Оборудование нефтегазопереработки, химических и нефтехимических производств. Книга 2

bstÎÑÓÒÎÒedcÓ̲ÓdcÓÕÝËÉ€je¿ÖËÉ
odfÇÒÎÐËÒ²Ónemǒ¿×²ÎÒnbqÕÓÑ×ÓÉbbsÎʃÎÒ
jds²ÓÔÎÒÚËÉostÕ¿×ÒËÉdnuÐàÆÒÓÉ
pcprufpdbojg
ogvtgebipqgrgr
bcptlj
wjnjygsljw
jogvtgwjnjygsljw
qrpjidpfstd
uÙÉÆÐÌ°ÈÎÄǽËÑÇÇÈǽ×°Ð̒Å×
lÐ̒Å
qÓÊÓÈÝËÏÕËÊDzÚÎËÏbstÎÑÓÒÎÒÇ
Рекомендовано ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет 
им. Д. И. Менделеева» в качестве учебника для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлению «Энерго- и ресурсосберегающие 
процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»
Инфра-Инженерия
Москва - Вологда
2019

ФЗ
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11
УДК 66.02(075.8)
ББК 35.11
      Т 41
А в т о р ы:
А. С. Тимонин, Г. В. Божко, В. Я. Борщев, Ю. И. Гусев, Н. В. Даниленко, М. Г. Лагуткин,  
М. А. Промтов, А. А. Сидягин, И. В. Скопинцев, Н. С. Трутнев, В. М. Ульянов
Р е ц е н з е н т ы: 
кафедра «Машины и аппараты химических производств» Ивановского государственного  
химико-технологического университета (зав. кафедрой  ² 
 заслуженный деятель науки РФ, 
д. т. н., профессор В. Н. Блиничев);
зав. кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Казанского национального  
исследовательского технологического университета д. т. н., профессор С. И. Поникаров
Т 41       Оборудование нефтегазопереработки, химических и нефтехимических 
           производств: учебник для вузов в двух книгах. Книга 2 / А. С. Тимонин, 
Г. В. Божко, В. Я. Борщев и др. / под общей редакцией А. С. Тимонина. ²
М.: Инфра-Инженерия, 2019. ² 476 с.
ISBN 978-5-9729-0269-9 (Книга 2)
ISBN 978-5-9729-0270-5
В книге изложены научные основы разработки оборудования нефтегазопереработки, хими- 
ческих и нефтехимических производств, приведены сведения об основных конструкционных мате- 
риалах, используемых в химическом и нефтяном  машиностроении, представлена элементная база  
основного оборудования нефтегазопереработки, химических и нефтехимических производств, даны  
нормативные методики расчета данных элементов на прочность и устойчивость, приведены динами- 
ческие расчеты машин,  что является основой надежности при проектировании и безопасной эксплуа- 
тации данного оборудования. Описаны области применения, принципы работы и последовательность
технологического  расчета  всего  спектра  основного  оборудования  нефтегазопереработки,  химиче- 
ских и нефтехимических производств, реализующих механические, гидромеханические, тепловые,  
массообменные  и  химические  процессы,  оборудования  для  переработки  пластмасс  и  эластомеров.  
Представлено  вспомогательное  оборудование,  применяемое  в  нефтегазопереработке,  химических   
и нефтехимических производствах, технологические трубопроводы и арматура.
Учебник может быть полезным при реализации программ бакалавриата, магистерских про- 
грамм  и  программ  подготовки  специалистов  соответствующих  направлений,  а  также  аспирантам 
  
и инженерно-техническим работникам предприятий индустрии нефтегазопереработки, химической  
и нефтехимической  отраслей промышленности. Он также может быть полезен специалистам строи- 
тельного комплекса и индустрии  переработки пищевой продукции.
‹ Тимонин А. С., Божко Г. В., Борщев В. Я. и др., авторы, 2019 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
ISBN 978-5-9729-0269-9 (Книга 2)
ISBN 978-5-9729-0270-5

