Abstraktne
Kaasaegse industrialiseerimise arenguga on vähese süsinikdioksiidiheitega{0}}tööstusest saanud vältimatu trend. Erinevates tööstusvaldkondades on traditsiooniliste soojusvahetusseadmete asendamiseks välja töötatud suure-tõhususega ja energiasäästlikke-soojusvahetiid. Ainuüksi soojusvahetite jõudluse parandamisega ei saa aga saavutada kogu tootmissüsteemi optimaalset energiasäästuefekti.
Tuginedes naftakeemiatööstuse tegelikele töötingimustele, käsitletakse selles artiklis erinevat tüüpi soojusvahetite rakenduskeskkondi, energiasäästlike{0}tehnoloogiate väljatöötamist ning teadusuuringute edenemist saaste eemaldamise ja rikete kõrvaldamise vallas. Pakutakse välja ka uued uurimissuunad.
Soojusvaheti, tuntud ka kui soojusvaheti, on seade, mida kasutatakse peamiselt soojusülekande saavutamiseks erinevate vedelike vahel. Naftakeemia tootmise ajal tuleb protsessikeskkonda sageli kuumutada või jahutada. Vastavalt erinevatele töötingimustele ja tootmisnõuetele saab valida erinevat tüüpi soojusvahetid tagamaks, et protsessivedelikud saavutavad nõutud temperatuuritaseme ja vastavad keemiliste reaktsiooniprotsesside nõuetele.
Tänu oma tööpõhimõtetele ja funktsioonidele on soojusvahetitel oluline roll kogu rafineerimisprotsessi vältel. Need on võtmeseadmed protsessivedelike õige temperatuuri kontrolli tagamiseks, rafineerimissüsteemide stabiilse töö tagamiseks ja jääksoojuse taaskasutamiseks energia säästmiseks. Lisaks, kuna soojusvahetusseadmeid kasutatakse naftakeemiatööstuses laialdaselt, moodustavad need märkimisväärse osa seadmete investeerimiskuludest. Sellega seotud energiatarbimine ja metallikaod on samuti peamised tähelepanu nõudvad tegurid.
1. Soojusvahetite rakendamise edenemine naftakeemiatööstuses
1.1 Soojustoru soojusvahetite kasutamine heitsoojuse taaskasutamisel
Soojustorusoojusvahetiid on naftatööstuses edukalt kasutatud karmides heitsoojuse taaskasutamise tingimustes, eriti protsessides, mis hõlmavad kõrge -väävlisisaldusega kütuseid.
Naftakeemia tootmisprotsessides on kõrgel{0}}temperatuuril kütte- ja krakkimisseadmed hädavajalikud. Näiteks kasutatakse kergete olefiinide tootmisel tavaliselt kõrgtemperatuurseid naftabensiini krakkimisahjusid-. Nende ahjude heitgaaside temperatuur võib ulatuda 200–400 kraadini. Raske töökeskkonna tõttu ei saa tekkivat heitgaasi otse atmosfääri juhtida.
Õhu eelsoojendusega soojustoru soojusvahetid võivad ära kasutada heitgaaside jääksoojust põlemisõhu eelsoojendamiseks, parandades energiatõhusust ja vähendades samas keskkonnasaastet.
Viimastel aastatel on nii riigisiseselt kui ka rahvusvaheliselt laialdaselt kasutusele võetud erinevaid torukujuliste soojusvahetite kombinatsioone, et saavutada paremat energiasäästu{0}}ja jääksoojuse taaskasutamist. Peamine tootmisprotsess on näidatud joonisel 1.
1.2 Spiraalsete deflektoriliste soojusvahetite kasutamine jahutus- ja soojusvahetusprotsessides
Spiraalne deflektoriga soojusvaheti on uut tüüpi suure{0}}tõhususega soojusvaheti. Selle kontseptsioon sai alguse Rootsi ettevõtte Rosenblandi poolt 1930. aastal välja pakutud spiraalsest plaatsoojusvaheti konstruktsioonist, mis hiljem patenteeriti. Hiljem arendasid ja tootsid sarnaseid seadmeid riigid, sealhulgas Ühendkuningriik, Ameerika Ühendriigid, Saksamaa ja endine Nõukogude Liit.
