Astrattu
Cù u sviluppu di l'industrializazione muderna, l'industria bassu -carbonu hè diventata una tendenza inevitabbile. In diversi campi industriali, scambiatori di calore à alta -efficienza è risparmiu energeticu- sò stati sviluppati per rimpiazzà l'equipaggiu tradiziunale di scambiu di calore. Tuttavia, a migliurà a prestazione di i scambiatori di calore solu ùn pò micca ottene l'effettu ottimali di risparmiu energeticu -per tuttu u sistema di produzzione.
Basatu nantu à e cundizioni di u funziunamentu attuale in l'industria petrochimica, stu documentu rivista l'ambienti di l'applicazione di diversi tipi di scambiatori di calore, u sviluppu di tecnulugii di risparmiu energeticu -, è ancu u prugressu di ricerca in a rimozione di fouling è u trattamentu di difetti. Novi direzzione di ricerca sò ancu pruposti.
Un scambiatore di calore, cunnisciutu ancu cum'è scambiatore termale, hè un dispositivu utilizatu principalmente per ottene u trasferimentu di calore trà diversi fluidi. Duranti a pruduzzione petrochimica, i media di prucessu spessu necessitanu esse riscaldati o rinfriscati. Sicondu e diverse cundizioni operative è esigenze di produzzione, i varii tipi di scambiatori di calore ponu esse selezziunati per assicurà chì i fluidi di prucessu righjunghjenu i livelli di temperatura richiesti è risponde à i requisiti di i prucessi di reazzione chimica.
Per via di i so principii di funziunamentu è e funzioni, i scambiatori di calore ghjucanu un rolu impurtante in tuttu u prucessu di raffinazione. Sò l'equipaggiu chjave per assicurà un cuntrollu di temperatura propiu di i fluidi di prucessu, mantene un funziunamentu stabile di i sistemi di raffinazione, è ricuperà u calore residuale per a cunservazione di l'energia. Inoltre, perchè l'equipaggiu di scambiu di calore hè largamente utilizatu in l'industria petrochimica, rapprisenta una proporzione significativa di i costi d'investimentu di l'equipaggiu. U cunsumu energeticu cunnessu è e perdite di metalli sò ancu fatturi maiò chì necessitanu attenzione.
1. Prugressu Applicazioni di scambiatori di calore in l'Industria Petrochimica
1.1 Applicazione di scambiatori di calore Heat Pipe in Recuperazione di Calore Rifiuti
I scambiatori di calore di tubi di calore sò stati applicati cù successu in cundizioni duri di ricuperazione di u calore di i rifiuti in l'industria petrolifera, in particulare in prucessi chì implicanu carburanti altu -zufre.
In i prucessi di produzzione petrochimica, l'equipaggiu di riscaldamentu è di cracking à alta -temperatura hè essenziale. Per esempiu, in a pruduzzione di olefine ligeri, i forni di cracking di nafta di petroliu à alta -temperature sò comunmente usati. A temperatura di u gasu di u gasu di sti furnace pò ghjunghje à 200-400 gradi. A causa di l'ambiente operativu severu, u gasu di scartu generatu ùn pò micca esse scaricatu direttamente in l'atmosfera.
I scambiatori di calore di tubi di calore di preriscaldamentu di l'aria ponu utilizà u calore residuale da i gasi di scarico per preriscaldare l'aria di combustione, migliurà l'efficienza energetica è riducendu a contaminazione ambientale.
Nta l'ultimi anni, diverse cumminazzioni di scambiatori di calore tubulari sò state largamente aduttate in u paese è à l'internaziunale per ottene un megliu rendimentu di risparmiu -energeticu è di ricuperazione di u calore residuale. U prucessu di pruduzzione principale hè mostratu in Figura 1.
1.2 Applicazione di Scambiatori di Calore Helical Baffle in Processi di Raffreddamentu è Scambiu di Calore
U scambiatore di calore à baffle elicoidale hè un novu tipu d'equipaggiu di scambiu di calore à alta -efficienza. U so cuncettu hè urigginatu da a struttura di scambiatore di calore di piastra spirale pruposta da a cumpagnia di Rosenbland di Svezia in u 1930, chì hè stata successivamente patentata. In seguitu, i paesi, cumpresu u Regnu Unitu, i Stati Uniti, a Germania è l'ex Unioni Suviètica anu sviluppatu è fabricatu equipaghji simili.