Ãëàâà 6. ÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÅ
ÄËß ÒÅÏËÎÂÛÕ ÏÐÎÖÅÑÑÎÂ
6.1. Ðåêóïåðàòèâíûå òåïëîîáìåííèêè
Р е к у п е р а т и в н ы е  т е п л о о б м е н н и к и  относятся к поверхностным теплообменным аппаратам, в которых передача тепла от одной среды к другой происходит 
через твердую стенку, которую принято называть поверхностью теплообмена, при этом 
тепловой поток сохраняет постоянное направление. Рекуперативные теплообменники являются в основном аппаратами непрерывного действия. Они разнообразны по конструкциям и материальному исполнению. В табл. 6.1.1 дается классификация рекуперативных 
теплообменников.
В зависимости от конкретных условий работы требования к промышленным теплообменным аппаратам весьма разнообразны. Учитывая большой диапазон температур и давлений рабочих сред, а также разнообразие их свойств при различных условиях, можно 
выделить следующие основные требования, которым должны удовлетворять современные 
теплообменные аппараты:
1. Аппарат должен обеспечить передачу требуемого количества тепла от одной среды
к другой с получением необходимых конечных температур и при возможно большей интенсивности теплообмена.
2. При заданных термодинамических параметрах рабочих сред (давлении, температуре,
объемах) и при различных агрегатных состояниях аппарат должен быть работоспособным 
и достаточно надежным в работе.
3. Аппарат должен работать стабильно при изменении в процессе теплообмена физических, а возможно, и химических, свойств рабочей среды: ее вязкости, плотности, теплопроводности, фазового состояния и т. д.
4. Поверхность теплообмена и другие элементы конструкции аппарата, омываемые рабочей средой, должны обладать достаточной химической стойкостью к ее агрессивному 
воздействию.
tȯÈ}ˆË¯Ò°ˆÒ}Ò¹¯ºĆË°°ºmˆË¹ãºº-äËÓÈ
Ò¹¯ºä©ĈãËÓÓ©²ˆË¹ãºÓº°ÒˆËãË®
Перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их 
стенку называют теплопередачей. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тела.


pÈÓÕ¿ÊÓÉÇÒÎËÒËØ×˒ÇÍÓÔËÕËÕÇÈÓײÎÙÎÑÎÛËÖ²ÎÙÎÒËØ×ËÙÎÑÎÛËÖ²ÎÙÔÕÓÎÍÉÓÊÖ×É
Т а б л и ц а  6.1.1
Классификация рекуперативных теплообменников


embdbpÈÓÕ¿ÊÓÉÇÒÎËÊÐÆ×ËÔÐÓÉßÙÔÕÓÚËÖÖÓÉ
Вид расчетной формулы для определения среднего температурного напора ǻt зависит от 
направлений взаимного движения рабочих сред, которые могут быть следующими: прямоток, противоток, однократно перекрестный, многократно перекрестный, параллельно смешанный и последовательно смешанный ток.
При прямотоке, противотоке и при постоянной температуре одной из сред средний температурный напор, называемый также средней разностью температур, определяют как 
среднелогарифмический по формуле
Dtб - Dtм , 
           (6.1.1.1)
Dtб
Dt =
ln Dtм
Dtб # 1,7 среднюю разность температур можно определить как средгде ǻtб и ǻtм ² соответственно большая и меньшая разности температур между теплоносителями на концах теплообменника.
При отношении Dtм
неарифметическую:
Dt =
2
Dtб + Dtм . 
            (6.1.1.2)
В теплообменных аппаратах противоток имеет ряд преимуществ по сравнению с прямотоком, поэтому его следует применять во всех случаях, когда этому не препятствуют 
требования технологии или эксплуатации. При противотоке конечная температура нагреваемого теплоносителя может быть выше конечной температуры горячего теплоносителя, 
при прямотоке этого достичь невозможно.
При перекрестном токе и в других, более сложных схемах движения теплоносителей 
среднюю разность температур определяют как среднюю разность температур при противотоке, умноженную на поправочный коэффициент, значения которого приведены в справочниках по теплопередаче.
Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами. Существует три принципиально различных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
Т е п л о п р о в о д н о с т ь  представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного движения элементарных частиц.  К о н в е к ц и я ² перенос тепла вследствие 
движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.   Т е п л о в о е 
и з л у ч е н и е ² процесс распространения электромагнитных колебаний с различной 
длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. 
В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных выше способов, 
а комбинированным путем.
Для расчета теплообменных аппаратов широко используют кинетическое уравнение, 
которое выражает связь между количеством передаваемого в единицу времени тепла Q от 
одного теплоносителя другому и поверхностью F теплопередачи, называемое основным 
уравнением теплопередачи:
Q = KāFāǻt, 
            (6.1.1.3)
где К ² кинетический коэффициент (коэффициент теплопередачи), характеризующий скорость переноса теплоты и показывающий, какое количество тепла передается от горячего 
теплоносителя к холодному через единицу поверхности в единицу времени при разности 
температур в один градус; ǻt ² средняя разность температур между теплоносителями, 
определяемая по уравнению (6.1.1.1) или (6.1.1.2).