Hiina hakkas seda tehnoloogiat keemiatööstuses juurutama ja rakendama 1950. aastatel. 1960. aastate keskpaigaks olid kodumaised tootjad saavutanud masstootmise valtsimisprotsesside abil. 1973. aastal koostas HiinaSpiraalplaatsoojusvaheti jooniste valikujuhend. Uusim standard, JB/T4751Spiraalne plaatsoojusvaheti(2003. aasta väljaanne), esindab spiraalplaatsoojusvaheti tehnoloogia arengutaset Hiinas.
Võrreldes traditsiooniliste soojusvahetitega on spiraalsetel plaatsoojusvahetitel eeliseid, sealhulgas kõrgemad soojusülekandetegurid ja vedeliku turbulentsist põhjustatud isepuhastusvõime-, mis aitab vältida setete kogunemist.
Seetõttu kasutatakse naftakeemiatööstuses spiraalseid plaatsoojusvahetiid peamiselt kütte- ja jahutusprotsessides, mis hõlmavad bensiini, diislikütust, ammoniaagivett, kloorivett, soolvett, tugevaid happeid, tugevaid leeliseid ja lämmastik{0}}vesinik-ammoniaagiga segatud gaase.
Neid kasutatakse laialdaselt ka alkoholide, vaikude, karbamiidi, väikemolekulaarsete monomeeride, polümeriseeritud olefiinide ja nendega seotud vahesaaduste kütte-, jahutamis-, kondensatsiooni- ja taaskeetmissüsteemides.
Hao Zhenliang jt. uuris eksperimentaalselt seost kesta-poolse rõhulanguse ja voolukiiruse vahel, kesta-poolse konvektiivse soojusülekande jõudluse muutumist Reynoldsi arvuga (Re) ja Nusselti arvuga (Nu) ning kesta-poolset soojusülekandetegurit ühikulise rõhulanguse tingimustes spiraalse deflektori ja segmentaalse deflektoriga soojusvahetite puhul.
Nende uurimustöö andis juhiseid seadmete valimiseks erinevates töötingimustes. Peamised järeldused on järgmised:
(1) Samade Reynoldsi arvu tingimustes on segmendi deflektoriga soojusvahetite kesta -poolne konvektiivsoojusülekandetegur kõrgem kui spiraalse deflektoriga soojusvahetitel.
(2) Samade kesta läbimõõdu ja voolukiiruse tingimustes on spiraalse deflektoriga soojusvahetite kesta{1}}külgne rõhulang korrelatsioonis spiraalse nurgaga. Kuid sõltumata valitud spiraalsest nurgast jääb rõhukadu väiksemaks kui segmentaalsete deflektorisoojusvahetite puhul.
(3) Erinevalt kahest ülaltoodud järeldusest, kui arvestada soojusülekande jõudlust rõhulanguse ühiku kohta, on spiraalsete deflektoriga soojusvahetite kesta-poolne konvektiivne soojusülekandetegur kõrgem. Kui spiraalne nurk on ligikaudu 40 kraadi, saavutab konvektiivse soojusülekandetegur maksimaalse väärtuse, mille tulemuseks on kõrgeim üldine soojusülekande jõudlus.
1.3-Tõhusate plaatsoojusvahetite energiasäästlik-kasutus nafta rafineerimisel
Keskmise ja suuremahulistes{0}}naftatöötlemistehastes võib olla umbes 400 erinevat tüüpi soojusvahetit. Need süsteemid töötavad sageli kõrge rõhu ja kõrge temperatuuri tingimustes. Rahvusvaheliselt on kest{4}}ja -torusoojusvahetid saavutanud töötaseme 8,4 MPa rõhu ja 1500 kraadise temperatuuriga ning soojusülekandealad ulatuvad kuni 6700 m²-ni.
