Intercambiador de efluentes de alimentação como unidade de recuperação de calor crítico
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 streamEste equipamento é colocado a montante do aquecedor a combustão e serve como dispositivo primário de recuperação de calor em processos de reação catalítica, incluindo hidrotratamento de nafta, reformamento catalítico,Desidrogenação.g., processo CatofinTM), síntese de amônia e hidrocraqueamento.
O trocador de efluentes de alimentação reduz o consumo de combustível do aquecedor, recuperando a energia térmica que seria rejeitada para a atmosfera ou para a água de arrefecimento.Para um aquecedor a combustão de potência fixa, uma maior recuperação de calor no trocador de efluentes de alimentação prolonga a duração do ciclo do catalisador e melhora o rendimento global da instalação.
Este produto é concebido e fabricado em conformidade com a TEMA Classe R (serviço de refinaria), a ASME Secção VIII Divisão 1 ou Divisão 2 e a API 661/ISO 13706, se aplicável.
Função do processo Recuperação de calor e integração de energia
Em um esquema típico de fluxo de processo de reação catalítica:
- A alimentação do reator a frio (líquida ou de fase mista) entra no lado da concha ou no lado do tubo do trocador de efluentes de alimentação
- Fluxos de efluentes de reactor quentes (gás ou de fase mista a 400°C~600°C) no lado oposto
- O calor é transferido do efluente para o alimento, pré-aquecendo o alimento antes de entrar no aquecedor a combustão
- O efluente é resfriado, condensando parcialmente produtos valiosos para separação a jusante
O trocador de efluentes de alimentação pode recuperar 70~80% da carga térmica total necessária para o pré-aquecimento de alimentação.
O benefício termodinâmico é quantificado através da sobreposição da curva de aquecimento da alimentação e da curva de arrefecimento do efluente..O aquecedor de combustível fornece os restantes 6,7 MW.
Condições de serviço Faixa parametrizada
| Parâmetro |
Distância |
Notas |
| Temperatura da entrada de alimentação |
20°C ∼ 100°C |
Alimentação líquida ou de fase mista proveniente de unidades de armazenamento ou a montante |
| Temperatura da saída de alimentação |
250°C ¥ 370°C |
Alimentos pré-aquecidos que entram no aquecedor |
| Temperatura de entrada do efluente |
400°C ∼ 600°C |
Efluentes do reator na saída do catalisador |
| Temperatura da saída do efluente |
120°C ∼ 180°C |
Resíduos refrigerados para o condensador/separador a jusante |
| Pressão de funcionamento |
2.0 30,0 MPa |
Dependente da hidráulica do circuito do reator e da pressão parcial do hidrogénio |
| Composição dos alimentos |
Líquido + gás rico em H2 |
Fluxo bifásico na entrada do trocador |
| Permissão de ΔP do lado da concha |
≤ 35 kPa (5 psi) |
Tipico por concha para serviço de refinaria |
| Permissão de ΔP do lado do tubo |
≤ 35 kPa (5 psi) |
Tipico por concha |
Projeto térmico ¢ zonas de transferência de calor múltiplas
O trocador de efluentes de alimentação funciona tipicamente com três zonas de transferência de calor distintas ao longo do comprimento do tubo, cada uma com mecanismos e coeficientes diferentes:
| Localização da zona |
Mecanismo do lado da concha |
Mecanismo do lado do tubo |
Aproximadamente. |
| Seção inferior (entrada) |
Condensação (resfriamento de efluentes) |
Evaporação (vaporização dos alimentos) |
0·3 MW |
| Secção média |
Descalfamento (refrigeração a gás) |
Evaporação (vaporização contínua) |
3 ¥ 11,7 MW |
| Secção superior (saída) |
Descalfamento (refrigeração a gás) |
Superaquecimento (aquecimento a gás de alimentação) |
11.7 ¢ 20,8 MW |
Os coeficientes globais de transferência de calor (OHTC) para os trocadores de efluentes de alimentação de fase mista variam tipicamente de 50 a 70 W/m2·K para dimensionamento preliminar,com valores finais dependentes das velocidades de fluxo e dos fatores de impureza.