pÈÓÕ¿ÊÓÉÇÒÎËÒËØ×˒ÇÍÓÔËÕËÕÇÈÓײÎÙÎÑÎÛËÖ²ÎÙÎÒËØ×ËÙÎÑÎÛËÖ²ÎÙÔÕÓÎÍÉÓÊÖ×É
Тепловой поток Q обычно определяют из теплового баланса, при этом, в общем случае, 
без учета потерь тепла в окружающую среду Q = Q1 = Q2, где
Q1 = G1ā(H1н - H1к),  Q2 = G2ā(H2н - H2к), 
            (6.1.1.4)
здесь G1 и G2 ² расход соответственно горячего и холодного теплоносителей, H1н и H1к ² 
начальная и конечная энтальпии горячего теплоносителя, H2н и H2к ² начальная и конечная 
энтальпии холодного теплоносителя.
Если теплоносители не меняют своего агрегатного состояния в процессе теплопередачи 
(процессы нагревания и охлаждения), то уравнение теплового баланса принимает следующий вид:
Q = G1с1ā(t1н - t1к) = G2с2ā(t2н - t2к), 
            (6.1.1.5)
где с1 и с2 ² теплоемкости горячего и холодного теплоносителей при средней температуре 
теплоносителей, t1н и t1к ² начальная и конечная температура горячего теплоносителя, t2н 
и t2к ² начальная и конечная температура холодного теплоносителя.
Если необходимо учесть потери тепла в окружающую среду, то полученное по уравнению (6.1.1.4) или (6.1.1.5) значение Q следует повысить на величину этих потерь. Обычно 
потери тепла в окружающую среду не превышают 3-5  от Q.
Основное уравнение теплопередачи обычно используют для определения поверхности 
теплопередачи:
.
F
K
t
Q
$
=
D
           (6.1.1.6)
Таким образом, чтобы рассчитать необходимую для проведения теплового процесса поверхность теплопередачи, нужно, помимо теплового потока, определяемого по уравнению 
(6.1.1.4) или (6.1.1.5), и средней разности температур, определяемой по уравнению (6.1.1.1) 
или (6.1.1.2), определить коэффициент теплопередачи K, значения которого зависят от целого 
ряда факторов, в том числе от вклада в общую скорость процессов переноса теплоты скоростей отдельных видов переноса ² теплопроводности, теплового излучения, конвекции.
Коэффициент теплопередачи может быть найден по формуле:
1
 ,  
           (6.1.1.7)
K =
dcm + a2
1 + Rзаг
a1
1 + mcm
где įст ² толщина стенки, Ȝст ² коэффициент теплопроводности материала стенки, Į1 и Į2 ² 
коэффициенты теплоотдачи для внутренней и внешней стороны стенки, Rзаг ² термическое 
сопротивление, учитывающее загрязнения с обеих сторон стенки (накипь, сажа и пр.).
Значения Ȝст и Rзаг находят из справочников, коэффициенты теплоотдачи Į1 и Į2 вычисляют по эмпирическим уравнениям, рекомендованным для конкретного случая, они показывают, какое количество тепла отдается от теплоносителя к 1 м2 стенки (или от 1 м2 стенки 
к теплоносителю) в единицу времени при разности температур стенки и теплоносителя 
в один градус.
Из формулы (6.1.1.7) следует, что величина коэффициента теплопередачи всегда будет 
меньше меньшего из значений коэффициентов теплоотдачи, поэтому при проектировании 
теплообменников для снижения площади теплопередающей поверхности необходимо стремиться увеличивать меньшее значение коэффициента теплоотдачи.
В зависимости от назначения производственных процессов в рекуперативных теплообменниках в качестве теплоносителей могут применяться различные газообразные 

