معرفی تكنولوژی بهبود انتقال حرارت در مبدل‌های پوسته - لوله‌ای

چكیده

توجه به محدودیت سوخت‌های فسیلی در دنیا موجب شده است كه امروزه موضوع بهینه‌سازی مصرف انرژی در واحدهای فرآیندی، بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد. یكی از تكنیك‌های بهینه‌سازی مصرف انرژی، تكنیك HTE است كه در زیر معرفی شده‌است. نویسندة متن ارسالی زیر، در پایان معرفی تكنولوژی، به اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت در راستای دستیابی به این تكنولوژی و موفقیت‌های به‌دست آمده اشاره كرده‌است.

معرفی تكنولوژی بهبود انتقال حرارت در مبدل‌های پوسته - لوله‌ای

چكیده

توجه به محدودیت سوخت‌های فسیلی در دنیا موجب شده است كه امروزه موضوع بهینه‌سازی مصرف انرژی در واحدهای فرآیندی، بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد. یكی از تكنیك‌های بهینه‌سازی مصرف انرژی، تكنیك HTE است كه در زیر معرفی شده‌است. نویسندة متن ارسالی زیر، در پایان معرفی تكنولوژی، به اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت در راستای دستیابی به این تكنولوژی و موفقیت‌های به‌دست آمده اشاره كرده‌است.

معرفی تكنولوژی HTE

در فرآیندهای شیمیایی، مهمترین بخشی كه مستقیماً با مصرف انرژی ارتباط می‌یابد، مبدل‌های حرارتی می‌باشند. تاكنون همواره تلاش شده است تا مبدل‌هایی طراحی گردند كه ضمن داشتن حداكثر بازدهی، در كاركردهای بلند‌مدت، كمترین مشكلات عملیاتی را داشته باشند. اصولاً مبدل‌های حرارتی، به‌خصوص از نوع پوسته- لوله‌ای (Shell-and-Tube)، دارای دو مشكل عملكرد پایین حرارتی (Thermal Deficiency) و جرم‌گرفتگی داخل لوله‌ها (Fouling)، به‌خصوص در هنگام كاركرد با سیالات كثیف یا حساس به دما می‌باشند .
یكی از روش‌های كاربردی و موثر در بهبود انتقال حرارت و كاهش جرم گرفتگی، استفاده از وسایل افزایندة انتقال حرارت (Tabulators) است. این وسایل به آسانی در داخل لوله‌های مبدل‌های پوسته-‌لوله‌ای نصب می شوند و در زمان توقف واحدها (Overhaul)، به‌راحتی قابل بیرون كشیدن و تمیز كاری و نصب مجدد می‌باشند.

این روش كاربردی، امروزه به عنوان تكنولوژی HTE یا Heat Transfer Enhancement شناخته شده است كه تحت لیسانس شركت‌های مختلف، بیش از یك دهه برای به‌كارگیری در صنایع مختلف نفت و گاز و پتروشیمی و حتی نیروگاه‌ها توصیه و تبلیغ می‌گردد. شایان ذكر است كه در حال حاضر، تنها در آمریكا بیش از 50 پالایشگاه و 6 واحد پتروشیمیایی از مزایای این تكنولوژی بهره برده‌اند. البته استفاده از این تكنولوژی محدود به آمریكا نبوده و در بسیاری از پالایشگاه‌ها و مراكز پتروشیمی كشورهای اروپایی و حتی در آسیا (به‌طور مشخص تایلند، مالزی و ژاپن) نیز این تكنولوژی به‌كار گرفته شده است.

اصول و مبانی تكنولوژی HTE

اساساً روش‌های متعددی برای افزایش بازدهی مبدل‌های حرارتی ارائه شده است كه به دلیل هزینه كمتر نسبت به روش‌های دیگر و عدم استفاده از سایر منابع انرژی نظیر برق، جنبه‌های اجرایی استفاده از وسایل افزاینده انتقال حرارت برای مهندسان در صنایع، بسیار پرجاذبه‌تر تشخیص داده شده است. این وسایل كه با اشكال هندسی خاصی طراحی می‌شوند، درون لوله‌های مبدل قرار داده می‌شوند.

