Abstrak
Dengan perkembangan perindustrian moden, industri rendah-karbon telah menjadi trend yang tidak dapat dielakkan. Dalam pelbagai bidang perindustrian, penukar haba-tinggi dan penjimatan tenaga{3}}telah dibangunkan untuk menggantikan peralatan penukar haba tradisional. Walau bagaimanapun, meningkatkan prestasi penukar haba sahaja tidak dapat mencapai kesan penjimatan tenaga-yang optimum untuk keseluruhan sistem pengeluaran.
Berdasarkan keadaan operasi sebenar dalam industri petrokimia, kertas kerja ini menyemak persekitaran aplikasi pelbagai jenis penukar haba, pembangunan-teknologi penjimatan tenaga, serta kemajuan penyelidikan dalam penyingkiran kekotoran dan rawatan kerosakan. Arah penyelidikan baharu juga dicadangkan.
Penukar haba, juga dikenali sebagai penukar haba, ialah peranti yang digunakan terutamanya untuk mencapai pemindahan haba antara cecair yang berbeza. Semasa pengeluaran petrokimia, media proses selalunya perlu dipanaskan atau disejukkan. Mengikut keadaan operasi dan keperluan pengeluaran yang berbeza, pelbagai jenis penukar haba boleh dipilih untuk memastikan cecair proses mencapai tahap suhu yang diperlukan dan memenuhi keperluan proses tindak balas kimia.
Disebabkan oleh prinsip dan fungsi operasinya, penukar haba memainkan peranan penting sepanjang keseluruhan proses penapisan. Ia adalah peralatan utama untuk memastikan kawalan suhu yang betul bagi cecair proses, mengekalkan operasi sistem penapisan yang stabil, dan memulihkan haba buangan untuk penjimatan tenaga. Di samping itu, kerana peralatan pertukaran haba digunakan secara meluas dalam industri petrokimia, ia mewakili sebahagian besar kos pelaburan peralatan. Penggunaan tenaga yang berkaitan dan kehilangan logam juga merupakan faktor utama yang memerlukan perhatian.
1. Kemajuan Aplikasi Penukar Haba dalam Industri Petrokimia
1.1 Penggunaan Penukar Haba Paip Haba dalam Pemulihan Haba Sisa
Penukar haba paip haba telah berjaya digunakan dalam keadaan pemulihan haba sisa yang teruk dalam industri petroleum, terutamanya dalam proses yang melibatkan-bahan api sulfur tinggi.
Dalam proses pengeluaran petrokimia, peralatan pemanasan-suhu tinggi dan keretakan adalah penting. Contohnya, dalam penghasilan olefin ringan, relau keretakan nafta petroleum bersuhu tinggi-tinggi biasanya digunakan. Suhu gas ekzos dari relau ini boleh mencapai 200–400 darjah . Oleh kerana persekitaran operasi yang teruk, gas buangan yang dihasilkan tidak boleh dilepaskan terus ke atmosfera.
Penukar haba paip haba prapemanasan udara boleh menggunakan sisa haba daripada gas ekzos untuk memanaskan udara pembakaran, meningkatkan kecekapan tenaga sambil mengurangkan pencemaran alam sekitar.
Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, pelbagai kombinasi penukar haba tiub telah diterima pakai secara meluas di dalam dan di luar negara untuk mencapai prestasi pemulihan haba-penjimatan tenaga dan sisa yang lebih baik. Proses pengeluaran utama ditunjukkan dalam Rajah 1.
1.2 Penggunaan Penukar Haba Helical Baffle dalam Proses Penyejukan dan Pertukaran Haba
Penukar haba penyekat heliks ialah jenis peralatan pertukaran haba -kecekapan tinggi baharu. Konsepnya berasal daripada struktur penukar haba plat lingkaran yang dicadangkan oleh syarikat Rosenbland Sweden pada tahun 1930, yang kemudiannya dipatenkan. Kemudian, negara termasuk United Kingdom, Amerika Syarikat, Jerman, dan bekas Kesatuan Soviet membangun dan mengeluarkan peralatan yang serupa.
