Abstrakt
Med utviklingen av moderne industrialisering har lav-karbonindustri blitt en uunngåelig trend. Innenfor ulike industrifelt er høy-effektivitet og-energibesparende varmevekslere utviklet for å erstatte tradisjonelt varmevekslerutstyr. Forbedring av ytelsen til varmevekslere alene kan imidlertid ikke oppnå den optimale energibesparende-effekten for hele produksjonssystemet.
Basert på faktiske driftsforhold i den petrokjemiske industrien, gjennomgår denne artikkelen bruksmiljøene til ulike typer varmevekslere, utviklingen av-energisparende teknologier, samt forskningsfremskritt innen fjerning av begroing og feilbehandling. Nye forskningsretninger foreslås også.
En varmeveksler, også kjent som en termisk veksler, er en enhet som hovedsakelig brukes til å oppnå varmeoverføring mellom forskjellige væsker. Under petrokjemisk produksjon må prosessmedier ofte varmes eller avkjøles. I henhold til ulike driftsforhold og produksjonskrav kan ulike typer varmevekslere velges for å sikre at prosessvæsker når de nødvendige temperaturnivåene og oppfyller kravene til kjemiske reaksjonsprosesser.
På grunn av sine driftsprinsipper og funksjoner spiller varmevekslere en viktig rolle gjennom hele raffineringsprosessen. De er nøkkelutstyr for å sikre riktig temperaturkontroll av prosessvæsker, opprettholde stabil drift av raffineringssystemer og gjenvinne spillvarme for energisparing. I tillegg, fordi varmevekslingsutstyr er mye brukt i den petrokjemiske industrien, representerer det en betydelig andel av utstyrsinvesteringskostnadene. Det relaterte energiforbruket og metalltapene er også viktige faktorer som krever oppmerksomhet.
1. Anvendelsesfremgang for varmevekslere i den petrokjemiske industrien
1.1 Bruk av varmerørvarmevekslere i spillvarmegjenvinning
Varmerørvarmevekslere har blitt brukt med suksess i tøffe forhold for gjenvinning av spillvarme i petroleumsindustrien, spesielt i prosesser som involverer brensel med høyt-svovelholdig innhold.
I petrokjemiske produksjonsprosesser er høy-oppvarmings- og crackingsutstyr avgjørende. For eksempel, i produksjonen av lette olefiner, brukes høy-temperatur petroleumsnafta crackingsovner ofte. Avgasstemperaturen fra disse ovnene kan nå 200–400 grader. På grunn av det alvorlige driftsmiljøet kan den genererte avgassen ikke slippes direkte ut i atmosfæren.
Luftforvarming av varmerør-varmevekslere kan utnytte restvarmen fra eksosgassene til å forvarme forbrenningsluften, forbedre energieffektiviteten samtidig som miljøforurensning reduseres.
I løpet av de siste årene har ulike kombinasjoner av rørformede varmevekslere blitt tatt i bruk både innenlands og internasjonalt for å oppnå bedre energi-sparing og gjenvinning av spillvarme. Hovedproduksjonsprosessen er vist i figur 1.
1.2 Anvendelse av spiralformede baffelvarmevekslere i kjøle- og varmevekslingsprosesser
Den spiralformede baffelvarmeveksleren er en ny type høy-effektiv varmeveksler. Konseptet stammer fra spiralplatevarmevekslerstrukturen foreslått av det svenske Rosenbland-selskapet i 1930, som senere ble patentert. Senere utviklet og produserte land inkludert Storbritannia, USA, Tyskland og det tidligere Sovjetunionen lignende utstyr.
Kina begynte å introdusere og bruke denne teknologien i den kjemiske industrien i løpet av 1950-årene. På midten av 1960-tallet hadde innenlandske produsenter oppnådd masseproduksjon gjennom rullende prosesser. I 1973 kompilerte KinaValghåndbok for tegninger av spiralplatevarmeveksler. Den nyeste standarden, JB/T4751Spiralplatevarmeveksler(2003-utgaven), representerer utviklingsnivået for spiralplatevarmevekslerteknologi i Kina.
Sammenlignet med tradisjonelle varmevekslere har spiralplatevarmevekslere fordeler, inkludert høyere varmeoverføringskoeffisienter og selvrensende evne forårsaket av væsketurbulens, noe som bidrar til å forhindre sedimentakkumulering.