ایجاد سرعت‌های چرخشی در جریان سیال و افزایش اختلاط به‌خصوص در نزدیكی دیواره‌های داخلی لوله‌های مبدل، نهایتاً سبب می‌گردد كه از سرعت ته‌نشینی ذرات كاسته شده و از تشكیل لایه مرزی نیز جلوگیری گردد. فرصت نیافتن سیال برای تشكیل لایة مرزی كه خود از مقاومت‌های مهم در برابر انتقال حرارت محسوب می‌شود، از دلایل عمدة افزایش نرخ انتقال حرارت میان سیال درون لوله و پوسته می‌باشد. به‌علاوه، افزایش سرعت شعاعی و محوری در جریان سیال داخل لوله باعث نوعی یكنواختی در توزیع دما در طول لوله و در هر مقطع از آن می‌گردد. لذا در برخی از مكانیزم‌های تشكیل جرم گرفتگی درون لوله‌های مبدل‌ها، نظیر كك زدن (Cocking)، كه دلیل اصلی آن به‌وجود آمدن نقاط داغ موضعی در سطح لوله (Hot Spot) است، استفاده از این وسایل باعث جلوگیری از این پدیده شده و نهایتاً سبب بهبود انتقال حرارت در طول لوله می‌گردد.

وسایل افزایندة انتقال حرارت در انواع مختلفی طراحی می‌شوند كه هر یك بسته به ساختمان طراحی خود، با مكانیزم خاصی سبب افزایش انتقال حرارت و كاهش همزمان جرم‌گرفتگی در لوله‌ها می‌گردند.

این وسایل نه‌تنها در لوله‌های مبدل‌های پوسته-‌لوله‌ای بلكه در كولرهای هوایی، جوش‌آورها، چگالنده‌ها، و كوره‌های احتراقی نیز به طور عملی استفاده می‌شوند.

نكته قابل توجه این است كه بیشتر سیالاتی كه مورد سرمایش و گرمایش قرار می‌گیرند، دارای ویسكوزیتة نسبتاً بالایی می‌باشند، یا در مواردی كه سیالات كثیف (Foul ant) بوده، ضریب انتقال حرارت این سیالات در جریان لوله نسبتاً پایین می باشد. لذا در چنین مبدل‌هایی، انتقال حرارت برای طرف لولة كنترل كنندة سرعت انتقال حرارت می‌باشد. بنابراین استفاده از دستگاه‌های افزایندة انتقال حرارت، موجب بهبود و مزیتی برای رفع هر دو نقیصة مزبور در مبدل‌های پوسته-‌لوله‌ای خواهد بود.

موارد به‌كارگیری تكنیك HTE

اصولاً به‌كارگیری و مزایای ناشی از به‌كار بردن این وسایل در لوله‌های مبدل‌های پوسته- لوله‌ای در دو زمینة زیر قابل توجه مهندسان بوده است:

1- در بهبود كاركرد مبدل‌های حرارتی موجود، مزایای عمده‌ای در فرآیند مربوط به نصب این وسایل در درون لوله‌ها و سپس كاهش تعداد گذر‌های طرف لوله به‌صورت زیر حاصل می‌گردد:

- كاهش رسوب گرفتگی در لوله‌ها

- رساندن درجة حرارت‌های سیالات خروجی از طرف لوله و طرف پوسته به دماهای مورد نظر در طراحی (Spec.)و حتی فراتر از آن

- افزایش ظرفیت واحدها (Revamping) با بالا بردن دبی جریانها در مبدل‌ها، به‌خصوص وقتی كه مبدل‌ها، دستگاه‌های حرارتی گلوگاهی (Bottleneck) فرآیند محسوب می‌شوند.

- افزایش بار حرارتی دستگاه‌های تبادل حرارتی و اصلاح شبكة مبدل‌های حرارتی (Retrofitting) و نهایتاً كاهش مصرف آب و بخار (Utilities) در یك فرآیند.

2- مزایای ناشی از به‌كارگیری این تكنولوژی در طراحی اولیة مبدل‌ها (Grassroots Design)

- كاهش سطح انتقال حرارت مورد نیاز به مقدار بسیار قابل ملاحظه

- كاهش تعداد پوسته‌ها و گذرهای طرف لولة مبدل و ساده‌تر شدن ساختمان مبدل در طراحی

- كاهش نیروی محركة دمایی LMTD كه به‌طور مثال در مبدل‌های بخاری(Steam heaters) ، نیاز به تامین بخار فشار بالا را منتفی خواهد نمود.

نمونه های عملی از به‌كارگیری این تكنولوژی در صنایع (Case Studies)

در ذیل، چهار مثال مجزا جهت نشان دادن مزایای به‌كارگیری این تكنیك در صنایع مختلف نفت و گاز پتروشیمی آورده شده است. به‌طوری‌كه ملاحظه می‌شود، استفاده از تكنولوژی HTE در حل مشكلات حرارتی و عملیاتی، نظیر جرم گرفتگی مبدل‌ها كاملاً موفق بوده است.

مثال اول) پالایشگاه نفت گرنبی موس در اسكاتلند

شركت نفت انگلستان (B.P) امكان رسوب‌گرفتگی ناشی از كریستالی شدن تركیبات هیدروكربوری سنگین (واكس) را با طراحی یك كولر هوایی مناسب و استفاده از این تكنولوژی حذف نموده است.

