معرفي تكنولوژي بهبود انتقال حرارت در مبدل‌هاي پوسته - لوله‌اي

توجه به محدوديت سوخت‌هاي فسيلي در دنيا موجب شده است كه امروزه موضوع بهينه‌سازي مصرف انرژي در واحدهاي فرآيندي، بيش از پيش مورد توجه قرار گيرد. يكي از تكنيك‌هاي بهينه‌سازي مصرف انرژي، تكنيك HTE است كه در زير معرفي شده‌است. نويسندة متن ارسالي زير، در پايان معرفي تكنولوژي، به اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت در راستاي دستيابي به اين تكنولوژي و موفقيت‌هاي به‌دست آمده اشاره كرده‌است.

معرفي تكنولوژي HTE

در فرآيندهاي شيميايي، مهمترين بخشي كه مستقيماً با مصرف انرژي ارتباط مي‌يابد، مبدل‌هاي حرارتي مي‌باشند. تاكنون همواره تلاش شده است تا مبدل‌هايي طراحي گردند كه ضمن داشتن حداكثر بازدهي، در كاركردهاي بلند‌مدت، كمترين مشكلات عملياتي را داشته باشند. اصولاً مبدل‌هاي حرارتي، به‌خصوص از نوع پوسته- لوله‌اي (Shell-and-Tube)، داراي دو مشكل عملكرد پايين حرارتي (Thermal Deficiency) و جرم‌گرفتگي داخل لوله‌ها (Fouling)، به‌خصوص در هنگام كاركرد با سيالات كثيف يا حساس به دما مي‌باشند

.

يكي از روش‌هاي كاربردي و موثر در بهبود انتقال حرارت و كاهش جرم گرفتگي، استفاده از وسايل افزايندة انتقال حرارت (Tabulators) است. اين وسايل به آساني در داخل لوله‌هاي مبدل‌هاي پوسته-‌لوله‌اي نصب مي شوند و در زمان توقف واحدها (Overhaul)، به‌راحتي قابل بيرون كشيدن و تميز كاري و نصب مجدد مي‌باشند.

اين روش كاربردي، امروزه به عنوان تكنولوژي HTE يا Heat Transfer Enhancement شناخته شده است كه تحت ليسانس شركت‌هاي مختلف، بيش از يك دهه براي به‌كارگيري در صنايع مختلف نفت و گاز و پتروشيمي و حتي نيروگاه‌ها توصيه و تبليغ مي‌گردد. شايان ذكر است كه در حال حاضر، تنها در آمريكا بيش از 50 پالايشگاه و 6 واحد پتروشيميايي از مزاياي اين تكنولوژي بهره برده‌اند. البته استفاده از اين تكنولوژي محدود به آمريكا نبوده و در بسياري از پالايشگاه‌ها و مراكز پتروشيمي كشورهاي اروپايي و حتي در آسيا (به‌طور مشخص تايلند، مالزي و ژاپن) نيز اين تكنولوژي به‌كار گرفته شده است.

اصول و مباني تكنولوژي HTE

اساساً روش‌هاي متعددي براي افزايش بازدهي مبدل‌هاي حرارتي ارائه شده است كه به دليل هزينه كمتر نسبت به روش‌هاي ديگر و عدم استفاده از ساير منابع انرژي نظير برق، جنبه‌هاي اجرايي استفاده از وسايل افزاينده انتقال حرارت براي مهندسان در صنايع، بسيار پرجاذبه‌تر تشخيص داده شده است. اين وسايل كه با اشكال هندسي خاصي طراحي مي‌شوند، درون لوله‌هاي مبدل قرار داده مي‌شوند.

ايجاد سرعت‌هاي چرخشي در جريان سيال و افزايش اختلاط به‌خصوص در نزديكي ديواره‌هاي داخلي لوله‌هاي مبدل، نهايتاً سبب مي‌گردد كه از سرعت ته‌نشيني ذرات كاسته شده و از تشكيل لايه مرزي نيز جلوگيري گردد. فرصت نيافتن سيال براي تشكيل لاية مرزي كه خود از مقاومت‌هاي مهم در برابر انتقال حرارت محسوب مي‌شود، از دلايل عمدة افزايش نرخ انتقال حرارت ميان سيال درون لوله و پوسته مي‌باشد. به‌علاوه، افزايش سرعت شعاعي و محوري در جريان سيال داخل لوله باعث نوعي يكنواختي در توزيع دما در طول لوله و در هر مقطع از آن مي‌گردد. لذا در برخي از مكانيزم‌هاي تشكيل جرم گرفتگي درون لوله‌هاي مبدل‌ها، نظير كك زدن (Cocking)، كه دليل اصلي آن به‌وجود آمدن نقاط داغ موضعي در سطح لوله (Hot Spot) است، استفاده از اين وسايل باعث جلوگيري از اين پديده شده و نهايتاً سبب بهبود انتقال حرارت در طول لوله مي‌گردد

.

