Ключевые слова: теплообмен, гидрофобные покрытия, самовосстанавливающиеся покрытия, графеновые покрытия, оребрение труб, гравитационные фитили, эффективность теплообмена, экономия на энергии, снижение затрат, нефтеперерабатывающий завод, интенсификация теплообмена, эксплуатационные затраты, повышение теплопередачи.
Ни одно нефтеперерабатывающее производство невозможно представить без теплообменного оборудования. Теплообменники присутствуют практически в каждой технологической линии, наряду с другим основным химическим оборудованием, и выполняют ключевую функцию – передачу тепловой энергии между рабочими средами [3]. Они обеспечивают нагрев, охлаждение, конденсацию и испарение веществ, что критически важно для стабильной и эффективной работы всех этапов переработки нефти. Количество теплообменников на нефтеперерабатывающем предприятии прямо пропорционально объёму переработки, а их техническое состояние и эффективность оказывают прямое влияние на энергетические и эксплуатационные затраты завода.
Однако в процессе эксплуатации оборудование сталкивается с рядом серьёзных проблем, существенно снижающих его эффективность.
Одной из таких проблем является эрозионная коррозия, возникающая вследствие воздействия высокоскоростного потока нефти, содержащей агрессивные компоненты и механические примеси [1].
Этот процесс разрушает внутренние стенки труб, снижает надёжность оборудования и требует частой замены элементов системы (Рис. 1).
Не менее актуальна проблема окисления стали под воздействием водяного пара при высоких температурах, приводящего к образованию оксидных слоёв на внутренних поверхностях теплообменников. Эти отложения уменьшают теплопроводность металла и затрудняют эффективную передачу тепла, что вынуждает предприятие компенсировать потери путём увеличения расхода пара (Рис. 2) [1].
Кроме того, сильное влияние на снижение тепловой эффективности оказывает режим плёночной конденсации водяного пара на греющей поверхности труб.
В условиях плёночной конденсации между паром и металлом образуется тонкая водяная плёнка, обладающая высоким термическим сопротивлением. Это существенно ограничивает скорость теплообмена и увеличивает энергозатраты на поддержание технологических параметров (Рис. 3).
Комплексное воздействие указанных факторов приводит к финансовым потерям: возрастают затраты на закупку тепловой энергии, обслуживание оборудования, очистку труб и эксплуатацию систем сбора конденсата [1]. В связи с этим особенно актуальны разработки, направленные на предотвращение загрязнений и разрушений рабочих поверхностей теплообменников, а также на переход с плёночной на капельную конденсацию, которая обеспечивает более эффективную теплопередачу.
Одним из перспективных направлений в повышении эффективности и надёжности теплообменного оборудования являются умные покрытия — инновационные материалы, обладающие способностью к самовосстановлению, устойчивостью к агрессивным средам и высокой термической стабильностью.
Умное покрытие – это самовосстанавливающееся покрытие, состоящее из гидрофобного полимера, внедрённого в пористую наноструктурированную поверхность (менее 100 нанометров в одном измерении). Обладает исключительной способностью отталкивать различные сложные твердые и жидкие вещества, функционировать в условиях экстремально высокого давления, мгновенно устранять дефекты и обеспечивать оптическую прозрачность. В рамках современных подходов к повышению ресурсоэффективности особое внимание уделяется технологиям самовосстанавливающихся покрытий, которые позволяют не только предотвратить загрязнение и коррозионное разрушение поверхностей, но и устранять возникшие дефекты в процессе эксплуатации без вмешательства оператора. Среди таких решений наибольший интерес представляют капсульные системы восстановления, бактериальные методы минерализации и адаптивные полимерные материалы.
Капсульный метод основан на внедрении в структуру покрытия микрокапсул, содержащих активные (так называемые “лечебные”) агенты, способные вступать в химическую реакцию или заполнять дефекты в материале [11]. При возникновении трещины или микроповреждения капсула разрушается, и её содержимое высвобождается, заполняя образовавшуюся полость и восстанавливая локальную прочность покрытия. Данный метод обеспечивает быстрый и направленный отклик на повреждение, а сама система может быть разработана с учетом специфики рабочих сред и температурных условий. Одним из главных преимуществ является автономность процесса восстановления, не требующего внешнего воздействия и не нарушающего непрерывность технологического цикла (Рис. 4) [11].
