Abstrak
Met die ontwikkeling van moderne industrialisasie het lae-koolstofbedryf 'n onvermydelike neiging geword. In verskeie industriële velde is hoë-doeltreffendheid en energie-besparende hitteruilers ontwikkel om tradisionele hitte-uitruiltoerusting te vervang. Die verbetering van die werkverrigting van hitteruilers alleen kan egter nie die optimale energie-besparende effek vir die hele produksiestelsel bereik nie.
Gebaseer op werklike bedryfstoestande in die petrochemiese industrie, hersien hierdie artikel die toepassingsomgewings van verskillende tipes hitteruilers, die ontwikkeling van energiebesparende-tegnologieë, sowel as navorsingsvordering in die verwydering van besoedeling en foutbehandeling. Nuwe navorsingsrigtings word ook voorgestel.
'n Hitteruiler, ook bekend as 'n termiese wisselaar, is 'n toestel wat hoofsaaklik gebruik word om hitte-oordrag tussen verskillende vloeistowwe te bewerkstellig. Tydens petrochemiese produksie moet prosesmedia dikwels verhit of afgekoel word. Volgens verskillende bedryfstoestande en produksievereistes kan verskeie tipes hitteruilers gekies word om te verseker dat prosesvloeistowwe die vereiste temperatuurvlakke bereik en aan die vereistes van chemiese reaksieprosesse voldoen.
Weens sy bedryfsbeginsels en -funksies speel hitteruilers 'n belangrike rol deur die hele raffineringsproses. Dit is sleuteltoerusting om behoorlike temperatuurbeheer van prosesvloeistowwe te verseker, stabiele werking van raffineringstelsels te handhaaf, en afvalhitte te herwin vir energiebesparing. Daarbenewens, omdat hitte-uitruiltoerusting wyd in die petrochemiese bedryf gebruik word, verteenwoordig dit 'n aansienlike deel van toerustingbeleggingskoste. Die verwante energieverbruik en metaalverliese is ook groot faktore wat aandag verg.
1. Toepassingsvordering van Hitteruilers in die Petrochemiese Nywerheid
1.1 Toepassing van hittepyp-hittewisselaars in afvalhitteherwinning
Hittepyp-hitteruilers is suksesvol toegepas in strawwe afvalhitteherwinningstoestande in die petroleumbedryf, veral in prosesse wat hoë-swaelbrandstowwe behels.
In petrochemiese produksieprosesse is hoë-temperatuurverhitting- en kraaktoerusting noodsaaklik. Byvoorbeeld, in die vervaardiging van ligte olefiene word hoë-temperatuur petroleumnaftakraakoonde algemeen gebruik. Die uitlaatgastemperatuur van hierdie oonde kan 200-400 grade bereik. As gevolg van die strawwe bedryfsomgewing kan die gegenereerde afvalgas nie direk in die atmosfeer vrygelaat word nie.
Lugvoorverhitting-hittepyp-hitteruilers kan die oorblywende hitte van uitlaatgasse benut om verbrandingslug voor te verhit, wat energie-doeltreffendheid verbeter terwyl omgewingsbesoedeling verminder word.
In onlangse jare is verskeie kombinasies van buisvormige hitteruilers wyd gebruik, beide plaaslik en internasionaal om beter energie-besparing en afvalhitteherwinningsprestasie te bereik. Die hoofproduksieproses word in Figuur 1 getoon.
1.2 Toepassing van Helikale Baffle Hittewisselaars in Verkoeling en Hitte Uitruil prosesse
Die heliese keerplaat-hitteruiler is 'n nuwe tipe hoë-doeltreffende hitte-uitruiltoerusting. Sy konsep het ontstaan uit die spiraalplaat-hitteruilerstruktuur wat in 1930 deur Swede se Rosenbland-maatskappy voorgestel is, wat daarna gepatenteer is. Later het lande insluitend die Verenigde Koninkryk, die Verenigde State, Duitsland en die voormalige Sowjetunie soortgelyke toerusting ontwikkel en vervaardig.
