Výměníky tepla v chemickém průmyslu: kdy rozhoduje materiál více než samotný výkon
Přehrát audio verzi
Výměníky tepla v chemickém průmyslu: kdy rozhoduje materiál více než samotný výkon
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
Chemické a petrochemické provozy patří mezi nejnáročnější aplikace pro návrh výměníků tepla. Požadovaný výkon je pouze začátkem výpočtu. O životnosti, bezpečnosti a provozní spolehlivosti zařízení často rozhoduje chemická kompatibilita materiálů, koncentrace média, teplota, tlak, charakter proudění nebo sklon k zanášení. Kdy postačí standardní nerezová ocel a kdy je nutné uvažovat o vysoce legovaných ocelích, Hastelloy, titanu nebo zcela jiném konstrukčním řešení?
Chemická výroba je založena na celé řadě jednotkových operací – od ohřevu a chlazení přes destilaci, kondenzaci a odpařování až po absorpci, extrakci, filtraci nebo sušení. Přenos tepla proto není pouze podpůrnou funkcí technologie. V řadě procesů přímo ovlivňuje jejich stabilitu, rychlost, energetickou náročnost i výslednou výtěžnost.
Významnou roli hraje rovněž tepelná integrace procesu. Teplo, které by jinak bylo nutné odvést a následně znovu dodat na jiném místě technologie, lze prostřednictvím vhodně navržených výměníků využít mezi jednotlivými procesními proudy. Výsledkem může být nižší spotřeba páry, chladicí vody či dalších pracovních médií a tím i snížení provozních nákladů.
Právě zde ale začíná zásadní rozdíl mezi běžnou aplikací HVAC a procesním výměníkem pro chemický průmysl. Nestačí určit požadovaný výkon, teplotní program, průtok a přípustnou tlakovou ztrátu.
Do návrhu vstupuje další klíčová veličina: chemická kompatibilita celé smáčené části zařízení s procesním médiem.
Stejný tepelný výkon neznamená stejný výměník
Dva výměníky mohou mít shodný požadovaný tepelný výkon, obdobné průtoky i stejné vstupní a výstupní teploty. Přesto mohou vyžadovat zcela odlišné materiálové a konstrukční provedení.
Rozhoduje především médium a skutečné provozní podmínky.
V chemických a petrochemických provozech mohou výměníky pracovat s kyselinami, zásadami, rozpouštědly, oleji, glykoly, technologickou vodou, médii obsahujícími chloridy nebo s kapalinami obsahujícími pevné částice, sedimenty či jiné nečistoty.
Samotný název média přitom k bezpečnému výběru materiálu nestačí.
Projektant musí znát minimálně jeho chemické složení, koncentraci, provozní a maximální teplotu, tlak a případné změny těchto parametrů během provozu.
Materiál, který vykazuje vyhovující korozní odolnost při nízké koncentraci a teplotě, totiž nemusí být vhodný při vyšší koncentraci nebo zvýšené provozní teplotě.
Materiálová volba proto nemůže být oddělena od konkrétního provozního bodu.
Od standardní nerezové oceli po Hastelloy a titan
Dobře je tento princip patrný na rozebíratelných deskových výměnících HEXONIC JAG F, určených mimo jiné pro procesní a petrochemické aplikace.
Podle charakteru procesu lze teplosměnné desky navrhnout v různých materiálových provedeních.
304L/1.4307 představuje řešení pro méně korozně náročné aplikace. 316L/1.4404 nabízí vyšší korozní odolnost a patří mezi široce využívané materiály v procesních aplikacích.
Tam, kde už běžné nerezové oceli neposkytují dostatečnou rezervu, přicházejí v úvahu vysoce legované materiály. 254SMO/1.4547 lze využít v prostředích se zvýšenými požadavky na korozní odolnost.
Pro velmi náročná chemická a korozní prostředí může být řešením slitina Hastelloy C-276/2.4819. Další možnost představuje titan Grade 1/3.7025, vhodný pro specifická agresivní média a aplikace vyžadující vysokou korozní odolnost.
Důležité je ale zdůraznit, že nejodolnější dostupný materiál není automaticky nejlepším technickým řešením.
Optimální není nejdražší materiál, ale materiál s dostatečnou korozní odolností pro konkrétní médium a skutečné provozní podmínky.
Příliš konzervativní materiálové řešení může zbytečně zvýšit investiční náklady. Nedostatečná korozní odolnost naopak může znamenat předčasnou degradaci teplosměnných ploch, vznik netěsnosti, kontaminaci procesu nebo neplánovanou odstávku celé technologie.
Materiálem desek posouzení nekončí
U rozebíratelných deskových výměníků je stejně důležitý materiál těsnění.
Výměníky JAG F mohou být podle konkrétní konfigurace osazeny těsněními na bázi NBR, EPDM nebo FKM. Také zde se výběr odvíjí od chemického složení média, jeho koncentrace, teploty a dalších provozních podmínek.