Avamere naftaplatvormide kõrgete ehituskulude tõttu on keevitatud plaatsoojusvahetid laialdaselt kasutatud avamere naftatootmises nende kompaktse struktuuri, kerge konstruktsiooni, suurepärase soojusülekande jõudluse ja madalamate kulude tõttu.
Nende peamised kasutusalad hõlmavad jahutavat mehaanilist määrdeõli ja magevee (nt mootorisärgi jahutusvesi). Naftaväljadel saab neid kasutada ka toornafta soojendamiseks ja muudeks protsessideks.
Peamine väljakutse seisneb protsessisüsteemide projekteerimises ja arvutamises. Tegelikus tootmises põhjustab energiakadusid sageli ebamõistlik protsessi ülesehitus.
Chen Jianwei et al. viis läbi teoreetilise uurimistöö naftakeemia rakendustes kasutatavate jahutusplaatsoojusvahetite rõhulanguse arvutamise kohta. Tuginedes soojusvahetite omadustele ja soojusülekande põhimõtetele, eeldasid nad, et vedelfaas piki voolukanalit suureneb lineaarselt ning kehtestasid seosed voolukanali pikkuse, tegeliku massiauru kvaliteedi ja mahulise aurukvaliteedi vahel. Arvutustulemused olid kooskõlas praktiliste tööandmetega.
Peamised järeldused on järgmised:
(1) Faasi{1}}muutuste tingimustes tuleks vedeliku rõhulanguse arvutamisel vedelikku käsitleda kahe--faasi- või mitmefaasilise vooluna. Ühefaasilisi voolumudeleid või homogeenseid voolumudeleid ei tohiks kasutada mitmefaasiliste voolude arvutuste asendajana. Rakendada tuleks eraldatud voolumudelit.
(2) Naftakeemiatööstuse jahutusprotsesside käigus võib tekkida osaline kondenseerumine, mille tulemusena tekivad soojusülekandepindadele vedelad kiled. Seetõttu tuleb kompaktsete soojusvahetite, nagu plaat{2}}soojusvaheti valimisel mõistliku ja ökonoomse konstruktsiooni saavutamiseks arvestada konstruktsiooniparameetritega. Lihtsalt soojusülekande pindala suurendamisest ja ohutusvarude lisamisest ei piisa.
1.4 Õhukeste aurustite kasutamine kontsentreerimis- ja kuivatamisprotsessides
Õhukese kilega aurusteid kasutatakse tavaliselt naftakeemiaprotsessides, nagu naatriumsulfiidi kontsentreerimine, naatriumsulfiidi aurustamine, vaigu kuivatamine ja kummi kuivatamine. Need annavad märkimisväärset majanduslikku kasu.
Võrreldes traditsiooniliste seadmetega, nagu malmist aurustuspannid, on termiliste õliahjudega köetavatel õhukese kilega aurustussoojusvahetitel järgmised eelised:
(1) Seadme jalajälge saab vähendada peaaegu 6%. Protsess võimaldab mehhaniseeritud aurustamist, lihtsustab tööd ja muudab katkendliku tootmise pidevaks tootmiseks, parandades seeläbi tööstuse efektiivsust.
(2) Pöörleva kaabitsa abil on soojusülekande jõudlus oluliselt paranenud. Aurustumisaega pinnal saab vähendada alla ühe minuti, vähendades katlakivi teket ja süsiniku sadestumist. Toode laguneb vähem tõenäolisemalt ja sobib kuumustundlikele materjalidele-. Samal ajal väheneb setete teke, mille tulemuseks on lihtsam hooldus ja puhastamine.
(3) Võrreldes malmist aurustuspannidega võib toetav termoõliahi vähendada söetarbimist ligikaudu 50%. See võib töötada temperatuuril kuni 300 kraadi, säilitades samal ajal ohutu töö ka mitte-rõhutingimustes.
(4) Seadmed on mugavad protsessi suurendamiseks ja võivad asendada traditsioonilisi veekeetja-tüüpi kuivateid. Tootmise suuremahulise-laiendamise ajal on suurendamisest põhjustatud hälve suhteliselt väike.