China het gedurende die 1950's begin om hierdie tegnologie in die chemiese industrie bekend te stel en toe te pas. Teen die middel-1960's het binnelandse vervaardigers massaproduksie deur rollende prosesse bereik. In 1973 het China dieKeurhandleiding vir Spiraalplaat-hittewisselaar-tekeninge. Die nuutste standaard, JB/T4751Spiraalplaat-hittewisselaar(2003-uitgawe), verteenwoordig die ontwikkelingsvlak van spiraalplaat-hitteruiler-tegnologie in China.
In vergelyking met tradisionele hitteruilers, het spiraalplaat-hitteruilers voordele, insluitend hoër hitte-oordragkoëffisiënte en self-reinigende vermoë wat veroorsaak word deur vloeistofturbulensie, wat help om sedimentophoping te voorkom.
Daarom, in die petrochemiese industrie, word spiraalplaathitteruilers hoofsaaklik gebruik vir verhitting en verkoelingsprosesse wat petrol, dieselbrandstof, ammoniakwater, chloorwater, pekelwater, sterk sure, sterk alkalieë en stikstof-waterstof-ammoniak gemengde gasse insluit.
Hulle word ook wyd toegepas in verhittings-, verkoelings-, kondensasie- en herkookstelsels vir alkohole, harse, ureum, klein molekulêre monomere, gepolimeriseerde olefiene en verwante intermediêre produkte.
Hao Zhenliang et al. eksperimenteel bestudeer die verwantskap tussen dop-kantdrukval en vloeitempo, die variasie van dop-kant-konvektiewe hitte-oordragprestasie met Reynolds-getal (Re) en Nusselt-getal (Nu), en die dop-kant-hitteoordragkoëffisiënt onder eenheidsdrukvaltoestande vir heliese keerplaat en segmentele keerplaat-hitteruilers.
Hul navorsing het leiding gegee vir die keuse van toerusting onder verskillende bedryfsomstandighede. Die belangrikste gevolgtrekkings is soos volg:
(1) Onder dieselfde Reynolds-getaltoestande is die dop-kant-konvektiewe hitte-oordragkoëffisiënt van segmentele keerplaat-hitteruilers hoër as dié van heliese keerplaat-hitteruilers.
(2) Onder dieselfde dop deursnee en vloeitempo toestande, is die dop-kant drukval van heliese keerplaat hitteruilers negatief gekorreleer met die heliese hoek. Ongeag die geselekteerde heliese hoek, bly die drukval egter laer as dié van segmentele keerplaat-hitteruilers.
(3) Anders as die bogenoemde twee gevolgtrekkings, wanneer hitteoordragprestasie per eenheidsdrukval oorweeg word, is die dop-kant-konvektiewe hitte-oordragkoëffisiënt van heliese keerplaat-hitteruilers hoër. Wanneer die heliese hoek ongeveer 40 grade is, bereik die konvektiewe hitte-oordragkoëffisiënt sy maksimum waarde, wat lei tot die hoogste algehele hitte-oordragprestasie.
1.3 Energie-besparende toepassing van hoë-plaathittewisselaars in olieraffinering
In medium- en groot-olieraffinaderye kan daar ongeveer 400 hitteruilers van verskillende tipes wees. Hierdie stelsels werk dikwels onder hoë druk en hoë temperatuur toestande. Internasionaal het dop--en-buis-hitteruilers bedryfsvlakke van 8,4 MPa-druk en 1500 grade temperatuur bereik, met hitte-oordraggebiede wat tot 6 700 m² bereik.
As gevolg van die hoë konstruksiekoste van buitelandse olieplatforms, is gelaste plaathitteruilers wyd gebruik in buitelandse olieproduksie vanweë hul kompakte struktuur, liggewig ontwerp, uitstekende hitte-oordragprestasie en laer koste.