Derfor, i den petrokjemiske industrien, brukes spiralplatevarmevekslere hovedsakelig til oppvarmings- og kjøleprosesser som involverer bensin, diesel, ammoniakkvann, klorvann, saltlake, sterke syrer, sterke alkalier og nitrogen-hydrogen-ammoniakkblandet gasser.
De er også mye brukt i oppvarmings-, kjøle-, kondensasjons- og gjenoppkokingssystemer for alkoholer, harpikser, urea, småmolekylære monomerer, polymeriserte olefiner og relaterte mellomprodukter.
Hao Zhenliang et al. eksperimentelt studert forholdet mellom skall-sidetrykkfall og strømningshastighet, variasjonen av skall-side konvektiv varmeoverføringsytelse med Reynolds-tall (Re) og Nusselt-tall (Nu), og skall--sidevarmeoverføringskoeffisienten under enhetstrykkfallsforhold for spiralformet baffel og segmentelle baffelvarmevekslere.
Forskningen deres ga veiledning for valg av utstyr under forskjellige driftsforhold. Hovedkonklusjonene er som følger:
(1) Under de samme Reynolds-tallbetingelsene er den konvektive varmeoverføringskoeffisienten på skallsiden- for segmentelle baffelvarmevekslere høyere enn for spiralformede baffelvarmevekslere.
(2) Under samme skalldiameter og strømningshastighetsforhold, er trykkfallet på skallsiden til spiralformete baffelvarmevekslere negativt korrelert med spiralvinkelen. Imidlertid, uavhengig av den valgte spiralvinkelen, forblir trykkfallet lavere enn for segmentelle baffelvarmevekslere.
(3) Forskjellig fra de to konklusjonene ovenfor, når man vurderer varmeoverføringsytelsen per enhetstrykkfall, er den konvektive varmeoverføringskoeffisienten på skallsiden til spiralformede baffelvarmevekslere høyere. Når spiralvinkelen er omtrent 40 grader, når den konvektive varmeoverføringskoeffisienten sin maksimale verdi, noe som resulterer i den høyeste totale varmeoverføringsytelsen.
1.3 Energibesparende-bruk av høy-platevarmevekslere i oljeraffinering
I mellomstore og store-oljeraffinerier kan det være omtrent 400 varmevekslere av ulike typer. Disse systemene opererer ofte under høyt trykk og høye temperaturforhold. Internasjonalt har skall-og-rørvarmevekslere nådd driftsnivåer på 8,4 MPa trykk og 1500 graders temperatur, med varmeoverføringsarealer på opptil 6700 m².
På grunn av de høye byggekostnadene til offshore oljeplattformer, har sveisede platevarmevekslere blitt mye brukt i offshore oljeproduksjon på grunn av deres kompakte struktur, lette design, utmerket varmeoverføringsytelse og lavere kostnad.
Deres hovedapplikasjoner inkluderer kjøling av mekanisk smøreolje og ferskvann (som kjølevann for motorkappe). I oljefelt kan de også brukes til oppvarming av råolje og andre prosesser.
Hovedutfordringen ligger i design og beregning av prosesssystemer. I faktisk produksjon er energitap ofte forårsaket av urimelig prosessdesign.
Chen Jianwei et al. utført teoretisk forskning på trykkfallsberegning av kjøleplatevarmevekslere brukt i petrokjemiske applikasjoner. Basert på egenskapene til varmevekslere og varmeoverføringsprinsipper, antok de at væskefasen langs strømningskanalen øker lineært og etablerte sammenhenger mellom strømningskanallengde, faktisk massedampkvalitet og volumetrisk dampkvalitet. Beregningsresultatene stemte overens med praktiske driftsdata.
Hovedkonklusjonene er som følger:
(1) Under fase-endringsforhold, ved beregning av væsketrykkfall, bør væsken betraktes som en to-- eller flerfasestrøm. Enkelt-strømningsmodeller eller homogene strømningsmodeller bør ikke brukes som erstatning for flerfasestrømningsberegninger. En separat strømningsmodell bør brukes.
