Abstracto
Con el desarrollo de la industrialización moderna, la industria baja-de carbono se ha convertido en una tendencia inevitable. En diversos campos industriales, se han desarrollado intercambiadores de calor de alta-eficiencia y ahorro de energía-para reemplazar los equipos tradicionales de intercambio de calor. Sin embargo, mejorar por sí solo el rendimiento de los intercambiadores de calor no puede lograr el efecto óptimo de ahorro de energía-para todo el sistema de producción.
Basado en las condiciones operativas reales en la industria petroquímica, este documento revisa los entornos de aplicación de diferentes tipos de intercambiadores de calor, el desarrollo de tecnologías de ahorro de energía-y el progreso de la investigación en la eliminación de incrustaciones y el tratamiento de fallas. También se proponen nuevas direcciones de investigación.
Un intercambiador de calor, también conocido como intercambiador térmico, es un dispositivo utilizado principalmente para lograr la transferencia de calor entre diferentes fluidos. Durante la producción petroquímica, a menudo es necesario calentar o enfriar los medios de proceso. Según las diferentes condiciones operativas y requisitos de producción, se pueden seleccionar varios tipos de intercambiadores de calor para garantizar que los fluidos del proceso alcancen los niveles de temperatura requeridos y cumplan con los requisitos de los procesos de reacción química.
Debido a sus principios de funcionamiento y funciones, los intercambiadores de calor juegan un papel importante durante todo el proceso de refinación. Son equipos clave para garantizar un control adecuado de la temperatura de los fluidos del proceso, mantener el funcionamiento estable de los sistemas de refinación y recuperar el calor residual para conservar energía. Además, debido a que los equipos de intercambio de calor se utilizan ampliamente en la industria petroquímica, representan una proporción significativa de los costos de inversión en equipos. El consumo de energía relacionado y las pérdidas de metales también son factores importantes que requieren atención.
1. Progreso de la aplicación de intercambiadores de calor en la industria petroquímica
1.1 Aplicación de los intercambiadores de calor de tubos de calor en la recuperación de calor residual
Los intercambiadores de calor de tubos de calor se han aplicado con éxito en duras condiciones de recuperación de calor residual en la industria petrolera, especialmente en procesos que involucran combustibles con alto contenido de azufre.
En los procesos de producción petroquímica, los equipos de craqueo y calentamiento a alta-temperatura son esenciales. Por ejemplo, en la producción de olefinas ligeras, se utilizan comúnmente hornos de craqueo de nafta de petróleo de alta-temperatura. La temperatura de los gases de escape de estos hornos puede alcanzar entre 200 y 400 grados. Debido al severo entorno operativo, el gas residual generado no se puede descargar directamente a la atmósfera.
Los intercambiadores de calor de tubos de calor de precalentamiento de aire pueden utilizar el calor residual de los gases de escape para precalentar el aire de combustión, mejorando la eficiencia energética y reduciendo la contaminación ambiental.
En los últimos años, se han adoptado ampliamente varias combinaciones de intercambiadores de calor tubulares, tanto a nivel nacional como internacional, para lograr un mejor rendimiento de ahorro de energía y recuperación de calor residual. El principal proceso de producción se muestra en la Figura 1.
1.2 Aplicación de intercambiadores de calor de deflectores helicoidales en procesos de enfriamiento e intercambio de calor
El intercambiador de calor de deflector helicoidal es un nuevo tipo de equipo de intercambio de calor de alta-eficiencia. Su concepto se originó a partir de la estructura de intercambiador de calor de placas en espiral propuesta por la empresa sueca Rosenbland en 1930, que posteriormente fue patentada. Posteriormente, países como el Reino Unido, Estados Unidos, Alemania y la ex Unión Soviética desarrollaron y fabricaron equipos similares.
China comenzó a introducir y aplicar esta tecnología en la industria química durante la década de 1950. A mediados de la década de 1960, los fabricantes nacionales habían logrado la producción en masa mediante procesos de laminación. En 1973, China compiló laManual de selección de planos de intercambiadores de calor de placas en espiral.. El último estándar, JB/T4751Intercambiador de calor de placas en espiral(edición de 2003), representa el nivel de desarrollo de la tecnología de intercambiadores de calor de placas en espiral en China.
En comparación con los intercambiadores de calor tradicionales, los intercambiadores de calor de placas en espiral tienen ventajas que incluyen coeficientes de transferencia de calor más altos y capacidad de autolimpieza causada por la turbulencia del fluido, lo que ayuda a prevenir la acumulación de sedimentos.
