مبدل هاي TLE و كاربرد آنها

بدضعیفمتوسطخوبعالی (3٫67 از 5)
Loading...

مبدل هاي خطِ انتقال (Transfer line exchangers) ساليان طولاني به عنوان يکي از تجهيزات اصلي واحد هاي توليد اتيلن مورد استفاده قرار گرفته اند. اتيلن يکي از مهمترين مواد آلي است که حجم توليدات جهاني آن در سال از 107 ميليون تن تجاوز مي کند. فرمول شيميايي اتيلن C2H4 مي بوده که به علت دارا بودن يک پيوند دوگانه کربن-کربن، اتيلن در گروه هيدروکربن هاي غير اشباع يا الفين ها قرار مي گيرد. به علت اهميت اتيلن در صنايع ميزان توليدات آن روزانه رو به افزايش است.
اتيلن و ديگر الفين ها از تجزيه حرارتي مواد اوليه گازي مانند اتان، پروپان، LPG، يا مواد اوليه مايع مانند نفتا و گازوئيل توليد مي شوند. فرايند شکست (Cracking) در کويل هاي تابشيِ(Radiant Coils) کوره پيروليس (Pyrolysis Furnace) جاييکه سيال با فشار کم و دمايي بين 750 تا 900 درجه سانتيگراد (بسته به نوع ماده اوليه) جريان دارد، اتفاق مي افتد. الفين هاي توليد شده در اين دما پايداري شيميايي ندارند، به همين دليل بايد دماي آنها را در يک باز? زماني بسيار کوتاه (در حد هزارم ثانيه) موسوم به «زمان ماند» (Residence time)از يک دماي بحراني پايين تر آورد.
. براي توليد اتيلن دامنه دماي بحراني در محدود? 650 تا 700 درجه سانتيگراد قرار دارد. سرد شدن سريع در مبدل خطِ انتقال (Transfer line exchanger) انجام مي شود و از انرژي حرارتي آزاد شده براي توليد بخار با فشار بالا استفاده مي شود.

شکل 1) چيدمان کوره و مبدل هاي خطِ انتقال

خصوصيات و عملکرد سرپوش دو تيوبي(DOUBLE TUBE REGISTER)
سرپوشِ دو-تيوبي (Double tube register) از اجزا اصلي مبدل هاي خطوطِ انتقال(TLE) است. اين قطعه متشکل از يک رديف دو-تيوبي (Double tube) بوده که از بالا و پايين به دو سرپوش با مقطع بيضي شکل (Oval headers) جوش شده اند(شکل 2). گاز فرايندي با دمايي بين 800 تا 900 درجه در تيوب داخلي جريان دارد و حين تبادل حرارت توسط مخلوط آب و بخار که در سرپوش و مجاري بين تيوب داخلي و خارجي جريان دارد سرد مي شود. گردش آب به طور طبيعي در مبدل جريان يافته و از ديگ بخار توسط پايين آورنده(Downcomer) به سرپوشها تغذيه مي شود و از آنجا درون مجاريِ بين تيوب ها تقسيم مي شود. که در نهايت با گرم شدن و تبادل گرما بخار با فشار bar 140 توليد گرديده و از آنجا به سرپوش بالايي هدايت مي شود. در پايان نيز از طريق بالا برنده (Riser) به ديگ بخار باز مي گردد.
شکل 2) نمايي از يک سرپوش دو تيوبي

از آنجا که هر تيوب، يک واحد خنک کننده مستقل که همان تيوب خارجي باشد در اختيار دارد، مقدار گرماي ورودي هر تيوب به طور مستقل ميزان خنک کنندگي لازم براي آن تيوب را تعيين مي کند، به اين ترتيب ميزان سرد شدن تيوب به طور خودکار با ميزان گرماي ورودي تطبيق مي شود. اين ويژگي يکي از مزاياي اصلي سيستم ياد شده مي باشد که توزيع غير يکنواخت جريانِ گاز ورودي در بين کويل هاي کوره و يا در بين تيوب ها را که ممکن است در اثر جرم گرفتگي مجاري اتفاق افتد جبران مي کند.