Альтернативным направлением является биоминерализация с использованием микроорганизмов, способных естественным образом восстанавливать материал за счёт выделения неорганических соединений. Наиболее распространённой моделью в данной категории являются бактерии рода Sporosarcina, способные продуцировать кальцит (CaCO₃) в процессе жизнедеятельности [13]. При появлении микротрещин бактерии активируются и начинают синтезировать минералы, которые заполняют пустоты, воссоздавая целостность структуры. Такой метод отличает экологичность, длительная активность и высокая степень совместимости с пористыми или капиллярными материалами.
Третьим направлением развития самовосстанавливающихся систем являются адаптивные полимеры, обладающие способностью модифицировать свою структуру, фазовое состояние или объём в ответ на воздействие внешней среды. Под действием температуры, давления или механического напряжения такие материалы способны автоматически реагировать на возникновение дефектов, изменяя свою форму таким образом, чтобы заполнить повреждение или вернуть прежнюю конфигурацию. Ключевым механизмом в таких системах может выступать обратимый переход между аморфной и кристаллической фазами, а также перераспределение внутренних сил в молекулярной решётке. Эти материалы характеризуются высокой скоростью восстановления, устойчивостью к многократным циклам деформации и потенциальной совместимостью с теплообменными поверхностями (Рис. 5).
Анализ представленного графика позволяет наглядно оценить соотношение между эффективностью теплопередачи и долговечностью различных типов покрытий, применяемых для повышения производительности теплообменного оборудования. По оси ординат отображено увеличение теплопередачи (в кратном выражении), а по оси абсцисс — устойчивость покрытий во времени, выраженная в часах (Рис. 6).
Большинство традиционных решений, например, самоорганизующиеся монослои и поверхности, пропитанные смазкой, демонстрируют лишь умеренное повышение теплообмена — до 2–4 раз, при этом срок их эффективной эксплуатации крайне ограничен и не превышает нескольких сотен часов. Это делает их применение нецелесообразным в условиях длительной непрерывной работы, характерной для нефтеперерабатывающих предприятий.
Более высокие показатели устойчивости демонстрируют тонкоплёночные полимерные покрытия, а также покрытия, полученные методом iCVD (инициированной химической паровой осажденной полимеризации) [10]. Они обеспечивают повышение теплопередачи в пределах 3–7 раз и сохраняют работоспособность в течение до 10³–10⁴ часов, что делает их более предпочтительными. Однако и в этом случае наблюдается компромисс между уровнем теплопередачи и сроком службы, что ограничивает их эффективность при длительной эксплуатации. Интерес представляет расположение покрытия на основе графена, которое демонстрирует хорошую стабильность во времени (до 10³ часов), но при этом умеренный прирост теплообмена. В то же время ребристые и удлинённые поверхности, несмотря на высокую долговечность (свыше 10⁴ часов), практически не обеспечивают значимого повышения теплопередачи, оставаясь вблизи базового уровня. Особенно выделяется позиция, обозначенной как “This work”, представляющей разработку с применением умного самовосстанавливающегося покрытия. Данная система демонстрирует наибольшее значение повышения теплопередачи — до 10 раз, и одновременно — наивысший уровень устойчивости, превышающий 10⁴ часов [10]. Это указывает на сбалансированность ключевых эксплуатационных параметров, что делает данное покрытие уникальным среди всех рассмотренных аналогов. Такое сочетание высокой энергоэффективности и долговечности позволяет рассматривать технологию как одно из наиболее перспективных решений для внедрения в теплообменное оборудование в условиях тяжёлых эксплуатационных режимов.
Оптимальным решением с точки зрения эффективности и надёжности было выбрано самовосстанавливающееся полимерное покрытие, способное заделывать дефекты без использования расходных материалов и многократно восстанавливаться без потери свойств. Благодаря своей наноструктурированной гидрофобной основе оно обеспечивает повышение конденсации водяного пара более чем на 700 %, что эквивалентно увеличению теплопередачи в 5,9–7,5 раз по сравнению с плёночной конденсацией [2]. Покрытие сохраняет свои характеристики более 200 дней, устойчиво к температурам до 300 °C, а самовосстановление активируется при нагреве выше температуры плавления полимера, что делает его особенно ценным для теплообменного оборудования в условиях высоких нагрузок [2]. Тем не менее, технология имеет ряд ограничений: она сложна в промышленном нанесении, мало изучена в России, где отсутствует производственная база, а также отличается высокой стоимостью создания [14].
