Abstrakt
Med udviklingen af moderne industrialisering er lav-kulstofindustri blevet en uundgåelig trend. Inden for forskellige industrielle områder er der udviklet høj-effektivitet og-energibesparende varmevekslere til at erstatte traditionelt varmevekslerudstyr. Forbedring af varmeveksleres ydeevne alene kan dog ikke opnå den optimale energi-besparende effekt for hele produktionssystemet.
Baseret på de faktiske driftsforhold i den petrokemiske industri gennemgår dette papir anvendelsesmiljøerne for forskellige typer varmevekslere, udviklingen af energibesparende-teknologier samt forskningsfremskridt inden for fjernelse af begroning og fejlbehandling. Nye forskningsretninger foreslås også.
En varmeveksler, også kendt som en termisk veksler, er en enhed, der hovedsageligt bruges til at opnå varmeoverførsel mellem forskellige væsker. Under petrokemisk produktion skal procesmedier ofte opvarmes eller afkøles. I henhold til forskellige driftsbetingelser og produktionskrav kan forskellige typer varmevekslere vælges for at sikre, at procesvæsker når de nødvendige temperaturniveauer og opfylder kravene til kemiske reaktionsprocesser.
På grund af dets driftsprincipper og funktioner spiller varmevekslere en vigtig rolle gennem hele raffineringsprocessen. De er nøgleudstyr til at sikre korrekt temperaturkontrol af procesvæsker, opretholde stabil drift af raffineringssystemer og genvinde spildvarme til energibesparelse. Da varmevekslingsudstyr er meget udbredt i den petrokemiske industri, repræsenterer det desuden en betydelig del af udstyrsinvesteringsomkostningerne. Det relaterede energiforbrug og metaltab er også vigtige faktorer, der kræver opmærksomhed.
1. Anvendelsesfremskridt for varmevekslere i den petrokemiske industri
1.1 Anvendelse af varmerørsvarmevekslere i spildvarmegenvinding
Varmerørsvarmevekslere er med succes blevet anvendt under barske betingelser for genvinding af spildvarme i olieindustrien, især i processer, der involverer brændstoffer med højt-svovlindhold.
I petrokemiske produktionsprocesser er høj-temperaturopvarmnings- og krakningsudstyr afgørende. Ved fremstilling af lette olefiner anvendes f.eks. høje-temperaturkrakningsovne for petroleumsnafta almindeligvis. Udstødningsgastemperaturen fra disse ovne kan nå 200-400 grader. På grund af det hårde driftsmiljø kan den genererede affaldsgas ikke udledes direkte i atmosfæren.
Luftforvarmende varmerørsvarmevekslere kan udnytte restvarmen fra udstødningsgasserne til at forvarme forbrændingsluften, hvilket forbedrer energieffektiviteten og reducerer miljøforurening.
I de senere år er forskellige kombinationer af rørformede varmevekslere blevet bredt anvendt både indenlandsk og internationalt for at opnå bedre energi-besparelse og spildvarmegenvinding. Hovedproduktionsprocessen er vist i figur 1.
1.2 Anvendelse af spiralformede baffelvarmevekslere i køle- og varmevekslingsprocesser
Den spiralformede baffelvarmeveksler er en ny type-højeffektivt varmevekslerudstyr. Dets koncept stammer fra spiralpladevarmevekslerstrukturen foreslået af Sveriges Rosenbland-virksomhed i 1930, som efterfølgende blev patenteret. Senere udviklede og fremstillede lande inklusive Storbritannien, USA, Tyskland og det tidligere Sovjetunionen lignende udstyr.
Kina begyndte at introducere og anvende denne teknologi i den kemiske industri i løbet af 1950'erne. I midten af 1960'erne havde indenlandske producenter opnået masseproduktion gennem rullende processer. I 1973 kompilerede KinaValgmanual til tegninger af spiralpladevarmeveksler. Den seneste standard, JB/T4751Spiralpladevarmeveksler(2003-udgaven), repræsenterer udviklingsniveauet for spiralpladevarmevekslerteknologi i Kina.
Sammenlignet med traditionelle varmevekslere har spiralpladevarmevekslere fordele, herunder højere varmeoverførselskoefficienter og selvrensende evne forårsaget af væsketurbulens, som hjælper med at forhindre sedimentakkumulering.