مزاياي فني
طراحي منحصر به فرد مبدل هاي خطوطِ انتقال (TLE) ويژگيهايي دارد که تضمين کننده کارکرد مطمئن و عمر طولاني براي مبدل مي باشد که به شرح زير بدان اشاره مي گردد :
• سرعت بالاي جريان سيال در سرپوشِ پاييني و مجاري بين تيوب داخلي و خارجي بازده حرارتي سرپوش و تيوب ها را به حداکثر مقدار ممکن مي رساند و در ضمن مانع از رسوب ذرات معلق در سرپوش و مجاري ياد شده مي گردد.
• سرعت بالاي سيال و جريان مغشوش در سرپوش و مجاري بين تيوب داخلي و خارجي باعث مي شود ضريب انتقال حرارت به مقدار قابل توجهي افزايش يابد. اين ويژگي توانايي خنک کنندگي تيوب ها را به حداکثر رسانده و از مناطقي که در چند سانتي متري ورودي قرار دارند و در معرض شار حرارتي بالايي هستند محافظت مي کند.
• سرپوش به عنوان يک قطعه قابل ارتجاع عمل کرده و تنش هاي ناشي از اختلاف انبساط طولي بين تيوب داخلي و خارجي را کاهش مي دهد (شکل 3).
• با انتخاب سرپوش و تيوب هاي با ضخامت پايين مي توان تنش هاي با منشاء مکانيکي و حرارتي را تا حد امکان پايين آورد. قطعات جدار نازک قابليت ارتجاعي بالاتري دارند و تنش هاي ناشي از گراديان حرارتي نيز در جداره آنها کمتر است.
• با کاهش تنش هاي مکانيکي و حرارتي و يا حتي حذف آنها، پايداري لايه محافظ اکسيد آهن (magnetite layer) بر روي تيوب تضمين مي شود. پايداري لايه محافظ اکسيد آهن براي دوام و کارکرد بهترِ مبدل ضروري است (شکل 4).

انواع مبدل هاي خطِ انتقال (TRANSFER Line Exchangers)

مبدل هاي خطِ انتقال (TLE) را مي توان به دو دسته تقسيم کرد
• مبدل هاي خطِ انتقال چند-تيوبي (multi-tube transfer line exchanger)
• مبدل هاي خطِ انتقال خطي يک به يک(linear closed-coupled transfer line exchanger)
• مبدل هاي خطوطِ انتقال سرد کننده سريع (quick quencher transfer line exchanger)
انتخاب هر کدام از اين گروه ها تا حد زيادي به مواد اوليه فرايند، چيدمان (layout) کويل هاي کوره، زمان ماندِ (residence time) مورد نياز و شدتِ فرايند شکست بستگي دارد.

مبدل هاي خط انتقال چند-تيوبي (multi-tube transfer line exchanger)

مبدل هاي خطِ انتقال معمولي (conventional) و واني (bathtube) به اين دسته تعلق دارند. مزاياي اين گروه از مبدل ها عبارتند از:
• افت فشار کم
• زمان ماند (residence time) کوتاه درون تيوب ها
• طول کم تيوب و حجم کم مبدل
• همخواني با ساختار کوره
• امکان دست يابي به دماي بحراني اتيلن در يک پاس

مبدل هاي خطِ انتقال خطي يک به يک (linear closed-coupled transfer line exchanger)
در اين مبدل ها هر تيوب مستقيما به خروجي يک کويلِ کوره متصل مي شوند و داراي مزاياي زير مي باشند:
• حجم آدياباتيک کم
• زمان ماند(residence time) کوتاه در منطقه آدياباتيک
• عدم نياز به استفاده از تيوب شيت
• حذف يا کاهش جرم گرفتگي مجاري

مبدل هاي خطِ انتقال سرد کننده سريع (quick quencher transfer line exchanger)