embdbpÈÓÕ¿ÊÓÉÇÒÎËÊÐÆ×ËÔÐÓÉßÙÔÕÓÚËÖÖÓÉ

и жидкие тела. Наиболее распространенным газообразным теплоносителем является насыщенный водяной пар. Он имеет целый ряд положительных качеств: высокая величина 
удельной теплоемкости, пожаровзрывобезопасность, при конденсации обеспечивается 
большая величина коэффициента теплоотдачи со стороны насыщенного пара (несколько 
десятков тысяч м
2 $ град
Bm
), постоянство температуры конденсации при заданном давлении 
облегчает поддержание постоянного температурного режима. Основным недостатком водяного пара является неизбежное и значительное повышение давления с ростом температуры, поэтому его применяют для нагрева до 170-180 оС.
С целью повышения температуры нагрева применяют дымовые, или топочные, газы. Их 
достоинством является высокая температура нагрева (от 180 до 1000 оС). Однако дымовые 
газы имеют целый ряд недостатков: низкий коэффициент теплоотдачи (60-120 м
2 $ град
Bm
). Нагрев горячей водой
Bm
),
малая величина удельной теплоемкости, пожароопасность, неравномерный обогрев.
Среди жидких теплоносителей наиболее распространенными являются:
1. Горячая вода ² неагрессивна, пожаробезопасна, легко транспортируется, доступна,
обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи (до 8000 м
2 $ град
Bm
).
осуществляется до 100 оС при давлении 0,1 МПа и до 374 оС при давлении 22,5 МПа.
2. Минеральные масла (цилиндровое, компрессорное) ² обеспечивают нагрев до 250 оС,
но пожароопасны, загрязняют атмосферу, коэффициент теплоотдачи меньше, чем у воды 
(до 3000 м
2 $ град
Bm
, дорогостоящие.
3. Высокотемпературные органические теплоносители (этиленгликоль, глицерин, дифенильная смесь, полиметилсилоксаны) ² обеспечивают нагрев до 380 оС, коэффициент 
теплоотдачи до 2000 м
2 $ град
4. Расплавы металлов Na, K, Pb, Hg ² обеспечивают нагрев до 800 оС, имеют высокий
коэффициент теплоотдачи (до 8000 м
2 $ град
Bm
.
Bm
). Однако их пары ядовиты, поэтому аппаратура должна быть абсолютно герметична.
5. Расплавы солей NaNO2, NaNO3, KNO3 ² обеспечивают нагрев до 550 
оС, коэффициент теплоотдачи до 3000 м
2 $ град
~äËËmÒ}ºm©Ëº¯º°ÒˆËãĉÓ©Ëąm‚²ˆ¯‚-Ó©ËÒ}ºÎ‚²ºˆ¯‚-Ó©Ë
ˆË¹ãºº-äËÓÓÒ}Òȹ¹È¯Èˆ©mºÏą‚ĈÓºĄºº²ãÈÎąËÓÒ«
З м е е в и к о в ы е  т е п л о о б м е н н и к и  являются одним из самых старых типов 
теплообменного погружного оборудования. Они представляют собой цилиндрическую или 
плоскую спираль, изготовленную из трубы и помещенную в сосуд, через который проходит 
один из теплоносителей. Другой теплоноситель вводится в трубу змеевика. На рис. 6.1.2.1 
представлена типовая конструкция змеевикового теплообменника. Спираль 2 крепится 
с помощью уголка 3 и хомута 4 на кожухе сосуда 1.
Положительными качествами погружных теплообменников являются простота конструкции, дешевизна, возможность изготовления из любых материалов, способность змеевика выдерживать высокие давления и малая чувствительность к нарушению режима работы.
Отрицательными качествами данных аппаратов являются низкая интенсивность теплоотдачи в межтрубном пространстве, высокая металлоемкость, большое гидравлическое 