China mula memperkenalkan dan menggunakan teknologi ini dalam industri kimia pada tahun 1950-an. Menjelang pertengahan 1960-an, pengeluar domestik telah mencapai pengeluaran besar-besaran melalui proses rolling. Pada tahun 1973, China menyusunManual Pemilihan untuk Lukisan Penukar Haba Plat Lingkaran. Piawaian terkini, JB/T4751Penukar Haba Plat Lingkaran(edisi 2003), mewakili tahap pembangunan teknologi penukar haba plat lingkaran di China.
Berbanding dengan penukar haba tradisional, penukar haba plat lingkaran mempunyai kelebihan termasuk pekali pemindahan haba yang lebih tinggi dan keupayaan-membersih sendiri yang disebabkan oleh pergolakan bendalir, yang membantu menghalang pengumpulan sedimen.
Oleh itu, dalam industri petrokimia, penukar haba plat lingkaran digunakan terutamanya untuk proses pemanasan dan penyejukan yang melibatkan gasolin, bahan api diesel, air ammonia, air klorin, air garam, asid kuat, alkali kuat dan gas campuran nitrogen-hidrogen-ammonia.
Ia juga digunakan secara meluas dalam sistem pemanasan, penyejukan, pemeluwapan dan pendidihan semula untuk alkohol, resin, urea, monomer molekul kecil, olefin terpolimer dan produk perantaraan yang berkaitan.
Hao Zhenliang et al. secara eksperimen mengkaji hubungan antara-kejatuhan tekanan sisi dan kadar aliran, variasi prestasi pemindahan haba perolakan sisi-pembengkakan dengan nombor Reynolds (Re) dan nombor Nusselt (Nu), dan pekali pemindahan haba sisi-pelek di bawah keadaan penurunan tekanan unit untuk penukar haba penyekat heliks dan penyekat segmen.
Penyelidikan mereka memberikan panduan untuk pemilihan peralatan di bawah keadaan operasi yang berbeza. Kesimpulan utama adalah seperti berikut:
(1) Di bawah keadaan nombor Reynolds yang sama, pekali pemindahan haba perolakan sisi-pekali bagi penukar haba penyekat segmen adalah lebih tinggi daripada penukar haba penyekat heliks.
(2) Di bawah keadaan diameter cengkerang dan kadar alir yang sama, kejatuhan tekanan sisi-tekanan bagi penukar haba sesekat heliks berkorelasi negatif dengan sudut heliks. Walau bagaimanapun, tanpa mengira sudut heliks yang dipilih, penurunan tekanan kekal lebih rendah daripada penukar haba sesekat segmen.
(3) Berbeza daripada dua kesimpulan di atas, apabila mempertimbangkan prestasi pemindahan haba bagi setiap penurunan tekanan unit, pekali pemindahan haba perolakan sisi petala penukar haba penyekat heliks{1}} adalah lebih tinggi. Apabila sudut heliks adalah kira-kira 40 darjah, pekali pemindahan haba perolakan mencapai nilai maksimumnya, menghasilkan prestasi pemindahan haba keseluruhan tertinggi.
1.3 Tenaga-Aplikasi Penjimatan-Penukar Haba Plat Kecekapan Tinggi dalam Penapisan Minyak
Dalam kilang penapisan minyak berskala sederhana dan besar-, boleh terdapat kira-kira 400 penukar haba pelbagai jenis. Sistem ini selalunya beroperasi di bawah tekanan tinggi dan keadaan suhu tinggi. Di peringkat antarabangsa, penukar haba shell-dan-tiub telah mencapai tahap operasi tekanan 8.4 MPa dan suhu 1500 darjah, dengan kawasan pemindahan haba mencapai sehingga 6,700 m².
Disebabkan oleh kos pembinaan platform minyak luar pesisir yang tinggi, penukar haba plat yang dikimpal telah digunakan secara meluas dalam pengeluaran minyak luar pesisir kerana strukturnya yang padat, reka bentuk yang ringan, prestasi pemindahan haba yang sangat baik dan kos yang lebih rendah.