Nestačí tedy konstatovat, že například desky z Hastelloy jsou vůči danému médiu odolné.
Chemicky kompatibilní musí být celá smáčená cesta média – tedy nejen teplosměnné desky, ale také těsnění a příslušné části připojení.
Právě podcenění tohoto principu může vést k situaci, kdy je hlavní teplosměnná plocha správně materiálově navržena, ale limitujícím prvkem zařízení se stane jiná komponenta.
Tlak a teplota určují hranice konstrukce
Chemická kompatibilita je pouze jednou částí návrhu.
Výměník musí současně vyhovět provozním a návrhovým tlakům a teplotám. Standardní provedení řady JAG F je dostupné podle EN 13445 nebo ASME Section VIII Division 1 s certifikací PED 2014/68/EU nebo ASME U/UM. V aktuálně uváděném rozsahu může řada dosahovat návrhových hodnot až 25 bar a 170 °C, přičemž konkrétní dovolené podmínky vždy závisí na provedení zařízení, použitých materiálech a těsnění.
A právě zde se ukazuje, proč není vhodné začínat návrh otázkou: Jaký typ výměníku použijeme?
Správné pořadí je opačné.
Nejprve je nutné definovat proces a jeho mezní podmínky. Teprve potom lze zvolit odpovídající technologii výměníku.
Pro aplikace s vyššími tlaky, teplotami nebo náročnějšími provozními režimy může být vhodnější jiná konstrukce.
Když deskový výměník nestačí: JAG SHIELD
Pro náročné chemické a petrochemické aplikace nabízí HEXONIC také deskovo-plášťové výměníky JAG SHIELD.
Jejich konstrukce kombinuje intenzivní přenos tepla charakteristický pro profilované desky se svařovaným mechanicky odolným provedením. Ve standardně uváděném rozsahu jsou navrženy pro parametry až 45 bar a 250 °C.
Deskovo-plášťová konstrukce tak vytváří alternativu pro aplikace, kde provozní podmínky překračují vhodný rozsah klasického rozebíratelného deskového výměníku.
Zařízení lze navrhovat také s ohledem na zatížení hrdel podle API 662 a konstrukce je vhodná pro aplikace s vysokými teplotními rozdíly nebo s fázovou změnou média.
Typickým příkladem mohou být vařáky destilačních kolon pracující na principu termosifonu, ale také vysokoteplotní ohřev oleje pomocí vysokotlaké páry.
Z hlediska projektanta tedy nejde o otázku, zda je „lepší“ deskový nebo deskovo-plášťový výměník. Každá konstrukce řeší jiný soubor provozních požadavků.
Koroze ale není jediným rizikem. Co zanášení?
Dalším parametrem, který může zásadně změnit konstrukci výměníku, je charakter proudícího média.
Chemické procesy nepracují pouze s čistými nízkoviskózními kapalinami. V praxi se objevují koloidní roztoky, suspenze, sedimenty, média s vyšší viskozitou, vláknité nečistoty nebo mikrobiologické znečištění.
U klasického deskového výměníku může nevhodná geometrie průtočného kanálu vést k rychlému zanášení, růstu tlakové ztráty a v krajním případě až k omezení průtoku.
V takovém případě už není rozhodující pouze materiál.
Do návrhu vstupuje geometrie průtočného kanálu.
Pro náročnější média je v rámci produktové řady JAG dostupná například deska REEFLOW pro JFD-060F, vytvářející širší průtočné kanály. K dispozici je rovněž asymetrická varianta JFD-060F-ASH, která kombinuje užší kanály na jedné straně s širokými kanály na straně druhé.
Taková geometrie umožňuje pracovat s kapalinami obsahujícími částice, vlákna, sedimenty nebo suspenze a nachází uplatnění mimo jiné právě v chemickém a potravinářském průmyslu.
Z hlediska návrhu z toho vyplývá další zásadní pravidlo:
Správný výměník neurčuje pouze materiál a tepelný výkon. Stejně důležitá může být geometrie kanálu a chování média při proudění.
Turbulence, tlaková ztráta a zanášení: hledání rovnováhy
Geometrie desek JAG podporuje turbulenci proudění a tím intenzifikaci přenosu tepla. Vyšší intenzita přestupu tepla umožňuje dosahovat požadovaného výkonu na relativně kompaktní teplosměnné ploše.
Projektant však vždy hledá kompromis.
Vyšší rychlost proudění může zlepšit součinitel přestupu tepla a v některých aplikacích omezovat tvorbu úsad, současně ale zvyšuje tlakovou ztrátu. Příliš nízká rychlost může naopak podporovat sedimentaci a zanášení.
Proto nelze výměník správně navrhnout pouze podle požadovaného výkonu. Tepelný a hydraulický návrh musí být posuzovány společně.