I den petrokemiske industri bruges spiralpladevarmevekslere derfor hovedsageligt til opvarmnings- og afkølingsprocesser, der involverer benzin, dieselbrændstof, ammoniakvand, klorvand, saltlage, stærke syrer, stærke alkalier og nitrogen-hydrogen-ammoniakblandede gasser.
De anvendes også i vid udstrækning i opvarmnings-, afkølings-, kondensations- og genkogningssystemer til alkoholer, harpikser, urinstof, småmolekylære monomerer, polymeriserede olefiner og relaterede mellemprodukter.
Hao Zhenliang et al. eksperimentelt undersøgt forholdet mellem skal-sidetrykfald og strømningshastighed, variationen af skal-side konvektiv varmeoverførselsydelse med Reynolds-tal (Re) og Nusselt-tal (Nu), og skal-sidevarmeoverførselskoefficienten under enhedstrykfaldsforhold for spiralformet baffel og segmentelle baffelvarmevekslere.
Deres forskning gav vejledning til valg af udstyr under forskellige driftsforhold. Hovedkonklusionerne er som følger:
(1) Under de samme Reynolds-talsforhold er den konvektive varmeoverførselskoefficient på skalsiden på-siden af segmentelle baffelvarmevekslere højere end den for spiralformede baffelvarmevekslere.
(2) Under samme skaldiameter og strømningshastighedsbetingelser er trykfaldet på skal-siden af spiralformede baffelvarmevekslere negativt korreleret med spiralvinklen. Uanset den valgte spiralvinkel forbliver trykfaldet imidlertid lavere end for segmentelle baffelvarmevekslere.
(3) Forskellig fra de to ovenstående konklusioner, når varmeoverførselsydelsen pr. enhedstrykfald tages i betragtning, er den konvektive varmeoverførselskoefficient på skal-siden for spiralformede baffelvarmevekslere højere. Når den skruelinjeformede vinkel er ca. 40 grader, når den konvektive varmeoverførselskoefficient sin maksimale værdi, hvilket resulterer i den højeste samlede varmeoverførselsydelse.
1.3 Energibesparende-anvendelse af højeffektive pladevarmevekslere i olieraffinering
I mellemstore og store-olieraffinaderier kan der være cirka 400 varmevekslere af forskellige typer. Disse systemer fungerer ofte under højt tryk og høje temperaturforhold. Internationalt har skal-og-rørvarmevekslere nået driftsniveauer på 8,4 MPa tryk og 1500 graders temperatur, med varmeoverførselsarealer på op til 6.700 m².
På grund af de høje byggeomkostninger for offshore olieplatforme er svejste pladevarmevekslere blevet brugt i vid udstrækning i offshore olieproduktion på grund af deres kompakte struktur, lette design, fremragende varmeoverførselsydelse og lavere omkostninger.
Deres hovedanvendelser omfatter køling af mekanisk smøreolie og ferskvand (såsom motorkappekølevand). I oliefelter kan de også bruges til opvarmning af råolie og andre processer.
Den største udfordring ligger i design og beregning af processystemer. I den faktiske produktion er energitab ofte forårsaget af urimelig procesdesign.
Chen Jianwei et al. udført teoretisk forskning i trykfaldsberegning af kølepladevarmevekslere, der anvendes i petrokemiske applikationer. Baseret på egenskaberne ved varmevekslere og varmeoverførselsprincipper antog de, at væskefasen langs strømningskanalen stiger lineært og etablerede sammenhænge mellem strømningskanallængde, faktisk massedampkvalitet og volumetrisk dampkvalitet. Beregningsresultaterne var i overensstemmelse med praktiske driftsdata.
Hovedkonklusionerne er som følger:
(1) Under fase-ændringsforhold, når væsketrykfaldet beregnes, bør væsken betragtes som en to--faset eller flerfaset strøm. Enkeltfasede strømningsmodeller eller homogene strømningsmodeller bør ikke bruges som erstatning for flerfasestrømningsberegninger. Der bør anvendes en separat flowmodel.
