Resumo
Co desenvolvemento da industrialización moderna, a industria baixa-de carbono converteuse nunha tendencia inevitable. En varios campos industriais, desenvolvéronse intercambiadores de calor de alta-eficiencia e aforro-enerxético para substituír os equipos de intercambio de calor tradicionais. Non obstante, mellorar o rendemento dos intercambiadores de calor por si só non pode conseguir o efecto de aforro-de enerxía óptimo para todo o sistema de produción.
Baseándose nas condicións de funcionamento reais da industria petroquímica, este documento revisa os ambientes de aplicación de diferentes tipos de intercambiadores de calor, o desenvolvemento de tecnoloxías de-aforro de enerxía, así como o progreso da investigación na eliminación de incrustacións e tratamento de avarías. Tamén se propón novas direccións de investigación.
Un intercambiador de calor, tamén coñecido como intercambiador térmico, é un dispositivo utilizado principalmente para conseguir a transferencia de calor entre diferentes fluídos. Durante a produción petroquímica, os medios de proceso a miúdo necesitan ser quentados ou arrefriados. Segundo as diferentes condicións de funcionamento e requisitos de produción, pódense seleccionar varios tipos de intercambiadores de calor para garantir que os fluídos do proceso alcancen os niveis de temperatura necesarios e cumpran os requisitos dos procesos de reacción química.
Debido aos seus principios e funcións de funcionamento, os intercambiadores de calor xogan un papel importante ao longo de todo o proceso de refino. Son equipos fundamentais para garantir un correcto control da temperatura dos fluídos do proceso, manter o funcionamento estable dos sistemas de refino e recuperar a calor residual para aforrar enerxía. Ademais, debido a que o equipo de intercambio de calor é amplamente utilizado na industria petroquímica, representa unha proporción importante dos custos de investimento dos equipos. O consumo enerxético relacionado e as perdas de metais tamén son factores importantes que requiren atención.
1. Progreso da aplicación dos intercambiadores de calor na industria petroquímica
1.1 Aplicación dos intercambiadores de calor de tubos de calor na recuperación de calor residual
Os intercambiadores de calor por tubos de calor aplicáronse con éxito en condicións duras de recuperación de calor residual na industria do petróleo, especialmente en procesos que implican combustibles con alto-xofre.
Nos procesos de produción petroquímica, son esenciais os equipos de calefacción e de craqueo a alta-temperatura. Por exemplo, na produción de olefinas lixeiras utilízanse habitualmente fornos de craqueo de nafta de petróleo de alta-temperatura. A temperatura dos gases de escape destes fornos pode alcanzar os 200-400 graos. Debido ao severo ambiente operativo, o gas residual xerado non pode ser descargado directamente á atmosfera.
Os intercambiadores de calor de tubos de calor de prequecemento do aire poden utilizar a calor residual dos gases de escape para quentar o aire de combustión, mellorando a eficiencia enerxética e reducindo a contaminación ambiental.
Nos últimos anos, varias combinacións de intercambiadores de calor tubulares adoptáronse amplamente tanto a nivel nacional como internacional para conseguir un mellor aforro{0}}enerxético e un rendemento de recuperación de calor residual. O principal proceso de produción móstrase na figura 1.
1.2 Aplicación dos intercambiadores de calor con deflector helicoidal en procesos de refrixeración e intercambio de calor
O intercambiador de calor con deflector helicoidal é un novo tipo de equipo de intercambio de calor de alta-eficiencia. O seu concepto orixinouse a partir da estrutura do intercambiador de calor de placas en espiral proposta pola empresa sueca Rosenbland en 1930, que foi posteriormente patentada. Máis tarde, países como o Reino Unido, os Estados Unidos, Alemaña e a antiga Unión Soviética desenvolveron e fabricaron equipos similares.
China comezou a introducir e aplicar esta tecnoloxía na industria química durante a década de 1950. A mediados da década de 1960, os fabricantes nacionais lograran unha produción en masa mediante procesos de laminación. En 1973, China compilou oManual de selección de planos de intercambiadores de calor de placas en espiral. O último estándar, JB/T4751Intercambiador de calor de placas en espiral(edición de 2003), representa o nivel de desenvolvemento da tecnoloxía do intercambiador de calor de placas en espiral en China.
