Kritik Isı Geri Kazanım Ünitesi Olarak Yem Atık Eşanjörü
Besleme atık ısı eşanjörü (aynı zamanda kombine besleme eşanjörü veya Texas Tower olarak da anılır), sıcak reaktör atık akışından ısıyı geri kazanarak reaktör beslemesini ön ısıtan bir kabuk ve boru ısı eşanjörüdür. Bu ekipman, ateşlenen ısıtıcının yukarı akışında konumlandırılır ve nafta hidro-muamelesi, katalitik reformasyon, dehidrojenasyon (örneğin, Catofin™ prosesi), amonyak sentezi ve hidrokraking dahil olmak üzere katalitik reaksiyon proseslerinde birincil ısı geri kazanım cihazı olarak hizmet eder.
Besleme atık su eşanjörü, aksi takdirde atmosfere veya soğutma suyuna atılacak olan termal enerjiyi geri kazanarak, yanan ısıtıcı yakıt tüketimini azaltır. Sabit ateşleme kapasiteli ateşlemeli bir ısıtıcı için, besleme atık su eşanjöründeki daha yüksek ısı geri kazanımı, katalizör çevrim uzunluğunu uzatır ve genel tesis verimini artırır.
Bu ürün TEMA Sınıf R (rafineri hizmeti), ASME Bölüm VIII Bölüm 1 veya Bölüm 2 ve geçerli olduğu yerlerde API 661 / ISO 13706'ya göre tasarlanmış ve üretilmiştir.
Proses Fonksiyonu – Isı Geri Kazanımı ve Enerji Entegrasyonu
Tipik bir katalitik reaksiyon prosesi akış şemasında:
- Soğuk reaktör beslemesi (sıvı veya karışık faz), besleme atık su değiştiricisinin kabuk tarafına veya boru tarafına girer
- Sıcak reaktör çıkış suyu (400°C–600°C'de gaz veya karışık faz) karşı tarafta akar
- Isı, atık sudan beslemeye aktarılır ve besleme, ateşlenen ısıtıcıya girmeden önce ön ısıtmaya tabi tutulur.
- Atık su soğutulur ve değerli ürünler aşağı yönde ayrıştırılmak üzere kısmen yoğunlaştırılır.
Besleme atık su eşanjörü, beslemenin ön ısıtılması için gereken toplam ısı görevinin %70-80'ini geri kazanabilir. Denge, beslemeyi reaktör giriş sıcaklığına yükseltmek için ateşlenen ısıtıcı tarafından sağlanır.
Termodinamik fayda, besleme ısıtma eğrisi ile atık su soğutma eğrisinin üst üste bindirilmesiyle ölçülür. Minimum 50°C yaklaşma sıcaklığında, tipik bir besleme atık su eşanjörü, 27,5 MW'lık toplam besleme talebinin 20,8 MW'ını geri kazanabilir ve ateşlemeli ısıtıcı kalan 6,7 MW'ı sağlar.