Configuração da construção Tipo de concha e tubo
Orientação
- Vertical (Texas Tower) - comum para alimentação de duas fases com evaporação no lado do tubo, permitindo distribuição de líquido assistido pela gravidade
- Horizontal used for gas-gas service or where lower elevation is preferred for maintenance access (Utilizado para o serviço gás-gás ou quando é preferida uma baixa elevação para o acesso à manutenção)
Tipo de conjunto de tubos (TEMA)
- BEU (bundle de tubos em U) ‡ recomendado para serviço de hidrogénio (pressão parcial de hidrogénio ≥ 3,5 MPa ou teor de H2 ≥ 90 vol),Como o projeto de tubo em U minimiza as juntas de tubo a folha e acomode a expansão térmica
- BEM / AEM (folha de tubo fixa) aplicável quando o diferencial de temperatura estiver dentro dos limites admissíveis
- Cabeça flutuante opcional para serviço de incrustação grave
Desenho de defletor
- Corte vertical (baffles segmentados orientados verticalmente) Recomendado para alimentação bifásica para assegurar uma distribuição uniforme das fases líquida e de vapor em torno de cada baffle, reduzindo o risco de fluxo de lesma
- Desenho alternativo para uma melhor distribuição do caudal e uma redução do bypass
- Defletores de estilo escudo e asa com vedações circunferenciais usados em projetos de gás-gás de alta eficácia para minimizar o vazamento e melhorar a distribuição
Distribuição de fluxo Consideração crítica do projeto
A alimentação que entra num trocador de efluentes de alimentação é tipicamente uma mistura de duas fases (hidrocarbonetos líquidos + gás rico em hidrogénio).e as duas fases serão distribuídas de modo que a queda de pressão total é minimizadaIsto pode resultar em má distribuição, com o líquido fluindo preferencialmente através de certos tubos e o gás através de outros.
Para enfrentar este desafio:
- Seleção do número de tubos: Configure de modo que o gradiente de pressão de um fluxo de duas fases bem misturado seja menor do que a cabeça hidrostática da fase líquida sozinha..
- Distribuidores de fases: As placas perfuradas instaladas nos cabeçalhos dos trocadores garantem a presença de gás por baixo de todos os tubos.
- Distribuidores de revestimento de entrada: cortes em ângulo (10° a 30°) no revestimento de admissão para o fluxo directo de gás de alimentação para a folha do tubo para distribuição uniforme.
- Segamentos de circunferência flexíveis: Instalado em defletores para minimizar os caminhos de fuga e melhorar a distribuição do fluxo em todo o feixe.
Seleção de materiais Corrosão e temperatura
Os trocadores de efluentes de alimentação operam numa ampla gama de temperaturas e podem manipular fluidos que contenham cloretos, sulfeto de hidrogénio, amônia e água.A selecção do material é graduada pela temperatura de funcionamento esperada:
| Intervalo de temperatura |
Material do tubo |
Material da concha |
Notas |
| ≤ 315°C (600°F) |
Aço carbono SA-179 / 106 Gr.B |
Aço carbono SA-516 Gr.70 |
Serviço de hidrocarbonetos doces |
| 315°C ¥ 370°C |
1.25Cr-0.5Mo ou 2.25Cr-1Mo |
Aço ou liga de carbono |
Resistência à corrosão moderada |
| 370°C ∼ 425°C |
304/316L, inoxidável |
304/316L ou aço carbono revestido |
Risco de corrosão por cloreto abaixo de 425°C |
| 425°C 540°C |
347H ou liga 800 |
Revestimento de liga ou de inconel |
Proteção contra arrasto e nitruração a altas temperaturas |
Para os serviços com amônia e cloreto de hidrogénio presentes (por exemplo, unidades NHT), os sais de cloreto de amónio podem precipitar-se à medida que o efluente esfria.O trocador é tipicamente projetado com um ponto de injeção de água de lavagem intermitente a montante da zona de formação de sal para permitir a lavagem se o desempenho térmico ou hidráulico diminuir.
Proteção contra nitruração de gases efluentes: Em serviços onde a temperatura dos efluentes exceda 425°C (por exemplo, síntese de amônia),A camada adjacente à folha do tubo pode exigir uma camada de Inconel® ou outra camada resistente à nitruração até que o gás arrefeça abaixo do limiar de nitruração.
Projeto para expansão térmica U-tube Configuração
No serviço de efluentes de alimentação, a diferença de temperatura entre a alimentação e o efluente pode exceder 200°C.A construção do feixe de tubo em U permite a expansão térmica diferencial entre tubos e concha sem precisar de juntas de expansão.
