Abstraktní
S rozvojem moderní industrializace se nízkouhlíkový{0} průmysl stal nevyhnutelným trendem. V různých průmyslových oblastech byly vyvinuty vysoce-účinné a energeticky{3}}úsporné výměníky tepla, které nahrazují tradiční zařízení pro výměnu tepla. Samotné zlepšení výkonu výměníků tepla však nemůže dosáhnout optimálního efektu-úspor energie pro celý výrobní systém.
Na základě skutečných provozních podmínek v petrochemickém průmyslu tento článek shrnuje aplikační prostředí různých typů výměníků tepla, vývoj technologií pro úsporu energie-a také pokroky výzkumu v odstraňování znečištění a odstraňování závad. Navrhují se také nové směry výzkumu.
Výměník tepla, také známý jako tepelný výměník, je zařízení používané hlavně k dosažení přenosu tepla mezi různými tekutinami. Během petrochemické výroby je často potřeba procesní média zahřívat nebo chladit. Podle různých provozních podmínek a požadavků na výrobu lze vybrat různé typy výměníků tepla, aby bylo zajištěno, že procesní tekutiny dosahují požadovaných teplotních úrovní a splňují požadavky procesů chemických reakcí.
Výměníky tepla hrají díky svým principům fungování a funkcím důležitou roli v celém procesu rafinace. Jsou klíčovým zařízením pro zajištění správné regulace teploty procesních kapalin, udržení stabilního provozu rafinačních systémů a rekuperaci odpadního tepla pro úsporu energie. Navíc, protože zařízení pro výměnu tepla je široce používáno v petrochemickém průmyslu, představuje významnou část investičních nákladů zařízení. Související spotřeba energie a ztráty kovů jsou také hlavními faktory, které vyžadují pozornost.
1. Vývoj aplikací výměníků tepla v petrochemickém průmyslu
1.1 Aplikace tepelných výměníků tepla při rekuperaci odpadního tepla
Tepelné výměníky s tepelnými trubicemi byly úspěšně použity v náročných podmínkách rekuperace odpadního tepla v ropném průmyslu, zejména v procesech využívajících paliva s vysokým-sírou.
V procesech petrochemické výroby jsou zařízení pro vysokoteplotní ohřev a krakování nezbytná-. Například při výrobě lehkých olefinů se běžně používají vysokoteplotní pece na krakování nafty. Teplota spalin z těchto pecí může dosáhnout 200–400 stupňů. Vzhledem k náročnému provoznímu prostředí nelze vzniklý odpadní plyn přímo vypouštět do atmosféry.
Tepelné výměníky s předehřevem vzduchu mohou využít zbytkové teplo z výfukových plynů k předehřátí spalovacího vzduchu, čímž se zlepší energetická účinnost a zároveň se sníží znečištění životního prostředí.
V posledních letech byly v tuzemsku i v mezinárodním měřítku široce přijímány různé kombinace trubkových výměníků tepla, aby bylo dosaženo lepších{0}}úspor energie a využití odpadního tepla. Hlavní výrobní proces je znázorněn na obrázku 1.
1.2 Aplikace spirálových přepážkových výměníků tepla v procesech chlazení a výměny tepla
Šroubový přepážkový výměník tepla je nový typ zařízení pro výměnu tepla s vysokou{0}}účinností. Jeho koncepce vznikla ze spirálové konstrukce deskového výměníku tepla navržené švédskou společností Rosenbland v roce 1930, která byla následně patentována. Později podobné zařízení vyvinuly a vyrobily země včetně Spojeného království, Spojených států, Německa a bývalého Sovětského svazu.
Čína začala zavádět a používat tuto technologii v chemickém průmyslu během 50. let 20. století. Do poloviny 60. let domácí výrobci dosáhli hromadné výroby pomocí válcovacích procesů. V roce 1973 sestavila ČínaManuál pro výběr výkresů spirálového deskového výměníku tepla. Nejnovější standard, JB/T4751Spirálový deskový výměník tepla(vydání z roku 2003), představuje úroveň vývoje technologie spirálových deskových výměníků tepla v Číně.
Ve srovnání s tradičními výměníky tepla mají spirálové deskové výměníky tepla výhody včetně vyšších koeficientů prostupu tepla a samočisticí schopnosti způsobené turbulencí tekutin, což pomáhá předcházet hromadění usazenin.