Servis Koşulları – Parametreli Aralık
| Parametre |
Menzil |
Notlar |
| Besleme giriş sıcaklığı |
20°C – 100°C |
Depolama veya yukarı akış ünitelerinden sıvı veya karışık faz beslemesi |
| Besleme çıkış sıcaklığı |
250°C – 370°C |
Ateşli ısıtıcıya giren ön ısıtmalı besleme |
| Atık su giriş sıcaklığı |
400°C – 600°C |
Katalizör çıkışında reaktör çıkışı |
| Atık su çıkış sıcaklığı |
120°C – 180°C |
Aşağı yöndeki kondansatöre/ayırıcıya giden soğutulmuş atık su |
| Çalışma basıncı |
2,0 – 30,0 MPa |
Reaktör devresi hidroliğine ve hidrojen kısmi basıncına bağlıdır |
| Yem bileşimi |
Sıvı + H₂ açısından zengin gaz |
Eşanjör girişinde iki fazlı akış |
| Kabuk tarafı ΔP payı |
≤ 35 kPa (5 psi) |
Rafineri hizmeti için kabuk başına tipik |
| Boru tarafı ΔP payı |
≤ 35 kPa (5 psi) |
Kabuk başına tipik |
Termal Tasarım – Çoklu Isı Transfer Bölgeleri
Besleme atık su eşanjörü tipik olarak boru uzunluğu boyunca her biri farklı mekanizmalara ve katsayılara sahip üç ayrı ısı transfer bölgesiyle çalışır:
| Bölge Konumu |
Kabuk Tarafı Mekanizması |
Boru Tarafı Mekanizması |
Yaklaşık. Görev Payı |
| Alt bölüm (giriş) |
Yoğuşma (atık su soğutma) |
Buharlaşma (besleme buharlaşması) |
0–3 MW |
| Orta bölüm |
Kızgınlık giderme (gaz soğutma) |
Buharlaşma (devam eden buharlaşma) |
3–11,7 MW |
| Üst bölüm (çıkış) |
Kızgınlık giderme (gaz soğutma) |
Aşırı ısıtma (besleme gazı ısıtması) |
11,7–20,8 MW |
Karışık fazlı besleme atık su eşanjörleri için genel ısı transfer katsayıları (OHTC), ön boyutlandırma için tipik olarak 50 ila 70 W/m²·K arasında değişir; nihai değerler akış hızlarına ve kirlenme faktörlerine bağlıdır.
İnşaat Konfigürasyonu - Kabuk ve Boru Tipi
Oryantasyon
- Dikey (Texas Tower) - boru tarafında buharlaşmalı iki fazlı besleme için yaygındır ve yerçekimi destekli sıvı dağıtımına izin verir
- Yatay – gaz-gaz servisi için veya bakım erişimi için daha alçak yüksekliğin tercih edildiği yerlerde kullanılır
Tüp Paketi Tipi (TEMA)
- BEU (U-boru demeti) – U-boru tasarımı boru-boru levhası bağlantılarını en aza indirdiği ve termal genleşmeyi barındırdığı için hidrojen hizmeti için önerilir (hidrojen kısmi basıncı ≥ 3,5 MPa veya H₂ içeriği ≥ %90 hacim)
- BEM / AEM (sabit tüp sayfası) – sıcaklık farkı izin verilen sınırlar dahilinde olduğunda uygulanabilir
- Yüzer kafa – şiddetli kirlenme servisi için isteğe bağlı
Bölme Tasarımı
- Dikey kesim (bölümlü bölmeler dikey olarak yönlendirilmiştir) – sıvı ve buhar fazlarının her bölme çevresinde eşit dağılımını sağlamak ve sümüklü böcek akış riskini azaltmak için iki fazlı besleme için önerilir
- Helisel saptırma plakaları – gelişmiş akış dağıtımı ve azaltılmış bypass için alternatif tasarım
- Sızıntıyı en aza indirmek ve dağıtımı iyileştirmek için yüksek etkili gaz-gaz tasarımlarında kullanılan, çevresel contalara sahip kalkan ve kanat tarzı saptırma plakaları
Akış Dağıtımı - Kritik Tasarım Hususları
Besleme atık su değiştiricisine giren besleme tipik olarak iki fazlı bir karışımdır (sıvı hidrokarbon + hidrojen açısından zengin gaz). Boru demeti birden fazla paralel akış yolu sunar ve iki faz, genel basınç düşüşünün en aza indirilmesi için dağıtılır. Bu, sıvının tercihen belirli tüplerden, gazın ise diğerlerinden akması nedeniyle hatalı dağıtıma neden olabilir.
Bu zorluğun üstesinden gelmek için:
- Tüp sayısı seçimi: İyi karıştırılmış iki fazlı bir akışın basınç gradyanı, yalnızca sıvı fazın hidrostatik yüksekliğinden daha az olacak şekilde ayarlayın. Bu, sıvının yalnızca iki fazlı bir karışımın parçası olarak taşınabilmesini sağlar.
- Faz distribütörleri: Eşanjör başlıklarına takılan delikli plakalar, tüm boruların altında gazın bulunmasını sağlar.
- Giriş örtüsü distribütörleri: Giriş örtüsündeki açılı kesikler (10–30 derece), eşit dağılım için besleme gazı akışını tüp tabakasına doğru yönlendirir.