Por lo tanto, en la industria petroquímica, los intercambiadores de calor de placas en espiral se utilizan principalmente para procesos de calentamiento y enfriamiento que involucran gasolina, combustible diesel, agua con amoníaco, agua con cloro, salmuera, ácidos fuertes, álcalis fuertes y gases mixtos de nitrógeno-hidrógeno-amoníaco.
También se aplican ampliamente en sistemas de calentamiento, enfriamiento, condensación y hervido para alcoholes, resinas, urea, monómeros de pequeño peso molecular, olefinas polimerizadas y productos intermedios relacionados.
Hao Zhenliang et al. Estudió experimentalmente la relación entre la caída de presión del lado de la carcasa-y el caudal, la variación del rendimiento de la transferencia de calor convectiva del lado de la carcasa-con el número de Reynolds (Re) y el número de Nusselt (Nu), y el coeficiente de transferencia de calor del lado de la carcasa-en condiciones de caída de presión unitaria para intercambiadores de calor de deflector helicoidal y deflector segmentario.
Su investigación proporcionó orientación para la selección de equipos en diferentes condiciones operativas. Las principales conclusiones son las siguientes:
(1) Bajo las mismas condiciones del número de Reynolds, el coeficiente de transferencia de calor por convección del lado de la carcasa-de los intercambiadores de calor de deflectores segmentarios es mayor que el de los intercambiadores de calor de deflectores helicoidales.
(2) Bajo las mismas condiciones de diámetro de carcasa y caudal, la caída de presión del lado de la carcasa-de los intercambiadores de calor de deflectores helicoidales se correlaciona negativamente con el ángulo helicoidal. Sin embargo, independientemente del ángulo helicoidal seleccionado, la caída de presión sigue siendo menor que la de los intercambiadores de calor de deflectores segmentarios.
(3) A diferencia de las dos conclusiones anteriores, al considerar el rendimiento de transferencia de calor por unidad de caída de presión, el coeficiente de transferencia de calor por convección del lado de la carcasa-de los intercambiadores de calor de deflectores helicoidales es mayor. Cuando el ángulo helicoidal es de aproximadamente 40 grados, el coeficiente de transferencia de calor por convección alcanza su valor máximo, lo que resulta en el rendimiento general de transferencia de calor más alto.
1.3 Aplicación de ahorro de energía-de intercambiadores de calor de placas de alta-eficiencia en el refinado de petróleo
En las refinerías de petróleo de mediana y gran-escala, puede haber aproximadamente 400 intercambiadores de calor de varios tipos. Estos sistemas suelen funcionar en condiciones de alta presión y alta temperatura. A nivel internacional, los intercambiadores de calor de carcasa-y-tubos han alcanzado niveles operativos de 8,4 MPa de presión y 1500 grados de temperatura, con áreas de transferencia de calor de hasta 6700 m².
Debido a los altos costos de construcción de las plataformas petroleras marinas, los intercambiadores de calor de placas soldadas se han utilizado ampliamente en la producción de petróleo costa afuera debido a su estructura compacta, diseño liviano, excelente rendimiento de transferencia de calor y menor costo.
Sus principales aplicaciones incluyen el enfriamiento de aceite lubricante mecánico y agua dulce (como el agua de enfriamiento de la camisa del motor). En los yacimientos petrolíferos, también se pueden utilizar para calentar petróleo crudo y otros procesos.
El principal desafío reside en el diseño y cálculo de sistemas de procesos. En la producción real, las pérdidas de energía suelen deberse a un diseño de proceso poco razonable.
Chen Jianwei et al. Realizó una investigación teórica sobre el cálculo de la caída de presión de los intercambiadores de calor de placas de refrigeración utilizados en aplicaciones petroquímicas. Con base en las características de los intercambiadores de calor y los principios de transferencia de calor, asumieron que la fase líquida a lo largo del canal de flujo aumenta linealmente y establecieron relaciones entre la longitud del canal de flujo, la calidad real de la masa de vapor y la calidad volumétrica del vapor. Los resultados del cálculo coincidieron con los datos operativos prácticos.
Las principales conclusiones son las siguientes:
(1) En condiciones de cambio de fase-, al calcular la caída de presión del fluido, el fluido debe considerarse como un flujo bifásico o multifásico. Los modelos de flujo monofásico o homogéneo no deben utilizarse como sustitutos de los cálculos de flujo multifásico. Se debe aplicar un modelo de flujo separado.