Aplikasi utamanya termasuk minyak pelincir mekanikal penyejuk dan air tawar (seperti air penyejuk jaket enjin). Dalam medan minyak, ia juga boleh digunakan untuk pemanasan minyak mentah dan proses lain.
Cabaran utama terletak pada reka bentuk dan pengiraan sistem proses. Dalam pengeluaran sebenar, kehilangan tenaga selalunya disebabkan oleh reka bentuk proses yang tidak munasabah.
Chen Jianwei et al. menjalankan penyelidikan teori tentang pengiraan penurunan tekanan penukar haba plat penyejuk yang digunakan dalam aplikasi petrokimia. Berdasarkan ciri-ciri penukar haba dan prinsip pemindahan haba, mereka mengandaikan bahawa fasa cecair sepanjang saluran aliran meningkat secara linear dan mewujudkan hubungan antara panjang saluran aliran, kualiti wap jisim sebenar, dan kualiti wap isipadu. Keputusan pengiraan adalah konsisten dengan data operasi praktikal.
Kesimpulan utama adalah seperti berikut:
(1) Di bawah keadaan perubahan-fasa, apabila mengira kejatuhan tekanan bendalir, bendalir harus dianggap sebagai aliran dua-fasa atau berbilang fasa. Model aliran-satu fasa atau aliran homogen tidak boleh digunakan sebagai pengganti untuk pengiraan aliran berbilang fasa. Model aliran berasingan harus digunakan.
(2) Semasa proses penyejukan dalam industri petrokimia, pemeluwapan separa mungkin berlaku, mengakibatkan pembentukan filem cecair pada permukaan pemindahan haba. Oleh itu, apabila memilih penukar haba padat seperti -penukar haba sirip plat, mencapai reka bentuk yang munasabah dan menjimatkan memerlukan pertimbangan parameter struktur. Hanya menambah kawasan pemindahan haba dan menambah margin keselamatan tidak mencukupi.
1.4 Aplikasi Penyejat Filem Nipis dalam Proses Kepekatan dan Pengeringan
Penyejat filem nipis biasanya digunakan dalam proses petrokimia seperti kepekatan soda kaustik, penyejatan natrium sulfida, pengeringan resin, dan pengeringan getah. Mereka memberikan faedah ekonomi yang ketara.
Berbanding dengan peralatan tradisional seperti kuali penyejatan besi tuang, penukar haba penyejatan filem nipis yang dipanaskan oleh relau minyak terma mempunyai kelebihan berikut:
(1) Jejak peralatan boleh dikurangkan hampir 6%. Proses ini membolehkan penyejatan berjentera, memudahkan operasi, dan menukar pengeluaran terputus-putus kepada pengeluaran berterusan, dengan itu meningkatkan kecekapan perindustrian.
(2) Didorong oleh pengikis berputar, prestasi pemindahan haba bertambah baik dengan ketara. Masa penyejatan pada permukaan boleh dikurangkan kepada kurang daripada satu minit, mengurangkan penskalaan dan pemendapan karbon. Produk kurang berkemungkinan terurai dan sesuai untuk-bahan sensitif haba. Pada masa yang sama, pembentukan sedimen berkurangan, menghasilkan penyelenggaraan dan pembersihan yang lebih mudah.
(3) Berbanding dengan kuali penyejatan besi tuang, relau minyak haba yang menyokong boleh mengurangkan penggunaan arang batu sebanyak kira-kira 50%. Ia boleh beroperasi pada suhu sehingga 300 darjah sambil mengekalkan operasi yang selamat di bawah-keadaan tidak bertekanan.
(4) Peralatan ini mudah untuk reka bentuk skala proses-dan boleh menggantikan pengering jenis-cerek tradisional. Semasa pengembangan pengeluaran berskala besar-, sisihan yang disebabkan oleh penskalaan adalah agak kecil.
Walau bagaimanapun, beberapa cabaran teknikal masih wujud dalam aplikasi praktikal.
For example, scraper grooves are usually made of polytetrafluoroethylene (PTFE), which has excellent corrosion resistance but limited high-temperature resistance. One possible solution is to use materials such as graphite that provide both corrosion resistance and high-temperature resistance (>280 darjah).