U rozebíratelného deskového výměníku navíc přináší konstrukce významnou provozní výhodu: přístup k teplosměnným plochám při čištění a servisu.
V případě změny provozních podmínek lze u vhodně navrženého zařízení upravit také počet desek a tím teplosměnnou plochu.
V chemickém provozu, jehož parametry se během životnosti technologie mohou měnit, může být tato flexibilita významnou výhodou.
Když se média nesmějí nikdy smísit
Samostatnou oblastí jsou procesy, u nichž netěsnost výměníku nepředstavuje pouze problém údržby.
Vzájemné smísení médií může způsobit kontaminaci produktu, nežádoucí chemickou reakci nebo bezpečnostní riziko.
Pro kritické aplikace lze proto JAG F realizovat také v provedení SafePLATE s dvojitou stěnou. Jeho účelem je snížit riziko vzájemného smísení médií a umožnit rychlejší identifikaci případné netěsnosti.
Požadavek na bezpečné oddělení médií by proto měl být definován již v počáteční fázi projektu – nikoli až při konečné specifikaci výměníku.
Co musí projektant znát před návrhem výměníku
Kvalita výsledného návrhu je přímo závislá na kvalitě vstupních dat.
Pro základní tepelný a hydraulický návrh jsou potřebné zejména vstupní a výstupní teploty obou médií, požadovaný tepelný výkon, průtoky, pracovní a návrhové tlaky a maximální přípustná tlaková ztráta.
U chemických aplikací je však potřeba specifikaci výrazně rozšířit.
Projektant potřebuje znát:
- přesné chemické složení média a jeho koncentraci,
- provozní i maximální teplotu,
- pracovní a návrhový tlak,
- viskozitu a další relevantní fyzikální vlastnosti,
- obsah pevných částic, vláken nebo sedimentů,
- tendenci média k tvorbě úsad,
- požadavky na čistitelnost zařízení,
- očekávané změny provozního režimu,
- požadavek na bezpečné oddělení obou médií.
Teprve kombinace těchto informací umožňuje kvalifikovaně rozhodnout o materiálu, konstrukci, těsnění, geometrii kanálu a velikosti výměníku.
Výměník není komponenta. Je součástí procesu
V chemickém a petrochemickém průmyslu musí správně navržený výměník současně splnit několik vzájemně propojených požadavků.
Musí přenést požadovaný tepelný výkon při přijatelné tlakové ztrátě, odolat chemickému působení média, bezpečně pracovat při návrhovém tlaku a teplotě, minimalizovat riziko zanášení a umožnit odpovídající způsob údržby.
A v některých procesech musí navíc garantovat vysokou úroveň oddělení médií.
Proto nelze vhodný výměník určit pouze podle jednoho parametru.
Materiál, konstrukce, geometrie proudění, těsnění, provozní podmínky a servisní strategie tvoří jeden celek.
Právě v chemických aplikacích se tak nejvýrazněji ukazuje rozdíl mezi pouhým „výběrem výměníku“ a jeho skutečným technickým návrhem pro konkrétní proces.
Od tepelného výpočtu k bezpečnému procesnímu řešení
Při návrhu výměníku pro chemický nebo petrochemický provoz proto není nejdůležitější otázkou pouze:
„Jaký výkon potřebujeme?“
Mnohem důležitější je soubor dalších otázek:
Jaké médium výměníkem proudí? V jaké koncentraci? Při jaké teplotě a tlaku? Obsahuje částice? Má tendenci vytvářet úsady? Jaké jsou mezní provozní stavy? Jak často bude zařízení čištěno? A co se stane, pokud dojde k netěsnosti?
Teprve odpovědi na tyto otázky umožňují určit, zda je vhodným řešením rozebíratelný deskový výměník JAG F, speciální geometrie REEFLOW, bezpečnostní provedení SafePLATE, deskovo-plášťový JAG SHIELD nebo jiné konstrukční řešení.
V chemickém průmyslu totiž správně navržený výměník není ten s nejvyšším výkonem ani s nejodolnějším materiálem. Je to zařízení, jehož tepelná, hydraulická, materiálová a konstrukční charakteristika odpovídá skutečnému procesu.
Technická konzultace a návrh výměníku
Pro konzultaci konkrétní chemické nebo petrochemické aplikace, posouzení materiálového provedení nebo návrh výměníku:
Ing. Eduard Chlebovský Sales Manager HEXONIC CZ s.r.o. E-mail: echlebovsky@hexonic.com
Návrh a technické ověření výměníků HEXONIC lze provést také prostřednictvím návrhového softwaru CAIRO.
HEXONIC Czech Republic · HEXONIC · Návrhový software CAIRO
SECESPOL se změnila v HEXONIC. Společnost HEXONIC CZ je významný výrobce protiproudých trubkových spirálových, trubkových a deskových výměníků tepla v zastoupení firmy Hexonic Gdaňsk soustředící se na ohřev, vytápění, chlazení a další aplikace.