(2) Durante los procesos de enfriamiento en la industria petroquímica, puede ocurrir condensación parcial, lo que resulta en la formación de películas líquidas en las superficies de transferencia de calor. Por lo tanto, al seleccionar intercambiadores de calor compactos, como los intercambiadores de calor de placas-aletas, lograr un diseño razonable y económico requiere considerar los parámetros estructurales. No basta con aumentar el área de transferencia de calor y añadir márgenes de seguridad.
1.4 Aplicación de evaporadores de película delgada en procesos de concentración y secado
Los evaporadores de película delgada se usan comúnmente en procesos petroquímicos como la concentración de soda cáustica, la evaporación de sulfuro de sodio, el secado de resinas y el secado de caucho. Proporcionan importantes beneficios económicos.
En comparación con los equipos tradicionales, como las bandejas de evaporación de hierro fundido, los intercambiadores de calor evaporativos de película delgada calentados por hornos de aceite térmico tienen las siguientes ventajas:
(1) La huella del equipo se puede reducir en casi un 6 %. El proceso permite la evaporación mecanizada, simplifica la operación y convierte la producción intermitente en producción continua, mejorando así la eficiencia industrial.
(2) Impulsado por el raspador giratorio, el rendimiento de transferencia de calor mejora significativamente. El tiempo de evaporación en la superficie se puede reducir a menos de un minuto, lo que reduce la incrustación y la deposición de carbono. Es menos probable que el producto se descomponga y es adecuado para materiales-sensibles al calor. Al mismo tiempo, se reduce la formación de sedimentos, lo que facilita el mantenimiento y la limpieza.
(3) En comparación con las bandejas de evaporación de hierro fundido, el horno de aceite térmico de soporte puede reducir el consumo de carbón en aproximadamente un 50 %. Puede funcionar a temperaturas de hasta 300 grados manteniendo un funcionamiento seguro en condiciones no-presurizadas.
(4) El equipo es conveniente para el diseño de ampliación-de procesos y puede reemplazar los secadores tradicionales-tipo caldera. Durante la expansión de la producción a gran-escala, la desviación causada por el aumento de escala es relativamente pequeña.
Sin embargo, todavía existen algunos desafíos técnicos en las aplicaciones prácticas.
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 grados).
Las tuberías de proceso suelen estar hechas de tubos sin costura, que pueden requerir reemplazo aproximadamente cada 30 días. Una posible mejora es utilizar tuberías de acero inoxidable o tuberías con revestimientos internos-resistentes a la corrosión, como tubos intercambiadores de calor revestidos de fluoroplástico-.
Además, los problemas de corrosión asociados con las bombas de circulación también requieren soluciones adicionales.
2. Eliminación de incrustaciones y contramedidas para equipos de intercambio de calor en la industria petroquímica
Según Steinhagen et al., una encuesta de 3.000 tipos diferentes de intercambiadores de calor en Nueva Zelanda mostró que más del 90% de los intercambiadores de calor experimentaban problemas de contaminación. En la Figura 2 se muestra una comparación de las condiciones de incrustación entre diferentes tipos de intercambiadores de calor.
Estudios nacionales e internacionales indican que el costo anual asociado con el tratamiento de incrustaciones en las industrias química y de refinación de petróleo alcanza aproximadamente 15,6 millones, lo que resulta en importantes pérdidas económicas y consumo de recursos.
En las condiciones reales de operación en la industria petroquímica, los mecanismos de formación y clasificaciones de incrustaciones se pueden dividir principalmente en las siguientes categorías:
Modelos de incrustaciones por corrosión
Modelos de incrustaciones por solidificación.
Modelos de incrustaciones inducidas por el material de la superficie-
Modelos de incrustaciones en fase gaseosa-
Modelos de incrustaciones por reacciones químicas.
Durante la predicción y el análisis de operaciones prácticas, las incrustaciones se pueden clasificar según estos mecanismos. Al seleccionar los tipos de intercambiadores de calor adecuados según las diferentes condiciones de funcionamiento y calcular los intervalos de limpieza óptimos, se pueden reducir las pérdidas económicas.
Además, considerando los entornos operativos de alta-temperatura y alta-presión en aplicaciones petroquímicas, los principales métodos de tratamiento incluyen:
Mejora de la transferencia de calor
Métodos de limpieza mecánica.
Métodos de limpieza química.
