Wymiennik ścieków zasilających jako krytyczna jednostka odzyskiwania ciepła
Wymiennik ciepła gazów wylotowych z reaktora (nazywany także kombinowanym wymiennikiem surowca lub Texas Tower) to płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła, który podgrzewa wstępnie surowiec nadawy do reaktora poprzez odzyskiwanie ciepła ze strumienia gorących gazów wylotowych z reaktora. Urządzenie to jest umieszczone przed grzejnikiem i służy jako główne urządzenie do odzyskiwania ciepła w procesach reakcji katalitycznych, obejmujących hydrorafinację benzyny ciężkiej, reforming katalityczny, odwodornienie (np. proces Catofin™), syntezę amoniaku i hydrokraking.
Wymiennik ścieków zasilających zmniejsza zużycie paliwa do opalanego grzejnika poprzez odzyskiwanie energii cieplnej, która w przeciwnym razie zostałaby odrzucona do atmosfery lub do wody chłodzącej. W przypadku grzejnika opalanego o stałej wydajności spalania, wyższy odzysk ciepła w wymienniku ścieków zasilających wydłuża długość cyklu katalizatora i poprawia ogólną przepustowość instalacji.
Ten produkt został zaprojektowany i wyprodukowany zgodnie z TEMA klasa R (usługi rafineryjne), ASME sekcja VIII dział 1 lub dział 2 oraz API 661 / ISO 13706, jeśli ma to zastosowanie.
Funkcja procesu – odzysk ciepła i integracja energii
W typowym schemacie przebiegu procesu reakcji katalitycznej:
- Zimny surowiec reaktora (ciecz lub faza mieszana) wpływa po stronie płaszcza lub rury wymiennika ścieków zasilających
- Gorący wylot z reaktora (gaz lub faza mieszana o temperaturze 400°C–600°C) przepływa po przeciwnej stronie
- Ciepło jest przekazywane ze ścieków do paszy, podgrzewając ją przed wejściem do opalanego grzejnika
- Ścieki są schładzane, częściowo kondensując cenne produkty do dalszej separacji
Wymiennik ścieków nadawowych może odzyskać 70–80% całkowitego zapotrzebowania na ciepło wymaganego do wstępnego podgrzania paszy. Pozostała część jest dostarczana przez grzejnik opalany w celu podniesienia wsadu do temperatury na wlocie reaktora.
Korzyści termodynamiczne określa się ilościowo poprzez nałożenie krzywej ogrzewania surowca i krzywej chłodzenia ścieków. Przy minimalnej temperaturze podejścia wynoszącej 50°C typowy wymiennik ścieków zasilających może odzyskać 20,8 MW z całkowitego zapotrzebowania na surowiec wynoszącego 27,5 MW, a grzejnik opalany zapewnia pozostałe 6,7 MW.
Warunki świadczenia usług – zakres sparametryzowany
| Parametr |
Zakres |
Notatki |
| Temperatura wlotu paszy |
20°C – 100°C |
Zasilanie płynne lub mieszanofazowe z magazynów lub jednostek poprzedzających |
| Temperatura na wylocie paszy |
250°C – 370°C |
Wstępnie podgrzana pasza wchodzi do opalanego grzejnika |
| Temperatura na wlocie ścieków |
400°C – 600°C |
Wyciek z reaktora na wylocie katalizatora |
| Temperatura wylotu ścieków |
120°C – 180°C |
Schłodzone ścieki do dalszego skraplacza/separatora |
| Ciśnienie robocze |
2,0 – 30,0 MPa |
Zależnie od hydrauliki obwodu reaktora i ciśnienia cząstkowego wodoru |
| Skład paszy |
Ciecz + gaz bogaty w H₂ |
Przepływ dwufazowy na wlocie do wymiennika |
| Naddatek ΔP po stronie powłoki |
≤ 35 kPa (5 psi) |
Typowe dla powłoki rafinerii |
| Naddatek ΔP po stronie rury |
≤ 35 kPa (5 psi) |
Typowe dla powłoki |
Projekt termiczny – wiele stref wymiany ciepła
Wymiennik ścieków zasilających zazwyczaj działa z trzema odrębnymi strefami wymiany ciepła wzdłuż długości rury, każda z różnymi mechanizmami i współczynnikami:
| Lokalizacja strefy |
Mechanizm po stronie powłoki |
Mechanizm po stronie rury |
Około. Udział w obowiązkach |
| Część dolna (wlot) |
Kondensacja (chłodzenie ścieków) |
Odparowanie (odparowanie surowca) |
0–3 MW |
| Część środkowa |
Schładzanie (chłodzenie gazu) |
Parowanie (ciągłe odparowywanie) |
3–11,7 MW |
| Sekcja górna (wylot) |
Schładzanie (chłodzenie gazu) |
Przegrzanie (ogrzewanie gazu zasilającego) |
11,7–20,8 MW |
Całkowite współczynniki przenikania ciepła (OHTC) dla mieszanych wymienników ścieków zasilających zazwyczaj wahają się od 50 do 70 W/m²·K przy wstępnym doborze, przy czym wartości końcowe zależą od prędkości przepływu i czynników zanieczyszczania.