En comparación cos intercambiadores de calor tradicionais, os intercambiadores de calor de placas en espiral teñen vantaxes, incluíndo coeficientes de transferencia de calor máis elevados e capacidade de auto{0}}limpeza causada pola turbulencia do fluído, o que axuda a evitar a acumulación de sedimentos.
Polo tanto, na industria petroquímica, os intercambiadores de calor de placas en espiral utilízanse principalmente para procesos de quecemento e refrixeración que inclúen gasolina, combustible diésel, auga con amoníaco, auga con cloro, salmoira, ácidos fortes, álcalis fortes e gases mixtos de nitróxeno-hidróxeno-amoníaco.
Tamén se aplican amplamente en sistemas de quecemento, arrefriamento, condensación e rebulición de alcohois, resinas, urea, pequenos monómeros moleculares, olefinas polimerizadas e produtos intermedios relacionados.
Hao Zhenliang et al. estudou experimentalmente a relación entre a caída-de presión do lado da casca e o caudal, a variación do rendemento da transferencia de calor convectiva-lado da casca co número de Reynolds (Re) e o número de Nusselt (Nu) e o coeficiente de transferencia de calor- do lado da casca en condicións de caída de presión unitaria para os intercambiadores de calor deflectores helicoidais e segmentos.
A súa investigación proporcionou orientación para a selección de equipos en diferentes condicións de funcionamento. As principais conclusións son as seguintes:
(1) Baixo as mesmas condicións de número de Reynolds, o coeficiente de transferencia de calor convectiva-lado de envoltura dos intercambiadores de calor deflectores segmentarios é maior que o dos intercambiadores de calor deflectores helicoidais.
(2) Baixo as mesmas condicións de diámetro e caudal da capa, a caída de presión-lado da capa dos intercambiadores de calor deflectores helicoidais está correlacionada negativamente co ángulo helicoidal. Non obstante, independentemente do ángulo helicoidal seleccionado, a caída de presión segue sendo menor que a dos intercambiadores de calor deflectores segmentarios.
(3) A diferenza das dúas conclusións anteriores, ao considerar o rendemento da transferencia de calor por unidade de caída de presión, o coeficiente de transferencia de calor convectiva-lado da casca dos intercambiadores de calor con deflector helicoidal é maior. Cando o ángulo helicoidal é de aproximadamente 40 graos, o coeficiente de transferencia de calor convectiva alcanza o seu valor máximo, obtendo o maior rendemento global de transferencia de calor.
1.3 Aplicación de-aforro enerxético de intercambiadores de calor de placas de alta-eficiencia na refinación de petróleo
Nas refinerías de petróleo a mediana e grande{0}}escala, pode haber uns 400 intercambiadores de calor de varios tipos. Estes sistemas adoitan funcionar en condicións de alta presión e alta temperatura. A nivel internacional, os intercambiadores de calor-e-tubulares alcanzaron niveis de funcionamento de 8,4 MPa de presión e 1500 graos de temperatura, con áreas de transferencia de calor de ata 6.700 m².
Debido aos altos custos de construción das plataformas petrolíferas offshore, os intercambiadores de calor de placas soldadas foron amplamente utilizados na produción de petróleo offshore debido á súa estrutura compacta, deseño lixeiro, excelente rendemento de transferencia de calor e menor custo.
As súas principais aplicacións inclúen o aceite lubricante mecánico de refrixeración e auga doce (como a auga de refrixeración da camisa do motor). Nos campos petrolíferos, tamén se poden utilizar para a calefacción de petróleo cru e outros procesos.
O principal reto reside no deseño e cálculo de sistemas de procesos. Na produción real, as perdas de enerxía son moitas veces causadas por un deseño de procesos non razoable.
Chen Jianwei et al. realizou investigacións teóricas sobre o cálculo da caída de presión dos intercambiadores de calor de placas de refrixeración utilizados en aplicacións petroquímicas. Baseándose nas características dos intercambiadores de calor e os principios de transferencia de calor, asumiron que a fase líquida ao longo da canle de fluxo aumenta de forma lineal e estableceron relacións entre a lonxitude da canle de fluxo, a calidade real do vapor de masa e a calidade do vapor volumétrico. Os resultados do cálculo foron consistentes cos datos operativos prácticos.
As principais conclusións son as seguintes:
(1) En condicións de-cambio de fase, ao calcular a caída de presión do fluído, o fluído debe considerarse como un fluxo bi-ou multifásico. Os modelos de fluxo-monofásico ou de fluxo homoxéneo non deben utilizarse como substitutos dos cálculos de fluxo multifásico. Debe aplicarse un modelo de fluxo separado.