- Esnek çevresel contalar: Sızıntı yollarını en aza indirmek ve paket boyunca akış dağıtımını iyileştirmek için saptırma plakalarının üzerine monte edilmiştir.
Malzeme Seçimi – Korozyona ve Sıcaklığa Bağlı
Besleme atık su değiştiricileri geniş bir sıcaklık aralığında çalışır ve klorür, hidrojen sülfür, amonyak ve su içeren sıvıları işleyebilir. Malzeme seçimi beklenen çalışma sıcaklığına göre derecelendirilir:
| Sıcaklık Aralığı |
Tüp Malzemesi |
Kabuk Malzemesi |
Notlar |
| ≤ 315°C (600°F) |
Karbon çeliği SA-179 / 106 Gr.B |
Karbon çeliği SA-516 Gr.70 |
Tatlı hidrokarbon servisi |
| 315°C – 370°C |
1.25Cr-0.5Mo veya 2.25Cr-1Mo |
Karbon çeliği veya alaşımı |
Orta düzeyde korozyon direnci |
| 370°C – 425°C |
304/316L paslanmaz |
304/316L veya kaplı karbon çeliği |
425°C'nin altında klorür korozyon riski |
| 425°C – 540°C |
347H veya Alaşım 800 |
Alaşım veya Inconel kaplama |
Yüksek sıcaklıkta sürünme ve nitrürleme koruması |
Amonyak ve hidrojen klorürün mevcut olduğu hizmetler için (örneğin, NHT üniteleri), atık su soğudukça amonyum klorür tuzları çökebilir. Eşanjör tipik olarak, termal veya hidrolik performansın düşmesi durumunda yıkamaya izin vermek için tuz oluşum bölgesinin yukarısında aralıklı bir yıkama suyu enjeksiyon noktasıyla tasarlanmıştır.
Atık gaz nitrürleme koruması: Atık su sıcaklığının 425°C'yi aştığı hizmetlerde (örn. amonyak sentezi), tüp tabakasına bitişik kabuk, gaz nitrürleme eşiğinin altına soğuyana kadar Inconel® veya nitrürlemeye dirençli başka bir kaplama gerektirebilir.
Termal Genleşmeye Yönelik Tasarım – U-Tüp Konfigürasyonu
Besleme atık su servisinde, besleme ve atık su arasındaki sıcaklık farkı 200°C'yi aşabilir. U-boru demeti yapısı, genleşme derzleri gerektirmeden tüpler ve kabuk arasındaki diferansiyel termal genleşmeyi karşılar.
Sabit boru levhası tasarımları için, ASME VIII-1 UG-23(c)'ye göre termal gerilim hesaplaması, izin verilen sıcaklık farkını sınırlar. ΔT'nin malzeme kombinasyonu için izin verilen değeri aştığı durumlarda, U-boru veya hareketli kafa tasarımı gereklidir.
Performans Düşüşü – Kirlenme ve Azaltma
Yem atık su değiştiricilerindeki kirlenme aşağıdakilerden kaynaklanır:
- Amonyum klorür tuzu birikimi: Reaktör çıkış suyu tuzlu çiğlenme noktasının altına soğudukça çökelir. Eşanjörün aşağı akışına yıkama suyu enjeksiyonu veya aralıklı yukarı akışlı yıkama ile hafifletilir.
- Kola veya sakız oluşumu: Nafta yemindeki olefinik veya diolefinik bileşiklerden. Depolama sırasında oksijen kirliliği kirlenmeyi şiddetlendirir. Yemin rafineriye nakledildiği yerlerde ünitenin yukarısındaki oksijen sıyırıcıların kullanılması tavsiye edilir.
- Ölçek birikimi: Katalizör tozlarından veya korozyon ürünlerinden.
Performans izleme: Hem kabuk hem de boru tarafındaki diferansiyel basınç göstergeleri kirlenmeyi tespit eder. ΔP, tasarım ΔP'yi %30 oranında aştığında veya çıkış sıcaklığı korunamadığında temizlik yapılması önerilir.