Monitoreo en línea y tecnologías de limpieza-en tiempo real
3. Análisis de Fallas y Mantenimiento de Intercambiadores de Calor en la Industria Petroquímica
3.1 Prevención de la corrosión y desgaste en intercambiadores de calor
Durante el funcionamiento de los intercambiadores de calor en la industria petroquímica se producen con frecuencia accidentes por fugas de corrosión. Estas fallas pueden interrumpir la producción estable y se consideran uno de los principales problemas de equipo en los sistemas petroquímicos.
Estos problemas de fugas se clasifican principalmente en fugas por erosión y fugas por corrosión. Las soluciones actuales se centran principalmente en reparar equipos dañados después de que ocurren fallas, mejorar los procesos de producción para evitar fallas y reducir la degradación de los equipos mediante la selección adecuada de materiales y tipos de intercambiadores de calor.
3.1.1 Causas de corrosión y desgaste en intercambiadores de calor
Análisis desde la perspectiva de las materias primas.
Las materias primas utilizadas en la producción petroquímica, especialmente el petróleo crudo, contienen componentes químicos complejos. Además, el petróleo crudo generalmente tiene una alta viscosidad y contiene partículas sólidas de tamaños irregulares.
Como resultado, el medio de trabajo en contacto con las superficies del intercambiador de calor es muy complejo. El equipo a menudo está sujeto tanto a daños mecánicos causados por la fricción física como a una corrosión química severa.
Análisis desde la perspectiva de los procesos químicos.
The entire petrochemical production chain often involves high-temperature (>1000 grados) y condiciones de funcionamiento de alta-presión. Pueden ocurrir varias formas de corrosión simultáneamente e interactuar entre sí.
Por ejemplo, la alta velocidad del flujo requerida durante los procesos de producción es una causa directa de corrosión por erosión, al tiempo que acelera los problemas de fugas por corrosión existentes.
Por lo tanto, en las fallas de los intercambiadores de calor, las fugas y la corrosión suelen estar estrechamente relacionadas y pueden crear un efecto sinérgico que acelera el deterioro del equipo.
3.1.2 Clasificación de la corrosión y desgaste de los intercambiadores de calor y contramedidas en la industria petroquímica
(1) Corrosión superficial y desgaste de intercambiadores de calor.
La corrosión de la superficie es la causa más común de fugas en los tubos del intercambiador de calor y representa aproximadamente el 90% de los casos.
Los medios de proceso utilizados en la producción petroquímica suelen tener ciertos niveles de viscosidad y adhesión. Los fluidos de alta-velocidad que contienen partículas sólidas y burbujas impactan continuamente en las superficies de transferencia de calor, generando presiones superficiales locales de hasta 10 MPa, lo que puede provocar erosión por fatiga y daños en las superficies metálicas.
Por lo tanto, los requisitos del proceso a menudo especifican que la velocidad del flujo del medio debe ser superior a 2 m/s.
(2) Corrosión electroquímica causada por depósitos superficiales.
Durante los procesos de refinación de petróleo, los medios de proceso suelen tener una alta viscosidad y pueden solidificarse bajo ciertas condiciones. Esto puede hacer que los materiales se acumulen en las superficies del intercambiador de calor y formen depósitos.
Las características inestables, discontinuas y desiguales de estos depósitos pueden provocar grietas y huecos. Las diferencias en la concentración de oxígeno entre el interior y el exterior de estos espacios pueden provocar corrosión electroquímica.
Las reacciones de corrosión relacionadas incluyen principalmente:
Reacciones de disolución de metales, en concreto oxidación anódica;
Reacciones de reducción catódica;
Expansión progresiva de la corrosión provocada por desequilibrio electroquímico.
(3) Corrosión en la superficie del lado del agua de los tubos del intercambiador de calor.
En los sistemas de intercambio de calor, el agua se utiliza con frecuencia como medio de transferencia de calor, lo que hace que la corrosión del lado del agua sea un problema común.
Los principales mecanismos de corrosión incluyen:
Reducción del valor del pH;
Penetración de vapor de agua;
Ataque causado por oxígeno disuelto;
Corrosión por iones cloruro (Cl⁻);
Corrosión por iones sulfuro (S²⁻).
Estas reacciones generalmente se pueden dividir en corrosión química y corrosión electroquímica.
Los requisitos para materiales resistentes a la corrosión-en el lado del agua de los tubos del intercambiador de calor incluyen:
Buena conductividad térmica y fuerte adherencia superficial;
Excelente resistencia a las variaciones de temperatura y suficiente dureza;
Fuerte resistencia a la corrosión iónica;
Buen rendimiento anti-escalado;
Excelente resistencia a la penetración del vapor de agua.