Cina hà cuminciatu à introduci è applicà sta tecnulugia in l'industria chimica durante l'anni 1950. Versu a mità di l'anni 1960, i pruduttori domestici avianu ottinutu a produzzione di massa per i prucessi di rolling. In u 1973, a Cina hà cumpilatuManuale di scelta per i disegni di scambiatori di calore a piastre a spirale. L'ultimu standard, JB/T4751Scambiatore di calore a piastre a spirale(edizione 2003), rapprisenta u livellu di sviluppu di a tecnulugia di scambiatori di calore di piastra spirale in Cina.
In cunfrontu cù i scambiatori di calore tradiziunali, i scambiatori di calore di piastra spirale anu vantaghji chì includenu coefficienti di trasferimentu di calore più altu è capacità di auto{0}}pulizia causata da turbulenza di fluidi, chì aiuta à prevene l'accumulazione di sedimenti.
Per quessa, in l'industria petrochimica, i scambiatori di calore spirali sò usati principalmente per i prucessi di riscaldamentu è di rinfrescante chì implicanu gasoline, gasoil, acqua ammoniaca, acqua di cloru, salamoia, acidi forti, alkali forti è nitrogenu -idrogenu-ammonia mistu gasi.
Sò ancu largamente applicati in sistemi di riscaldamentu, rinfrescante, condensazione è reboiling per alcoli, resine, urea, picculi monomeri molecolari, olefine polimerizzate è prudutti intermedii rilativi.
Hao Zhenliang et al. hà studiatu sperimentalmente a relazione trà a caduta di pressione laterale è a velocità di flussu, a variazione di a prestazione di trasferimentu di calore cunvective laterale cù u numeru Reynolds (Re) è u numeru Nusselt (Nu), è u coefficiente di trasferimentu di calore laterale in cundizzioni di caduta di pressione unità per scambiatori di calore di baffle elicoidali è segmentali.
A so ricerca furnia una guida per a selezzione di l'equipaggiu in diverse cundizioni operative. I cunclusioni principali sò i seguenti:
(1) In u listessu numeru Reynolds cundizzioni, u cunchiglia -coefficient di trasferimentu di calore cunvective latu di scambiatori di calore di baffle segmentali hè più altu ch'è quellu di scambiatori di calore di baffle helical.
(2) Sottu à u listessu diametru di cunchiglia è e cundizioni di u flussu, a caduta di pressione laterale -di scambiatori di calore di baffle helical hè correlata negativamente cù l'angolo helical. Tuttavia, indipendentemente da l'angolo elicoidale sceltu, a caduta di pressione resta più bassu di quella di scambiatori di calore di baffle segmentali.
(3) Differenti da i dui cunclusioni sopra, quandu si cunsiderà a prestazione di trasferimentu di calore per unità di caduta di pressione, u coefficient di trasferimentu di calore cunvective di cunchiglia -laterale di scambiatori di calore helical baffle hè più altu. Quandu l'angolo elicoidale hè di circa 40 gradi, u coefficientu di trasferimentu di calore cunvective righjunghji u so valore massimu, risultatu in u più altu rendiment di trasferimentu di calore generale.
1.3 Applicazione di -risparmio energeticu di scambiatori di calore à piastre di alta-efficienza in a raffinazione di l'oliu
In raffinerie di petroliu di medie è grande -scala, ci ponu esse circa 400 scambiatori di calore di varii tipi. Questi sistemi sò spessu operanu sottu pressione alta è cundizioni di temperatura alta. In u mondu sanu, i scambiatori di calore di cunchiglia -è-tubi anu righjuntu livelli operativi di pressione di 8.4 MPa è temperatura di 1500 gradi, cù spazii di trasferimentu di calore chì righjunghjenu sin'à 6.700 m².