No caso dos planos de tubulação fixos, o cálculo da tensão térmica de acordo com a norma ASME VIII-1 UG-23 ((c) limita o diferencial de temperatura admissível.Requer-se um projeto de tubo em U ou cabeça flutuante.
Degradação do desempenho
A impureza nos trocadores de efluentes de alimentação ocorre:
- Deposição de sal de cloreto de amónioPrecipitação quando o efluente do reator esfria abaixo do ponto de orvalho salino, atenuado pela injecção de água de lavagem a jusante do trocador ou pela descarga intermitente a jusante.
- Formação de coca ou gomaA contaminação por oxigénio durante o armazenamento agrava a impureza.Recomenda-se a utilização de aparelhos de remoção de oxigénio a montante da unidade quando os alimentos para animais são transportados para a refinaria..
- Acumulação de escala: de produtos finos de catalisadores ou de produtos de corrosão.
Monitorização do desempenho: Indicadores de pressão diferencial em ambos os lados da concha e do tubo detectam a impureza.Recomenda-se a limpeza quando o ΔP exceder o ΔP de projeto em 30% ou quando a temperatura da saída não puder ser mantida..
Inspecção e ensaio por pacote
Verificação de dimensões
- Tolerância OD do tubo: ±0,11 mm por ASTM B730
- Tolerância de comprimento do feixe: ±1,5 mm por TEMA RCB-8
- Tolerância de espaçamento de defleção: ±1,5 mm
Exame não destrutivo
- Junções tubo-folha: 100% de penetração líquida (PT) para junções soldadas (per ASME VIII-1 UW-51)
- Secções longitudinais e circunferenciais da concha: radiografia pontual (RT) por ASME UW-52 ou RT completa por especificação
- Soldas de cabeçalho: 100% RT ou PT por projeto
- Segamentos circunferenciais em deflectores: inspecção visual do ajuste e da flexibilidade adequados
Teste de pressão
- Ensaio hidrostático (lado do tubo e da concha): 1,3 × pressão de projecto por ASME VIII-1 UG-99, espera 30 minutos, queda de pressão zero
- Ensaio pneumático de fuga (se especificado): 0,6 MPa de ar ou nitrogénio; taxa de fuga ≤ 1×10−5 Pa·m3/s por apêndice VI da ASME
Documentação por remessa
- Certificados de ensaio de materiais (EN 10204 3.1 ou 3.2) ‡ materiais para tubos, conchas, cabeçalhos e flanges
- Relatório de dados do carimbo em U ASME (se aplicável)
- Ficha de dados TEMA (classe R ou B, conforme especificado)
- Relatório de inspecção dimensional
- Relatório de ensaio hidrostático com registo do gráfico de pressão
- Relatórios de ECM (PT/RT/MT, consoante aplicável)
- Especificação do procedimento de solda (WPS) e registo de qualificação (PQR)
- Desenho do conjunto de tubos tal como construído
- Relatório de projeto térmico (função térmica, correção LMTD, OHTC, cálculos da queda de pressão)
Lista de verificação de selecção
- Fornecer um diagrama de fluxo de processo que mostre fluxos de alimentação e efluentes, temperaturas, pressões e caudais.
- Especificar a composição dos alimentos (hidrocarbonetos líquidos, H2, gás reciclado, contaminantes).
- Especificar a composição dos efluentes (incluindo H2S, NH3, HCl, teor de água).
- Forneça a temperatura de entrada do reator e o serviço do aquecedor.
- Especificar as quedas de pressão admissíveis (laterais da carcaça e do tubo).
- Identificar os mecanismos de impureza esperados (sós, coque, escamas).
- Especificar se é necessária a injecção de água de lavagem e em que local.
- Selecionar a qualidade do material com base na temperatura máxima de funcionamento e na corrosão.
- Especificar o tipo TEMA (BEU recomendado para o serviço de hidrogénio).
- Fornecer as condições ambientais do local para a avaliação do arranque a frio.
Declaração de limitação do projeto
Os trocadores de efluentes de alimentação não são aplicáveis:
- Serviços com alto teor de sólidos (> 2% em peso) sem filtragem a montante
- Reacções que exigem apagamento imediato após o leito do catalisador
- Pressão parcial de hidrogénio muito baixa (< 1,0 MPa) em que a impureza da bobina de aquecimento no aquecedor a combustão se torna uma restrição de projeto
- Serviços em que o efluente contém compostos que se polimerizam ou decompõem a temperaturas de funcionamento do trocador, levando a uma precipitação rápida