Hul hooftoepassings sluit in verkoeling van meganiese smeerolie en varswater (soos enjinbaadjie-verkoelingswater). In olievelde kan hulle ook vir ruolieverhitting en ander prosesse gebruik word.
Die hoofuitdaging lê in die ontwerp en berekening van prosesstelsels. In werklike produksie word energieverliese dikwels veroorsaak deur onredelike prosesontwerp.
Chen Jianwei et al. het teoretiese navorsing gedoen oor die drukvalberekening van koelplaathitteruilers wat in petrochemiese toepassings gebruik word. Gebaseer op die eienskappe van hitteruilers en hitte-oordragbeginsels, het hulle aanvaar dat die vloeistoffase langs die vloeikanaal lineêr toeneem en het verbande tussen vloeikanaallengte, werklike massadampkwaliteit en volumetriese dampkwaliteit vasgestel. Die berekeningsresultate was in ooreenstemming met praktiese bedryfsdata.
Die belangrikste gevolgtrekkings is soos volg:
(1) Onder fase-veranderingstoestande, wanneer vloeistofdrukval bereken word, moet die vloeistof as 'n twee-fase- of meerfasevloei beskou word. Enkel-fasevloei- of homogenevloeimodelle moet nie as plaasvervangers vir multifasevloeiberekeninge gebruik word nie. 'n Geskeide vloeimodel moet toegepas word.
(2) Tydens verkoelingsprosesse in die petrochemiese industrie kan gedeeltelike kondensasie voorkom, wat lei tot die vorming van vloeistoffilms op hitte-oordragoppervlakke. Daarom, wanneer kompakte hitteruilers soos plaat-vin-hitteruilers gekies word, vereis die bereiking van 'n redelike en ekonomiese ontwerp oorweging van strukturele parameters. Om die hitte-oordragarea bloot te vergroot en veiligheidsmarges by te voeg, is nie voldoende nie.
1.4 Toepassing van dunfilmverdampers in konsentrasie- en droogprosesse
Dunfilmverdampers word algemeen gebruik in petrochemiese prosesse soos bytsodakonsentrasie, natriumsulfiedverdamping, harsdroging en rubberdroging. Hulle bied aansienlike ekonomiese voordele.
In vergelyking met tradisionele toerusting soos gietyster verdamping panne, dun film verdamping hitteruilers verhit deur termiese olie oonde het die volgende voordele:
(1) Die toerustingvoetspoor kan met byna 6% verminder word. Die proses maak gemeganiseerde verdamping moontlik, vereenvoudig werking, en skakel intermitterende produksie in deurlopende produksie om, waardeur industriële doeltreffendheid verbeter word.
(2) Aangedryf deur die roterende skraper, word die hitte-oordragprestasie aansienlik verbeter. Die verdampingstyd op die oppervlak kan tot minder as een minuut verminder word, wat skaalvorming en koolstofneerlegging verminder. Die produk is minder geneig om te ontbind en is geskik vir hitte--sensitiewe materiale. Terselfdertyd word sedimentvorming verminder, wat makliker instandhouding en skoonmaak tot gevolg het.
(3) In vergelyking met gietyster-verdampingspanne, kan die ondersteunende termiese olie-oond steenkoolverbruik met ongeveer 50% verminder. Dit kan teen temperature tot 300 grade werk terwyl dit veilige werking onder nie-druktoestande behou.
(4) Die toerusting is gerieflik vir prosesskaal-ontwerp en kan tradisionele ketel--tipe droërs vervang. Tydens groot-produksie-uitbreiding is die afwyking wat veroorsaak word deur opskaling relatief klein.
Sommige tegniese uitdagings bestaan egter steeds in praktiese toepassings.
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 grade).