Konfiguracja konstrukcyjna – typ płaszcza i rury
Orientacja
- Pionowy (Texas Tower) – wspólny dla zasilania dwufazowego z odparowaniem po stronie rury, umożliwiający dystrybucję cieczy wspomaganą grawitacyjnie
- Poziomy – używany do obsługi gaz-gaz lub tam, gdzie preferowane jest niższe wzniesienie ze względu na dostęp konserwacyjny
Typ wiązki rurek (TEMA)
- BEU (wiązka U-rurek) – zalecana do pracy z wodorem (ciśnienie cząstkowe wodoru ≥ 3,5 MPa lub zawartość H₂ ≥ 90% obj.), ponieważ konstrukcja U-rurki minimalizuje połączenia rura-arkusz i kompensuje rozszerzalność cieplną
- BEM / AEM (stały arkusz rurowy) – stosowany, gdy różnica temperatur mieści się w dopuszczalnych granicach
- Głowica pływająca – opcjonalna do zastosowań w przypadku silnych zanieczyszczeń
Projekt przegrody
- Cięcie pionowe (przegrody segmentowe zorientowane pionowo) – zalecane przy zasilaniu dwufazowym, aby zapewnić równomierne rozprowadzenie fazy ciekłej i gazowej wokół każdej przegrody, ograniczając ryzyko przepływu ślimaków
- Przegrody spiralne – alternatywna konstrukcja zapewniająca lepszą dystrybucję przepływu i zmniejszone obejście
- Przegrody osłonowe i skrzydełkowe z uszczelkami obwodowymi – stosowane w konstrukcjach gazowo-gazowych o wysokiej efektywności w celu zminimalizowania wycieków i poprawy dystrybucji
Dystrybucja przepływu – krytyczne uwagi projektowe
Surowiec wprowadzany do wymiennika ścieków jest zazwyczaj mieszaniną dwufazową (ciekły węglowodór + gaz bogaty w wodór). Wiązka rurek charakteryzuje się wieloma równoległymi ścieżkami przepływu, a dwie fazy będą rozdzielane tak, aby zminimalizować ogólny spadek ciśnienia. Może to skutkować niewłaściwą dystrybucją, w której ciecz preferencyjnie przepływa przez niektóre rurki, a gaz przez inne.
Aby sprostać temu wyzwaniu:
- Wybór liczby rurek: Ustawić tak, aby gradient ciśnienia dobrze wymieszanego strumienia dwufazowego był mniejszy niż wysokość podnoszenia hydrostatycznego samej fazy ciekłej. Dzięki temu ciecz może być transportowana wyłącznie jako część mieszaniny dwufazowej.
- Dystrybutorzy faz: Perforowane płyty zainstalowane w kolektorach wymiennika zapewniają obecność gazu pod wszystkimi rurami.