V petrochemickém průmyslu se proto spirálové deskové výměníky tepla používají hlavně pro procesy vytápění a chlazení, které zahrnují benzín, motorovou naftu, čpavkovou vodu, chlórovou vodu, solanku, silné kyseliny, silné zásady a směsné plyny dusík-vodík{1}}amoniak.
Jsou také široce používány v systémech ohřevu, chlazení, kondenzace a varu pro alkoholy, pryskyřice, močovinu, malomolekulární monomery, polymerované olefiny a související meziprodukty.
Hao Zhenliang a kol. experimentálně studovali vztah mezi-poklesem tlaku na straně pláště a průtokem, změnou výkonu konvekčního přenosu tepla na straně pláště-s Reynoldsovým číslem (Re) a Nusseltovým číslem (Nu) a koeficientem prostupu tepla-na straně pláště za podmínek jednotkového poklesu tlaku pro výměníky tepla se spirálovou přepážkou a segmentovou přepážkou.
Jejich výzkum poskytl vodítko pro výběr zařízení v různých provozních podmínkách. Hlavní závěry jsou následující:
(1) Za stejných podmínek Reynoldsova čísla je koeficient konvektivního přenosu tepla na straně pláště -výměníků tepla se segmentovou přepážkou vyšší než u výměníků tepla se spirálovou přepážkou.
(2) Za stejných podmínek průměru pláště a průtoku je pokles tlaku na straně pláště spirálových výměníků tepla s přepážkou negativní korelován s úhlem spirály. Bez ohledu na zvolený úhel šroubovice však tlaková ztráta zůstává nižší než u segmentových přepážkových výměníků tepla.
(3) Na rozdíl od výše uvedených dvou závěrů je při zohlednění výkonu přenosu tepla na jednotku poklesu tlaku vyšší součinitel prostupu tepla konvekcí na straně pláště spirálových výměníků tepla s přepážkou. Když je úhel šroubovice přibližně 40 stupňů, koeficient přenosu tepla konvekcí dosáhne své maximální hodnoty, což má za následek nejvyšší celkový výkon přenosu tepla.
1.3 Energeticky-úsporné použití vysoce účinných{2}}deskových výměníků tepla při rafinaci ropy
Ve středních a velkých-rafinériích ropy může být přibližně 400 výměníků tepla různých typů. Tyto systémy často pracují za podmínek vysokého tlaku a vysoké teploty. V mezinárodním měřítku dosáhly plášťové-a{5}}trubkové výměníky tepla provozní úrovně tlaku 8,4 MPa a teploty 1500 stupňů, přičemž plochy pro přenos tepla dosahovaly až 6 700 m².
Kvůli vysokým stavebním nákladům na ropné plošiny na moři byly svařované deskové výměníky tepla široce používány při těžbě ropy na moři kvůli jejich kompaktní struktuře, lehké konstrukci, vynikajícímu přenosu tepla a nižší ceně.
Mezi jejich hlavní aplikace patří chlazení mechanického mazacího oleje a sladké vody (jako je chladicí voda pláště motoru). V ropných polích je lze využít i pro ohřev ropy a další procesy.
Hlavní výzva spočívá v návrhu a výpočtu procesních systémů. Ve skutečné výrobě jsou energetické ztráty často způsobeny nerozumným návrhem procesu.
Chen Jianwei a kol. provedl teoretický výzkum výpočtu tlakové ztráty chladicích deskových výměníků tepla používaných v petrochemických aplikacích. Na základě charakteristik výměníků tepla a principů přenosu tepla předpokládali, že kapalná fáze podél průtokového kanálu lineárně roste, a stanovili vztahy mezi délkou průtokového kanálu, skutečnou hmotností páry a objemovou kvalitou páry. Výsledky výpočtů byly v souladu s praktickými provozními údaji.
Hlavní závěry jsou následující:
(1) Za podmínek fázové-změny by při výpočtu poklesu tlaku kapaliny měla být kapalina považována za dvoufázový nebo vícefázový tok. Modely jednofázového toku nebo homogenního toku by neměly být používány jako náhrada za výpočty vícefázového toku. Měl by být použit model odděleného toku.