Prosespypleidings word gewoonlik van naatlose pype gemaak, wat ongeveer elke 30 dae vervang kan word. 'n Moontlike verbetering is om vlekvrye staalpype of pype met korrosie-bestande binnevoerings te gebruik, soos fluoroplastiese-gevoerde hitteruilerbuise.
Boonop vereis korrosieprobleme wat met sirkulasiepompe geassosieer word ook verdere oplossings.
2. Vuilverwydering en teenmaatreëls vir hitte-uitruiltoerusting in die petrochemiese industrie
Volgens Steinhagen et al. het 'n opname van 3 000 verskillende tipes hitteruilers in Nieu-Seeland getoon dat meer as 90% van hitteruilers aangroeiprobleme ondervind het. ’n Vergelyking van besoedelingstoestande tussen verskillende tipes hitteruilers word in Figuur 2 getoon.
Binnelandse en internasionale studies dui daarop dat die jaarlikse koste verbonde aan vervuilingsbehandeling in die petroleumraffinering en chemiese industrie ongeveer 15,6 miljoen beloop, wat aansienlike ekonomiese verliese en hulpbronverbruik tot gevolg het.
Onder werklike bedryfstoestande in die petrochemiese industrie, kan die vormingsmeganismes en klassifikasies van besoedeling hoofsaaklik in die volgende kategorieë verdeel word:
Modelle met korrosiebevuiling
Stollingsvervuilingsmodelle
Oppervlakmateriaal-geïnduseerde bevuilingsmodelle
Gasfase-bevuilingsmodelle-
Chemiese reaksie vervuilingsmodelle
Tydens praktiese operasie voorspelling en analise kan aangroei volgens hierdie meganismes geklassifiseer word. Deur geskikte hitteruilertipes volgens verskillende bedryfstoestande te kies en optimale skoonmaakintervalle te bereken, kan ekonomiese verliese verminder word.
Verder, met inagneming van die hoë-temperatuur en hoë-druk bedryfsomgewings in petrochemiese toepassings, sluit die belangrikste behandelingsmetodes in:
Versterking van hitte-oordrag
Meganiese skoonmaakmetodes
Chemiese skoonmaakmetodes
Aanlyn monitering en intydse-skoonmaaktegnologieë
3. Mislukkingsanalise en instandhouding van hitteruilers in die petrochemiese industrie
3.1 Voorkoming van korrosie en slytasie in hitteruilers
Tydens die werking van hitteruilers in die petrochemiese industrie vind korrosielekkasie ongelukke gereeld plaas. Hierdie mislukkings kan stabiele produksie onderbreek en word beskou as een van die groot toerustingprobleme in petrochemiese stelsels.
Sulke lekkasieprobleme word hoofsaaklik geklassifiseer in erosielekkasie en korrosielekkasie. Huidige oplossings fokus hoofsaaklik op die herstel van beskadigde toerusting nadat foute plaasgevind het, die verbetering van produksieprosesse om mislukkings te voorkom, en die vermindering van toerustingdegradasie deur behoorlike keuse van hitteruilermateriaal en tipes.
3.1.1 Oorsake van korrosie en slytasie in hitteruilers
Analise vanuit die perspektief van grondstowwe
Die grondstowwe wat in petrochemiese produksie gebruik word, veral ru-olie, bevat komplekse chemiese komponente. Boonop het ru-olie oor die algemeen 'n hoë viskositeit en bevat soliede deeltjies van onreëlmatige groottes.
Gevolglik is die werkmedium in kontak met hitteruileroppervlaktes hoogs kompleks. Die toerusting word dikwels onderworpe aan beide meganiese skade wat veroorsaak word deur fisiese wrywing en erge chemiese korrosie.
Analise vanuit die perspektief van chemiese prosesse
The entire petrochemical production chain often involves high-temperature (>1000 grade) en hoë-bedryfstoestande. Verskeie vorme van korrosie kan gelyktydig voorkom en met mekaar in wisselwerking tree.