اين مبدل ها مزاياي هر دو نوع مبدل ذکر شده در بالا را دارا مي باشند:
• افت فشار کم
• زمان ماند (residence time) کوتاه در تيوب ها
• امکان دستيابي به دماي بحراني اتيلن در يک پاس
• طول کم تيوب و حجم کم مبدل
• همخواني با ساختار کوره
• عدم نياز به استفاده از تيوب شيت
• حجم آدياباتيک کم
• زمان ماند (residence time) کوتاه در منطقه آدياباتيک
• حذف يا کاهش جرم گرفتگي مجاري

ساختار و عملکرد مبدل خط انتقال مبدل هاي دايره اي شکل چند تيوبي معمولي (conventional round-type multi-tube exchangers)

اين مبدل ها از کنار هم قرار دادن و جوش دادن چند سرپوشِ دو-تيوبي (double tube register) ساخته مي شوند (شکل 5).
در اين نوع مبدل سرپوش هاي بيضي شکل نقش تيوب شيت را ايفا مي کنند. اين نوع مبدل ها داراي يک ورودي واحد براي گاز بوده که به چندين کويل کوره متصل مي باشد. همان طور که در شکل 6 ديده مي شود ممکن است بين يک تا هشت مبدل خطِ انتقال معمولي بر روي يک کوره نصب شوند.
دو انتهاي سرپوش هاي دو-تيوبي (double tube registers) به بالا برنده (riser) و پايين آورنده (downcomer) متصل مي شوند. تيوب شيت ها به وسيل? فلنج هايي که به طور ويژه طراحي شده اند به کانال هايورودي و خروجي گاز فرآيندي متصل مي شوند. کانال ورودي خود داراي پوشش محافظ داخلي است که از آن در برابر حرارت ورودي محافظت مي کند.
کانال خروجي مبدل مي تواند از نوع مخروطي و يا استوانه اي باشد. و نازل خروجي در بالا يا کنارِ کانال (top or side of channel) نصب مي شود و از آنجا به پايپينگ(piping) متصل مي گردد. فقط در صورتيکه دماي گاز شکسته شده (cracked) تقريبا از 530 تا 550 درجه سانتيگراد بيشتر باشد کانال خروجي نياز به عايق بندي داخلي دارد. فلنج خروجي از جنسي مقاوم در برابر دماي بالا بدون پوشش داخلي ساخته مي شود. کانال ورودي نيز به گونه اي طراحي مي شود که گاز ورودي به طور يکنواخت توزيع شود و زمان ماند ((residence time، جريان بازگشتي و جرم گرفتگي به حداقل ممکن برسد.
مبدل هاي چند تيوب واني (bathtub multi-tube exchanger)
اين نوع از مبدل هاي خطِ انتقال(TLE) داراي يک کانال ورودي بيضي شکل است که بوسيله کنار هم قرار گرفتن و جوش دادن چندين سرپوشِ دو-تيوبي ساخته مي شود. همانطور که در شکل 8 ديده مي شود بيضوي شکل بودن کانال وروي اين امکان را فراهم مي سازد که دو يا چهار نازل وروديِ گاز فرآيند به مبدل متصل شود. هر نازل ورودي به مجموعه اي از کويل هاي کوره متصل مي شود.
تيوب شيت از کنار هم قرار گرفتن چند سرپوش دو-پهن (Oval headers) به صورت پله اي ايجاد مي شود. چيدمان پله اي حجم کانال ورودي را کاهش مي دهد و جريان گاز را بهبود مي بخشد. هر کوره ممکن است سه تا هشت مبدل داشته باشد(شکل 9).
حجم کانال ورودي يک مبدل واني (bathtube TLE) حدوداً نصف حجم کانال ورودي يک مبدل معمولي (conventional TLE) است. زمان ماند (residence time) 20هزارم ثانيه مي باشد که در مقايسه با 40 هزارم ثانيه در مبدل هاي معمولي (conventional TLE) زمان بسيار خوبي است. طرح هندسي منحصر به فرد مبدل واني (bathtube TLE) جريان سيال را بهبود بخشيده، در نتيجه جريان بازگشتي (recirculation) کاهش مي يابد در اين صورت توزيع گاز در تيوب ها يکنواخت تر مي شود، اين امر به نوب? خود موجبِ کاهش زمان ماند (residence time) و تسريع در سرد شدن و توليد بيشتر بخار مي شود. در اين گونه از مبدل هاکانال ورودي داراي پوشش داخلي براي محافظت در برابر دماي بالا مي باشد. کانال خروجي معمولا داراي پوشش نمي باشد مگر اينکه دماي گاز از 530 تا 550 درج? سانتي گراد افزون باشد. فلنج خروجي از جنس مقاوم به دماي بالا ساخته مي شود و از بالا يا از کنار به کانال خروجي وصل مي شود.
همانندِ مبدل هاي معمولي (conventional TLE) دو انتهاي سرپوشِ دو-تيوبي به بالا برندهو پايين آورنده متصل مي شود. تيوب شيت ها توسط فلنج هايي که به طور ويژه طراحي شده اند به کانال ورودي و خروجي اتصال دارد. تمايل به استفاده از مبدل هاي واني رو به افزايش است. چرا که به خاطرِ مزيت هاي متعددي که نسبت به مبدلهاي معمولي دارند به تدريج جايگزين آنها مي گردند. ترکيب بندي کويل کوره ها را به راحتي مي توان با مبدل هاي واني هماهنگ کرد و در صورت بکار گيري آنها در فرم چند-ورودي ديگر نيازي به استفاده از قطعات «Y» شکل نيز نمي باشد.
مبدل هاي چند-تيوب سرد کننده سريع(Quick quencher multi-tube exchanger)