(2) Během chladicích procesů v petrochemickém průmyslu může docházet k částečné kondenzaci, která má za následek tvorbu kapalných filmů na teplosměnných plochách. Proto při výběru kompaktních výměníků tepla, jako jsou deskové-žebrové výměníky tepla, vyžaduje dosažení rozumného a ekonomického návrhu zohlednění konstrukčních parametrů. Pouhé zvětšení plochy přenosu tepla a přidání bezpečnostních rezerv nestačí.
1.4 Aplikace tenkovrstvých odpařovačů v procesech zahušťování a sušení
Tenkovrstvé odparky se běžně používají v petrochemických procesech, jako je koncentrace hydroxidu sodného, odpařování sulfidu sodného, sušení pryskyřice a sušení pryže. Poskytují významné ekonomické výhody.
Ve srovnání s tradičním vybavením, jako jsou litinové odpařovací pánve, mají tenkovrstvé odpařovací výměníky tepla vyhřívané tepelnými olejovými pecemi následující výhody:
(1) Stopa zařízení může být snížena o téměř 6 %. Proces umožňuje mechanizované odpařování, zjednodušuje provoz a přeměňuje přerušovanou výrobu na kontinuální výrobu, čímž zlepšuje průmyslovou efektivitu.
(2) Díky rotujícímu škrabáku se výrazně zlepšuje výkon přenosu tepla. Dobu vypařování na povrchu lze zkrátit na méně než jednu minutu, čímž se sníží tvorba vodního kamene a usazování uhlíku. U produktu je méně pravděpodobné, že se rozloží, a je vhodný pro materiály citlivé na teplo-. Zároveň se snižuje tvorba usazenin, což má za následek snadnější údržbu a čištění.
(3) Ve srovnání s litinovými odpařovacími pánvemi může podpůrná pec s tepelným olejem snížit spotřebu uhlí přibližně o 50 %. Může pracovat při teplotách až 300 stupňů při zachování bezpečného provozu za -netlakových podmínek.
(4) Zařízení je vhodné pro-navýšení procesu a může nahradit tradiční rychlovarné-sušičky. Během-rozšíření výroby ve velkém měřítku je odchylka způsobená nárůstem relativně malá.
V praktických aplikacích však stále existují určité technické problémy.
For example, scraper grooves are usually made of polytetrafluoroethylene (PTFE), which has excellent corrosion resistance but limited high-temperature resistance. One possible solution is to use materials such as graphite that provide both corrosion resistance and high-temperature resistance (>280 stupňů).
Procesní potrubí jsou obvykle vyrobena z bezešvých trubek, které mohou vyžadovat výměnu přibližně každých 30 dní. Možným zlepšením je použití trubek z nerezové oceli nebo trubek s vnitřním obložením odolným proti korozi-, jako jsou trubky výměníků tepla vyložené fluoroplasty-.
Kromě toho problémy s korozí související s oběhovými čerpadly také vyžadují další řešení.
2. Odstraňování nečistot a protiopatření pro zařízení na výměnu tepla v petrochemickém průmyslu
Podle Steinhagen et al., průzkum 3000 různých typů výměníků tepla na Novém Zélandu ukázal, že více než 90 % výměníků má problémy se zanášením. Porovnání podmínek znečištění mezi různými typy výměníků tepla je znázorněno na obrázku 2.
Domácí a mezinárodní studie naznačují, že roční náklady spojené s čištěním znečištění v ropném a chemickém průmyslu dosahují přibližně 15,6 milionů, což má za následek značné ekonomické ztráty a spotřebu zdrojů.
Za skutečných provozních podmínek v petrochemickém průmyslu lze mechanismy tvorby a klasifikace znečištění rozdělit především do následujících kategorií:
Modely korozního znečištění
Modely zanášení tuhnutím
Modely znečištění-povrchového materiálu
Modely znečišťování-plynové fáze
Modely chemické reakce znečištění
Při praktické predikci a analýze provozu lze znečištění klasifikovat podle těchto mechanismů. Výběrem vhodných typů výměníků tepla podle různých provozních podmínek a výpočtem optimálních intervalů čištění lze snížit ekonomické ztráty.