Siiski on praktilistes rakendustes endiselt mõned tehnilised väljakutsed.
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 kraadi).
Protsessi torujuhtmed on tavaliselt valmistatud õmblusteta torudest, mis võivad vajada väljavahetamist umbes iga 30 päeva järel. Võimalik täiustus on kasutada roostevabast terasest torusid või korrosioonikindlate sisevooderdustega torusid, näiteks fluoroplastist -vooderdatud soojusvaheti torusid.
Lisaks vajavad täiendavaid lahendusi ka tsirkulatsioonipumpadega seotud korrosiooniprobleemid.
2. Naftakeemiatööstuse soojusvahetusseadmete saastumise eemaldamine ja vastumeetmed
Steinhageni jt andmetel näitas Uus-Meremaal 3000 erinevat tüüpi soojusvahetit hõlmav uuring, et enam kui 90% soojusvahetitest esines saastumise probleeme. Erinevat tüüpi soojusvahetite saastumise tingimuste võrdlus on näidatud joonisel 2.
Siseriiklikud ja rahvusvahelised uuringud näitavad, et nafta rafineerimise ja keemiatööstuse saastepuhastusega seotud kulud ulatuvad aastas ligikaudu 15,6 miljonini, mille tulemuseks on märkimisväärne majanduslik kahju ja ressursside kulu.
Naftakeemiatööstuse tegelikes töötingimustes võib saastumise tekkemehhanismid ja klassifikatsioonid jagada peamiselt järgmistesse kategooriatesse:
Korrosiooniga saastumise mudelid
Tahkestumise mudelid
Pinnamaterjalist{0}}indutseeritud saastumismudelid
Gaasifaasi{0}}määrdumise mudelid
Keemilise reaktsiooni saastumise mudelid
Praktilise töö prognoosimise ja analüüsi käigus saab saastumist nende mehhanismide järgi klassifitseerida. Valides sobivad soojusvahetitüübid vastavalt erinevatele töötingimustele ja arvutades optimaalsed puhastusintervallid, saab vähendada majanduslikke kadusid.
Lisaks, võttes arvesse naftakeemiarakenduste kõrget{0}}temperatuuri ja-kõrgsurvet, on peamised töötlemismeetodid järgmised:
Soojusülekande parandamine
Mehaanilised puhastusmeetodid
Keemilised puhastusmeetodid
Veebiseire ja reaalajas{0}}puhastustehnoloogiad
3. Naftakeemiatööstuse soojusvahetite rikete analüüs ja hooldus
3.1 Soojusvahetite korrosiooni ja kulumise vältimine
Naftakeemiatööstuse soojusvahetite töötamise ajal juhtub sageli korrosioonilekkega seotud õnnetusi. Need tõrked võivad katkestada stabiilse tootmise ja neid peetakse naftakeemiasüsteemide üheks peamiseks varustusprobleemiks.
Sellised lekkeprobleemid liigitatakse peamiselt erosioonilekkeks ja korrosioonilekkeks. Praegused lahendused keskenduvad peamiselt vigastatud seadmete parandamisele pärast rikete ilmnemist, tootmisprotsesside täiustamisele rikete ennetamiseks ja seadmete lagunemise vähendamisele läbi soojusvaheti materjalide ja tüüpide õige valiku.
3.1.1 Soojusvahetite korrosiooni ja kulumise põhjused
Analüüs tooraine vaatenurgast
Naftakeemia tootmisel kasutatavad toorained, eriti toornafta, sisaldavad keerulisi keemilisi komponente. Lisaks on toornaftal üldiselt kõrge viskoossus ja see sisaldab ebakorrapärase suurusega tahkeid osakesi.
Selle tulemusena on soojusvaheti pindadega kokkupuutuv töökeskkond väga keeruline. Seadmed on sageli allutatud nii füüsilisest hõõrdumisest põhjustatud mehaanilistele vigastustele kui ka tugevale keemilisele korrosioonile.
Analüüs keemiliste protsesside vaatenurgast
The entire petrochemical production chain often involves high-temperature (>1000 kraadi) ja kõrge{1}rõhu töötingimustes. Korrosiooni erinevad vormid võivad ilmneda samaaegselt ja üksteisega suhelda.
