Échangeur d'effluents d'alimentation en tant qu'unité de récupération de chaleur critique
A feed effluent heat exchanger (also referred to as a combined feed exchanger or Texas Tower) is a shell and tube heat exchanger that preheats reactor feed by recovering heat from the hot reactor effluent streamCet équipement est placé en amont du chauffe-eau et sert de dispositif de récupération de chaleur primaire dans les processus de réaction catalytique, y compris le traitement hydrothermique de la naphta, le reformage catalytique, le traitement thermique de l'eau et le traitement thermique des eaux usées.déshydrogénation (eLes méthodes utilisées pour la synthèse de l'ammoniac sont les suivantes:
L'échangeur d'effluents d'alimentation réduit la consommation de carburant du chauffe-eau en récupérant l'énergie thermique qui serait autrement rejetée dans l'atmosphère ou dans l'eau de refroidissement.Pour un appareil de chauffage à combustion fixe, une récupération de chaleur plus élevée dans l'échangeur d'effluents d'alimentation prolonge la durée du cycle du catalyseur et améliore le débit global de l'installation.
Ce produit est conçu et fabriqué conformément à la classe R TEMA (service de raffinerie), à la section VIII ASME Division 1 ou Division 2 et, le cas échéant, à l'API 661/ISO 13706.
Fonction de processus récupération de chaleur et intégration d'énergie
Dans un schéma de flux de processus de réaction catalytique typique:
- L'alimentation du réacteur à froid (en phase liquide ou mixte) entre dans le côté de la coque ou du côté du tube de l'échangeur d'effluents d'alimentation
- Flux d'effluents chauds du réacteur (gaz ou mixte à 400°C/600°C) sur le côté opposé
- La chaleur est transférée de l'effluent à l'alimentation, préchauffant l'alimentation avant d'entrer dans le chauffe-eau chauffé
- L'effluent est refroidi, condensant partiellement des produits précieux pour la séparation en aval
L'échangeur d'effluents d'alimentation peut récupérer 70 à 80% de la charge thermique totale requise pour le préchauffage de l'alimentation.
L'avantage thermodynamique est quantifié en superposant la courbe de chauffage de l'alimentation et la courbe de refroidissement des effluents..8 MW sur la demande totale d'alimentation de 27,5 MW, le chauffage par combustion fournissant les 6,7 MW restants.
Conditions de service Plage paramétrée
| Paramètre |
Portée |
Les notes |
| Température d'entrée d'alimentation |
20°C ∼ 100°C |
Aliments liquides ou mixtes provenant d'unités de stockage ou en amont |
| Température de sortie de l'alimentation |
250°C ∼ 370°C |
Aliments préchauffés entrant dans le chauffe-eau |
| Température d'entrée des effluents |
400°C ∼ 600°C |
Effluent du réacteur à la sortie du catalyseur |
| Température de sortie des effluents |
120°C ∼ 180°C |
Effluent refroidi vers le condensateur/séparateur en aval |
| Pression de fonctionnement |
2.0 30,0 MPa |
Dépendant de l'hydraulique du circuit du réacteur et de la pression partielle de l'hydrogène |
| Composition des aliments pour animaux |
Gaz liquide + gaz riche en H2 |
Flux biphasé à l'entrée de l'échangeur |
| Accord de ΔP du côté de la coque |
≤ 35 kPa (5 psi) |
Typique par coquille pour le service de raffinerie |
| Accord de ΔP du côté du tube |
≤ 35 kPa (5 psi) |
Typique par coquille |
Conception thermique
L'échangeur d'effluents d'alimentation fonctionne généralement avec trois zones de transfert de chaleur distinctes le long du tube, chacune avec des mécanismes et des coefficients différents:
| Localisation de la zone |
Mécanisme côté coquille |
Mécanisme du côté du tube |
Approximativement |
| Section inférieure (entrée) |
Condensation (refroidissement des effluents) |
Evaporation (vaporisation de l'aliment) |
0 ¥3 MW |
| Partie médiane |
Déchauffeur (refroidissement au gaz) |
Evaporation (vaporisation continue) |
3 ¥ 11,7 MW |
| Section supérieure (sortie) |
Déchauffeur (refroidissement au gaz) |
Surchauffement (chauffage par gaz d'alimentation) |
110,7 ‰ 20,8 MW |
Les coefficients globaux de transfert de chaleur (COTC) pour les échangeurs d'effluents d'alimentation mixte phase varient généralement de 50 à 70 W/m2·K pour la dimensionnement préliminaire,avec des valeurs finales dépendantes des vitesses de débit et des facteurs d'encrassement.