Kromě toho s ohledem na provozní prostředí s vysokou-teplotou a vysokým{1}}tlakem v petrochemických aplikacích patří mezi hlavní metody zpracování:
Zlepšení přenosu tepla
Metody mechanického čištění
Chemické metody čištění
Online sledování a technologie čištění-v reálném čase
3. Analýza poruch a údržba výměníků tepla v petrochemickém průmyslu
3.1 Prevence koroze a opotřebení výměníků tepla
Při provozu výměníků tepla v petrochemickém průmyslu často dochází k haváriím korozního úniku. Tyto poruchy mohou přerušit stabilní výrobu a jsou považovány za jeden z hlavních problémů zařízení v petrochemických systémech.
Takové problémy s únikem se dělí hlavně na únik erozí a únik korozí. Současná řešení se zaměřují především na opravy poškozených zařízení po výskytu poruch, zlepšování výrobních procesů, aby se předešlo poruchám, a snižování degradace zařízení prostřednictvím správného výběru materiálů a typů výměníků tepla.
3.1.1 Příčiny koroze a opotřebení výměníků tepla
Analýza z pohledu surovin
Suroviny používané v petrochemické výrobě, zejména ropa, obsahují složité chemické složky. Kromě toho má ropa obecně vysokou viskozitu a obsahuje pevné částice nepravidelné velikosti.
V důsledku toho je pracovní médium ve styku s povrchy výměníku tepla vysoce složité. Zařízení je často vystaveno jak mechanickému poškození způsobenému fyzikálním třením, tak silné chemické korozi.
Analýza z pohledu chemických procesů
The entire petrochemical production chain often involves high-temperature (>1000 stupňů ) a provozní podmínky-vysokého tlaku. Různé formy koroze se mohou vyskytovat současně a vzájemně se ovlivňují.
Například vysoká rychlost proudění požadovaná během výrobních procesů je přímou příčinou erozní koroze a zároveň urychluje stávající problémy s únikem koroze.
Proto při poruchách výměníků tepla netěsnosti a koroze obvykle úzce souvisejí a mohou vytvářet synergický efekt, který urychluje zhoršování stavu zařízení.
3.1.2 Klasifikace koroze a opotřebení výměníků tepla a protiopatření v petrochemickém průmyslu
(1) Povrchová koroze a opotřebení výměníků tepla
Povrchová koroze je nejčastější příčinou netěsnosti trubek výměníku tepla, která představuje přibližně 90 % případů.
Procesní média používaná v petrochemické výrobě mají často určité úrovně viskozity a adheze. Vysokorychlostní kapaliny obsahující pevné částice a bubliny nepřetržitě narážejí na teplosměnné povrchy a vytvářejí místní povrchové tlaky až 10 MPa, což může způsobit únavovou erozi a poškození kovového povrchu.
Proto požadavky procesu často specifikují, že rychlost proudění média by měla být větší než 2 m/s.
(2) Elektrochemická koroze způsobená povrchovými usazeninami
Během procesů rafinace ropy mají procesní média obvykle vysokou viskozitu a za určitých podmínek mohou ztuhnout. To může způsobit hromadění materiálů na povrchu výměníku tepla a vytváření usazenin.
Nestabilní, nespojité a nerovnoměrné vlastnosti těchto usazenin mohou vést k prasklinám a mezerám. Rozdíly v koncentraci kyslíku mezi vnitřní a vnější stranou těchto mezer mohou vyvolat elektrochemickou korozi.
Související korozní reakce zahrnují zejména:
Reakce rozpouštění kovů, jmenovitě anodická oxidace;
Katodické redukční reakce;
Progresivní expanze koroze způsobená elektrochemickou nerovnováhou.
(3) Koroze na povrchu trubek výměníku tepla na straně vody
V systémech výměny tepla se jako teplonosné médium často používá voda, takže koroze na straně vody-je běžný problém.
Mezi hlavní korozní mechanismy patří:
Snížení hodnoty pH;
Pronikání vodní páry;
Útok způsobený rozpuštěným kyslíkem;
koroze chloridovými ionty (Cl-);
Koroze sulfidovými ionty (S²⁻).
Tyto reakce lze obecně rozdělit na chemickou korozi a elektrochemickou korozi.
Požadavky na materiály odolné proti korozi-na vodní straně trubek výměníku tepla zahrnují:
Dobrá tepelná vodivost a silná přilnavost k povrchu;
Vynikající odolnost vůči teplotním změnám a dostatečná tvrdost;
Silná odolnost proti iontové korozi;
Dobrý výkon proti škálování-;
Vynikající odolnost proti pronikání vodní páry.