Byvoorbeeld, die hoë vloeisnelheid wat tydens produksieprosesse benodig word, is 'n direkte oorsaak van erosie-korrosie, terwyl dit ook bestaande korrosie-lekkasieprobleme versnel.
Daarom, in hitteruiler mislukkings, lekkasie en korrosie is gewoonlik nou verwant en kan 'n sinergistiese effek skep wat toerusting agteruitgang versnel.
3.1.2 Klassifikasie van hitteruilerkorrosie en slytasie en teenmaatreëls in die Petrochemiese Nywerheid
(1) Oppervlakkorrosie en slytasie van hitteruilers
Oppervlakkorrosie is die mees algemene oorsaak van lekkasie van hitteruilerbuise, wat verantwoordelik is vir ongeveer 90% van gevalle.
Die prosesmedia wat in petrochemiese produksie gebruik word, het dikwels sekere vlakke van viskositeit en adhesie. Hoë-vloeistowwe wat vaste deeltjies en borrels bevat, beïnvloed voortdurend hitte-oordragoppervlakke, wat plaaslike oppervlakdrukke van tot 10 MPa genereer, wat moegheiderosie en metaaloppervlakskade kan veroorsaak.
Daarom spesifiseer prosesvereistes dikwels dat die mediumvloeisnelheid groter as 2 m/s moet wees.
(2) Elektrochemiese korrosie veroorsaak deur oppervlakafsettings
Tydens petroleumraffineringsprosesse het prosesmedia gewoonlik hoë viskositeit en kan stolling onder sekere toestande ervaar. Dit kan veroorsaak dat materiaal op hitteruileroppervlaktes ophoop en neerslae vorm.
Die onstabiele, diskontinue en ongelyke eienskappe van hierdie neerslae kan lei tot krake en gapings. Verskille in suurstofkonsentrasie tussen die binne- en buitekant van hierdie gapings kan elektrochemiese korrosie veroorsaak.
Die verwante korrosiereaksies sluit hoofsaaklik in:
Metaaloplosreaksies, naamlik anodiese oksidasie;
Katodiese reduksiereaksies;
Progressiewe uitbreiding van korrosie veroorsaak deur elektrochemiese wanbalans.
(3) Korrosie op die waterkantoppervlak van hitteruilerbuise
In hitte-uitruilstelsels word water gereeld as die hitte-oordragmedium gebruik, wat water-kantkorrosie 'n algemene probleem maak.
Die belangrikste korrosiemeganismes sluit in:
Vermindering van pH-waarde;
Waterdamp penetrasie;
Aanval veroorsaak deur opgeloste suurstof;
Chloried-ioon (Cl⁻) korrosie;
Sulfied-ioon (S²⁻) korrosie.
Hierdie reaksies kan oor die algemeen verdeel word in chemiese korrosie en elektrochemiese korrosie.
Die vereistes vir korrosie--bestande materiale aan die waterkant van hitteruilerbuise sluit in:
Goeie termiese geleidingsvermoë en sterk oppervlakadhesie;
Uitstekende weerstand teen temperatuurvariasies en voldoende hardheid;
Sterk weerstand teen ioonkorrosie;
Goeie teen-skaalwerkverrigting;
Uitstekende weerstand teen waterdamppenetrasie.
3.1.3 Korrosiebeskermingsmetodes vir hitteruilers
Tans sluit korrosiebeskermingsmetodes vir hitteruilers in die petrochemiese industrie hoofsaaklik in:
(1) Offeranodebeskerming
Hierdie metode beskerm hitteruilermateriaal deur 'n meer aktiewe metaal as 'n offeranode te gebruik om korrosie van die hooftoerusting te voorkom.
(2) Ontwikkeling en toepassing van anti-korrosiebedekkings
Anti-roesbedekkings word wyd gebruik in hitteruilerbeskerming. Deur 'n uiters dun metaalbedekking of anorganiese bedekking op die kontakoppervlak aan te wend, kan skadelike stowwe en vuilafsettings effektief geïsoleer word.
