данных процесса типоразмер не назначают.
Вопросы и ответы
Аппарат из кожуха и пучка труб, в котором одна среда отдаёт тепло другой и та испаряется. По ГОСТ 31842-2012 это тот же класс, что теплообменники, холодильники и конденсаторы: испарители бывают с неподвижными решётками, термосифонные и с паровым пространством — ИП и ИУ.
Вертикальные ИН и ИК устроены как теплообменник, но рассчитаны на кипение продукта. Испарители ИП и ИУ отличаются сильнее: у них есть паровое пространство над пучком, штуцеры регулятора уровня, предохранительного клапана и выход паров продукта.
Лучшего нет: вертикальные ИН, ИК, ИНТ одноходовы по трубам, горизонтальные ИП и ИУ отделяют пар в самом аппарате, позволяют вынуть пучок и работают до +450 °C. Решают паровое пространство, разница температур и давление в полостях.
Столько, сколько записано в паспорте как назначенный срок службы: у ребойлеров 1668П и 1683П это 20 лет. Что сокращает срок и что требуют нормы при проверке аппарата — в статье о сроке службы теплообменника.
По устройству да: ребойлер — кожухотрубный испаритель, который работает в паре с колонной и возвращает в неё пар. Ребойлер амина 1668П, например, по устройству — испаритель с паровым пространством и U-образными трубами, как ИУ.
Скачайте опросный лист, заполните условия для обеих полостей и приложите к заявке — инженеры ПЗЭМ разберут условия и подберут тип испарителя.