وسايل افزايندة انتقال حرارت در انواع مختلفي طراحي مي‌شوند كه هر يك بسته به ساختمان طراحي خود، با مكانيزم خاصي سبب افزايش انتقال حرارت و كاهش همزمان جرم‌گرفتگي در لوله‌ها مي|‌گردند.

اين وسايل نه‌تنها در لوله‌هاي مبدل‌هاي پوسته-‌لوله‌اي بلكه در كولرهاي هوايي، جوش‌آورها، چگالنده‌ها، و كوره‌هاي احتراقي نيز به طور عملي استفاده مي‌شوند.

نكته قابل توجه اين است كه بيشتر سيالاتي كه مورد سرمايش و گرمايش قرار مي‌گيرند، داراي ويسكوزيتة نسبتاً بالايي مي‌باشند، يا در مواردي كه سيالات كثيف (Foul ant) بوده، ضريب انتقال حرارت اين سيالات در جريان لوله نسبتاً پايين مي باشد. لذا در چنين مبدل‌هايي، انتقال حرارت براي طرف لولة كنترل كنندة سرعت انتقال حرارت مي‌باشد. بنابراين استفاده از دستگاه‌هاي افزايندة انتقال حرارت، موجب بهبود و مزيتي براي رفع هر دو نقيصة مزبور در مبدل‌هاي پوسته-‌لوله‌اي خواهد بود.

موارد به‌كارگيري تكنيك HTE

اصولاً به‌كارگيري و مزاياي ناشي از به‌كار بردن اين وسايل در لوله‌هاي مبدل‌هاي پوسته- لوله‌اي در دو زمينة زير قابل توجه مهندسان بوده است:

1- در بهبود كاركرد مبدل‌هاي حرارتي موجود، مزاياي عمده‌اي در فرآيند مربوط به نصب اين وسايل در درون لوله‌ها و سپس كاهش تعداد گذر‌هاي طرف لوله به‌صورت زير حاصل مي‌گردد:

- كاهش رسوب گرفتگي در لوله‌ها

- رساندن درجة حرارت‌هاي سيالات خروجي از طرف لوله و طرف پوسته به دماهاي مورد نظر در طراحي (Spec.)و حتي فراتر از آن

- افزايش ظرفيت واحدها (Revamping) با بالا بردن دبي جريانها در مبدل‌ها، به‌خصوص وقتي كه مبدل‌ها، دستگاه‌هاي حرارتي گلوگاهي (Bottleneck) فرآيند محسوب مي‌شوند.

- افزايش بار حرارتي دستگاه‌هاي تبادل حرارتي و اصلاح شبكة مبدل‌هاي حرارتي (Retrofitting) و نهايتاً كاهش مصرف آب و بخار (Utilities) در يك فرآيند.

2- مزاياي ناشي از به‌كارگيري اين تكنولوژي در طراحي اولية مبدل‌ها (Grassroots Design)

- كاهش سطح انتقال حرارت مورد نياز به مقدار بسيار قابل ملاحظه

- كاهش تعداد پوسته‌ها و گذرهاي طرف لولة مبدل و ساده‌تر شدن ساختمان مبدل در طراحي

- كاهش نيروي محركة دمايي LMTD كه به‌طور مثال در مبدل‌هاي بخاري(Steam heaters) ، نياز به تامين بخار فشار بالا را منتفي خواهد نمود.

نمونه هاي عملي از به‌كارگيري اين تكنولوژي در صنايع (Case Studies)

در ذيل، چهار مثال مجزا جهت نشان دادن مزاياي به‌كارگيري اين تكنيك در صنايع مختلف نفت و گاز پتروشيمي آورده شده است. به‌طوري‌كه ملاحظه مي‌شود، استفاده از تكنولوژي HTE در حل مشكلات حرارتي و عملياتي، نظير جرم گرفتگي مبدل‌ها كاملاً موفق بوده است.

مثال اول) پالايشگاه نفت گرنبي موس در اسكاتلند

شركت نفت انگلستان (B.P) امكان رسوب‌گرفتگي ناشي از كريستالي شدن تركيبات هيدروكربوري سنگين (واكس) را با طراحي يك كولر هوايي مناسب و استفاده از اين تكنولوژي حذف نموده است.