Среди инновационных решений особое внимание заслуживает технология гравитационно-отводящих фитилей.
Этот подход основан на использовании пористых металлических структур, способных обеспечивать естественное удаление конденсата за счёт гравитации и капиллярных эффектов.
Конденсатор с гравитационным фитилём представляет собой металлический пористый материал, который, в отличие от гидрофобных покрытий, не требует дополнительной обработки поверхности и одновременно обеспечивает эффективное стекание жидкости с поверхности труб (Рис. 7) [4].
Процесс конденсации реализуется за счёт переохлаждения пара при его соприкосновении с холодной внешней поверхностью фитиля. Конденсат, образующийся в верхней части конструкции, заполняет поры материала, после чего под действием силы тяжести опускается вниз, выходя в нижней части в виде капельного потока. При интенсивной конденсации происходит частичное затопление фитиля, начиная с нижнего участка, что может ограничить эффективность отвода жидкости при достижении определённых нагрузок. Однако в большинстве эксплуатационных режимов данный эффект не критичен и позволяет сохранить высокую теплопередачу.
Преимущества технологии следующие:
– повышение теплопередачи более чем на 350 % по сравнению с традиционными поверхностями;
– долгий срок службы за счёт отсутствия покрытий, подверженных разрушению;
– простота конструкции и исполнения, что способствует снижению затрат на техническое обслуживание.
Недостатки и ограничения применения [6]:
– сложность в создании оптимальной структуры фитиля для достижения максимальных теплотехнических характеристик;
– недостаточная изученность эксплуатационных параметров, особенно в условиях промышленных циклов и агрессивных сред.
Оребрение поверхностей является одним из наиболее распространённых и технологически освоенных способов интенсификации теплообмена, особенно в тех случаях, когда теплоноситель с низким коэффициентом теплоотдачи направляется во внешнее (межтрубное) пространство [5]. За счёт увеличения площади соприкосновения с потоком и формирования развитого микрорельефа, оребрённые поверхности позволяют повысить эффективность передачи тепловой энергии [9].
Наиболее часто используется наружное оребрение труб, которое за счёт геометрических изменений усиливает турбулентность потока, разрушает пограничный слой и тем самым ускоряет теплопередачу. Согласно экспериментальным данным, применение оребрения позволяет повысить коэффициент теплоотдачи на 30–40 % по сравнению с гладкими поверхностями [9]. Дополнительный эффект достигается при использовании круглых канавок на поверхности корпуса труб: они обеспечивают прирост скорости теплопередачи до 5 %, при этом практически не влияя на величину гидравлических потерь, что делает такую модификацию особенно привлекательной с точки зрения энергоэффективности [7].
Преимущества оребрения поверхностей труб:
– рост коэффициента теплоотдачи на 30–40 %;
– дополнительное улучшение теплопередачи при минимальном сопротивлении (до 5 %) при использовании канавок;
– конструктивная простота и широкая адаптируемость к существующим теплообменным аппаратам.
К недостаткам технологии можно отнести следующие факторы [12]:
– увеличение гидравлического сопротивления в 1,5–2,5 раза, что требует пересмотра режима циркуляции теплоносителя;
– зависимость эффективности оребрения от характера течения жидкости, в частности от режима ламинарного или турбулентного потока;
– увеличение массы и габаритов оборудования, что может ограничивать применение в условиях ограниченного пространства или подвижных установок.
Для дальнейшего повышения эффективности оребрения на практике применяются турбулизаторы — специальные элементы, разрушающие или искажающие пограничный слой теплоносителя [13]. Это способствует интенсификации теплопередачи за счёт создания вихревых и неустойчивых потоков, повышающих коэффициент теплоотдачи как на внешней, так и на внутренней поверхности трубы. Существуют разнообразные конструктивные решения, среди которых наибольшее распространение получили (Рис. 8) [8]:
– закрученные ленты, устанавливаемые во внутреннем канале (а);
– непрерывные шнековые завихрители (б);
– кольцевые каналы типа диффузор-конфузор, способные менять локальные скорости и давления потока (в);
– внутренние спиралевидные выступы и винтовые вставки, формирующие регулярное вихревое течение (г);
– чередующиеся кольцевые выступы на внутренней поверхности гладких труб, создающие переменные зоны ускорения и торможения потока (д).