(2) Under kjøleprosesser i den petrokjemiske industrien kan det oppstå delvis kondensering, noe som resulterer i dannelse av væskefilmer på varmeoverføringsoverflater. Når du velger kompakte varmevekslere som plate-finnevarmevekslere, krever derfor å oppnå en rimelig og økonomisk design vurdering av strukturelle parametere. Bare å øke varmeoverføringsarealet og legge til sikkerhetsmarginer er ikke tilstrekkelig.
1.4 Bruk av tynnfilmfordampere i konsentrasjons- og tørkeprosesser
Tynnfilmfordampere brukes ofte i petrokjemiske prosesser som kaustisk sodakonsentrasjon, natriumsulfidfordampning, harpikstørking og gummitørking. De gir betydelige økonomiske fordeler.
Sammenlignet med tradisjonelt utstyr som fordampningspanner i støpejern, har tynnfilm fordampende varmevekslere oppvarmet av termiske oljeovner følgende fordeler:
(1) Utstyrets fotavtrykk kan reduseres med nesten 6 %. Prosessen muliggjør mekanisert fordampning, forenkler driften og konverterer intermitterende produksjon til kontinuerlig produksjon, og forbedrer dermed industriell effektivitet.
(2) Drevet av den roterende skrapen er varmeoverføringsytelsen betydelig forbedret. Fordampningstiden på overflaten kan reduseres til mindre enn ett minutt, noe som reduserer avleiring og karbonavsetning. Produktet er mindre sannsynlig å dekomponere og er egnet for varme-sensitive materialer. Samtidig reduseres sedimentdannelsen, noe som gir enklere vedlikehold og rengjøring.
(3) Sammenlignet med fordampningspanner i støpejern, kan den støttende termiske oljeovnen redusere kullforbruket med omtrent 50 %. Den kan operere ved temperaturer opp til 300 grader samtidig som den opprettholder sikker drift under forhold uten-trykk.
(4) Utstyret er praktisk for prosessoppskalering- og kan erstatte tradisjonelle tørketromler av-type. Under stor-produksjonsutvidelse er avviket forårsaket av oppskalering relativt lite.
Imidlertid eksisterer det fortsatt noen tekniske utfordringer i praktiske applikasjoner.
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 grader).
Prosessrørledninger er vanligvis laget av sømløse rør, som kan kreve utskifting omtrent hver 30. dag. En mulig forbedring er å bruke rustfrie stålrør eller rør med korrosjons-motstandsdyktig innvendig foring, for eksempel fluorplast-forede varmevekslerrør.
I tillegg krever korrosjonsproblemer knyttet til sirkulasjonspumper også ytterligere løsninger.
2. Fjerning av begroing og mottiltak for varmevekslingsutstyr i den petrokjemiske industrien
Ifølge Steinhagen et al. viste en undersøkelse av 3000 forskjellige typer varmevekslere i New Zealand at mer enn 90 % av varmevekslerne opplevde begroingsproblemer. En sammenligning av begroingsforhold mellom ulike typer varmevekslere er vist i figur 2.
Innenlandske og internasjonale studier indikerer at den årlige kostnaden knyttet til begroingsbehandling i petroleumsraffinering og kjemisk industri når ca. 15,6 millioner, noe som resulterer i betydelige økonomiske tap og ressursforbruk.
Under faktiske driftsforhold i den petrokjemiske industrien kan dannelsesmekanismene og klassifiseringene av begroing hovedsakelig deles inn i følgende kategorier:
Modeller med korrosjonsbegroing
Størkningsbegroingsmodeller
Overflatemateriale-fremkalte modeller
Gassfase-begroingsmodeller
Begroingsmodeller for kjemisk reaksjon
Under praktisk operasjonsprediksjon og analyse kan begroing klassifiseres i henhold til disse mekanismene. Ved å velge passende varmevekslertyper i henhold til ulike driftsforhold og beregne optimale rengjøringsintervaller, kan økonomiske tap reduseres.
I tillegg, med tanke på driftsmiljøene med høy-temperatur og-høyt trykk i petrokjemiske applikasjoner, inkluderer de viktigste behandlingsmetodene:
Forbedring av varmeoverføring
Mekaniske rengjøringsmetoder
Kjemiske rengjøringsmetoder
Nettbasert overvåking og sanntids-renseteknologi
3. Feilanalyse og vedlikehold av varmevekslere i petrokjemisk industri
3.1 Forebygging av korrosjon og slitasje i varmevekslere
Under drift av varmevekslere i den petrokjemiske industrien oppstår det ofte korrosjonslekkasjeulykker. Disse feilene kan forstyrre stabil produksjon og regnes som et av de største utstyrsproblemene i petrokjemiske systemer.
