نقش حیاتی مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای در سیستم‌های حاوی سولفید هیدروژن

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای (PHE) به اجزای لازم و ضروری در فرآیندهای صنعتی که جریان‌های غنی از سولفید هیدروژن (H₂S) را مدیریت می‌کنند، به ویژه در تصفیه گاز ترش و واحدهای گوگردزداییتبدیل شده‌اند. این مقاله فنی، کاربردهای خاص، مزایا و ملاحظات طراحی انواع مختلف مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای - از جمله طرح‌های واشردار، نیمه‌جوش و کاملاً جوش‌داده شده - را در محیط‌هایی که حاوی H₂S هستند، بررسی می‌کند. با تجزیه و تحلیل پیاده‌سازی‌های دنیای واقعی در سراسر تصفیه گاز طبیعی، گوگردزدایی پالایشگاه و واحدهای بازیابی گوگرد، این مقاله نشان می‌دهد که چگونه PHEها به چالش‌های منحصربه‌فردی که توسط ترکیبات خورنده گوگرد ایجاد می‌شود، رسیدگی می‌کنند و در عین حال بهره‌وری انرژی و قابلیت اطمینان عملیاتیرا در مقایسه با مبدل‌های حرارتی لوله‌ای سنتی بهبود می‌بخشند. این مقاله همچنین به انتخاب مواد، استراتژی‌های نگهداری و نوآوری‌های فناوری اخیر که عملکرد را در این کاربردهای سخت افزایش می‌دهند، می‌پردازد.

سولفید هیدروژن یکی از مشکل‌سازترین آلاینده‌ها است که در فرآوری نفت و گاز، تولید مواد شیمیایی و عملیات پالایشگاه با آن مواجه می‌شویم. این ترکیب بسیار سمی و خورنده، چالش‌های قابل توجهی را برای تجهیزات فرآیند، به ویژه مبدل‌های حرارتی که برای مدیریت حرارتی در سیستم‌های گوگردزدایی ضروری هستند، ایجاد می‌کند. مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای به عنوان فناوری ترجیحی برای بسیاری از کاربردهای غنی از H₂S به دلیل ردپای جمع و جور، راندمان انتقال حرارت برتر، و سازگاری با شرایط سرویس چالش برانگیز، ظاهر شده‌اند.

تکامل طرح‌های PHE به تدریج به مشکلات ناشی از ترکیبات گوگرد، از جمله خوردگی، رسوب‌گذاری و خطرات نشت، پرداخته است. PHEهای مدرن می‌توانند الزامات سختگیرانه تصفیه گاز ترش مبتنی بر آمین، واحدهای بازیابی گوگرد و هیدروگوگردزدایی دیزل را که در آن H₂S یا یک آلاینده فرآوری شده یا یک محصول جانبی واکنش است، برآورده کنند. این مقاله بررسی می‌کند که چگونه پیکربندی‌های مختلف PHE در این محیط‌ها عمل می‌کنند، با توجه ویژه به نوآوری‌های فنی که بر محدودیت‌های تجهیزات انتقال حرارت سنتی هنگام کار با جریان‌های حاوی گوگرد غلبه می‌کنند.

مدیریت سولفید هیدروژن در جریان‌های فرآیند، چالش‌های مهندسی متعددی را ایجاد می‌کند که مستقیماً بر انتخاب و طراحی مبدل حرارتی تأثیر می‌گذارد. H₂S حل شده در محلول‌های آبی، یک اسید ضعیف تشکیل می‌دهد که می‌تواند باعث خوردگی عمومی در فولاد کربنی شود و به آلیاژهای مستعد از طریق ترک خوردگی تنشی سولفیدیحمله کند. علاوه بر این، در حضور رطوبت، H₂S می‌تواند به خوردگی موضعیکمک کند، به ویژه در زیر رسوبات یا در مناطق راکد - مسائل رایج در تجهیزات تبادل حرارت.

حضور H₂S به ندرت در فرآیندهای صنعتی ایزوله می‌شود. معمولاً با دی اکسید کربن (CO₂)، آمونیاک (NH₃)، کلریدها و گونه‌های مختلف هیدروکربن همراه است. این شیمی پیچیده اثرات هم افزایی خوردگی ایجاد می‌کند که تخریب مواد را تسریع می‌کند. به عنوان مثال، در سیستم‌های گوگردزدایی مبتنی بر آمین، حلال (به عنوان مثال، MEA، DEA یا MDEA) H₂S را از گاز ترش جذب می‌کند تا «آمین غنی» تشکیل شود که بسیار خورنده می‌شود، به خصوص در دماهای بالا که در مبدل‌های حرارتی با آن مواجه می‌شویم. تجزیه حلال‌های آمین می‌تواند محصولات تخریبایجاد کند که مشکلات خوردگی و رسوب‌گذاری را بیشتر تشدید می‌کند.