اين نوع مبدل ها نيز به گروه مبدلهاي چند-تيوبيتعلق دارند. در واقع تيوب باندلِ اين مبدل که مي تواند دو يا چهار ورودي داشته باشد از کنار هم قرار گرفتن چند سرپوشِ دو-تيوبي تشکيل مي شود. شکل 11 و شکل 12 به ترتيب نمونه هايي از مبدل سرد کننده سريع (Quick quencher) بيضوي (oblong) و نيز دايره اي (circular) را نشان مي دهند.
مخلوط آب و بخار از سرپوش دو-پهن (Oval headers) وارد مجاري حلقوي(annuals) بين تيوب داخلي و تيوب خارجي مي شود که درآنجا سرد شدن سريع گازِ فرآيندي اتفاق مي افتد. گازِ فرآيندي از کويل هاي کوره از طريق يک مغزي سراميکيِ (ceramic insert) آيروديناميک وارد تعداد مشخصي از تيوب ها مي شود. مغزي داراي يک شيپوره(diffuser) است که سرعت جريان گاز را کاهش داده سپس در حاليکه گاز با عبور از نازل سرعت مي گيرد، در بين تيوب ها توزيع مي شود.
با استفاده از مدل سازي سه بعدي CFD سطح مقطع مغزي به گونه اي طراحي شده است که از ايجاد جدايش و مناطق مرده جلوگيري مي کند. (ايجاد جدايش و مناطق مرده باعث افزايش جرم گرفتگي و زمان ماند مي شوند.)
در مبدل سرد کننده سريع (Quick Quencher) در نهايت تا 12 تيوب را مي توان به يک خروجيِ کويلِ کوره متصل کرد. اين چيدمان نسبت سطح انتقال حرارت به حجم بالايي را بدست مي دهد که باعث مي شود سرد کردن گاز در يک مرحله امکان پذير باشد و نيازي به مراحل ديگر تبريد نباشد. طراحي ورودي مبدل سرد کننده سريع به گونه اي است که زمان ماند بين خروجي کوره و ورودي تيوبها را به 10-12 هزارم ثانيه کاهش مي دهد که در مقايسه با 40 هزارم ثانيه در مبدل هاي معموليزمان بسيار کوتاهي است. عدم وجود تيوب شيت (که مانع جريان آزاد گاز مي شود) نيز باعث مي شود که معايبي نظير سايش، افت فشار و جرم گرفتگي در اين نوع مبدل ديده نشود البته در فشار هاي پايين تر از 0.1bar افت فشارِ مبدل هاي سرد کننده سريع در حدود افت فشار در مبدل هاي معمولي و واني مي باشد.
مبدل هاي خط انتقال خطي يک به يک:(Linear closed-coupled transfer line exchangers)