Slike lekkasjeproblemer er hovedsakelig klassifisert i erosjonslekkasje og korrosjonslekkasje. Nåværende løsninger fokuserer hovedsakelig på å reparere skadet utstyr etter feil oppstår, forbedre produksjonsprosessene for å forhindre feil, og redusere utstyrsdegradering gjennom riktig valg av varmevekslermaterialer og -typer.
3.1.1 Årsaker til korrosjon og slitasje i varmevekslere
Analyse fra råstoffperspektiv
Råvarene som brukes i petrokjemisk produksjon, spesielt råolje, inneholder komplekse kjemiske komponenter. I tillegg har råolje generelt høy viskositet og inneholder faste partikler av uregelmessig størrelse.
Som et resultat er arbeidsmediet i kontakt med varmeveksleroverflater svært komplekst. Utstyret er ofte utsatt for både mekaniske skader forårsaket av fysisk friksjon og alvorlig kjemisk korrosjon.
Analyse fra perspektiv av kjemiske prosesser
The entire petrochemical production chain often involves high-temperature (>1000 grader) og høye-driftsforhold. Ulike former for korrosjon kan oppstå samtidig og samvirke med hverandre.
For eksempel er den høye strømningshastigheten som kreves under produksjonsprosesser en direkte årsak til erosjonskorrosjon, samtidig som den akselererer eksisterende korrosjonslekkasjeproblemer.
Derfor, i varmevekslerfeil, er lekkasje og korrosjon vanligvis nært beslektet og kan skape en synergistisk effekt som akselererer forringelse av utstyr.
3.1.2 Klassifisering av varmevekslerkorrosjon og slitasje og mottiltak i den petrokjemiske industrien
(1) Overflatekorrosjon og slitasje på varmevekslere
Overflatekorrosjon er den vanligste årsaken til varmevekslerrørlekkasje, og står for omtrent 90 % av tilfellene.
Prosessmediene som brukes i petrokjemisk produksjon har ofte visse nivåer av viskositet og vedheft. Høyhastighetsvæsker som inneholder faste partikler og bobler påvirker kontinuerlig varmeoverføringsoverflater, og genererer lokalt overflatetrykk på opptil 10 MPa, som kan forårsake utmattingerosjon og metalloverflateskader.
Derfor spesifiserer prosesskrav ofte at middels strømningshastighet skal være større enn 2 m/s.
(2) Elektrokjemisk korrosjon forårsaket av overflateavleiringer
Under petroleumsraffineringsprosesser har prosessmedier vanligvis høy viskositet og kan oppleve størkning under visse forhold. Dette kan føre til at materialer samler seg på varmevekslerens overflater og danner avleiringer.
De ustabile, diskontinuerlige og ujevne egenskapene til disse avsetningene kan føre til sprekker og hull. Forskjeller i oksygenkonsentrasjon mellom innsiden og utsiden av disse hullene kan utløse elektrokjemisk korrosjon.
De relaterte korrosjonsreaksjonene inkluderer hovedsakelig:
Metalloppløsningsreaksjoner, nemlig anodisk oksidasjon;
katodiske reduksjonsreaksjoner;
Progressiv utvidelse av korrosjon forårsaket av elektrokjemisk ubalanse.
(3) Korrosjon på vannsideoverflaten til varmevekslerrørene
I varmevekslersystemer brukes vann ofte som varmeoverføringsmedium, noe som gjør vann-sidekorrosjon til et vanlig problem.
De viktigste korrosjonsmekanismene inkluderer:
Reduksjon av pH-verdi;
Vanndamp penetrasjon;
Angrep forårsaket av oppløst oksygen;
Kloridion (Cl⁻) korrosjon;
Sulfidion (S²⁻) korrosjon.
Disse reaksjonene kan generelt deles inn i kjemisk korrosjon og elektrokjemisk korrosjon.
Kravene til korrosjons-bestandige materialer på vannsiden av varmevekslerrør inkluderer:
God varmeledningsevne og sterk overflatevedheft;
Utmerket motstand mot temperaturvariasjoner og tilstrekkelig hardhet;
Sterk motstand mot ionekorrosjon;
God anti-skaleringsytelse;
Utmerket motstand mot vanndamppenetrering.