(2) Under køleprocesser i den petrokemiske industri kan der forekomme delvis kondensering, hvilket resulterer i dannelse af væskefilm på varmeoverførselsoverflader. Når du vælger kompakte varmevekslere, såsom plade-finnevarmevekslere, kræver det derfor, at der tages hensyn til strukturelle parametre for at opnå et rimeligt og økonomisk design. Det er ikke tilstrækkeligt blot at øge varmeoverførselsarealet og tilføje sikkerhedsmargener.
1.4 Anvendelse af tyndfilmsfordampere i koncentrations- og tørreprocesser
Tyndfilmsfordampere bruges almindeligvis i petrokemiske processer såsom kaustisk sodakoncentration, natriumsulfidfordampning, harpikstørring og gummitørring. De giver betydelige økonomiske fordele.
Sammenlignet med traditionelt udstyr såsom fordampningspander i støbejern, har tyndfilmsfordampende varmevekslere opvarmet af termiske olieovne følgende fordele:
(1) Udstyrets fodaftryk kan reduceres med næsten 6 %. Processen muliggør mekaniseret fordampning, forenkler driften og konverterer intermitterende produktion til kontinuerlig produktion og forbedrer derved industriel effektivitet.
(2) Drevet af den roterende skraber er varmeoverførselsydelsen væsentligt forbedret. Fordampningstiden på overfladen kan reduceres til mindre end et minut, hvilket reducerer skældannelse og kulstofaflejring. Produktet er mindre tilbøjeligt til at nedbrydes og er velegnet til varme-følsomme materialer. Samtidig reduceres sedimentdannelsen, hvilket giver lettere vedligeholdelse og rengøring.
(3) Sammenlignet med støbejernsfordamper kan den understøttende termoolieovn reducere kulforbruget med ca. 50 %. Den kan fungere ved temperaturer op til 300 grader, samtidig med at den opretholder sikker drift under ikke-tryksatte forhold.
(4) Udstyret er praktisk til procesopskalering-og kan erstatte traditionelle tørretumblere af typen-kedel. Under stor-produktionsudvidelse er afvigelsen forårsaget af opskalering relativt lille.
Der er dog stadig nogle tekniske udfordringer i praktiske anvendelser.
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).
Procesrørledninger er normalt lavet af sømløse rør, som kan kræve udskiftning cirka hver 30. dag. En mulig forbedring er at bruge rustfrit stålrør eller rør med korrosionsbestandige-indvendige foringer, såsom fluoroplastisk-forede varmevekslerrør.
Derudover kræver korrosionsproblemer forbundet med cirkulationspumper også yderligere løsninger.
2. Tilsmudsningsfjernelse og modforanstaltninger til varmevekslingsudstyr i den petrokemiske industri
Ifølge Steinhagen et al. viste en undersøgelse af 3.000 forskellige typer varmevekslere i New Zealand, at mere end 90 % af varmevekslerne havde problemer med tilsmudsning. En sammenligning af tilsmudsningsforhold mellem forskellige typer varmevekslere er vist i figur 2.
Indenlandske og internationale undersøgelser viser, at de årlige omkostninger forbundet med begroningsbehandling i olieraffinaderi og kemisk industri når op på ca. 15,6 mio., hvilket resulterer i betydelige økonomiske tab og ressourceforbrug.
Under faktiske driftsforhold i den petrokemiske industri kan dannelsesmekanismerne og klassifikationerne af begroning hovedsageligt opdeles i følgende kategorier:
Korrosionsbegroningsmodeller
Størkningsbegroningsmodeller
Overflademateriale-inducerede begroningsmodeller
Gasfasebegroningsmodeller-
Begroningsmodeller for kemisk reaktion
Under praktisk driftsforudsigelse og analyse kan begroning klassificeres i henhold til disse mekanismer. Ved at vælge passende varmevekslertyper efter forskellige driftsforhold og beregne optimale rengøringsintervaller kan økonomiske tab reduceres.
I betragtning af driftsmiljøerne med høj-temperatur og-højt tryk i petrokemiske applikationer omfatter de vigtigste behandlingsmetoder desuden:
Forbedring af varmeoverførsel
Mekaniske rengøringsmetoder
Kemiske rensemetoder
Onlineovervågning og-realtidsrensningsteknologier
3. Fejlanalyse og vedligeholdelse af varmevekslere i den petrokemiske industri
3.1 Forebyggelse af korrosion og slid i varmevekslere
Under drift af varmevekslere i den petrokemiske industri sker der hyppigt korrosionslækageulykker. Disse fejl kan afbryde en stabil produktion og betragtes som et af de største udstyrsproblemer i petrokemiske systemer.