- Rozdzielacze osłon wlotowych: Nacięcia pod kątem (10–30 stopni) na osłonie wlotu kierują przepływ gazu zasilającego w stronę arkusza rurowego, zapewniając równomierną dystrybucję.
- Elastyczne uszczelnienia obwodowe: Instalowany na przegrodach, aby zminimalizować ścieżki wycieków i poprawić rozkład przepływu w wiązce.
Wybór materiału – pod wpływem korozji i temperatury
Wymienniki ścieków paszowych działają w szerokim zakresie temperatur i mogą obsługiwać płyny zawierające chlorki, siarkowodór, amoniak i wodę. Wybór materiału jest klasyfikowany według oczekiwanej temperatury roboczej:
| Zakres temperatur |
Materiał tuby |
Materiał powłoki |
Notatki |
| ≤ 315°C (600°F) |
Stal węglowa SA-179 / 106 gr.B |
Stal węglowa SA-516 gr.70 |
Słodka usługa węglowodorowa |
| 315°C – 370°C |
1,25Cr-0,5Mo lub 2,25Cr-1Mo |
Stal węglowa lub stop |
Umiarkowana odporność na korozję |
| 370°C – 425°C |
Stal nierdzewna 304/316L |
Stal węglowa 304/316L lub platerowana |
Ryzyko korozji chlorkowej poniżej 425°C |
| 425°C – 540°C |
347H lub stop 800 |
Nakładka ze stopu lub Inconelu |
Ochrona przed pełzaniem i azotowaniem w wysokiej temperaturze |
W przypadku usług zawierających amoniak i chlorowodór (np. jednostki NHT) sole chlorku amonu mogą wytrącać się w miarę ochładzania ścieków. Wymiennik jest zwykle zaprojektowany z przerywanym punktem wtrysku wody płuczącej przed strefą tworzenia się soli, aby umożliwić płukanie w przypadku spadku wydajności termicznej lub hydraulicznej.
Ochrona azotowaniem gazów odlotowych: W instalacjach, w których temperatura wylotu przekracza 425°C (np. synteza amoniaku), płaszcz przylegający do sita może wymagać nakładki z Inconelu® lub innej nakładki odpornej na azotowanie, do czasu, aż gaz ostygnie poniżej progu azotowania.
Projektowanie pod kątem rozszerzalności cieplnej – konfiguracja U-rurki
W przypadku ścieków paszowych różnica temperatur pomiędzy surowcem a wypływami może przekraczać 200°C. Konstrukcja wiązki rurek w kształcie litery U kompensuje różnicową rozszerzalność cieplną pomiędzy rurami i płaszczem, bez konieczności stosowania złącz dylatacyjnych.
W przypadku konstrukcji z nieruchomymi arkuszami rurowymi obliczenie naprężenia termicznego zgodnie z ASME VIII-1 UG-23(c) ogranicza dopuszczalną różnicę temperatur. Jeżeli ΔT przekracza dopuszczalną kombinację materiałów, wymagana jest konstrukcja w kształcie U-rurki lub głowicy pływającej.
Pogorszenie wydajności – zanieczyszczanie i łagodzenie
Zanieczyszczanie wymienników ścieków paszowych następuje w wyniku:
- Osadzanie soli chlorku amonu: Wytrąca się, gdy wycieki z reaktora ochładzają się poniżej punktu rosy soli. Łagodzone przez wtrysk wody płuczącej za wymiennikiem lub okresowe płukanie przed wymiennikiem.
- Tworzenie się koksu lub gumy: Ze związków olefinowych lub diolefinowych w surowcowej benzynie ciężkiej. Zanieczyszczenie tlenem podczas przechowywania nasila zarastanie. W przypadku transportu paszy do rafinerii zalecane są urządzenia do odpędzania tlenu przed jednostką.
- Kumulacja skali: Z cząstek katalizatora lub produktów korozji.
Monitorowanie wydajności: Wskaźniki różnicy ciśnień po obu stronach płaszcza i rury wykrywają zanieczyszczenie. Czyszczenie jest zalecane, gdy ΔP przekracza projektowe ΔP o 30% lub gdy nie można utrzymać temperatury na wylocie.