(2) Durante os procesos de refrixeración na industria petroquímica, pode producirse unha condensación parcial, que provoca a formación de películas líquidas nas superficies de transferencia de calor. Polo tanto, ao seleccionar intercambiadores de calor compactos, como os intercambiadores de calor de placas-aletas, conseguir un deseño razoable e económico require a consideración de parámetros estruturais. Simplemente aumentar a área de transferencia de calor e engadir marxes de seguridade non é suficiente.
1.4 Aplicación de evaporadores de película fina en procesos de concentración e secado
Os evaporadores de película fina úsanse habitualmente en procesos petroquímicos como a concentración de sosa cáustica, a evaporación de sulfuro de sodio, o secado de resinas e o secado de caucho. Proporcionan importantes beneficios económicos.
En comparación cos equipamentos tradicionais, como as tixolas de evaporación de ferro fundido, os intercambiadores de calor evaporativos de película delgada quentados por fornos de aceite térmico teñen as seguintes vantaxes:
(1) A pegada do equipo pódese reducir case un 6%. O proceso permite a evaporación mecanizada, simplifica o funcionamento e converte a produción intermitente en produción continua, mellorando así a eficiencia industrial.
(2) Impulsado polo rascador rotativo, o rendemento da transferencia de calor mellora significativamente. O tempo de evaporación na superficie pode reducirse a menos dun minuto, reducindo a incrustación e a deposición de carbono. É menos probable que o produto se descompoña e é adecuado para materiais-sensibles á calor. Ao mesmo tempo, a formación de sedimentos redúcese, o que resulta nun mantemento e limpeza máis fáciles.
(3) En comparación coas tixolas de evaporación de ferro fundido, o forno de aceite térmico de apoio pode reducir o consumo de carbón en aproximadamente un 50%. Pode funcionar a temperaturas de ata 300 graos mentres mantén un funcionamento seguro en condicións sen-presión.
(4) O equipo é conveniente para o proceso de deseño-ascendente e pode substituír os secadores tradicionais do tipo chaleira-. Durante a expansión da produción a gran-escala, a desviación causada pola ampliación é relativamente pequena.
Non obstante, aínda existen algúns retos técnicos nas aplicacións prácticas.
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 graos).
As conducións de proceso adoitan estar feitas de tubos sen costura, que poden requirir substitución aproximadamente cada 30 días. Unha posible mellora é utilizar tubos de aceiro inoxidable ou tubos con revestimentos internos resistentes á corrosión-, como tubos intercambiadores de calor revestidos de fluoroplástico-.
Ademais, os problemas de corrosión asociados ás bombas de circulación tamén requiren máis solucións.
2. Eliminación de ensuciamento e contramedidas para equipos de intercambio de calor na industria petroquímica
Segundo Steinhagen et al., unha enquisa de 3.000 tipos diferentes de intercambiadores de calor en Nova Zelanda mostrou que máis do 90% dos intercambiadores de calor experimentaron problemas de ensuciamento. Na Figura 2 móstrase unha comparación das condicións de ensuciamento entre diferentes tipos de intercambiadores de calor.
Estudos nacionais e internacionais indican que o custo anual asociado ao tratamento de ensuciamento nas industrias químicas e de refino de petróleo alcanza aproximadamente os 15,6 millóns, o que supón importantes perdas económicas e consumo de recursos.
En condicións de funcionamento reais na industria petroquímica, os mecanismos de formación e clasificacións de ensuciamento pódense dividir principalmente nas seguintes categorías:
Modelos de ensuciamento por corrosión
Modelos de ensuciamento de solidificación
Modelos de ensuciamento-inducidos por materiais de superficie
Modelos de-ensuciamento en fase gaseosa
Modelos de ensuciamento de reaccións químicas
Durante a predicción e análise de operacións prácticas, o ensuciamento pódese clasificar segundo estes mecanismos. Seleccionando os tipos de intercambiadores de calor axeitados segundo as diferentes condicións de funcionamento e calculando os intervalos de limpeza óptimos, pódense reducir as perdas económicas.
