셸 및 튜브 열 교환기 - ASME VIII DIV.1 TEMA R API660 표준에 따른 공급 유출물 교환기

공급물 배출 열교환기(결합 공급물 교환기 또는 텍사스 타워라고도 함)는 뜨거운 원자로 배출물 흐름에서 열을 회수하여 원자로 공급물을 예열하는 쉘 앤 튜브 열교환기입니다. 이 장비는 연소된 히터의 상류에 위치하며 나프타 수소처리, 촉매 개질, 탈수소화(예: Catofin™ 공정), 암모니아 합성 및 수소화분해를 포함한 촉매 반응 공정에서 1차 열 회수 장치 역할을 합니다.

공급 유출물 교환기는 대기 또는 냉각수로 배출될 열 에너지를 회수하여 연소된 히터 연료 소비를 줄입니다. 고정된 연소 용량의 연소된 히터의 경우, 공급물 배출 교환기의 더 높은 열 회수는 촉매 주기 길이를 연장하고 전체 공장 처리량을 향상시킵니다.

이 제품은 TEMA 클래스 R(정제 서비스), ASME 섹션 VIII Division 1 또는 Division 2 및 해당되는 경우 API 661/ISO 13706에 따라 설계 및 제조되었습니다.

일반적인 촉매 반응 공정 흐름도에서:

• 저온 반응기 공급물(액체 또는 혼합상)은 공급물 유출 교환기의 쉘 측면 또는 튜브 측면으로 들어갑니다.
• 뜨거운 반응기 유출물(400°C~600°C의 가스 또는 혼합상)이 반대쪽으로 흐릅니다.
• 열은 유출물에서 공급물로 전달되어 공급물이 연소된 히터에 들어가기 전에 예열됩니다.
• 유출물은 냉각되어 하류 분리를 위해 귀중한 제품을 부분적으로 응축합니다.

공급물 배출 교환기는 공급물 예열에 필요한 총 열량의 70~80%를 회수할 수 있습니다. 공급물을 반응기 입구 온도로 높이기 위해 연소된 히터에 의해 균형이 공급됩니다.

열역학적 이점은 공급물 가열 곡선과 배출수 냉각 곡선을 겹쳐서 정량화됩니다. 최소 접근 온도 50°C에서 일반적인 공급 배출수 교환기는 총 공급 수요 27.5MW 중 20.8MW를 회수할 수 있으며 연소 히터는 나머지 6.7MW를 공급합니다.

공급 배출수 교환기는 일반적으로 튜브 길이를 따라 세 개의 서로 다른 열 전달 구역으로 작동하며, 각각은 서로 다른 메커니즘과 계수를 갖습니다.

혼합상 공급 배출수 교환기의 전체 열전달 계수(OHTC)는 일반적으로 예비 크기 결정의 경우 50~70W/m²·K 범위이며, 최종 값은 유속 및 오염 요인에 따라 달라집니다.

정위

• 수직(텍사스 타워) – 튜브 측 증발 기능이 있는 2단계 공급에 일반적이며 중력 보조 액체 분배가 가능합니다.
• 수평 – 가스-가스 서비스에 사용되거나 유지 보수 접근을 위해 낮은 고도가 선호되는 경우

튜브번들형(TEMA)

• BEU(U-튜브 번들) – U-튜브 설계가 튜브-튜브 시트 접합을 최소화하고 열팽창을 수용하므로 수소 서비스(수소 부분압 ≥ 3.5 MPa 또는 H2 함량 ≥ 90 vol%)에 권장됩니다.
• BEM / AEM(고정 튜브시트) – 온도 차이가 허용 한계 내에 있을 때 적용 가능
• 플로팅 헤드 - 심한 오염 서비스를 위한 선택 사항

배플 디자인

• 수직 절단(수직 방향의 세그먼트 배플) – 각 배플 주위에 액체 및 증기상의 균일한 분포를 보장하여 슬러그 흐름 위험을 줄이기 위해 2단계 공급에 권장됩니다.
• 나선형 배플 - 유량 분배 개선 및 바이패스 감소를 위한 대체 설계
• 원주 씰이 있는 차폐 및 날개 스타일 배플 – 누출을 최소화하고 분배를 개선하기 위해 고효율 가스-가스 설계에 사용됩니다.

공급물 배출 교환기로 들어가는 공급물은 일반적으로 2상 혼합물(액체 탄화수소 + 수소가 풍부한 가스)입니다. 튜브 번들은 여러 개의 평행 흐름 경로를 제공하며 두 단계가 분산되어 전체 압력 강하가 최소화됩니다. 이로 인해 액체가 특정 튜브를 통해 우선적으로 흐르고 가스가 다른 튜브를 통해 흐르는 잘못된 분포가 발생할 수 있습니다.

이 문제를 해결하려면 다음을 수행하십시오.

• 튜브수 선택: 잘 혼합된 2상 흐름의 압력 구배가 액상 단독의 정수두보다 작도록 설정합니다. 이는 액체가 2상 혼합물의 일부로만 운반될 수 있도록 보장합니다.
• 위상 분배기: 교환기 헤더에 설치된 천공판은 모든 튜브 아래에 가스가 존재하도록 보장합니다.
• 입구 슈라우드 분배기: 입구 슈라우드의 각진 절단(10~30도)으로 공급 가스 흐름이 튜브 시트 쪽으로 직접 전달되어 균일한 분포가 이루어집니다.
• 유연한 원주 씰: 누출 경로를 최소화하고 번들 전체의 흐름 분포를 개선하기 위해 배플에 설치됩니다.

공급 배출수 교환기는 넓은 온도 범위에서 작동하며 염화물, 황화수소, 암모니아 및 물을 포함하는 유체를 처리할 수 있습니다. 재료 선택은 예상 작동 온도에 따라 등급이 결정됩니다.

