Основы расчета и модернизация тепломассообменных установок в нефтехимии

А. Г. Лаптев, М. И. Фарахов, Н. Г. Минеев

ОСНОВЫ РАСЧЕТА 
И МОДЕРНИЗАЦИЯ 
ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ 
УСТАНОВОК 
В НЕФТЕХИМИИ

Монография

СТРАТА
Санкт-Петербург
2015

К 25-летию ООО Инженерно
внедренческого центра «Инжехим»

ВВЕДЕНИЕ

Модернизация технологических установок
неразрывно связана с 

повышением качества выпускающей продукции, энерго-, ресурсосбережением и экологической безопасности производств и все более становится
одним из приоритетных направлений в развитии многих отраслей 
промышленности, 
особенно 
на 
предприятиях 
нефтегазохимического 

профиля.

Авторы имеют тридцатилетний опыт работы по энергосбережению, 

исследованию, математическому моделированию процессов разделения смесей, 
проектирования 
и 
модернизации 
промышленных 
аппаратов, 
с 

многочисленными внедрениями в промышленности. По результатам работы 
опубликовано сотни статей, более двадцати монографий. Как показывает 
общение 
с 
инженерно-техническими 
работниками 
предприятий 

нефтегазохимиического 
комплекса, 
наибольший 
интерес 
в 
области 

массообменных процессов вызвали монографии [1, 2]. Так как эти монографии 
были опубликованы более 10
лет назад, в монографии [3]
обобщен

представленный материал, и дополнен новыми результатами по теоретическим 
и практическим разработкам, внедренным в промышленности. Книга изданная 
в 2015 году в Санкт-Петербурге является вторым изданиенм монографии с 
небольшими дополнениями по списку литературы.

Одним из самых энергоемких процессов на предприятиях нефтехимии

является процесс ректификации смесей. Действующие в настоящее время 
ректификационные установки проектировались в 6080 г.г.
прошлого 

столетия. За это время появились новые высокоэффективные контактные 
устройства, которые, взамен устаревшим, позволяют повысить качество 
разделения смесей, снизить гидравлическое сопротивление колонн и, что 
особенно важно,
уменьшить энергозатраты на единицу выпускаемой 

продукции.

Основные методы энерго- и ресурсосбережения, используемые и 

развиваемые авторами заключаются в следующем:

1. Для процессов ректификации – использование высокоэффективных 

контактных устройств взамен устаревших. Это обеспечивает снижение расхода 

флегмы (оптимизация режима), и, соответственно, уменьшаются расходы 
теплоносителей в кипятильниках и дефлегматорах колонн.

2. Для процессов абсорбции и хемосорбции –
также внедрение 

высокоэффективных 
контактных 
устройств, 
которые 
обеспечивают 

повышение 
качества 
разделения 
смесей, 
снижение 
гидравлического 

сопротивления колонн и расход энергии на подачу газов и паров.

3. Очистка газов, паров и жидкостей от дисперсной фазы, которая 

отрицательно сказывается на работе тепло- и массообменного оборудования. 
Например, удаление свободной воды из углеводородных смесей, удаление 
масляного тумана из газов – хладогентов и т.д.

Кроме 
энергосбережения, 
перечисленные 
выше 
методы 
также 

обеспечивают 
повышение 
качества 
выпускаемой 
продукции 
и 

производительность тепломассообменных установок.

За прошедшие 2025 лет модернизация промышленных установок на 

предприятиях РФ осуществлялась преимущественно зарубежными фирмами 
(Sulzer, Koch-Glich, Pall и др.). Авторы в данной монографии постарались 
показать, что отечественные разработки и научно-технический потенциал 
российских 
ученых 
и 
инженеров 
вполне 
конкурентоспособны 
при 

модернизации действующего оборудования или проектировании новых 
установок на предприятиях нефтехимии и нефтегазопереработки.

В монографии рассмотрены тарельчатые и насадочные тепло- и 

массообменные аппараты, а также газосепараторы и тонкослойные 
отстойники, которые широко используются на различных предприятиях. 
Представлены математические модели и методы расчета процессов тепло- и 
массопереноса в двухфазных средах. Даны результаты экспериментальных 
исследований гидравлических и тепломассообменных характеристик новых 
контактных 
устройств 
и 
аппаратов. 
Показаны 
примеры 
расчета 

ректификационных 
и 
абсорбционных 
установок 
с 
тарельчатыми 
и 

насадочными контактными
устройствами. В заключительных главах 

монографии рассмотрены производственные задачи по повышению качества 
разделения смесей и снижению энергозатрат. Даны научно-технические 
решения по модернизации промышленных колонн. 

В некоторых разделах и главах монографии представлен материал, 

рассчитанный, в первую очередь, на студентов, аспирантов технических 
ВУЗов и молодых специалистов нефтехимических предприятий. 

Часть результатов, представленных в монографии, получены совместно 

с 
д.т.н., профессором 
С.Г. 
Дьяконовым,
д.т.н., 
профессором 
В.И. 