Ademais, tendo en conta os ambientes operativos de alta-temperatura e alta-presión en aplicacións petroquímicas, os principais métodos de tratamento inclúen:
Mellora da transferencia de calor
Métodos de limpeza mecánica
Métodos de limpeza química
Vixilancia en liña e tecnoloxías de limpeza-en tempo real
3. Análise de avarías e mantemento de intercambiadores de calor na industria petroquímica
3.1 Prevención da corrosión e do desgaste nos intercambiadores de calor
Durante o funcionamento dos intercambiadores de calor na industria petroquímica, con frecuencia ocorren accidentes de fugas de corrosión. Estes fallos poden interromper a produción estable e considéranse un dos principais problemas dos equipos nos sistemas petroquímicos.
Tales problemas de fugas clasifícanse principalmente en fugas por erosión e fugas por corrosión. As solucións actuais céntranse principalmente en reparar equipos danados despois de producirse fallos, mellorar os procesos de produción para evitar fallos e reducir a degradación dos equipos mediante a selección adecuada de materiais e tipos de intercambiadores de calor.
3.1.1 Causas de corrosión e desgaste nos intercambiadores de calor
Análise desde a perspectiva das materias primas
As materias primas utilizadas na produción petroquímica, especialmente o petróleo cru, conteñen compoñentes químicos complexos. Ademais, o cru ten xeralmente unha alta viscosidade e contén partículas sólidas de tamaños irregulares.
Como resultado, o medio de traballo en contacto coas superficies do intercambiador de calor é moi complexo. O equipo adoita estar sometido a danos mecánicos causados pola fricción física e á corrosión química severa.
Análise desde a perspectiva dos procesos químicos
The entire petrochemical production chain often involves high-temperature (>1000 graos) e condicións de operación de alta-presión. Poden producirse simultáneamente varias formas de corrosión e interactuar entre si.
Por exemplo, a alta velocidade de fluxo necesaria durante os procesos de produción é unha causa directa da corrosión por erosión, á vez que acelera os problemas de fugas de corrosión existentes.
Polo tanto, nas avarías do intercambiador de calor, as fugas e a corrosión adoitan estar moi relacionadas e poden crear un efecto sinérxico que acelere o deterioro dos equipos.
3.1.2 Clasificación da corrosión e desgaste do intercambiador de calor e as contramedidas na industria petroquímica
(1) Corrosión superficial e desgaste dos intercambiadores de calor
A corrosión superficial é a causa máis común de fugas do tubo do intercambiador de calor, representando aproximadamente o 90% dos casos.
Os medios de proceso utilizados na produción petroquímica adoitan ter certos niveis de viscosidade e adhesión. Os fluídos de alta-velocidade que conteñen partículas sólidas e burbullas impactan continuamente nas superficies de transferencia de calor, xerando presións na superficie locais de ata 10 MPa, que poden provocar erosión por fatiga e danos na superficie metálica.
Polo tanto, os requisitos do proceso adoitan especificar que a velocidade media do fluxo debe ser superior a 2 m/s.
(2) Corrosión electroquímica causada por depósitos superficiais
Durante os procesos de refino de petróleo, os medios de proceso adoitan ter unha viscosidade elevada e poden experimentar solidificación baixo certas condicións. Isto pode provocar que os materiais se acumulen nas superficies do intercambiador de calor e formen depósitos.
As características inestables, descontinuas e irregulares destes depósitos poden provocar fendas e ocos. As diferenzas na concentración de osíxeno entre o interior e o exterior destes espazos poden provocar corrosión electroquímica.
As reaccións de corrosión relacionadas inclúen principalmente:
Reaccións de disolución de metais, a saber, oxidación anódica;
Reaccións de redución catódica;
Expansión progresiva da corrosión causada por desequilibrio electroquímico.
(3) Corrosión na superficie do lado da auga dos tubos do intercambiador de calor
Nos sistemas de intercambio de calor, a auga úsase con frecuencia como medio de transferencia de calor, polo que a corrosión-lateral da auga é un problema común.
Os principais mecanismos de corrosión inclúen:
Redución do valor do pH;
penetración de vapor de auga;
Ataque causado polo osíxeno disolto;
corrosión por ión cloruro (Cl⁻);
Corrosión por iones sulfuro (S²⁻).
Estas reaccións pódense dividir xeralmente en corrosión química e corrosión electroquímica.
Os requisitos para materiais resistentes á corrosión-no lado da auga dos tubos do intercambiador de calor inclúen:
Boa condutividade térmica e forte adhesión á superficie;
Excelente resistencia ás variacións de temperatura e suficiente dureza;
Forte resistencia á corrosión iónica;
Bo rendemento anti-escalado;
Excelente resistencia á penetración de vapor de auga.