암모니아와 염화수소가 존재하는 서비스(예: NHT 장치)의 경우, 유출수가 냉각되면서 염화암모늄 염이 침전될 수 있습니다. 교환기는 일반적으로 열 또는 수력 성능이 저하되는 경우 세척을 허용하기 위해 염 형성 구역 상류에 간헐적인 세척수 주입 지점으로 설계됩니다.

배출 가스 질화 보호: 배출 온도가 425°C를 초과하는 서비스(예: 암모니아 합성)에서 튜브 시트에 인접한 쉘에는 가스가 질화 임계값 아래로 냉각될 때까지 Inconel® 또는 기타 질화 방지 오버레이가 필요할 수 있습니다.

사료 배출수 서비스에서 사료와 배출수 사이의 온도 차이는 200°C를 초과할 수 있습니다. U-튜브 번들 구조는 확장 조인트 없이 튜브와 쉘 사이의 차등 열 팽창을 수용합니다.

고정 튜브시트 설계의 경우 ASME VIII-1 UG-23(c)에 따른 열 응력 계산은 허용 가능한 온도 차이를 제한합니다. ΔT가 재료 조합의 허용치를 초과하는 경우 U자형 튜브 또는 플로팅 헤드 설계가 필요합니다.

사료 배출 교환기의 파울링은 다음과 같은 경우에 발생합니다.

• 염화암모늄염 침전: 반응기 유출물이 염 이슬점 이하로 냉각되면서 침전됩니다. 교환기 하류에 세척수를 주입하거나 간헐적인 상류 플러싱을 통해 완화됩니다.
• 콜라 또는 껌 형성: 나프타 피드에 포함된 올레핀 또는 디올레핀 화합물에서 추출됩니다. 보관 중 산소 오염으로 인해 오염이 악화됩니다. 사료가 정유소로 운송되는 경우 장치 상류에 산소 제거기를 사용하는 것이 좋습니다.
• 스케일 축적: 촉매 미세분 또는 부식 생성물로부터.

성능 모니터링: 쉘과 튜브 측면의 차압 표시기가 오염을 감지합니다. ΔP가 설계 ΔP를 30% 초과하거나 배출구 온도를 유지할 수 없는 경우 청소하는 것이 좋습니다.

치수 확인

• 튜브 외경 공차: ASTM B730에 따라 ±0.11mm
• 번들 길이 공차: TEMA RCB-8당 ±1.5mm
• 배플 간격 공차: ±1.5mm

비파괴 검사

• 튜브-튜브 시트 조인트: 용접 조인트용 100% 액체 침투제(PT)(ASME VIII-1 UW-51에 따름)
• 쉘 세로 및 원주 솔기: ASME UW-52에 따른 스팟 방사선 촬영(RT) 또는 사양에 따른 전체 RT
• 헤더 용접: 설계당 100% RT 또는 PT
• 배플의 원주형 씰: 적절한 적합성과 유연성을 육안으로 검사

압력 테스트

• 정수압 테스트(튜브 및 쉘 측면): ASME VIII-1 UG-99에 따라 1.3 × 설계 압력, 30분 동안 유지, 압력 강하 없음
• 공압 누출 테스트(지정된 경우): 0.6MPa 공기 또는 질소; ASME 부록 VI당 누출율 ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s

• 재료 테스트 인증서(EN 10204 3.1 또는 3.2) – 튜브, 쉘, 헤더 및 플랜지 재료
• ASME U 스탬프 데이터 보고서(해당되는 경우)
• TEMA 데이터시트(지정된 대로 클래스 R 또는 B)
• 치수검사 보고서
• 압력 차트 기록이 포함된 수압 테스트 보고서
• NDE 보고서(해당되는 경우 PT/RT/MT)
• 용접 절차 사양(WPS) 및 자격 기록(PQR)
• 튜브 번들 준공 도면
• 열 설계 보고서(열부하, LMTD 보정, OHTC, 압력 강하 계산)

1. 공급물 및 유출물 흐름, 온도, 압력 및 유속을 보여주는 공정 흐름도를 제공합니다.
2. 공급 조성(액체 탄화수소, H2, 재활용 가스, 오염물질)을 지정합니다.
3. 배출수 구성(H2S, NH₃, HCl, 수분 함량 포함)을 지정합니다.
4. 반응기 입구 온도와 연소된 히터 의무를 제공합니다.
5. 허용되는 압력 강하(쉘 및 튜브 측면)를 지정합니다.
6. 예상되는 오염 메커니즘(염분, 코크스, 스케일)을 식별합니다.
7. 세척수 주입이 필요한지 여부와 위치를 지정합니다.
8. 최대 작동 온도와 부식성을 기준으로 재료 등급을 선택하세요.
9. TEMA 유형을 지정합니다(수소 서비스에는 BEU 권장).
10. 콜드 스타트업 평가를 위한 현장 주변 조건을 제공합니다.

다음의 경우에는 사료 배출 교환기가 적용되지 않습니다.

• 튜브 측 침식 및 오염으로 인해 업스트림 여과 없이 고형분 함량이 높은(> 2% 중량) 서비스
• 촉매층 후 즉각적인 급랭이 필요한 반응 - 공급 유출 교환기는 연소된 히터보다 앞서며 반응기 입구 온도 제어를 제공할 수 없습니다.
• 연소된 히터의 가열 코일 오염이 설계 제약이 되는 매우 낮은 수소 부분 압력(< 1.0 MPa)
• 폐수에 교환기 작동 온도에서 중합 또는 분해되는 화합물이 포함되어 있어 오염이 빠르게 발생하는 서비스