3.1.3 Métodos de protección contra la corrosión para intercambiadores de calor
Actualmente, los métodos de protección contra la corrosión para intercambiadores de calor en la industria petroquímica incluyen principalmente:
(1) Protección del ánodo de sacrificio
Este método protege los materiales del intercambiador de calor mediante el uso de un metal más activo como ánodo de sacrificio para evitar la corrosión del equipo principal.
(2) Desarrollo y aplicación de revestimientos anticorrosión-
Los revestimientos anticorrosión se utilizan ampliamente en la protección de intercambiadores de calor. Mediante la aplicación de una capa metálica extremadamente fina o una capa inorgánica sobre la superficie de contacto, se pueden aislar eficazmente las sustancias nocivas y los depósitos de suciedad.
Un recubrimiento comúnmente utilizado es el sistema de recubrimiento anticorrosión amino epoxi CH-784.
(3) Mejora de los materiales del intercambiador de calor.
Para evitar la corrosión causada por la calidad del agua y medios agresivos, se pueden seleccionar materiales mejorados.
Los intercambiadores de calor fabricados con acero inoxidable, aleaciones de cobre y aleaciones de titanio generalmente proporcionan una excelente resistencia a la corrosión. Sin embargo, sus mayores costos de material limitan su aplicación en algunas industrias.
3.2 Tecnología de soldadura para reparación de grietas en bridas de intercambiadores de calor
En la actualidad, la tecnología de reparación por soldadura por fusión en frío se utiliza ampliamente para el mantenimiento de campos industriales.
La tecnología de soldadura por fusión en frío es una nueva tecnología de reparación desarrollada a partir de técnicas de soldadura con protección de gas-. Se aplica frecuentemente en la reparación y mantenimiento de intercambiadores de calor dañados en la industria petroquímica.
Sus principales características incluyen:
(1) Bajo aporte de calor y corto tiempo de soldadura
El calor generado durante la soldadura es extremadamente bajo. El proceso de soldadura sólo dura unas decenas de milisegundos, lo que evita problemas como la decoloración del recocido.
(2) Pequeño baño de soldadura y excelente calidad de reparación.
El volumen del baño de soldadura es inferior a 2 mm³. La distribución de tensiones se dispersa, lo que reduce la tensión concentrada en el componente reparado.
El proceso no provoca grietas ni deformaciones. Además, la protección del gas inerte evita la formación de poros y burbujas, dando como resultado una superficie reparada lisa y limpia.
(3) Equipo compacto e idoneidad para-reparación in situ
El equipo de soldadura es pequeño y adecuado para reparaciones en campo-en tiempo real.
Se puede seleccionar una amplia gama de alambres de soldadura, lo que permite reparar intercambiadores de calor fabricados con diferentes materiales.
4. Perspectivas de desarrollo futuro
Vale la pena señalar que diferentes requisitos de proceso requieren diferentes tipos de intercambiadores de calor. Además, la disposición en serie o en paralelo de los intercambiadores de calor tiene un impacto significativo en el rendimiento operativo de todo el sistema de proceso.
La selección y combinación de componentes también son factores críticos. El diseño orientado a la confiabilidad-requiere que los componentes tengan suficiente adaptabilidad para soportar diversas condiciones operativas, cambios aleatorios de carga y variaciones de tensión que se encuentran comúnmente en la industria petroquímica. Este concepto de diseño proporciona mejoras sobre las limitaciones de los métodos de diseño convencionales.
En términos de conservación de energía y reducción de emisiones, el desarrollo futuro no sólo debería centrarse en mejorar las estructuras de los intercambiadores de calor, sino también prestar más atención al desarrollo de materiales avanzados para los intercambiadores de calor.
Entre estas áreas de investigación, la tecnología de recubrimiento de superficies de intercambiadores de calor tiene un potencial significativo. La dirección futura del desarrollo de recubrimientos incluye:
Diseño liviano;
Resistencia a altas-temperaturas y altas-presiones;
Excelente resistencia a la corrosión;
Menores costos de fabricación;
Operación y mantenimiento más económicos.
En la actualidad, el desarrollo de tecnologías de simulación y software de ingeniería también se está convirtiendo en una importante dirección de investigación. Estas tecnologías pueden proporcionar una guía eficaz para la predicción de incrustaciones, la optimización del ciclo de limpieza y la evaluación del rendimiento operativo.