По результатам исследований, эффективность оребрения и завихрения в большей степени определяется высотой рельефных элементов, чем их шагом [13]. Это связано с тем, что увеличение высоты способствует более глубокому проникновению турбулентных структур в поток, нарушая стабильность граничного слоя и усиливая теплоперенос.
Из вышесказанного можно сказать, что оребрение и внедрение турбулизаторов представляют собой доступные и надёжные способы повышения теплообмена, сочетающие относительную простоту реализации с доказанной эффективностью. Тем не менее, данные решения требуют точного расчёта гидродинамических характеристик системы, а также оптимизации формы и размеров оребрения для достижения максимального эффекта без чрезмерного увеличения гидравлического сопротивления.
Ниже представлена оценка экономической целесообразности внедрения различных технологий интенсификации теплообмена на теплообменном оборудовании. Исходные данные для расчета приведены в таблице 1.
Оценка включает как планируемые доходы от экономии пара, так и затраты на реализацию мероприятий. Приведены четыре варианта модернизации: покрытия из оксида меди и политетрафторэтилена, графеновые покрытия, гравитационные медные фитили и оребрение поверхностей (Рис. 9).
Исходя из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1) Наиболее выгодным в краткосрочной перспективе является покрытие из оксида меди и ПТФЭ, дающее максимальную годовую экономию (2,07 млрд руб.) при умеренных затратах и коротком сроке службы (4 года).
2) В свою очередь графеновое покрытие, несмотря на высокие начальные вложения, обеспечивает высокий чистый экономический эффект (почти 1,2 млрд руб./год) на протяжении 15 лет, что делает его оптимальным в долгосрочной перспективе
3) Гравитационный фитиль демонстрирует умеренную эффективность и затраты, при этом оставаясь стабильным и долговечным решением.
4) Оребрение поверхностей, хотя и имеет минимальные вложения, обеспечивает наименьшую экономию — всего 276 млн рублей в год.
Внедрение новых технологий в теплообменное оборудование всегда сопровождается рисками, которые могут существенно повлиять на успешность реализации проекта. Одним из главных факторов, требующих тщательной оценки, является риск неэффективности покрытия в условиях высоких температур и агрессивных химических сред. Для минимизации этого риска предусмотрено проведение комплексных испытаний покрытия при температурах до 300°C и в условиях воздействия агрессивных химических веществ. В случае выявления недостатков в устойчивости покрытия к таким условиям, возможно внесение изменений в состав материала. Данные мероприятия потребуют около 5% от общего бюджета проекта, при этом ожидается снижение вероятности неэффективности покрытия на 30–40% и повышение его устойчивости к высокотемпературным и химически активным воздействиям.
Другим значимым риском является трудность нанесения покрытия с высокой точностью и равномерностью на стальные трубы, что может привести к дефектам и снижению эффективности покрытия. Для предотвращения этого риска предлагается провести обучение персонала и инвестировать в специализированное оборудование, обеспечивающее точность нанесения. Эти меры составят около 8% от общего бюджета проекта. Ожидается, что после внедрения этих мероприятий дефектность покрытия будет снижена с 15% до 2%, а скорость нанесения увеличится на 25%.
Также нельзя забывать про один из важных факторов - это недостаточная долговечность самовосстанавливающихся гидрофобных покрытий, особенно под воздействием высоких температур и механических нагрузок [4]. Для минимизации этого риска необходимо провести испытания покрытия на долговечность, а также разработать методику регулярного контроля состояния покрытия. Эти действия потребуют дополнительных вложений, составляющих 12% от общего бюджета проекта. Применение предложенных мер позволит увеличить долговечность покрытия на 30–50% и снизить расходы на его замену на 40%. Не менее важным является риск дополнительных затрат, возникающих в процессе внедрения новой технологии, что может привести к перерасходу бюджета. Для минимизации этого риска рекомендуется создать резервный фонд в размере 10% от бюджета проекта, который будет использоваться для покрытия непредвиденных расходов. Это позволит снизить вероятность перерасхода на 10–15%, а также обеспечит финансовую гибкость в процессе реализации проекта.