Kontrola i testowanie każdego pakietu
Kontrola wymiarowa
- Tolerancja średnicy zewnętrznej rury: ±0,11 mm zgodnie z ASTM B730
- Tolerancja długości wiązki: ±1,5 mm na TEMA RCB-8
- Tolerancja rozstawu przegród: ±1,5mm
Badanie nieniszczące
- Połączenia rura-blacha: 100% penetrant cieczy (PT) do połączeń spawanych (wg ASME VIII-1 UW-51)
- Podłużne i obwodowe szwy powłoki: radiografia punktowa (RT) zgodnie z ASME UW-52 lub pełny RT zgodnie ze specyfikacją
- Spoiny czołowe: 100% RT lub PT według projektu
- Uszczelki obwodowe na przegrodach: Kontrola wzrokowa pod kątem prawidłowego dopasowania i elastyczności
Próba ciśnieniowa
- Próba hydrostatyczna (strony rury i płaszcza): 1,3 × ciśnienie projektowe zgodnie z ASME VIII-1 UG-99, wytrzymać 30 minut, zerowy spadek ciśnienia
- Pneumatyczna próba szczelności (jeśli określono): 0,6 MPa powietrze lub azot; współczynnik wycieku ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m3/s zgodnie z ASME Załącznik VI
Dokumentacja dla każdej przesyłki
- Certyfikaty badań materiałów (EN 10204 3.1 lub 3.2) – materiały rur, płaszczy, kolektorów i kołnierzy
- Raport danych ze stemplem U ASME (jeśli dotyczy)
- Arkusz danych TEMA (klasa R lub B, zgodnie z specyfikacją)
- Raport z kontroli wymiarowej
- Raport z testu hydrostatycznego z zapisem wykresu ciśnienia
- Raporty NDE (w stosownych przypadkach PT/RT/MT)
- Specyfikacja technologii spawania (WPS) i zapis kwalifikacyjny (PQR)
- Rysunek powykonawczy wiązki rur
- Raport projektu termicznego (obciążenie cieplne, korekta LMTD, OHTC, obliczenia spadku ciśnienia)
Lista kontrolna wyboru – wymiennik ścieków paszowych
- Zapewnij schemat przebiegu procesu pokazujący strumienie surowca i ścieków, temperatury, ciśnienia i natężenia przepływu.
- Określ skład surowca (ciekły węglowodór, H₂, gaz obiegowy, zanieczyszczenia).
- Określ skład ścieków (w tym H₂S, NH₃, HCl, zawartość wody).
- Podaj temperaturę na wlocie reaktora i obciążenie grzałki.
- Określ dopuszczalne spadki ciśnienia (po stronie płaszcza i rury).
- Zidentyfikować spodziewane mechanizmy zanieczyszczania (sole, koks, kamień).
- Określ, czy wymagany jest wtrysk wody do mycia i w jakim miejscu.
- Wybierz gatunek materiału w oparciu o maksymalną temperaturę roboczą i korozyjność.
- Określ typ TEMA (zalecany BEU do obsługi wodoru).
- Zapewnij warunki otoczenia w miejscu instalacji do oceny zimnego rozruchu.
Oświadczenie o ograniczeniach projektu
Wymienniki ścieków paszowych nie mają zastosowania do:
- Usługi o wysokiej zawartości substancji stałych (> 2% wag.) bez filtracji przed filtrem – ze względu na erozję i zanieczyszczenie po stronie rury
- Reakcje wymagające natychmiastowego stłumienia po złożu katalizatora – wymiennik ścieków zasilających poprzedza grzejnik opalany i nie może zapewnić kontroli temperatury na wlocie reaktora
- Bardzo niskie ciśnienie cząstkowe wodoru (< 1,0 MPa), przy którym zanieczyszczenie wężownicy grzewczej w grzejniku opalanym piecem staje się ograniczeniem projektowym
- Usługi, w których ścieki zawierają związki, które polimeryzują lub rozkładają się w temperaturach roboczych wymiennika, co prowadzi do szybkiego zanieczyszczania