Елизаровым, д.х.н., профессором Г.С. Дьяконовым, д.т.н. Х.Н. Ясавеевым, 

д.т.н. П.А. Мальковским, к.т.н. И.М. Шигаповым, к.т.н. С.В. Карпеевым, 
к.т.н. Н.Н. Маряхиным, к.т.н. М.М. Башаровым, к.т.н. Е.А. Лаптевой и к.т.н. 
Т.М. Фараховым и другими соавторами (сотрудниками Казанского 
национального исследовательского технологического университета (КНИТУКХТИ), 
Казанского 
государственного 
энергетического 
университета, 

Инженерно-вычислительного 
центра 
«Инжехим», 
промышленных 
и 

проектных 
предприятий). 
Авторы 
благодарны 
всем 
за 
совместное 

полученные результаты.

Авторы 
выражают 
благодарность 
руководству
промышленных 

предприятий (в первую очередь ОАО «Казаньоргсинтез», Сургутского ЗСК и 
ОАО «Нижнекамскнефтехим») за внедрение научно-технических разработок 
«Инжехим».

Рецензентами и научным редактором монографии являются известные 

ученые 
в 
области 
ПАХТ 
и 
теплофизики, 
теплотехники. 
Авторы 

признательны за ценные замечания и пожелания,  а также сотрудникам 
кафедры ТВТ КГЭУ за помощь при подготовке монографии к изданию.

_________________________

1. Лаптев А.Г., Минеев Н.Г., Мальковский П.А. Проектирование и 

модернизация аппаратов разделения в нефте- и газопереработке – Казань: 
«Печатный Двор», 2002. – 250 с.

2. Ясавеев Х.Н., Лаптев А.Г., Фарахов М.И. Модернизация установок 

переработки углеводородных смесей  Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2004. –
307 с.

3. Лаптев А.Г., Фарахов М.И., Минеев Н.Г. Основы расчета и 

модернизация тепломассообменных установок в нефтехимии. – Казань: 
Казан. гос. энерг. ун-т, 2010.-574 с. 

ЧАСТЬ I. УСТРОЙСТВО И РАСЧЕТ АППАРАТОВ

ГЛАВА 1

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И 

МАССООБМЕНА

Производство представляет собой сочетание различных химических, 

физических и механических процессов. Эффективность производств 
зависит от рациональности выбора последовательности технологических 
операций (технологии производства) и правильного выбора оборудования 
(аппаратурного оформления).

Важнейшая задача проектировщика заключается в обоснованной 

постановке и оптимальном аппаратурно-технологическом оформлении 
рассматриваемых процессов.

Условия протекания всех процессов во многом зависят от характера 

движения участвующих в них потоков, т.е. от гидродинамической 
обстановки. Таким образом, теоретической основой этих процессов 
являются законы термодинамики и гидромеханики [16].

Общие принципы расчета и проектирования тепломассообменных 

процессов состоят в том, что вначале на основе законов сохранения массы 
и энергии определяются материальные и тепловые потоки. Затем 
находится 
движущаяся 
сила 
процесса,
как 
мера 
отклонения 

рассматриваемой системы от состояния равновесия, рассчитываются 
основные показатели процесса. Все эти расчеты относятся к статике 
процесса. Далее рассматривается кинетика процесса, которая существенно 
зависит от аппаратурного оформления. Определение кинетических 
характеристик – наиболее сложная и важная часть проектных расчетов. На 
завершающей стадии выполняются расчеты основных размеров аппаратов 
и их прочностных характеристик.

1.1. Теоретические основы и проектирование аппаратов

Условия равновесия

Процессы массопередачи обычно обратимы. Причем направление 

перехода вещества определяется концентрациями вещества в фазах и 
условиями равновесия.

Для моделирования массо- и теплообмена прежде всего необходимо 

знание предельного состояния, т.е. состояния равновесия, к которому 
стремится каждая система. Поэтому рассмотрение процессов переноса 
начинают с термодинамики, фундаментальной теории, которая определяет 
поведение систем с большим числом частиц в состоянии равновесия.

Согласно второму закону термодинамики, все самопроизвольные 

процессы 
сопровождаются 
увеличением 
энтропии 
системы. 
В 

изолированной системе энтропия S достигает максимального значения, 
поэтому dS = 0. Кроме этого условия, формулируются математические 
условия равновесия,
как равенство нулю полного дифференциала 

параметров состояния, определяющих свойства вещества 

0;
0; μ
0,
i
dр
dT
 
d
 




где р – давление, Т – температура, μi – химический потенциал i–го 
компонента в смеси.

Первое равенство характеризует механическое равновесие, второе 

термическое, а третье  диффузионное, т. е. отсутствие массопередачи. 

Для двухфазных систем газ-жидкость и пар-жидкость условия 

фазового равновесия можно выразить равенствами

;
;μ
μ ,
I
II
I
II
I
II
T
Т
p
р




где индексами «I» и «II» обозначены величины, относящиеся к разным 
фазам.

Равновесие при массопередаче принято
записывать,
используя 

рабочие С и равновесные С* концентрации в фазах:

0
С
С


.

Концентрации компонента в фазах обозначаются также x и y, где x

относится к жидкой фазе, y – к газовой (паровой).