Näiteks tootmisprotsesside käigus nõutav suur voolukiirus on erosioonikorrosiooni otsene põhjus, kiirendades samas ka olemasolevaid korrosioonilekkeprobleeme.
Seetõttu on soojusvaheti rikete korral leke ja korrosioon tavaliselt tihedalt seotud ning võivad tekitada sünergilise efekti, mis kiirendab seadmete riknemist.
3.1.2 Soojusvaheti korrosiooni ja kulumise klassifikatsioon ning vastumeetmed naftakeemiatööstuses
(1) Soojusvahetite pinnakorrosioon ja kulumine
Pinna korrosioon on soojusvaheti torude lekke kõige levinum põhjus, mis moodustab ligikaudu 90% juhtudest.
Naftakeemia tootmises kasutatavatel protsessikeskkondadel on sageli teatud viskoossuse ja nakkuvuse tase. Kiired vedelikud, mis sisaldavad tahkeid osakesi ja mullikesi, mõjutavad pidevalt soojusülekandepindu, tekitades kuni 10 MPa lokaalset pinnarõhku, mis võib põhjustada väsimuserosiooni ja metallpinna kahjustusi.
Seetõttu on protsessinõuetes sageli ette nähtud, et keskmise voolu kiirus peaks olema suurem kui 2 m/s.
(2) Pinnasademetest põhjustatud elektrokeemiline korrosioon
Nafta rafineerimisprotsesside ajal on protsessikeskkonnal tavaliselt kõrge viskoossus ja see võib teatud tingimustel tahkuda. See võib põhjustada materjalide kogunemist soojusvaheti pindadele ja setteid.
Nende ladestuste ebastabiilsed, katkendlikud ja ebaühtlased omadused võivad põhjustada pragusid ja lünki. Hapniku kontsentratsiooni erinevused nende lünkade sees ja väljas võivad vallandada elektrokeemilise korrosiooni.
Seotud korrosioonireaktsioonid hõlmavad peamiselt:
Metalli lahustumisreaktsioonid, nimelt anoodiline oksüdatsioon;
katoodredutseerimisreaktsioonid;
Elektrokeemilisest tasakaalustamatusest põhjustatud korrosiooni järkjärguline laienemine.
(3) Korrosioon soojusvaheti torude veepoolsel pinnal
Soojusvahetussüsteemides kasutatakse soojuskandjana sageli vett, mistõttu on vee{0}}poolne korrosioon tavaline probleem.
Peamised korrosioonimehhanismid hõlmavad järgmist:
pH väärtuse vähendamine;
Veeauru läbitungimine;
Rünnak, mis on põhjustatud lahustunud hapnikust;
kloriidioonide (Cl⁻) korrosioon;
Sulfiidioonide (S²⁻) korrosioon.
Need reaktsioonid võib üldiselt jagada keemiliseks korrosiooniks ja elektrokeemiliseks korrosiooniks.
Nõuded soojusvaheti torude veepoolsetele{0}}korrosioonikindlatele materjalidele on järgmised:
Hea soojusjuhtivus ja tugev pinna adhesioon;
Suurepärane vastupidavus temperatuurimuutustele ja piisav kõvadus;
Tugev vastupidavus ioonide korrosioonile;
Hea skaleerimisevastane{0}}jõudlus;
Suurepärane vastupidavus veeauru läbitungimisele.
3.1.3 Soojusvahetite korrosioonikaitsemeetodid
Praegu hõlmavad naftakeemiatööstuse soojusvahetite korrosioonikaitsemeetodid peamiselt järgmist:
(1) Ohveranoodi kaitse
See meetod kaitseb soojusvaheti materjale, kasutades põhiseadmete korrosiooni vältimiseks kaitseanoodina aktiivsemat metalli.