در اين نوع از مبدل هاي خطِ انتقال هر کويل کوره مستقيما به يک تيوب از مبدل متصل مي شود. نحو? چيدمان يک دسته (module) از دو-تيوب ها(double-tube) در شکل 13 نمايش داده شده است. تعداد دو-تيوب ها در هردسته به تعداد کويل هاي کوره بستگي دارد و حداکثر تعداد تيوب ها در هر دسته به محدوديت هاي نقل و انتقال بستگي دارد.
همان طور که در شکل 15 ديده مي شود قطعات کوتاهي موسوم به تبديل، (transition pieces) هر کويل را به يک دو-تيوبمتصل مي سازد. تبديل ها به گونه اي طراحي شده اند که دماي جداره قطعات بين خروجيِ گرم کويل و سرپوش هاي بيضي شکل خنک را به تدريج از 900 درجه سانتي گراد به 320 درجه برساند. توزيع دماي تبديل در شکل 14 نمايش داده شده است.
سرپوش هاي بيضي شکل بالا و پايين به ترتيب به بالا برنده و پايين آورنده متصل هستند. در مبدل هاي خطي يک به يک ديگر نيازي به تيوب شيت نبوده و منطق? آدياباتيک (adiabatic zone) بين کوره و تيوب هاي مبدل بسيار کوچک است.
سرعت زياد جريان آب در سرپوش بيضي شکل و مجاري حلقوي نه تنها باعث مي شود که گاز فرايند به خوبي سرد شود بلکه دماي جدار? تيوب را نيز به طور يکنواخت در يک دماي پايين نگه مي دارد که باعث افزايش طول عمر مبدل مي شود. سرعت زياد جريان همچنين ميزان جرم گرفتگي در سرپوشِ پاييني را کاهش مي دهد.
از آنجا که قطر داخلي تيوبِ داخلي بايد با قطر داخلي کويل ها مطابقت داشته باشد مبدل هاي خطي يک به يک(closed-coupled) معمولا داراي قطر نسبتا بزرگ تا حدود 160mm مي باشند. به همين دليل براي دستيابي به دماي مورد نظر گاهي لازم است که طول تيوب ها بيشتر شود يا در صورت وجود محدوديت براي افزايش طول ميتوان از دو مبدل براي سرد کردن گاز فرايندي استفاده کرد. در اين صورت مبدل دوم نيز به عنوان يک مولد بخار عمل مي کند.
مبدل اول با نام مبدل سرد کننده سريع اوليه (primary quench exchanger) و مبدل دوم با نام مبدل سرد کننده سريع ثانويه (secondary quench exchanger) شناخته مي شود. براي مبدل ثانويه مي توان از يک مبدل خطِ انتقال معمولي (Conventional TLE) که به طورِ عمودي نصب شده است و سيال در آن از بالا به پايين جريان دارد استفاده کرد (شکل 17) يا اينکه از يک مبدل پوسته-لول?اي (shell and tube) افقي استفاده کرد.
گاهي اوقات به جاي مبدل ثانويه از يک دسته دو-تيوب که به طور موازي نسبت به مبدل اوليه قرار گرفته و به کمک اتصالات زانويي به آن متصل شده است استفاده مي شود( شکل 18 و شکل 16) .


کلمات جستجو شده: الفین چیست, رپچرالفین, مبدلهای tle, نسل جدید مبدل های tle

نوشته های مرتبط

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *