Lựa chọn thiết bị trao đổi nhiệt cho hóa dầu: Yêu cầu về vật liệu và áp suất

Tại sao môi trường hóa dầu áp suất cao lại cần thiết bị trao đổi nhiệt chuyên dụng

Bộ trao đổi nhiệt trong các cơ sở hóa dầu phải đối mặt với sự kết hợp của các áp lực vận hành mà ít ngành công nghiệp khác sánh kịp. Các dòng quy trình thường xuyên liên quan đến áp suất vượt quá 100 bar, nhiệt độ trên 400°C và chất lỏng đồng thời có tính ăn mòn, xói mòn và dễ bị bám bẩn. Trong quá trình lọc dầu thô, xử lý khí tự nhiên và tổng hợp hóa học, sự cố trao đổi nhiệt không chỉ đơn thuần là sự cố bảo trì mà còn là sự cố an toàn có khả năng gây ra hậu quả thảm khốc.

Sự hội tụ của các mối nguy hiểm này làm cho việc lựa chọn bộ trao đổi nhiệt trở thành một quyết định kỹ thuật quan trọng. Chọn sai vật liệu sẽ dẫn đến ăn mòn nhanh và hư hỏng sớm. Việc chọn cấu hình kết cấu sai dẫn đến giảm áp suất không thể chấp nhận được, hiệu suất nhiệt không đủ hoặc không có khả năng chịu được ứng suất cơ học trong chu kỳ khởi động và tắt máy. Do đó, cách tiếp cận nghiêm ngặt ở cấp độ hệ thống đối với việc lựa chọn vật liệu và kết cấu không phải là tùy chọn - đó là nền tảng của hoạt động an toàn, lâu dài.

Yêu cầu vật liệu chính cho thiết bị trao đổi nhiệt hóa dầu áp suất cao

Việc lựa chọn vật liệu được quyết định bởi bốn yếu tố phụ thuộc lẫn nhau: độ dẫn nhiệt, độ bền cơ học dưới áp suất, khả năng chống ăn mòn đối với chất lỏng xử lý cụ thể và khả năng hàn trong quá trình chế tạo. Không có vật liệu đơn lẻ nào vượt trội trong cả bốn lĩnh vực, đó là lý do tại sao các bộ trao đổi nhiệt hóa dầu thường được chế tạo bằng nhiều vật liệu - ví dụ như vỏ thép carbon kết hợp với ống titan hoặc vỏ thép không gỉ với các tấm ống bọc trongconel.

Thép carbon vẫn là vật liệu chính để chế tạo vỏ do tính hiệu quả về mặt chi phí và độ bền cơ học cao, nhưng nó đòi hỏi lớp lót hoặc lớp phủ bảo vệ khi tiếp xúc với chất lỏng ăn mòn trong quá trình xử lý. Các loại thép không gỉ 304 và 316L mang lại sự nâng cấp thực tế về khả năng chống ăn mòn cho các ứng dụng xử lý hóa học và lọc dầu nói chung. Khi các dòng chứa hydro sunfua, clorua hoặc các hợp chất mạnh khác - phổ biến trong xử lý khí chua và hydrocracking - thì các hợp kim gốc niken như trongconel và Hastelloy trở nên cần thiết. Khả năng chống nứt do ăn mòn ứng suất dưới áp suất cao của chúng là yếu tố quyết định lựa chọn. Titan, mặc dù đắt hơn, mang lại tỷ lệ trọng lượng trên cường độ thấp đặc biệt và gần như không bị ăn mòn do clorua gây ra, khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho các bộ trao đổi nhiệt ngoài khơi và làm mát bằng nước biển. Thép không gỉ song thu hẹp khoảng cách giữa độ bền của thép cacbon và khả năng chống ăn mòn của thép austenit, đồng thời ngày càng được ưa chuộng trong các ứng dụng áp suất cao, nơi độ dày thành - và do đó trọng lượng - phải được giảm thiểu.

Việc chế tạo cũng phải được xem xét bên cạnh hiệu suất vật liệu. Các vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt được hàn có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn ở một số hợp kim không gỉ trừ khi áp dụng xử lý nhiệt sau hàn. Titan và một số hợp kim niken yêu cầu quy trình hàn chuyên dụng trong môi trường khí trơ, làm tăng độ phức tạp và chi phí chế tạo.

Các loại kết cấu phù hợp nhất cho dịch vụ áp suất cao

Cấu hình cấu trúc của bộ trao đổi nhiệt xác định mức độ nó có thể chứa áp suất, quản lý sự giãn nở nhiệt và đáp ứng các yêu cầu bảo trì. Hiểu biết về các loại bộ trao đổi nhiệt dựa trên xây dựng là điều cần thiết trước khi chỉ định thiết bị cho nhiệm vụ hóa dầu áp suất cao.

Bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống là sự lựa chọn chủ yếu cho dịch vụ hóa dầu áp suất cao. Vỏ bình áp lực hình trụ của chúng, kết hợp với các bó ống được cố định giữa các tấm ống dày, cho phép chúng chịu được áp suất lên tới 600 bar và nhiệt độ lên tới 500°C một cách đáng tin cậy. Chất lỏng phía ống - nói chung là dòng áp suất cao hơn - được chứa trong các ống định mức áp suất riêng lẻ, trong khi phía vỏ hoạt động ở áp suất thấp hơn. Thiết kế này cũng phù hợp với nhiều cấu hình TEMA: thiết kế tấm ống cố định là tiết kiệm nhất nhưng hạn chế khả năng làm sạch phía vỏ; Các bó ống chữ U cho phép giãn nở nhiệt tự do mà không bị căng thẳng cơ học; và thiết kế đầu nổi mang lại sự kết hợp tốt nhất giữa khả năng làm sạch và tính linh hoạt về nhiệt cho các dịch vụ gây bám bẩn nghiêm trọng.

Đối với quá trình tách khí và hóa dầu đông lạnh, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đưa ra một giải pháp thay thế hấp dẫn. Cấu trúc nhỏ gọn, bằng nhôm hoặc thép không gỉ của chúng đạt được diện tích bề mặt rất cao trên một đơn vị thể tích, cho phép tiếp cận nhiệt độ gần cần thiết trong quá trình hóa lỏng và phân đoạn. Tuy nhiên, trần áp suất của chúng thường thấp hơn — bộ trao đổi dạng tấm nhôm tiêu chuẩn hoạt động ở áp suất xấp xỉ 100 bar — và chúng không phù hợp với các dòng có mức độ bám bẩn cao mà không có biện pháp phòng ngừa vận hành đáng kể.

Bộ trao đổi nhiệt ống đôi (ống trong ống) chiếm một vị trí thích hợp ở cực áp suất cao: cấu trúc hai ống đồng tâm đơn giản của chúng có thể xử lý áp suất lên tới 150 bar và giúp làm sạch cơ học dễ dàng, nhưng công suất nhiệt trên mỗi đơn vị thấp, hạn chế chúng ở các quy trình tốc độ dòng chảy thấp hoặc các ứng dụng ở quy mô thí điểm.

Tiêu chuẩn thiết kế và tuân thủ: ASME, TEMA và API 660

Trong dịch vụ hóa dầu áp suất cao, việc tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế được công nhận vừa là yêu cầu pháp lý vừa là sự cần thiết về mặt kỹ thuật. Ba khuôn khổ chi phối phần lớn các thông số kỹ thuật của bộ trao đổi nhiệt trong lĩnh vực này.

các Mã nồi hơi và bình áp lực ASME, Phần VIII chi phối thiết kế cấu trúc của các bộ phận chịu áp lực. Nó yêu cầu tính toán độ dày vật liệu tối thiểu dựa trên áp suất và nhiệt độ thiết kế, chỉ định các quy trình hàn được chấp nhận (đạt tiêu chuẩn theo ASME Phần IX) và yêu cầu các phương pháp kiểm tra không phá hủy bao gồm kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ, siêu âm và thủy tĩnh. Bộ trao đổi được xây dựng theo tiêu chuẩn ASME nhận được chứng nhận tem chữ U, đây là điều kiện tiên quyết để lắp đặt ở hầu hết các khu vực pháp lý. Thử nghiệm thủy tĩnh - tạo áp lực cho thiết bị đã hoàn thiện lên gấp 1,3 lần áp suất làm việc tối đa cho phép khi sử dụng nước - đóng vai trò xác nhận kết cấu cuối cùng trước khi đưa vào vận hành.

các TEMA (Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị trao đổi hình ống) tiêu chuẩn bổ sung cho ASME bằng cách xác định các chi tiết thiết kế cơ khí cụ thể cho bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống. Ba loại của nó có ý nghĩa trực tiếp đối với việc lựa chọn hóa dầu: Loại R nhắm vào nhiệm vụ lọc dầu và hóa dầu hạng nặng; Loại C áp dụng cho dịch vụ thương mại tổng hợp; và Loại B bao gồm các yêu cầu của ngành xử lý hóa chất. Loại R yêu cầu mức cho phép ăn mòn lớn hơn, dung sai vách ngăn nghiêm ngặt hơn và tấm ống dày hơn Loại C — tất cả đều trực tiếp làm tăng chi phí thiết bị nhưng rất cần thiết để có tuổi thọ lâu dài trong môi trường khắc nghiệt.