شرح مثال 1

مثال دوم) پالايشگاه نفت لينجن در آلمان

با تلفيق اين تكنولوژي و با استفاده از بافل‌هاي حلزوني نه تنها از ميزان رسوب گرفتگي در لوله‌هاي مبدل كاسته شده، بلكه طراحي با اين تلفيق، منجر به داشتن تعداد كمتري از پوسته‌هاي مبدل شده است.

شرح مثال 2

مثال سوم) پالايشگاه اونتاريا در كانادا

استفاده از اين تكنولوژي منجر به داشتن مبدلي فشرده‌تر و بدون نيازمندي به نگهداري و بازرسي در عمليات كراكينگ كاتاليستي گازوييل سنگين (HCGO) شده است.

شرح مثال 3

مثال چهارم) تاسيسات ذخاير گاز لنچات در بلژيك

استفاده از اين تكنولوژي منجر به بهبود كاركرد مبدل مياني تنها با يك پوسته در عمليات آبگيري از گاز شده است

.

شرح مثال 4

اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت

پژوهشكدة گاز پژوهشگاه صنعت نفت در راستاي ايجاد و توسعة دانش فني اين تكنولوژي در كشور قدم‌هاي اساسي برداشته كه نهايتاً موجب ثبت اين تكنولوژي در ايران (به شماره پروژه‌هاي 71010108 و 71010110 و شماره ثبت 26156 مورخه 16/10/78) شده است. محورهاي اساسي در مجموع فعاليت‌هاي انجام شده به قرار زير است:

1) اراية سمينار و كارگاه‌هاي آموزشي

به منظور آشنايي مهندسان و كارشناسان مختلف و علاقه‌مند به اين تكنولوژي, سمينارها و كارگاه‌هاي مختلفي در سطح صنايع نفت و گاز و پتروشيمي برگزار شده است.

2) ساخت وسائل افزاينده انتقال حرارت

با تلاش و پيگيري‌هاي انجام شده تكنيك ساخت و پارامترهاي توليدي يكي از مهمترين انواع وسائل افزايندة انتقال حرارت بدست آمده است. در حال حاضر توانايي ساخت اين وسائل در ابعاد مختلف و با فشردگي‌هاي متفاوت و براي هر دامنه‌‌اي از نياز فراهم آمده است.

3) تعيين مشخصة عملكرد هيدروليكي- حرارتي وسائل مذكور

پس از ساخت اين وسائل به منظور برآورد مشخصات عملكردي وسائل افزايندة انتقال حرارت يك سيستم آزمايشگاهي (Test Rig) طراحي و ساخته شد. بدين ترتيب اطلاعات دقيق عملياتي براي هر وسيله قابل حصول خواهد بود.

4) تهية نرم‌افزار RIPI-HEX

جهت تعيين پتانسيل بكارگيري اين تكنيك در مبدل‌هاي پوسته- لوله‌اي و براي شرايط طراحي (Design) و عملكردي (Rating) نرم‌افزاري تهيه و تدوين شد. با كمك اين نرم‌افزار امكان بررسي هر يك از حالات توصيف‌شده در شرايطي كه افزايش راندمان حرارتي مبدل مدنظر باشد، قابل بررسي خواهد بود.

در حال حاضر پژوهشگاه صنعت نفت امكان پيش بيني و تخمين ميزان پتانسيل سودمندي ناشي از بكارگيري اين تكنيك را براي مبدل‌هاي معرفي‌شده از سوي صنايع مختلف را دارا مي‌باشد.

منابع مطالعاتي بيشتر:

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.

معرفي تكنولوژي بهبود انتقال حرارت در مبدل‌هاي پوسته - لوله‌اي

معرفي تكنولوژي بهبود انتقال حرارت در مبدل‌هاي پوسته - لوله‌اي

معرفي تكنولوژي HTE

اصول و مباني تكنولوژي HTE

موارد به‌كارگيري تكنيك HTE

- كاهش رسوب گرفتگي در لوله‌ها

اقدامات انجام شده در پژوهشگاه صنعت نفت

منابع مطالعاتي بيشتر:

مطالب مشابه :

معرفي تكنولوژي بهبود انتقال حرارت در مبدل‌هاي پوسته - لوله‌اي

آشنایی کلی با مهندسی مکانیک

حل المسائل مقدمه ای بر انتقال حرارت اینکروپرا ویرایش چهارم

دانستنیهای مفید درمورد مبدلهای حرارتی

زمان کلاس حل تمرین

موضوع آزمايش : مبدل حرارتي

مهندسي مكانيك

مبدل حرارتي

معرفی رشته مهندسی دریا

رشته کارشناسی مکانیک (گرایش حرارت وسیالات)