A causa di l'alti costi di custruzzione di e piattaforme petrolifere offshore, i scambiatori di calore à piastre saldate sò stati largamente utilizati in a produzzione di petroliu offshore per via di a so struttura compatta, di u disignu ligeru, di un eccellente rendimentu di trasferimentu di calore è di u costu più bassu.
E so applicazioni principali includenu u rinfrescante di l'oliu lubrificante meccanicu è l'acqua dolce (cum'è l'acqua di rinfrescamentu di a giacca di u mutore). In i campi petroliferi, ponu ancu esse utilizati per u riscaldamentu di u petroliu crudu è altri prucessi.
A sfida principale hè in u disignu è u calculu di sistemi di prucessu. In a pruduzzione attuale, i perditi di energia sò spessu causati da un disignu di prucessu irragionevule.
Chen Jianwei et al. hà realizatu una ricerca teorica nantu à u calculu di a caduta di pressione di i scambiatori di calore à piastra di raffreddamentu utilizati in applicazioni petrolchimiche. Basatu nantu à e caratteristiche di i scambiatori di calore è i principii di trasferimentu di calore, supponenu chì a fase di liquidu longu u canali di flussu aumenta linearmente è stabilitu relazioni trà a lunghezza di u canali di flussu, a qualità di u vapore di massa attuale è a qualità di u vapore volumetricu. I risultati di u calculu eranu coherenti cù i dati pratichi di u funziunamentu.
I cunclusioni principali sò i seguenti:
(1) In cundizzioni di mudificazione di fase -, quandu u calculu di a caduta di pressione di fluidu, u fluidu deve esse cunsideratu cum'è un flussu di dui-fasi o multifasi. I mudelli di flussu monofase o di flussu omogeni ùn devenu esse usatu cum'è sustituti per i calculi di flussu multifase. Un mudellu di flussu separatu deve esse applicatu.
(2) Durante i prucessi di rinfrescamentu in l'industria petrochimica, pò esse a cundensazione parziale, risultatu in a furmazione di film liquidi nantu à e superfici di trasferimentu di calore. Dunque, quandu selezziunate scambiatori di calore compacti cum'è scambiatori di calore di piastra -fin, ottene un disignu raghjone è ecunomicu richiede a cunsiderazione di parametri strutturali. Basta aumentà l'area di trasferimentu di calore è aghjunghje margini di sicurezza ùn hè micca abbastanza.
1.4 Applicazione di Evaporators Film Thin in i prucessi di cuncentrazione è di secca
L'evaporatori di film sottili sò cumunimenti usati in i prucessi petrochimichi cum'è a cuncentrazione di soda caustica, l'evaporazione di sulfuru di sodiu, l'asciugatura di resina è l'asciugatura di gomma. Anu furnisce benefici ecunomichi significativi.
In cunfrontu cù l'equipaggiu tradiziunale, cum'è i pani di evaporazione in ghisa, i scambiatori di calore evaporativi di film sottile riscaldati da i forni d'oliu termale anu i seguenti vantaghji:
(1) L'impronta di l'equipaggiu pò esse ridutta da quasi 6%. U prucessu permette l'evaporazione meccanizzata, simplificà u funziunamentu, è cunverte a produzzione intermittente in una pruduzzione cuntinua, migliurà cusì l'efficienza industriale.
(2) Impulsatu da u scraper rotativu, u rendiment di trasferimentu di calore hè significativamente migliuratu. U tempu di evaporazione nantu à a superficia pò esse ridutta à menu di un minutu, riducendu a scala è a deposizione di carbone. U pruduttu hè menu prubabile di descompone è hè adattatu per i materiali sensibili à u calore -. À u listessu tempu, a furmazione di sedimentu hè ridutta, risultante in mantenimentu è pulizia più faciule.
(3) In cunfrontu cù i pani di evaporazione di ghisa, u fornu d'oliu termale di supportu pò riduce u cunsumu di carbone di circa 50%. Puderà funziunà à temperature sin'à 300 gradi mentre mantene un funziunamentu sicuru in cundizioni senza -pressurized.