3.1.3 Metody ochrany proti korozi pro výměníky tepla
V současné době metody ochrany proti korozi výměníků tepla v petrochemickém průmyslu zahrnují zejména:
(1) Ochranná anodová ochrana
Tato metoda chrání materiály výměníků tepla použitím aktivnějšího kovu jako obětní anody, aby se zabránilo korozi hlavního zařízení.
(2) Vývoj a aplikace antikorozních-nátěrů
Antikorozní povlaky se široce používají při ochraně výměníků tepla. Nanesením extrémně tenkého kovového povlaku nebo anorganického povlaku na kontaktní povrch lze účinně izolovat škodlivé látky a usazeniny nečistot.
Běžně používaným nátěrem je epoxidový aminový antikorozní nátěrový systém CH-784.
(3) Zlepšení materiálů výměníků tepla
Aby se zabránilo korozi způsobené kvalitou vody a agresivními médii, lze zvolit vylepšené materiály.
Výměníky tepla vyrobené z nerezové oceli, slitin mědi a slitin titanu obecně poskytují vynikající odolnost proti korozi. Jejich vyšší materiálové náklady však omezují jejich použití v některých průmyslových odvětvích.
3.2 Technologie svařování pro opravu trhlin na přírubě výměníku tepla
V současné době je technologie opravy svařování tavením za studena široce používána pro průmyslovou údržbu.
Technologie svařování studeným tavením je nová opravárenská technologie vyvinutá na základě-svařovacích technik v ochranné atmosféře. Často se používá při opravách a údržbě poškozených výměníků tepla v petrochemickém průmyslu.
Mezi jeho hlavní vlastnosti patří:
(1) Nízký přívod tepla a krátká doba svařování
Teplo vznikající při svařování je extrémně nízké. Proces svařování trvá pouze několik desítek milisekund, čímž se vyhnete problémům, jako je změna barvy při žíhání.
(2) Malý svařovací bazén a vynikající kvalita opravy
Objem svařovací lázně je menší než 2 mm³. Rozložení napětí je rozptýleno, což snižuje koncentrované napětí na opravované součásti.
Proces nezpůsobuje praskání ani deformaci. Ochrana inertním plynem navíc zabraňuje tvorbě pórů a bublin, výsledkem je hladký a čistý opravený povrch.
(3) Kompaktní vybavení a vhodnost pro-opravy na místě
Svařovací zařízení je malé a vhodné pro-opravy v terénu v reálném čase.
Lze zvolit širokou škálu svařovacích drátů, což umožňuje opravu výměníků tepla vyrobených z různých materiálů.
4. Výhled do budoucna
Stojí za zmínku, že různé požadavky na proces vyžadují různé typy výměníků tepla. Paralelní nebo sériové uspořádání výměníků tepla má navíc významný vliv na provozní výkon celého procesního systému.
Výběr a sladění komponent jsou rovněž kritickými faktory. Konstrukce zaměřená na spolehlivost- vyžaduje, aby součásti měly dostatečnou přizpůsobivost, aby vydržely různé provozní podmínky, náhodné změny zatížení a změny napětí, se kterými se běžně setkáváme v petrochemickém průmyslu. Tento koncept návrhu poskytuje vylepšení oproti omezením konvenčních metod návrhu.
Pokud jde o úsporu energie a snižování emisí, budoucí vývoj by se neměl soustředit pouze na zlepšování konstrukcí výměníků tepla, ale měl by také věnovat větší pozornost vývoji pokročilých materiálů výměníků tepla.
Mezi těmito výzkumnými oblastmi má významný potenciál technologie povrchové úpravy výměníku tepla. Budoucí směr vývoje povlaků zahrnuje:
lehký design;
odolnost vůči vysokým-teplotám a-tlaku;
Vynikající odolnost proti korozi;
Nižší výrobní náklady;
Ekonomičtější provoz a údržba.
Významným výzkumným směrem se v současnosti stává i vývoj simulačních technologií a inženýrského softwaru. Tyto technologie mohou poskytnout efektivní vodítko pro předpověď znečištění, optimalizaci cyklu čištění a vyhodnocení provozního výkonu.