Прогнозируемый экономический эффект от внедрения предложенных стратегий состоит в снижении эксплуатационных затрат на 30–40%, что приведет к экономии тепловых ресурсов. Ожидаемая окупаемость технологии составит 2 года, а чистая экономия за этот период достигнет 15–20% от общей суммы затрат на внедрение.
В результате проведённого исследования были проанализированы различные технологии для повышения эффективности теплообмена на нефтеперерабатывающих заводах, включая гидрофобные покрытия, самовосстанавливающиеся покрытия, оребрение труб, графеновые покрытия и гравитационные фитили. Наиболее эффективным решением оказалось использование самовосстанавливающихся покрытий, которые демонстрируют увеличение коэффициента теплоотдачи на 5,7–7,5 раз и обладают способностью бороться с отложениями нефти, что способствует улучшению теплообмена и снижению затрат на энергоресурсы. Экономический эффект от применения таких покрытий составляет 1 815 461 190 рублей в год. Также было показано, что внедрение предложенных технологий приводит к снижению затрат на чистку труб от отложений до 80–90%, снижению потребления теплоресурсов до 50% и снижению затрат на эксплуатацию систем сбора конденсата до 20–25%. Результаты исследования подтверждают, что предложенные решения способны существенно повысить энергоэффективность, сократить эксплуатационные расходы и продлить срок службы оборудования, что делает их крайне актуальными для нефтехимической отрасли.
Литература
1. Болотова Ю. В., Ручкинова О. И. Коррозия теплообменного оборудования нефтехимических производств // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2015. №4. (дата обращения: 03.03.2025).
2. Китаева Н. С., Муханова Е. Е., Деев И. С. Высокотеплостойкие гидрофобные покрытия для теплозащитного материала на основе кварцевого волокна // Труды ВИАМ. 2013. №6. (дата обращения: 25.03.2025).
3. Миронова Ю. А., Цвяк А. В., Наумов С. А. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННИКОВ В НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕЙ И НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЯХ // МНИЖ. 2020. №7-1 (97). (дата обращения: 01.03.2025).
4. Самсонова Н. А. к вопросу об использовании гидрофобных поверхностей в теплообменных аппаратах. (дата обращения: 07.03.2025).
5. Черенков C. И., Сотникова О. А. Снижение интенсивности коррозионной активности теплообменных поверхностей котельных агрегатов теплоэнергетического оборудования // Вестник ВГТУ. 2009. №5. (дата обращения: 07.03.2025).
6. Теплообменники энергетических установок / К.Э. Аронсон, С.Н. Блинков, В.И. Брезгин и др.; под ред. Ю.М. Бродова. – Екатеринбург: Сократ, 2003. – 986 с.
7. Adam T. Paxson, Jose L. Yagüe, Karen K. Gleason Stable Dropwise Condensation for Enhancing Heat Transfer via the Initiated Chemical Vapor Deposition (iCVD) of Grafted Polymer Films. (дата обращения: 12.03.2025).
8. Chan, H.C., Rajagopal, M.C., Hoque, M.J., Oh, J., Li, L., Li, J., Zhao, H., Kuntumalla, G., Sundar, S., Meng, Y., Shao, C., Ferreira, P.M., Salapaka, S.M., Sinha, S., Miljkovic, N. Composite Structured Surfaces for Durable Dropwise Condensation.
9. Preston, D.J., et al. Heat Transfer Enhancement During Water and Hydrocarbon Condensation. (дата обращения:02.03.2025).
10. SilcoTek. Heat Exchanger Filtration. (дата обращения: 02.03.2025).
11. Luvegroup. Innovative Materials for Heat Exchangers. (дата обращения: 02.03.2025).
12. Scholars.cityu. Hydrophobic Coatings for Heat Exchangers. (дата обращения: 02.03.2025).
13. MIT Dspace. Thesis: Composite Coatings for Heat Exchanger Applications. (дата обращения: 04.03.2025).
14. KSM Protect. Применение гидрофобных покрытий для защиты теплообменников. (дата обращения: 18.03.2025).