(4) L'attrezzatura hè cunvene per u disignu di scala di prucessu -up è pò rimpiazzà l'asciugatrici tradiziunali di tippu di bollitore-. Durante l'espansione di a produzzione à grande -scala, a deviazione causata da a scala hè relativamente chjuca.
Tuttavia, alcune sfide tecniche esistenu sempre in applicazioni pratiche.
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 gradi).
I pipelines di prucessu sò generalmente fatti di tubi senza saldatura, chì ponu esse bisognu di rimpiazzamentu circa ogni 30 ghjorni. Una migliione pussibule hè di utilizà tubi d'acciaio inossidabile o tubi cù rivestimenti interni resistenti à a corrosione -, cum'è tubi di scambiatori di calore rivestiti di fluoroplastica-.
Inoltre, i prublemi di corrosione assuciati à e pompe di circulazione necessitanu ancu più suluzioni.
2. Fouling Removal and Countermeasures for Heat Exchange Equipment in l'Industria Petrochimica
Sicondu Steinhagen et al., Un sondaghju di 3000 sfarenti tippi di scambiatori di calore in Nova Zelanda hà dimustratu chì più di 90% di scambiatori di calore anu avutu prublemi di fouling. Un paragone di e cundizioni di fouling trà i diversi tipi di scambiatori di calore hè mostratu in Figura 2.
Studi domestici è internaziunali indicanu chì u costu annuale assuciatu à u trattamentu di fouling in l'industria chimica è di raffinazione di u petroliu righjunghji à circa 15,6 milioni, risultatu in perdite ecunomiche significative è cunsumu di risorse.
In e cundizioni attuali di u funziunamentu in l'industria petrochimica, i meccanismi di furmazione è classificazioni di fouling ponu esse principarmenti divisi in e seguenti categurie:
Modelli di corrosione di fouling
Modelli di solidificazione di fouling
Materiale di superficia-modelli di fouling induttu
Modelli di fouling in fase di gas{0}
Modelli di incrustazioni di reazzione chimica
Durante a prediczione è l'analisi di l'operazione pratica, u fouling pò esse classificatu secondu questi miccanismi. Selezziunate i tipi di scambiatori di calore adattati secondu e diverse cundizioni operative è calculendu intervalli di pulizia ottimali, e perdite economiche ponu esse ridutte.
Inoltre, cunziddi l'ambienti operativi di alta -temperatura è alta-pressione in applicazioni petrochimiche, i metudi di trattamentu principali includenu:
Aumento di u trasferimentu di calore
I metudi di pulizia meccanica
I metudi di pulizia chimica
Monitoraghju in ligna è tecnulugia di pulizia in -tempu reale
3. Analisi di fallimentu è Mantenimentu di scambiatori di calore in l'Industria Petrochimica
3.1 Prevenzione di Corrusione è Usura in Scambiatori di Calore
Durante l'operazione di scambiatori di calore in l'industria petrochimica, i accidenti di fuga di corrosione sò spessu. Questi fallimenti ponu interrompe a produzzione stabile è sò cunsiderate unu di i prublemi maiò di l'equipaggiu in i sistemi petrochimici.
Tali prublemi di perdite sò principarmenti classificati in fuga di l'erosione è fuga di corrosione. E soluzioni attuali si concentranu principalmente nantu à a riparazione di l'equipaggiu dannatu dopu à i fallimenti, à migliurà i prucessi di produzzione per prevene i fallimenti, è à riduce a degradazione di l'equipaggiu attraversu una selezzione curretta di materiali è tipi di scambiatori di calore.
3.1.1 Causes of Corrosion and Wear in Heat Exchangers
Analisi da a perspettiva di a materia prima
A materia prima utilizata in a pruduzzione petrochimica, in particulare u petroliu crudu, cuntene cumpunenti chimichi cumplessi. Inoltre, u petroliu crudu hà generalmente una viscosità alta è cuntene particelle solide di dimensioni irregulari.
In u risultatu, u mediu di travagliu in cuntattu cù a superficia di scambiatori di calore hè assai cumplessu. L'equipaggiu hè spessu sottumessu à i danni meccanichi causati da a frizione fisica è a corrosione chimica severa.