مثال دوم) پالایشگاه نفت لینجن در آلمان

با تلفیق این تكنولوژی و با استفاده از بافل‌های حلزونی نه تنها از میزان رسوب گرفتگی در لوله‌های مبدل كاسته شده، بلكه طراحی با این تلفیق، منجر به داشتن تعداد كمتری از پوسته‌های مبدل شده است.

مثال سوم) پالایشگاه اونتاریا در كانادا

استفاده از این تكنولوژی منجر به داشتن مبدلی فشرده‌تر و بدون نیازمندی به نگهداری و بازرسی در عملیات كراكینگ كاتالیستی گازوییل سنگین (HCGO) شده است.

مثال چهارم) تاسیسات ذخایر گاز لنچات در بلژیك

استفاده از این تكنولوژی منجر به بهبود كاركرد مبدل میانی تنها با یك پوسته در عملیات آبگیری از گاز شده است.

اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت

پژوهشكدة گاز پژوهشگاه صنعت نفت در راستای ایجاد و توسعة دانش فنی این تكنولوژی در كشور قدم‌های اساسی برداشته كه نهایتاً موجب ثبت این تكنولوژی در ایران (به شماره پروژه‌های 71010108 و 71010110 و شماره ثبت 26156 مورخه 16/10/78) شده است. محورهای اساسی در مجموع فعالیت‌های انجام شده به قرار زیر است:

1) ارایة سمینار و كارگاه‌های آموزشی

به منظور آشنایی مهندسان و كارشناسان مختلف و علاقه‌مند به این تكنولوژی, سمینارها و كارگاه‌های مختلفی در سطح صنایع نفت و گاز و پتروشیمی برگزار شده است.

2) ساخت وسائل افزاینده انتقال حرارت

با تلاش و پیگیری‌های انجام شده تكنیك ساخت و پارامترهای تولیدی یكی از مهمترین انواع وسائل افزایندة انتقال حرارت بدست آمده است. در حال حاضر توانایی ساخت این وسائل در ابعاد مختلف و با فشردگی‌های متفاوت و برای هر دامنه‌‌ای از نیاز فراهم آمده است.

3) تعیین مشخصة عملكرد هیدرولیكی- حرارتی وسائل مذكور

پس از ساخت این وسائل به منظور برآورد مشخصات عملكردی وسائل افزایندة انتقال حرارت یك سیستم آزمایشگاهی (Test Rig) طراحی و ساخته شد. بدین ترتیب اطلاعات دقیق عملیاتی برای هر وسیله قابل حصول خواهد بود.

4) تهیة نرم‌افزار RIPI-HEX

جهت تعیین پتانسیل بكارگیری این تكنیك در مبدل‌های پوسته- لوله‌ای و برای شرایط طراحی (Design) و عملكردی (Rating) نرم‌افزاری تهیه و تدوین شد. با كمك این نرم‌افزار امكان بررسی هر یك از حالات توصیف‌شده در شرایطی كه افزایش راندمان حرارتی مبدل مدنظر باشد، قابل بررسی خواهد بود.

در حال حاضر پژوهشگاه صنعت نفت امكان پیش بینی و تخمین میزان پتانسیل سودمندی ناشی از بكارگیری این تكنیك را برای مبدل‌های معرفی‌شده از سوی صنایع مختلف را دارا می‌باشد.

 

 

منابع:

1-   M.R.Jafari Nasr, G.T. Polley, “An Algorithm for Cost Comparison of Optimized Shell-and-Tube Heat Exchangers with Tube Inserts and Plain Tubes,” Chem.Eng.Technol. 23,(3), 2000.

2-   G.T.Polley, M.R.Jafari Nasr and A.Terranova, “Determination and Applications of the Benefits of Heat Transfer Enhancement,” IChemE, Vol.72, Part A, pp.616-620, Sept., 1994.

3-   M.R. Jafari Nasr, A.T.Zoghi,“Performance Improvement of Tehran Refinery Pre-heater Exchangers Using Heat Transfer Enhancement”, No.41, Summer 2001.

4-   M.R.Jafari Nasr, G.T. Polley and A.T. Zoghi , “Performance Evaluation of Heat Transfer Enhancement (H.T.E. Technology),” 14th International Chemical and Process Engineering Congress, CHISA, Parha, Czech Republic, 27-3 Aug. , 2000

5-   http://naft.itan.ir/?ID=901

نوشته شده در تاریخ چهارشنبه 23 دی 1388    | توسط: مهدی ضیائی    |    |
نظرات()