Saluran paip proses biasanya diperbuat daripada paip lancar, yang mungkin memerlukan penggantian kira-kira setiap 30 hari. Penambahbaikan yang mungkin adalah dengan menggunakan paip keluli tahan karat atau paip dengan lapisan dalam-tahan kakisan, seperti tiub penukar haba bergaris fluoroplastik-.
Selain itu, masalah kakisan yang berkaitan dengan pam edaran juga memerlukan penyelesaian lanjut.
2. Penyingkiran Fouling dan Tindakan Balas untuk Peralatan Pertukaran Haba dalam Industri Petrokimia
Menurut Steinhagen et al., tinjauan terhadap 3,000 jenis penukar haba yang berbeza di New Zealand menunjukkan bahawa lebih daripada 90% penukar haba mengalami masalah kekotoran. Perbandingan keadaan kekotoran antara pelbagai jenis penukar haba ditunjukkan dalam Rajah 2.
Kajian domestik dan antarabangsa menunjukkan bahawa kos tahunan yang berkaitan dengan rawatan kekotoran dalam industri penapisan petroleum dan kimia mencecah kira-kira 15.6 juta, mengakibatkan kerugian ekonomi yang ketara dan penggunaan sumber.
Di bawah keadaan operasi sebenar dalam industri petrokimia, mekanisme pembentukan dan klasifikasi pengotoran terutamanya boleh dibahagikan kepada kategori berikut:
Model kekotoran kakisan
Model pemejalan fouling
Bahan permukaan-model kekotoran teraruh
Model kekotoran fasa gas-.
Model pengotoran tindak balas kimia
Semasa ramalan dan analisis operasi praktikal, fouling boleh dikelaskan mengikut mekanisme ini. Dengan memilih jenis penukar haba yang sesuai mengikut keadaan operasi yang berbeza dan mengira selang pembersihan optimum, kerugian ekonomi boleh dikurangkan.
Selain itu, dengan mengambil kira persekitaran operasi-suhu tinggi dan{1}}tinggi dalam aplikasi petrokimia, kaedah rawatan utama termasuk:
Peningkatan pemindahan haba
Kaedah pembersihan mekanikal
Kaedah pembersihan kimia
Pemantauan dalam talian dan-teknologi pembersihan masa sebenar
3. Analisis Kegagalan dan Penyelenggaraan Penukar Haba dalam Industri Petrokimia
3.1 Pencegahan Kakisan dan Haus dalam Penukar Haba
Semasa operasi penukar haba dalam industri petrokimia, kemalangan kebocoran kakisan kerap berlaku. Kegagalan ini boleh mengganggu pengeluaran yang stabil dan dianggap sebagai salah satu masalah peralatan utama dalam sistem petrokimia.
Masalah kebocoran tersebut terutamanya dikelaskan kepada kebocoran hakisan dan kebocoran kakisan. Penyelesaian semasa tertumpu terutamanya pada pembaikan peralatan yang rosak selepas kegagalan berlaku, menambah baik proses pengeluaran untuk mengelakkan kegagalan, dan mengurangkan kemerosotan peralatan melalui pemilihan bahan dan jenis penukar haba yang betul.
3.1.1 Punca Kakisan dan Haus dalam Penukar Haba
Analisis dari perspektif bahan mentah
Bahan mentah yang digunakan dalam pengeluaran petrokimia, terutamanya minyak mentah, mengandungi komponen kimia yang kompleks. Selain itu, minyak mentah secara amnya mempunyai kelikatan yang tinggi dan mengandungi zarah pepejal dengan saiz yang tidak teratur.
Akibatnya, medium kerja yang bersentuhan dengan permukaan penukar haba adalah sangat kompleks. Peralatan ini sering mengalami kerosakan mekanikal yang disebabkan oleh geseran fizikal dan kakisan kimia yang teruk.
Analisis dari perspektif proses kimia
The entire petrochemical production chain often involves high-temperature (>1000 darjah ) dan keadaan pengendalian-tekanan tinggi. Pelbagai bentuk kakisan mungkin berlaku serentak dan berinteraksi antara satu sama lain.