Configuration de la construction Type de coque et de tube
Les orientations
- Verticale (Texas Tower) ?? commun pour l'alimentation en deux phases avec évaporation du côté du tube, permettant la distribution du liquide par gravité
- Horizontale utilisée pour le service gaz-gaz ou lorsque l'accès à l'entretien est préférable à une altitude inférieure
Type de groupe de tubes (TEMA)
- BEU (bond de tubes en U) ‡ recommandé pour le service à l'hydrogène (pression partielle d'hydrogène ≥ 3,5 MPa ou teneur en H2 ≥ 90 vol),Comme la conception en U-tube minimise les joints tube-à-tube et accueille l'expansion thermique
- BEM / AEM (plaque de tube fixe) applicable lorsque le différentiel de température est dans les limites admissibles
- Tête flottante (facultative pour le service d'encrassement sévère)
Conception de déflecteur
- Coupe verticale (barreaux segmentés orientés verticalement) ️ recommandé pour l'alimentation en deux phases afin d'assurer une répartition uniforme des phases liquide et vapeur autour de chaque barreaux, réduisant le risque de débit de limaces
- Des déflecteurs hélicoïdaux conception alternative pour une meilleure répartition du débit et une réduction du contournement
- Boucliers de type bouclier et aile avec joints circonférentiels utilisés dans les conceptions de gaz-gaz à haute efficacité pour minimiser les fuites et améliorer la distribution
Distribution des flux Considération critique de la conception
L'alimentation qui entre dans un échangeur d'effluents d'alimentation est généralement un mélange biphasé (hydrocarbures liquides + gaz riche en hydrogène).et les deux phases se répartiront de sorte que la chute de pression globale est minimiséeCela peut entraîner une mauvaise distribution, le liquide passant de préférence par certains tubes et le gaz par d'autres.
Pour relever ce défi:
- Sélection du nombre de tubes: Réglez de sorte que le gradient de pression d'un flux bien mélangé en deux phases soit inférieur à la tête hydrostatique de la seule phase liquide. Cela garantit que le liquide ne peut être transporté que dans le cadre d'un mélange biphasé.
- Distributeurs de phase: Les plaques perforées installées dans les têtes des échangeurs assurent la présence de gaz sous tous les tubes.
- Distributeurs de couvertures d'entrée: coupes angulaires (10° à 30°) au niveau du voile d'entrée pour une distribution uniforme du flux direct de gaz d'alimentation vers la feuille de tube.
- Sceaux de circonférence flexibles: Installé sur des déflecteurs pour minimiser les fuites et améliorer la répartition du débit sur le faisceau.
Sélection du matériau: corrosion et température
Les échangeurs d'effluents d'alimentation fonctionnent sur une large plage de températures et peuvent manipuler des fluides contenant des chlorures, du sulfure d'hydrogène, de l'ammoniac et de l'eau.La sélection du matériau est classée selon la température de fonctionnement prévue:
| Plage de température |
Matériau du tube |
Matériau de la coquille |
Les notes |
| ≤ 315°C (600°F) |
Acier au carbone SA-179 / 106 Gr.B |
Acier au carbone SA-516 Gr.70 |
Service des hydrocarbures sucrés |
| 315°C ¥ 370°C |
1.25Cr-0,5Mo ou 2.25Cr-1Mo |
Acier ou alliage au carbone |
Résistance à la corrosion modérée |
| 370°C ∼ 425°C |
d'une épaisseur n'excédant pas 1 mm |
d'acier au carbone plaqué |
Risque de corrosion par le chlorure à moins de 425°C |
| 425°C 540°C |
347H ou alliage 800 |
Couche en alliage ou en inconel |
Protection contre la rampe à haute température et contre les nitrides |
Pour les services où l'ammoniac et le chlorure d'hydrogène sont présents (par exemple, les unités NHT), des sels de chlorure d'ammonium peuvent se précipiter lorsque l'effluent refroidit.L'échangeur est généralement conçu avec un point d'injection d'eau de lavage intermittent en amont de la zone de formation de sel pour permettre le rinçage si les performances thermiques ou hydrauliques diminuent.
Protection contre les nitrides des gaz d'écoulement: Dans les services où la température des effluents dépasse 425°C (par exemple, synthèse d'ammoniac),la coque adjacente à la feuille de tube peut nécessiter un revêtement Inconel® ou un autre revêtement résistant aux nitrides jusqu'à ce que le gaz refroidisse sous le seuil de nitridation.
Conception pour l'expansion thermique
Dans le service des effluents d'alimentation, la différence de température entre l'alimentation et les effluents peut dépasser 200°C.La construction du faisceau de tubes en U permet une expansion thermique différentielle entre les tubes et la coque sans nécessiter de joints d'expansion.