Paket Başına Denetim ve Test
Boyut Kontrolü
- Borunun dış çapı toleransı: ASTM B730'a göre ±0,11 mm
- Paket uzunluğu toleransı: TEMA RCB-8 başına ±1,5 mm
- Bölme aralığı toleransı: ±1,5 mm
Tahribatsız Muayene
- Borudan boruya bağlantılar: kaynaklı bağlantılar için %100 sıvı penetrant (PT) (ASME VIII-1 UW-51'e göre)
- Kabuk boyuna ve çevresel dikişleri: ASME UW-52'ye göre spot radyografi (RT) veya spesifikasyona göre tam RT
- Başlık kaynakları: Tasarım başına %100 RT veya PT
- Bölmelerdeki çevresel contalar: Uygun uyum ve esneklik için görsel inceleme
Basınç Testi
- Hidrostatik test (boru ve kabuk tarafları): ASME VIII-1 UG-99'a göre 1,3 × tasarım basıncı, 30 dakika bekleme, sıfır basınç kaybı
- Pnömatik sızıntı testi (belirtilmişse): 0,6 MPa hava veya nitrojen; kaçak oranı ≤ 1×10⁻⁵ ASME Ek VI'ya göre Pa·m³/s
Gönderi Başına Dokümantasyon
- Malzeme testi sertifikaları (EN 10204 3.1 veya 3.2) – boru, kabuk, başlık ve flanş malzemeleri
- ASME U damgası veri raporu (varsa)
- TEMA veri sayfası (Belirtildiği gibi Sınıf R veya B)
- Boyutsal inceleme raporu
- Basınç grafiği kaydıyla hidrostatik test raporu
- NDE raporları (uygun olduğu şekilde PT/RT/MT)
- Kaynak prosedürü spesifikasyonu (WPS) ve yeterlilik kaydı (PQR)
- Boru demeti uygulama çizimi
- Termal tasarım raporu (ısıl görev, LMTD düzeltmesi, OHTC, basınç düşüşü hesaplamaları)
Seçim Kontrol Listesi – Yem Atık Eşanjörü
- Besleme ve atık akışlarını, sıcaklıkları, basınçları ve akış hızlarını gösteren proses akış diyagramını sağlayın.
- Besleme bileşimini belirtin (sıvı hidrokarbon, H₂, geri dönüşüm gazı, kirletici maddeler).
- Atık su bileşimini belirtin (H₂S, NH₃, HCl, su içeriği dahil).
- Reaktör giriş sıcaklığını ve ateşlemeli ısıtıcı görevini sağlayın.
- İzin verilen basınç düşüşlerini belirtin (kabuk ve boru tarafları).
- Beklenen kirlenme mekanizmalarını tanımlayın (tuz, kok, kireç).
- Yıkama suyu enjeksiyonunun gerekli olup olmadığını ve hangi konumda olduğunu belirtin.
- Maksimum çalışma sıcaklığına ve aşındırıcılığa göre malzeme kalitesini seçin.
- TEMA tipini belirtin (hidrojen servisi için BEU önerilir).
- Soğuk başlatma değerlendirmesi için saha ortam koşullarını sağlayın.
Tasarım Sınırlama Beyanı
Yem atık su değiştiricileri aşağıdakiler için geçerli değildir:
- Boru tarafındaki erozyon ve kirlenme nedeniyle yukarı akış filtrelemesi olmayan, yüksek katı madde içeriğine (ağırlıkça > %2) sahip hizmetler
- Katalizör yatağından hemen sonra söndürülmesini gerektiren reaksiyonlar - besleme atık suyu değiştirici, ateşlenen ısıtıcıdan önce gelir ve reaktör giriş sıcaklığı kontrolünü sağlayamaz
- Ateşlenen ısıtıcıdaki ısıtma bobininin kirlenmesinin tasarım kısıtlaması haline geldiği çok düşük hidrojen kısmi basıncı (< 1,0 MPa)
- Atık suyun, eşanjör çalışma sıcaklıklarında polimerleşen veya ayrışan ve hızlı kirlenmeye yol açan bileşikler içerdiği hizmetler