Sebagai contoh, halaju aliran tinggi yang diperlukan semasa proses pengeluaran adalah punca langsung hakisan hakisan, di samping mempercepatkan masalah kebocoran kakisan sedia ada.
Oleh itu, dalam kegagalan penukar haba, kebocoran dan kakisan biasanya berkait rapat dan boleh menghasilkan kesan sinergistik yang mempercepatkan kemerosotan peralatan.
3.1.2 Klasifikasi Kakisan Penukar Haba dan Haus dan Langkah-Langkah Balas dalam Industri Petrokimia
(1) Kakisan permukaan dan kehausan penukar haba
Kakisan permukaan adalah punca paling biasa kebocoran tiub penukar haba, menyumbang kira-kira 90% daripada kes.
Media proses yang digunakan dalam pengeluaran petrokimia selalunya mempunyai tahap kelikatan dan lekatan tertentu. Bendalir berkelajuan tinggi{1}}yang mengandungi zarah pepejal dan buih terus memberi kesan pada permukaan pemindahan haba, menghasilkan tekanan permukaan setempat sehingga 10 MPa, yang boleh menyebabkan hakisan keletihan dan kerosakan permukaan logam.
Oleh itu, keperluan proses sering menyatakan bahawa halaju aliran sederhana harus lebih besar daripada 2 m/s.
(2) Kakisan elektrokimia yang disebabkan oleh mendapan permukaan
Semasa proses penapisan petroleum, media proses biasanya mempunyai kelikatan yang tinggi dan mungkin mengalami pemejalan dalam keadaan tertentu. Ini boleh menyebabkan bahan terkumpul pada permukaan penukar haba dan membentuk mendapan.
Ciri mendapan ini yang tidak stabil, tidak berterusan dan tidak sekata boleh menyebabkan keretakan dan jurang. Perbezaan kepekatan oksigen antara bahagian dalam dan luar jurang ini boleh mencetuskan kakisan elektrokimia.
Tindak balas kakisan yang berkaitan terutamanya termasuk:
Tindak balas pembubaran logam, iaitu pengoksidaan anodik;
Tindak balas pengurangan katodik;
Pengembangan progresif kakisan yang disebabkan oleh ketidakseimbangan elektrokimia.
(3) Kakisan pada permukaan sisi air tiub penukar haba
Dalam sistem pertukaran haba, air kerap digunakan sebagai medium pemindahan haba, menjadikan air-kakisan sampingan sebagai isu biasa.
Mekanisme kakisan utama termasuk:
Pengurangan nilai pH;
Penembusan wap air;
Serangan yang disebabkan oleh oksigen terlarut;
Pengaratan ion klorida (Cl⁻);
Pengaratan ion sulfida (S²⁻).
Tindak balas ini secara amnya boleh dibahagikan kepada kakisan kimia dan kakisan elektrokimia.
Keperluan untuk bahan tahan kakisan-di bahagian air tiub penukar haba termasuk:
Kekonduksian terma yang baik dan lekatan permukaan yang kuat;
Rintangan yang sangat baik terhadap variasi suhu dan kekerasan yang mencukupi;
Rintangan kuat terhadap kakisan ion;
Prestasi anti-skala yang baik;
Rintangan yang sangat baik terhadap penembusan wap air.
3.1.3 Kaedah Perlindungan Kakisan untuk Penukar Haba
Pada masa ini, kaedah perlindungan kakisan untuk penukar haba dalam industri petrokimia terutamanya termasuk:
(1) Perlindungan anod korban
Kaedah ini melindungi bahan penukar haba dengan menggunakan logam yang lebih aktif sebagai anod korban untuk mengelakkan kakisan peralatan utama.
(2) Pembangunan dan penggunaan salutan anti-karat
Salutan anti-karat digunakan secara meluas dalam perlindungan penukar haba. Dengan menggunakan salutan logam yang sangat nipis atau salutan bukan organik pada permukaan sentuhan, bahan berbahaya dan mendapan kotor boleh diasingkan dengan berkesan.