Pour les conceptions de feuilles de tubes fixes, le calcul de la contrainte thermique selon l'ASME VIII-1 UG-23 c) limite le différentiel de température admissible.Une conception en U-tube ou en tête flottante est requise..
Dégradation des performances pollution et atténuation
La formation de taches dans les échangeurs d'effluents d'alimentation est due:
- Dépôt de sel de chlorure d'ammonium: précipitations lorsque les effluents du réacteur se refroidissent en dessous du point de rosée salée. atténuée par injection d'eau de lavage en aval de l'échangeur ou par rinçage intermittent en amont.
- Formation de coke ou de gomme: à partir de composés oléfiniques ou dioléfiniques dans l'alimentation de la naphta.Il est recommandé d'utiliser des décapants d'oxygène en amont de l'unité lorsque les aliments sont transportés vers la raffinerie..
- Accumulation à l'échelle: à partir de produits fines de catalyseur ou de produits de corrosion.
Surveillance des performances: les indicateurs de pression différentielle sur les deux côtés de la coque et du tube détectent l'encrassement.Le nettoyage est recommandé lorsque ΔP dépasse de 30% le ΔP de conception ou lorsque la température de sortie ne peut pas être maintenue..
Inspection et essai par lot
Vérification des dimensions
- Tolérance OD du tube: ±0,11 mm par ASTM B730
- Tolérance de longueur du faisceau: ± 1,5 mm par TEMA RCB-8
- Tolérance à l'écart de déviation: ±1,5 mm
Examen non destructif
- Les joints de tube à feuille: 100% de pénétrant liquide (PT) pour les joints soudés (selon ASME VIII-1 UW-51)
- Les coutures longitudinales et circonférentielles de la coque: radiographie spatiale (RT) selon l'ASME UW-52 ou radiographie complète selon les spécifications
- Les soudes de tête: 100% RT ou PT par conception
- Sceaux de circonférence sur les déflecteurs: inspection visuelle pour vérifier l'ajustement et la souplesse appropriés
Épreuves de pression
- Test hydrostatique (les côtés du tube et de la coque): 1,3 × pression de conception par ASME VIII-1 UG-99, maintenu pendant 30 minutes, chute de pression nulle
- Épreuve de fuite pneumatique (le cas échéant): 0,6 MPa d'air ou d'azote; taux de fuite ≤ 1 × 10−5 Pa·m3/s par ASME, appendice VI
Documentation par expédition
- Certificats d'essai des matériaux (EN 10204 3.1 ou 3.2) √ matériaux pour tubes, coques, têtes et brides
- Rapport ASME sur les données du timbre en U (le cas échéant)
- Fiche de données TEMA (classe R ou B, selon les spécifications)
- Rapport d'inspection dimensionnelle
- Rapport d'essai hydrostatique avec enregistrement de la carte de pression
- Les rapports d'EDM (PT/RT/MT selon le cas)
- Les spécifications de la procédure de soudage (WPS) et le dossier de qualification (PQR)
- Tracé du faisceau de tubes tel qu'il est construit
- Rapport de conception thermique (débit thermique, correction de la LMTD, OHTC, calcul de la chute de pression)
Liste de vérification de sélection Échangeur d'effluents d'alimentation
- Fournir un schéma de débit de processus montrant les flux d'alimentation et d'effluents, les températures, les pressions et les débits.
- Spécifier la composition de l'aliment (hydrocarbures liquides, H2, gaz de recyclage, contaminants).
- Spécifier la composition des effluents (y compris H2S, NH3, HCl, teneur en eau).
- Fournir la température d'entrée du réacteur et la fonction de chauffage.
- Spécifier les baisses de pression admissibles (côtes et côtés du tube).
- Identifier les mécanismes d'encrassement attendus (sols, coke, écaille).
- Indiquer si l'injection d'eau de lavage est nécessaire et à quel endroit.
- Sélectionner la qualité du matériau en fonction de la température maximale de fonctionnement et de la corrosivité.
- Spécifier le type TEMA (BEU recommandé pour le service à l'hydrogène).
- Fournir les conditions ambiantes du site pour l'évaluation du démarrage à froid.
Déclaration de limitation de conception
Les échangeurs d'effluents d'alimentation ne sont pas applicables:
- Services avec une teneur élevée en solides (> 2% en poids) sans filtration en amont du réseau ¢ en raison de l'érosion du côté du tube et de la pollution
- Réactions nécessitant une éteinte immédiate après le lit de catalyseur
- Pression partielle d'hydrogène très basse (< 1,0 MPa) où l'encrassement de la bobine de chauffage dans le chauffe-eau devient une contrainte de conception
- Services dans lesquels les effluents contiennent des composés qui se polymérisent ou se décomposent à température de fonctionnement de l'échangeur, ce qui entraîne une contamination rapide