Analisi da a perspettiva di i prucessi chimichi
The entire petrochemical production chain often involves high-temperature (>1000 gradi ) è alta -pressione di u funziunamentu. Diverse forme di corrosione ponu accade simultaneamente è interagisce cù l'altri.
Per esempiu, l'alta velocità di flussu necessariu durante i prucessi di produzzione hè una causa diretta di corrosione di l'erosione, mentre chì accelera ancu i prublemi di fuga di corrosione esistenti.
Dunque, in i fallimenti di scambiatori di calore, a fuga è a corrosione sò generalmente strettamente ligati è ponu creà un effettu sinergicu chì accelera u deterioramentu di l'equipaggiu.
3.1.2 Classificazione di Corrusione è Usura di Scambiatori di Calore è Contramisuri in l'Industria Petrochimica
(1) Corrusione superficiale è usura di scambiatori di calore
A corrosione di a superficia hè a causa più cumuna di a fuga di tubu di scambiatore di calore, cuntendu circa 90% di i casi.
I media di prucessu utilizati in a produzzione petrochimica sò spessu certi livelli di viscosità è aderenza. I fluidi à alta -velocità chì cuntenenu particelle solide è bolle impactanu continuamente e superfici di trasferimentu di calore, generendu pressioni di a superficia lucali di finu à 10 MPa, chì ponu causà l'erosione di fatigue è danni di a superficia metallica.
Dunque, i bisogni di u prucessu spessu specificanu chì a velocità di u flussu mediu deve esse più grande di 2 m/s.
(2) Corrusione elettrochimica causata da dipositi di a superficia
Durante i prucessi di raffinazione di u petroliu, i media di processu sò generalmente viscosità alta è ponu sperimentà a solidificazione in certi cundizioni. Questu pò causà materiali per accumulà nantu à a superficia di scambiatori di calore è formanu dipositi.
E caratteristiche inestabile, discontinue è irregolari di questi dipositi pò purtà à cracks è spazii. Differenze in a cuncentrazione di l'ossigenu trà l'internu è l'esternu di questi spazii ponu innescà a corrosione elettrochimica.
E reazioni di corrosione cunnesse includenu principalmente:
Reazioni di dissoluzione di metalli, vale à dì l'ossidazione anodica;
riazzioni di riduzzione catodica;
L'espansione progressiva di a corrosione causata da un sbilanciamentu elettrochimicu.
(3) Corrusione nantu à a superficia di l'acqua di i tubi di scambiatori di calore
In i sistemi di scambiu di calore, l'acqua hè spessu usata cum'è u mediu di trasferimentu di calore, facendu chì a corrosione laterale di l'acqua -è un prublema cumuni.
I principali meccanismi di corrosione includenu:
Riduzzione di u valore di pH;
penetrazione di vapore d'acqua;
Attaccu causatu da l'ossigenu dissolutu;
corrosione di ioni di cloruri (Cl⁻);
Corrusione di ioni sulfuri (S²⁻).
Sti riazzioni pò esse divisu in generale in corrosione chimica è corrosione elettrochimica.
I requisiti per i materiali resistenti à a corrosione -in u latu di l'acqua di i tubi di scambiatori di calore includenu:
Bona conductività termale è forte aderenza di a superficia;
Eccellente resistenza à variazioni di temperatura è durezza abbastanza;
Forte resistenza à a corrosione ionica;
Bona prestazione anti-scaling;
Eccellente resistenza à a penetrazione di vapore d'acqua.
3.1.3 Metodi di Prutezzione di Corrusione per Scambiatori di Calore
Attualmente, i metudi di prutezzione di a corrosione per i scambiatori di calore in l'industria petrochimica includenu principalmente:
(1) Prutezzione di l'anodu sacrificale
Stu metudu prutege i materiali scambiatori di calore utilizendu un metale più attivu cum'è un anodu sacrificale per prevene a corrosione di l'equipaggiu principale.
(2) Sviluppu è applicazione di rivestimenti anti-corrosione
I rivestimenti anti-corrusioni sò largamente usati in a prutezzione di scambiatori di calore. Appliendu un revestimentu metallicu estremamente sottile o un revestimentu inorganicu nantu à a superficia di cuntattu, i sustanzi dannosi è i dipositi di fouling ponu esse isolati in modu efficace.