3.1.3 Métodos de protección contra a corrosión para intercambiadores de calor
Actualmente, os métodos de protección contra a corrosión dos intercambiadores de calor na industria petroquímica inclúen principalmente:
(1) Protección ánodo sacrificial
Este método protexe os materiais do intercambiador de calor empregando un metal máis activo como ánodo de sacrificio para evitar a corrosión do equipo principal.
(2) Desenvolvemento e aplicación de revestimentos anti-corrosión
Os revestimentos anticorrosivos úsanse amplamente na protección do intercambiador de calor. Ao aplicar un revestimento metálico extremadamente fino ou un revestimento inorgánico na superficie de contacto, pódense illar eficazmente as substancias nocivas e os depósitos de ensuciamento.
Un revestimento de uso habitual é o sistema de revestimento anticorrosión CH-784 epoxi amino.
(3) Mellora dos materiais do intercambiador de calor
Para evitar a corrosión causada pola calidade da auga e os medios agresivos, pódense seleccionar materiais mellorados.
Os intercambiadores de calor feitos de aceiro inoxidable, aliaxes de cobre e aliaxes de titanio en xeral proporcionan unha excelente resistencia á corrosión. Non obstante, os seus custos materiais máis elevados limitan a súa aplicación nalgunhas industrias.
3.2 Tecnoloxía de soldadura para a reparación de fisuras das bridas do intercambiador de calor
Na actualidade, a tecnoloxía de reparación de soldadura por fusión en frío úsase amplamente para o mantemento do campo industrial.
A tecnoloxía de soldadura por fusión en frío é unha nova tecnoloxía de reparación desenvolvida baseada en técnicas de soldadura-con gas. Aplícase con frecuencia na reparación e mantemento de intercambiadores de calor danados na industria petroquímica.
As súas principais características inclúen:
(1) Baixa entrada de calor e curto tempo de soldadura
A calor xerada durante a soldadura é moi baixa. O proceso de soldadura só leva varias decenas de milisegundos, evitando problemas como a decoloración do recocido.
(2) Pequena piscina de soldadura e excelente calidade de reparación
O volume da piscina de soldadura é inferior a 2 mm³. A distribución de tensións está dispersa, reducindo a tensión concentrada no compoñente reparado.
O proceso non causa rachaduras nin deformacións. Ademais, a protección de gas inerte evita a formación de poros e burbullas, obtendo unha superficie reparada lisa e limpa.
(3) Equipos compactos e idoneidade para-reparación no lugar
O equipo de soldadura é pequeno e axeitado para a reparación en campo-real.
Pódese seleccionar unha ampla gama de fíos de soldadura, o que permite a reparación de intercambiadores de calor feitos de diferentes materiais.
4. Perspectivas de desenvolvemento futuro
Paga a pena notar que os diferentes requisitos do proceso requiren diferentes tipos de intercambiadores de calor. Ademais, a disposición en paralelo ou en serie dos intercambiadores de calor ten un impacto significativo no rendemento operativo de todo o sistema de proceso.
A selección e a combinación de compoñentes tamén son factores críticos. O deseño orientado á fiabilidade-esixe que os compoñentes teñan a adaptabilidade suficiente para soportar diversas condicións de funcionamento, cambios aleatorios de carga e variacións de tensión que se atopan habitualmente na industria petroquímica. Este concepto de deseño proporciona melloras sobre as limitacións dos métodos de deseño convencionais.
En termos de conservación de enerxía e redución de emisións, o desenvolvemento futuro non só debe centrarse na mellora das estruturas do intercambiador de calor, senón que tamén debe prestar máis atención ao desenvolvemento de materiais avanzados para intercambiadores de calor.
Entre estas áreas de investigación, a tecnoloxía de revestimento de superficie do intercambiador de calor ten un potencial significativo. A dirección futura do desenvolvemento do revestimento inclúe:
deseño lixeiro;
Resistencia a alta-temperatura e alta{1}}presión;
Excelente resistencia á corrosión;
Menores custos de fabricación;
Operación e mantemento máis económicos.
Na actualidade, o desenvolvemento de tecnoloxías de simulación e software de enxeñería tamén se está a converter nunha importante dirección de investigación. Estas tecnoloxías poden proporcionar unha orientación eficaz para a predición de ensuciamento, a optimización do ciclo de limpeza e a avaliación do rendemento operativo.