(2) Korrosioonivastaste-katete väljatöötamine ja pealekandmine
Korrosioonivastaseid-katteid kasutatakse soojusvaheti kaitseks laialdaselt. Kandes kontaktpinnale üliõhukese metallkatte või anorgaanilise katte, saab tõhusalt eraldada kahjulikud ained ja saastejäägid.
Tavaliselt kasutatav kattekiht on CH-784 epoksüamino-korrosioonivastane kattesüsteem.
(3) Soojusvaheti materjalide täiustamine
Vee kvaliteedist ja agressiivsest keskkonnast põhjustatud korrosiooni vältimiseks saab valida täiustatud materjale.
Roostevabast terasest, vasesulamitest ja titaanisulamitest valmistatud soojusvahetid tagavad üldiselt suurepärase korrosioonikindluse. Kuid nende kõrgemad materjalikulud piiravad nende kasutamist mõnes tööstuses.
3.2 Keevitustehnoloogia soojusvaheti ääriku pragude parandamiseks
Praegu kasutatakse külmsulatuskeevituse remonditehnoloogiat laialdaselt tööstusliku põllu hoolduseks.
Külmsulatuskeevitustehnoloogia on uus parandustehnoloogia, mis on välja töötatud gaas{0}}varjestatud keevitusmeetoditel. Seda kasutatakse sageli kahjustatud soojusvahetite parandamisel ja hooldamisel naftakeemiatööstuses.
Selle peamised omadused hõlmavad järgmist:
(1) Madal soojussisend ja lühike keevitusaeg
Keevitamisel tekkiv soojus on äärmiselt madal. Keevitusprotsess võtab vaid mitukümmend millisekundit, vältides selliseid probleeme nagu lõõmutamise värvimuutus.
(2) Väike keevitusbassein ja suurepärane remondikvaliteet
Keevitusvanni maht on alla 2 mm³. Pingejaotus on hajutatud, vähendades parandatud komponendi kontsentreeritud pinget.
Protsess ei põhjusta pragusid ega deformatsioone. Lisaks takistab inertgaasi kaitse pooride ja mullide teket, mille tulemuseks on sile ja puhas parandatud pind.
(3) Kompaktne varustus ja sobivus-kohapealseks remondiks
Keevitusseadmed on väikesed ja sobivad{0}}reaalajas kohapealseks remondiks.
Valida saab laias valikus keevitustraate, mis võimaldavad parandada erinevatest materjalidest valmistatud soojusvahetiid.
4. Tuleviku arengu väljavaade
Väärib märkimist, et erinevad protsessinõuded nõuavad erinevat tüüpi soojusvahetiid. Lisaks mõjutab soojusvahetite paralleel- või jadapaigutus oluliselt kogu protsessisüsteemi töövõimet.
Komponentide valik ja sobitamine on samuti kriitilised tegurid. Usaldusväärsusele- orienteeritud disain eeldab, et komponentidel oleks piisavalt kohanemisvõimet, et taluda erinevaid töötingimusi, juhuslikke koormuse muutusi ja pingemuutusi, mida naftakeemiatööstuses tavaliselt kohtab. See disainikontseptsioon pakub täiustusi võrreldes tavapäraste disainimeetodite piirangutega.
Energiasäästu ja heitkoguste vähendamise osas ei peaks tulevane areng keskenduma ainult soojusvaheti struktuuride täiustamisele, vaid pöörama rohkem tähelepanu ka täiustatud soojusvaheti materjalide väljatöötamisele.
Nende uurimisvaldkondade hulgas on soojusvaheti pinnakatte tehnoloogial märkimisväärne potentsiaal. Katte arendamise edasine suund hõlmab järgmist:
Kerge disain;
Vastupidavus kõrgele-temperatuurile ja{1}}kõrgele rõhule;
Suurepärane korrosioonikindlus;
Madalamad tootmiskulud;
Säästlikum kasutamine ja hooldus.
Praeguseks on oluliseks uurimissuunaks saamas ka simulatsioonitehnoloogiate ja inseneritarkvara arendamine. Need tehnoloogiad võivad anda tõhusaid juhiseid saastumise prognoosimiseks, puhastustsükli optimeerimiseks ja töövõime hindamiseks.