pÈÓÕ¿ÊÓÉÇÒÎËÒËØ×˒ÇÍÓÔËÕËÕÇÈÓײÎÙÎÑÎÛËÖ²ÎÙÎÒËØ×ËÙÎÑÎÛËÖ²ÎÙÔÕÓÎÍÉÓÊÖ×É
Рис. 6.1.2.1. Змеевиковый 
теплообменник:  
1 ² кожух теплообменника;  
2 ² спираль; 3 ² уголок; 4 ² хомут
сопротивление трубного пространства, по 
этому рекомендуют скорость движения жидкостей в змеевике в пределах 0,5-1 м/с, газов ² 5-12 м/с. Поверхность теплообмена обычно не превышает 10-15 м2.
Для интенсификации теплоотдачи в межтрубном пространстве устанавливают перемешивающие 
устройства, а для снижения гидравлического сопротивления змеевика его делают многозаходным.
Если в качестве горячего теплоносителя в теплообменнике используется насыщенный водяной 
пар, то отношение длины змеевика к его диаметру 
не должно превышать определенного предела. При 
давлении 0,2-0,5 МПа это отношение не должно 
быть больше 200-275. В противном случае скопление конденсата в нижней части змеевика вызовет 
значительное снижение интенсивности теплообмена при существенном увеличении гидравлического 
сопротивления.
Змеевик в аппарате размещают так, чтобы он весь 
по высоте находился в жидкости, не касаясь при 
этом стенок аппарата, и со всех сторон имел расстояние (2 - 5).t м до стенок аппарата. Шаг объемной спирали рекомендуют в пределах ² t = (0,5 - 2,0)d, где 
d ² наружный диаметр трубы змеевика.
Диаметр витка змеевика при известном диаметре аппарата D будет равен D3 = D - (2 - 5)t.
Полная длина труб теплообменника определяется как L = F/(ʌdр), где dр ² расчетный диаметр трубы змеевика, F ² поверхность теплопередачи, определяемая из основного уравнения теплопередачи. Высота змеевика H = tāN, где 
N ² число витков.
О р о с и т е л ь н ы е  т е п л о о б м е н н и к и  состоят из нескольких рядов труб, расположенных одна над другой, по наружной поверхности которых тонкой пленкой стекает 
охлаждающая их вода (рис. 6.1.2.2). Трубы 3, через которые прокачивается охлаждаемая 
рабочая среда, соединены коленами 2. Для распределения орошающей воды над верхней 
трубой устанавливается ороситель 1, как правило, желобковый или трубчатый. В трубчатых оросителях вода вытекает многочисленными струями через отверстия трубы, в желобковых ² через прорези в верхней кромке желоба. При большом числе труб в ряду или 
большом расстоянии между ними оросители можно устанавливать и между рядами труб. 
Внизу теплообменника расположен поддон 4 для сбора воды.
Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично 
испаряется, при этом процесс теплообмена идет интенсивнее, вследствие чего расход воды 
на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в теплообменниках других 
конструкций. Однако при этом происходит необратимая потеря воды на испарение.
Для избежания сильного увлажнения воздуха в помещении, оросительные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. По этой же причине, если оросительные 
теплообменники необходимо установить в помещении, их приходится помещать в громоздкие кожухи, которые подключают к системе вытяжной вентиляции. К недостаткам этих 

embdbpÈÓÕ¿ÊÓÉÇÒÎËÊÐÆ×ËÔÐÓÉßÙÔÕÓÚËÖÖÓÉ

Рис. 6.1.2.2. Оросительный теплообменник: 
1 ² ороситель; 2 ² колено (калач); 3 ² трубы;  
4 ² поддон
теплообменников следует отнести также 
громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние 
ряды которых могут вообще не смачиваться 
и практически не участвовать в теплообмене. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, легкость чистки наружных стенок 
труб и другие достоинства, оросительные 
теплообменники 
находят 
ограниченное 
применение.
В химической промышленности подобные теплообменники используются для 
охлаждения химически агрессивных сред, 
например серной кислоты, поскольку они 
просты в изготовлении и могут быть выполнены из коррозионностойких дешевых 
материалов.
Д в у х т р у б н ы е  т е п л о о б м е н- 
н и к и  состоят из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя вставленными одна 
в другую трубами (рис. 6.1.2.3). Часто их называют теплообменниками типа «труба в трубе». Один теплоноситель движется по внутренним трубам 3, а другой по кольцевому зазору между внутренними 3 и внешними 2 трубами. Внутренние трубы (обычно диаметром 57-108 мм) соединяются калачами 1, а внешние трубы, имеющие диаметр 
76-159 мм, ² патрубками 4.
При подборе диаметра внешней трубы в этих теплообменниках можно легко получить 
небольшую площадь поперечного сечения межтрубного пространства и добиться высоких 
скоростей и коэффициентов теплоотдачи с обеих сторон внутренней трубы даже при малых 
расходах теплоносителей. Они обеспечивают осуществление противотока и могут примеРис. 6.1.2.3. Двухтрубный теплообменник: 1 ² колено (калач); 2 ² внешние трубы; 3 ² внутренние трубы; 
4 ² патрубки