3.1.3 Korrosjonsbeskyttelsesmetoder for varmevekslere
For tiden inkluderer korrosjonsbeskyttelsesmetoder for varmevekslere i den petrokjemiske industrien hovedsakelig:
(1) Offeranodebeskyttelse
Denne metoden beskytter varmevekslermaterialer ved å bruke et mer aktivt metall som offeranode for å forhindre korrosjon av hovedutstyret.
(2) Utvikling og påføring av anti-korrosjonsbelegg
Anti-korrosjonsbelegg er mye brukt i varmevekslerbeskyttelse. Ved å påføre et ekstremt tynt metallbelegg eller uorganisk belegg på kontaktflaten, kan skadelige stoffer og begroingsavleiringer effektivt isoleres.
Et ofte brukt belegg er CH-784 epoxy amino anti-korrosjonsbelegg.
(3) Forbedring av varmevekslermaterialer
For å forhindre korrosjon forårsaket av vannkvalitet og aggressive medier, kan forbedrede materialer velges.
Varmevekslere laget av rustfritt stål, kobberlegeringer og titanlegeringer gir generelt utmerket korrosjonsbestandighet. Imidlertid begrenser deres høyere materialkostnader deres anvendelse i noen bransjer.
3.2 Sveiseteknologi for reparasjon av flenssprekker i varmeveksler
For tiden er reparasjonsteknologi for kaldfusjonssveising mye brukt til industrielt feltvedlikehold.
Kaldfusjonssveiseteknologi er en ny reparasjonsteknologi utviklet basert på gass-skjermede sveiseteknikker. Det brukes ofte i reparasjon og vedlikehold av skadede varmevekslere i den petrokjemiske industrien.
Dens viktigste egenskaper inkluderer:
(1) Lav varmetilførsel og kort sveisetid
Varmen som genereres under sveising er ekstremt lav. Sveiseprosessen tar bare flere titalls millisekunder, og unngår problemer som glødende misfarging.
(2) Lite sveisebasseng og utmerket reparasjonskvalitet
Sveisebassengvolumet er mindre enn 2 mm³. Spenningsfordelingen er spredt, noe som reduserer konsentrert stress på den reparerte komponenten.
Prosessen forårsaker ikke sprekkdannelse eller deformasjon. I tillegg forhindrer inertgassbeskyttelse dannelse av porer og bobler, noe som resulterer i en jevn og ren reparert overflate.
(3) Kompakt utstyr og egnethet for-reparasjon på stedet
Sveiseutstyret er lite og egnet for sanntid-feltreparasjon.
Et bredt utvalg av sveisetråder kan velges, som tillater reparasjon av varmevekslere laget av forskjellige materialer.
4. Utsikter for fremtidig utvikling
Det er verdt å merke seg at ulike prosesskrav krever ulike typer varmevekslere. I tillegg har parallell- eller seriearrangementet av varmevekslere en betydelig innvirkning på driftsytelsen til hele prosesssystemet.
Valg og matching av komponenter er også kritiske faktorer. Pålitelighet-orientert design krever at komponenter har tilstrekkelig tilpasningsevne til å tåle ulike driftsforhold, tilfeldige belastningsendringer og spenningsvariasjoner som ofte oppstår i den petrokjemiske industrien. Dette designkonseptet gir forbedringer i forhold til begrensningene til konvensjonelle designmetoder.
Når det gjelder energisparing og utslippsreduksjon, bør fremtidig utvikling ikke bare fokusere på å forbedre varmevekslerstrukturer, men også være mer oppmerksom på utviklingen av avanserte varmevekslermaterialer.
Blant disse forskningsområdene har teknologi for overflatebelegging av varmevekslere et betydelig potensial. Den fremtidige retningen for utvikling av belegg inkluderer:
lett design;
Høy-temperatur og høy-trykkmotstand;
Utmerket korrosjonsbestandighet;
Lavere produksjonskostnader;
Mer økonomisk drift og vedlikehold.
For tiden er utviklingen av simuleringsteknologier og ingeniørprogramvare også i ferd med å bli en viktig forskningsretning. Disse teknologiene kan gi effektiv veiledning for forutsigelse av begroing, optimalisering av rensesyklusen og evaluering av driftsytelse.