Tiêu chuẩn API 660 , do Viện Dầu khí Hoa Kỳ xuất bản, cung cấp các yêu cầu bổ sung cho bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống, đặc biệt trong các cơ sở dầu khí và hóa dầu. Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu bổ sung về thiết kế vòi phun, tính toán mức cho phép ăn mòn, tài liệu về vật liệu và kiểm tra hiệu suất vượt xa các yêu cầu cơ bản của ASME và TEMA. Đối với các dự án được quản lý bởi API 660, việc tuân thủ TEMA Loại R thường là tiêu chuẩn cấu trúc tối thiểu.

Cùng với nhau, ba khuôn khổ này không chỉ xác định cách xây dựng bộ trao đổi nhiệt mà còn xác định tài liệu, hồ sơ kiểm tra và chứng nhận của bên thứ ba nào phải đi kèm với thiết bị đã hoàn thiện. Các kỹ sư chỉ định bộ trao đổi nhiệt cho dịch vụ hóa dầu áp suất cao phải xác nhận rằng nhà cung cấp của họ có chứng nhận ASME còn hiệu lực và có thể chứng minh sự tuân thủ Loại R trước khi tiến hành thiết kế chi tiết.

Lựa chọn thiết bị trao đổi phù hợp với các quy trình hóa dầu cụ thể

Các tiêu chí về vật liệu và cấu trúc trừu tượng cuối cùng phải được chuyển thành các thông số kỹ thuật thiết bị cụ thể cho từng ứng dụng quy trình. Các ví dụ sau minh họa cách các nguyên tắc trên hội tụ trong thực tế.

In lọc dầu thô , các đoàn tàu làm nóng trước hoạt động ở áp suất vừa phải (thường là 20–50 bar) với lượng dầu thô bị bám bẩn cao ở phía vỏ. Tấm ống cố định hoặc các bộ phận vỏ và ống có đầu nổi bằng thép cacbon hoặc thép không gỉ là tiêu chuẩn, có giới hạn cho phép ăn mòn có kích thước phù hợp với hàm lượng lưu huỳnh thô dự kiến ​​và tuổi thọ sử dụng. Khi có nguy cơ ăn mòn axit naphthenic - thường gặp ở dầu thô có TAN cao - thép không gỉ 316L hoặc 317L được chỉ định cho luyện kim phía ống.

In làm mát khí nứt Ở phía sau lò ethylene, các bộ trao đổi xử lý khí xử lý ở nhiệt độ trên 400°C và áp suất 20–30 bar có khả năng tạo cốc và tạo cặn đáng kể. Các ống bọc Inconel bên trong vỏ thép cacbon là một giải pháp lâu đời, kết hợp khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao của Inconel với tính kinh tế về kết cấu của thép cacbon. Quản lý ứng suất nhiệt thông qua thiết kế ống chữ U hoặc đầu nổi là điều cần thiết do có sự chênh lệch nhiệt độ cực cao.

In tách khí và hóa lỏng ứng dụng — Nhà máy LNG, bộ phận tách không khí và hệ thống lọc hydro — nhiệt độ đông lạnh và các yêu cầu trao đổi nhiệt đa dòng ưu tiên công nghệ tấm nhôm hàn đồng. Những bộ trao đổi này đạt được nhiệt độ dưới 1°C, điều này rất cần thiết về mặt nhiệt động để phân tách hiệu quả. cho trao đổi nhiệt năng lượng điện trong các hệ thống lắp đặt hóa dầu nhiệt và điện kết hợp, cấu hình tấm thép không gỉ hoặc tấm Hastelloy là phổ biến ở nơi giao nhau giữa dòng hơi nước và dòng khói ăn mòn.

Trên tất cả các ứng dụng này, quá trình lựa chọn tuân theo cùng một logic: xác định chính xác phạm vi vận hành, kết hợp vật liệu với hóa học chất lỏng, chọn cấu trúc phù hợp với yêu cầu về áp suất và bảo trì, đồng thời xác minh sự tuân thủ tiêu chuẩn hiện hành trước khi hoàn thiện thông số kỹ thuật. Thiết bị đáp ứng tất cả bốn tiêu chí sẽ mang lại cả sự an toàn và hiệu quả kinh tế lâu dài ngay cả trong những môi trường hóa dầu đòi hỏi khắt khe nhất.