Sådanne lækageproblemer er hovedsageligt klassificeret i erosionslækage og korrosionslækage. Nuværende løsninger fokuserer hovedsageligt på at reparere beskadiget udstyr efter fejl, at forbedre produktionsprocesser for at forhindre fejl og at reducere udstyrsnedbrydning gennem korrekt valg af varmevekslermaterialer og -typer.
3.1.1 Årsager til korrosion og slid i varmevekslere
Analyse fra råvareperspektivet
De råmaterialer, der anvendes i den petrokemiske produktion, især råolie, indeholder komplekse kemiske komponenter. Derudover har råolie generelt høj viskositet og indeholder faste partikler af uregelmæssig størrelse.
Som følge heraf er arbejdsmediet i kontakt med varmevekslerens overflader meget komplekst. Udstyret er ofte udsat for både mekaniske skader forårsaget af fysisk friktion og alvorlig kemisk korrosion.
Analyse fra kemiske processers perspektiv
The entire petrochemical production chain often involves high-temperature (>1000 grader) og høje-driftsforhold. Forskellige former for korrosion kan forekomme samtidigt og interagere med hinanden.
For eksempel er den høje strømningshastighed, der kræves under produktionsprocesser, en direkte årsag til erosionskorrosion, mens den også accelererer eksisterende korrosionslækageproblemer.
I varmevekslerfejl er lækage og korrosion derfor sædvanligvis tæt forbundet og kan skabe en synergistisk effekt, der fremskynder udstyrsforringelse.
3.1.2 Klassificering af varmevekslerkorrosion og slid og modforanstaltninger i den petrokemiske industri
(1) Overfladekorrosion og slid på varmevekslere
Overfladekorrosion er den mest almindelige årsag til lækage af varmevekslerrør, der tegner sig for cirka 90 % af tilfældene.
De procesmedier, der anvendes i petrokemisk produktion, har ofte visse niveauer af viskositet og vedhæftning. Høj-væsker, der indeholder faste partikler og bobler, påvirker konstant varmeoverførselsoverflader og genererer lokale overfladetryk på op til 10 MPa, hvilket kan forårsage udmattelseserosion og metaloverfladeskader.
Derfor specificerer proceskrav ofte, at middelstrømningshastigheden skal være større end 2 m/s.
(2) Elektrokemisk korrosion forårsaget af overfladeaflejringer
Under petroleumsraffineringsprocesser har procesmedier sædvanligvis høj viskositet og kan opleve størkning under visse forhold. Dette kan få materialer til at samle sig på varmevekslerens overflader og danne aflejringer.
De ustabile, diskontinuerlige og ujævne karakteristika ved disse aflejringer kan føre til revner og huller. Forskelle i iltkoncentrationen mellem indersiden og ydersiden af disse huller kan udløse elektrokemisk korrosion.
De relaterede korrosionsreaktioner omfatter hovedsageligt:
Metalopløsningsreaktioner, nemlig anodisk oxidation;
katodiske reduktionsreaktioner;
Progressiv udvidelse af korrosion forårsaget af elektrokemisk ubalance.
(3) Korrosion på vandsideoverfladen af varmevekslerrør
I varmevekslersystemer bruges vand ofte som varmeoverførselsmediet, hvilket gør vand-sidekorrosion til et almindeligt problem.
De vigtigste korrosionsmekanismer omfatter:
Reduktion af pH-værdi;
Indtrængning af vanddamp;
Angreb forårsaget af opløst ilt;
Chloridion (Cl⁻) korrosion;
Sulfidion (S²⁻) korrosion.
Disse reaktioner kan generelt opdeles i kemisk korrosion og elektrokemisk korrosion.
Kravene til korrosionsbestandige-materialer på vandsiden af varmevekslerrør omfatter:
God varmeledningsevne og stærk overfladevedhæftning;
Fremragende modstandsdygtighed over for temperaturvariationer og tilstrækkelig hårdhed;
Stærk modstand mod ionkorrosion;
God anti-skaleringsydelse;
Fremragende modstand mod vanddampindtrængning.