Salutan yang biasa digunakan ialah sistem salutan anti-karat epoksi amino CH{1}}784.
(3) Penambahbaikan bahan penukar haba
Untuk mengelakkan kakisan yang disebabkan oleh kualiti air dan media yang agresif, bahan yang lebih baik boleh dipilih.
Penukar haba yang diperbuat daripada keluli tahan karat, aloi kuprum, dan aloi titanium umumnya memberikan rintangan kakisan yang sangat baik. Walau bagaimanapun, kos bahan yang lebih tinggi mengehadkan penggunaannya dalam beberapa industri.
3.2 Teknologi Kimpalan untuk Pembaikan Retak Bebibir Penukar Haba
Pada masa ini, teknologi pembaikan kimpalan gabungan sejuk digunakan secara meluas untuk penyelenggaraan medan perindustrian.
Teknologi kimpalan gabungan sejuk ialah teknologi pembaikan baharu yang dibangunkan berdasarkan-teknik kimpalan terlindung gas. Ia kerap digunakan dalam pembaikan dan penyelenggaraan penukar haba yang rosak dalam industri petrokimia.
Ciri-ciri utamanya termasuk:
(1) Input haba rendah dan masa kimpalan yang singkat
Haba yang dijana semasa mengimpal adalah sangat rendah. Proses kimpalan hanya mengambil masa beberapa puluh milisaat, mengelakkan masalah seperti perubahan warna penyepuhlindapan.
(2) Kolam kimpalan kecil dan kualiti pembaikan yang sangat baik
Isipadu kolam kimpalan adalah kurang daripada 2 mm³. Pengagihan tegasan tersebar, mengurangkan tekanan tertumpu pada komponen yang dibaiki.
Proses ini tidak menyebabkan keretakan atau ubah bentuk. Di samping itu, perlindungan gas lengai menghalang pembentukan liang dan buih, menghasilkan permukaan yang dibaiki licin dan bersih.
(3) Peralatan padat dan kesesuaian untuk-pembaikan di tapak
Peralatan kimpalan adalah kecil dan sesuai untuk-masa sebenar pembaikan medan.
Pelbagai wayar kimpalan boleh dipilih, membolehkan pembaikan penukar haba yang diperbuat daripada bahan yang berbeza.
4. Tinjauan Pembangunan Masa Depan
Perlu diingat bahawa keperluan proses yang berbeza memerlukan jenis penukar haba yang berbeza. Di samping itu, susunan selari atau siri penukar haba mempunyai kesan yang ketara ke atas prestasi operasi keseluruhan sistem proses.
Pemilihan dan pemadanan komponen juga merupakan faktor kritikal. Reka bentuk berorientasikan kebolehpercayaan-menghendaki komponen mempunyai kebolehsuaian yang mencukupi untuk menahan pelbagai keadaan pengendalian, perubahan beban rawak dan variasi tegasan yang biasa ditemui dalam industri petrokimia. Konsep reka bentuk ini memberikan penambahbaikan ke atas batasan kaedah reka bentuk konvensional.
Dari segi penjimatan tenaga dan pengurangan pelepasan, pembangunan masa depan bukan sahaja perlu menumpukan pada penambahbaikan struktur penukar haba tetapi juga memberi lebih perhatian kepada pembangunan bahan penukar haba termaju.
Di antara bidang penyelidikan ini, teknologi salutan permukaan penukar haba mempunyai potensi yang besar. Arah masa depan pembangunan salutan termasuk:
Reka bentuk ringan;
Rintangan tekanan-tinggi dan{1}}tinggi;
Rintangan kakisan yang sangat baik;
Kos pembuatan yang lebih rendah;
Operasi dan penyelenggaraan yang lebih menjimatkan.
Pada masa ini, pembangunan teknologi simulasi dan perisian kejuruteraan juga menjadi hala tuju penyelidikan yang penting. Teknologi ini boleh memberikan panduan yang berkesan untuk ramalan kekotoran, pengoptimuman kitaran pembersihan dan penilaian prestasi operasi.