'n Algemeen gebruikte deklaag is die CH-784 epoksie-amino-korrosiebedekkingstelsel.
(3) Verbetering van hitteruilermateriaal
Om korrosie te voorkom wat deur waterkwaliteit en aggressiewe media veroorsaak word, kan verbeterde materiale gekies word.
Hitteruilers gemaak van vlekvrye staal, koperlegerings en titaniumlegerings bied oor die algemeen uitstekende korrosiebestandheid. Hul hoër materiaalkoste beperk egter hul toepassing in sommige nywerhede.
3.2 Sweistegnologie vir hitteruiler Flens kraakherstel
Op die oomblik word koue samesmeltingssweishersteltegnologie wyd gebruik vir industriële veldonderhoud.
Koue samesmelting-sweistegnologie is 'n nuwe hersteltegnologie wat ontwikkel is op grond van gas--beskermde sweistegnieke. Dit word gereeld toegepas in die herstel en instandhouding van beskadigde hitteruilers in die petrochemiese industrie.
Sy hoofkenmerke sluit in:
(1) Lae hitte-insette en kort sweistyd
Die hitte wat tydens sweiswerk gegenereer word, is uiters laag. Die sweisproses neem slegs 'n paar tientalle millisekondes, wat probleme soos uitgloei-verkleuring vermy.
(2) Klein sweis swembad en uitstekende herstel kwaliteit
Die sweisbadvolume is minder as 2 mm³. Die spanningsverspreiding word versprei, wat gekonsentreerde spanning op die herstelde komponent verminder.
Die proses veroorsaak nie krake of vervorming nie. Daarbenewens verhoed inerte gasbeskerming die vorming van porieë en borrels, wat 'n gladde en skoon herstelde oppervlak tot gevolg het.
(3) Kompakte toerusting en geskiktheid vir-herstelwerk
Die sweistoerusting is klein en geskik vir intydse-veldherstelwerk.
'n Wye reeks sweisdrade kan gekies word, wat herstel van hitteruilers van verskillende materiale moontlik maak.
4. Toekomstige Ontwikkelingsvooruitsigte
Dit is opmerklik dat verskillende prosesvereistes verskillende tipes hitteruilers vereis. Daarbenewens het die parallelle of serie-rangskikking van hitteruilers 'n beduidende impak op die bedryfsprestasie van die hele prosesstelsel.
Die keuse en passing van komponente is ook kritieke faktore. Betroubaarheid-georiënteerde ontwerp vereis dat komponente voldoende aanpasbaarheid het om verskeie bedryfstoestande, ewekansige lasveranderinge en spanningsvariasies wat algemeen in die petrochemiese industrie voorkom, te weerstaan. Hierdie ontwerpkonsep bied verbeterings bo die beperkings van konvensionele ontwerpmetodes.
Wat energiebesparing en emissievermindering betref, behoort toekomstige ontwikkeling nie net op die verbetering van hitteruilerstrukture te fokus nie, maar ook meer aandag te skenk aan die ontwikkeling van gevorderde hitteruilermateriale.
Onder hierdie navorsingsareas het hitteruiler-oppervlakbedekkingstegnologie aansienlike potensiaal. Die toekomstige rigting van deklaagontwikkeling sluit in:
Liggewig ontwerp;
Hoë-temperatuur- en hoë-drukweerstand;
Uitstekende weerstand teen korrosie;
Laer vervaardigingskoste;
Meer ekonomiese bedryf en instandhouding.
Tans word die ontwikkeling van simulasietegnologieë en ingenieursagteware ook 'n belangrike navorsingsrigting. Hierdie tegnologieë kan effektiewe leiding verskaf vir besoedelingsvoorspelling, skoonmaaksiklusoptimalisering en operasionele prestasie-evaluering.