3.1.3 Korrosionsbeskyttelsesmetoder for varmevekslere
I øjeblikket omfatter korrosionsbeskyttelsesmetoder til varmevekslere i den petrokemiske industri hovedsageligt:
(1) Offeranodebeskyttelse
Denne metode beskytter varmevekslermaterialer ved at bruge et mere aktivt metal som offeranode for at forhindre korrosion af hovedudstyret.
(2) Udvikling og påføring af anti-korrosionsbelægninger
Anti-korrosionsbelægninger bruges i vid udstrækning til beskyttelse af varmevekslere. Ved at påføre en ekstremt tynd metalbelægning eller uorganisk belægning på kontaktfladen kan skadelige stoffer og begroningsaflejringer effektivt isoleres.
En almindeligt anvendt belægning er CH-784 epoxy amino anti-korrosionsbelægningssystemet.
(3) Forbedring af varmevekslermaterialer
For at forhindre korrosion forårsaget af vandkvalitet og aggressive medier, kan forbedrede materialer vælges.
Varmevekslere lavet af rustfrit stål, kobberlegeringer og titanlegeringer giver generelt fremragende korrosionsbestandighed. Imidlertid begrænser deres højere materialeomkostninger deres anvendelse i nogle industrier.
3.2 Svejseteknologi til reparation af varmevekslerflangerevner
På nuværende tidspunkt er koldfusionssvejsningsreparationsteknologi meget udbredt til industriel feltvedligeholdelse.
Kold fusionssvejseteknologi er en ny reparationsteknologi udviklet baseret på gas-afskærmede svejseteknikker. Det anvendes ofte til reparation og vedligeholdelse af beskadigede varmevekslere i den petrokemiske industri.
Dens vigtigste egenskaber omfatter:
(1) Lav varmetilførsel og kort svejsetid
Varmen, der genereres under svejsning, er ekstremt lav. Svejseprocessen tager kun flere titusinder af millisekunder og undgår problemer såsom udglødningsmisfarvning.
(2) Lille svejsebassin og fremragende reparationskvalitet
Svejsebassinets volumen er mindre end 2 mm³. Spændingsfordelingen er spredt, hvilket reducerer koncentreret stress på den reparerede komponent.
Processen forårsager ikke revner eller deformation. Derudover forhindrer inert gasbeskyttelse dannelsen af porer og bobler, hvilket resulterer i en glat og ren repareret overflade.
(3) Kompakt udstyr og egnethed til-reparation på stedet
Svejseudstyret er lille og velegnet til-realtidsreparation i marken.
Et bredt udvalg af svejsetråde kan vælges, hvilket muliggør reparation af varmevekslere lavet af forskellige materialer.
4. Fremtidig udvikling Outlook
Det er værd at bemærke, at forskellige proceskrav kræver forskellige typer varmevekslere. Derudover har parallel- eller seriearrangementet af varmevekslere en betydelig indvirkning på hele processystemets driftsydelse.
Udvælgelsen og matchningen af komponenter er også kritiske faktorer. Pålidelighed-orienteret design kræver, at komponenterne har tilstrækkelig tilpasningsevne til at modstå forskellige driftsforhold, tilfældige belastningsændringer og stressvariationer, der almindeligvis forekommer i den petrokemiske industri. Dette designkoncept giver forbedringer i forhold til begrænsningerne ved konventionelle designmetoder.
Med hensyn til energibesparelse og emissionsreduktion bør fremtidig udvikling ikke kun fokusere på at forbedre varmevekslerstrukturer, men også være mere opmærksom på udviklingen af avancerede varmevekslermaterialer.
Blandt disse forskningsområder har varmeveksler overfladebelægningsteknologi et betydeligt potentiale. Den fremtidige retning for udvikling af belægning omfatter:
Letvægtsdesign;
Høj-temperatur og høj-trykmodstand;
Fremragende korrosionsbestandighed;
Lavere produktionsomkostninger;
Mere økonomisk drift og vedligeholdelse.
På nuværende tidspunkt er udviklingen af simuleringsteknologier og ingeniørsoftware også ved at blive en vigtig forskningsretning. Disse teknologier kan give effektiv vejledning til forudsigelse af tilsmudsning, optimering af rensecyklus og evaluering af driftsydelse.