Un revestimentu cumunimenti usatu hè u sistema di revestimentu anti-corrosione CH-784 epoxy amino.
(3) Migliuramentu di i materiali scambiatori di calore
Per prevene a corrosione causata da a qualità di l'acqua è i media aggressivi, ponu esse selezziunati materiali megliu.
Scambiatori di calore fatti di l'acciaio inossidabile, leghe di rame è di titaniu generalmente furniscenu una eccellente resistenza à a corrosione. Tuttavia, i so costi di materiale più altu limitanu a so applicazione in certi industrii.
3.2 Tecnulugia di Saldatura per a Riparazione di Crack di Flange di Scambiatore di Calore
Attualmente, a tecnulugia di riparazione di saldatura à fusione fridda hè largamente usata per u mantenimentu di u campu industriale.
A tecnulugia di saldatura à fusione à fredda hè una nova tecnulugia di riparazione sviluppata basatu annantu à tecnichi di saldatura di gas{0}}protettu. Hè spessu appiicata in a riparazione è u mantenimentu di scambiatori di calore dannighjati in l'industria petrochimica.
E so caratteristiche principali includenu:
(1) Ingressu di calore bassu è cortu tempu di saldatura
U calore generatu durante a saldatura hè estremamente bassu. U prucessu di saldatura dura solu parechji decine di millisecondi, evitendu prublemi cum'è a decolorazione di l'annealing.
(2) Piccola piscina di saldatura è eccellente qualità di riparazione
U voluminu di a piscina di saldatura hè menu di 2 mm³. A distribuzione di stress hè dispersa, riducendu u stress cuncentratu nantu à u cumpunente riparatu.
U prucessu ùn causa micca cracking o deformazione. In più, a prutezzione di gas inerte impedisce a furmazione di pori è bolle, risultatu in una superficia riparata liscia è pulita.
(3) Equipamentu compactu è adattazione per a riparazione in -situ
L'attrezzatura di saldatura hè chjuca è adatta per a riparazione di u campu in -tempu reale.
Una larga gamma di fili di saldatura pò esse selezziunata, chì permettenu a riparazione di scambiatori di calore fatti da diverse materiali.
4. Future Development Outlook
Vale a pena nutà chì e diverse esigenze di prucessu necessitanu diversi tipi di scambiatori di calore. Inoltre, l'arrangementu parallelu o serie di scambiatori di calore hà un impattu significativu nantu à u funziunamentu di u funziunamentu di tuttu u sistema di prucessu.
A selezzione è a cuncurrenza di cumpunenti sò ancu fattori critichi. U disignu orientatu à l'affidabilità-esige chì i cumpunenti anu una adattabilità sufficiente per sustene diverse cundizioni operative, cambiamenti di carica casuali è variazioni di stress cumunimenti incontrati in l'industria petrochimica. Stu cuncettu di cuncepimentu furnisce miglioramenti annantu à e limitazioni di i metudi di cuncepimentu convenzionale.
In quantu à a cunservazione di l'energia è a riduzzione di emissioni, u sviluppu futuru ùn deve micca solu fucalizza nantu à a migliurà e strutture di scambiatori di calore, ma ancu pagà più attenzione à u sviluppu di materiali avanzati di scambiatori di calore.
Trà questi spazii di ricerca, a tecnulugia di rivestimentu di superficia di scambiatore di calore hà un putenziale significativu. A direzzione futura di u sviluppu di u revestimentu include:
Disegnu liggeru;
Alta -temperatura è alta -resistenza di pressione;
Eccellente resistenza à a corrosione;
Costi di fabricazione più bassi;
Operazione è mantenimentu più economica.
Attualmente, u sviluppu di tecnulugii di simulazione è software di ingegneria hè ancu diventatu una direzzione di ricerca impurtante. Queste tecnulugii ponu furnisce una guida efficace per a predizione di fouling, l'ottimisazione di u ciclu di pulizia è a valutazione di u rendiment operativu.