هنگامی که جریان‌های فرآیند حاوی H₂S در مبدل‌ها گرم می‌شوند، عوارض اضافی ظاهر می‌شوند:

• تکامل گاز: گازهای اسیدی محلول (H₂S و CO₂) می‌توانند هسته‌زایی کرده و حباب‌هایی را تشکیل دهند که آمین غنی گرم می‌شود و جریان دو فازیایجاد می‌کند که باعث توزیع نامناسب جریان، لرزش و آسیب احتمالی به سطوح انتقال حرارت می‌شود.

• حساسیت به رسوب‌گذاری: جریان‌های آلوده به جامدات (به عنوان مثال، محصولات خوردگی سولفید آهن) تمایل به رسوب‌گذاری روی سطوح انتقال حرارت دارند، که باعث کاهش راندمان و ایجاد محل‌های خوردگی زیر رسوب می‌شود.

• محدودیت‌های دما: بالاتر از دماهای خاص، سرعت خوردگی به طرز چشمگیری افزایش می‌یابد، به ویژه برای محلول‌های آمین، که مستلزم طراحی حرارتی دقیق است.

این چالش‌ها مستلزم تجهیزات تبادل حرارت با مقاومت در برابر خوردگی عالی، قابلیت تمیز کردن و قابلیت اطمینان است - ویژگی‌هایی که مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای مدرن به طور منحصر به فردی برای ارائه آن در موقعیت مناسب قرار دارند.

در فرآیندهای شیرین‌سازی گاز طبیعی مبتنی بر آمین، مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای عمدتاً به عنوان مبدل‌های آمین رقیق/غنی عمل می‌کنند که در آن آمین رقیق داغ (حلال بازسازی شده) آمین غنی (حلال حاوی H₂S) را قبل از ورود به ستون بازسازی، از قبل گرم می‌کند. این سرویس به ویژه سخت است زیرا آمین غنی نه تنها حاوی H₂S و CO₂ است، بلکه حاوی هیدروکربن‌ها و محصولات تخریب مختلفی است که می‌توانند به تجهیزات تبادل حرارت معمولی حمله کنند.

پیاده‌سازی PHEها در این نقش، مزایای عملیاتی قابل توجهی را نشان داده است. یک مطالعه موردی از یک کارخانه تصفیه گاز طبیعی چونگ کینگ گزارش داد که پس از نصب یک مبدل حرارتی صفحه‌ای به موازات یک واحد لوله‌ای پوسته موجود، سیستم حتی زمانی که رسوب‌گذاری در مبدل معمولی رخ داد، به کار خود ادامه داد. این پیکربندی افزونه به کارخانه اجازه داد تا در حین انجام تعمیر و نگهداری روی واحد رسوب‌گذاری شده، به عملیات خود ادامه دهد و قابلیت اطمینان کلی سیستم را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد.

راندمان PHEها در این کاربرد مستقیماً بر مصرف انرژی کارخانه تأثیر می‌گذارد. از آنجایی که بازسازی آمین بسیار انرژی‌بر است، راندمان حرارتی تبادل رقیق/غنی مستقیماً بر وظیفه ریبویلر در ستون بازسازی تأثیر می‌گذارد. یک مطالعه نشان داد که راندمان مبدل حرارتی صفحه‌ای در بازیابی گرما از آمین رقیق، انرژی مورد نیاز برای بازسازی آمین را در مقایسه با طرح‌های لوله‌ای پوسته سنتی، تقریباً 10-15٪ کاهش می‌دهد.

در واحدهای هیدروگوگردزدایی پالایشگاه، مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای با موفقیت برای بهبود بازیابی انرژی در حالی که مشخصات محصول را به طور فزاینده‌ای سختگیرانه برآورده می‌کنند، پیاده‌سازی شده‌اند. یک مورد مستند نشان داد که پس از نصب یک PHE در یک واحد HDS که برای کاهش محتوای گوگرد دیزل به 50ppm طراحی شده است، پالایشگاه به بازیابی حرارت پیشرفته در حالی که همزمان رنگ دیزل را بهبود می‌بخشد، دست یافت. این گزارش به طور خاص خاطرنشان کرد که راندمان انتقال حرارت مبدل صفحه‌ای تقریباً سه برابر بیشتر از مبدل‌های حرارتی لوله‌ای پوسته سنتی بود که منجر به صرفه‌جویی سالانه انرژی تقریباً 220 میلیون واحد پولی شد.

در این کاربرد، PHE، پساب راکتور داغ حاوی H₂S (به عنوان محصول واکنش) و هیدروژن را مدیریت می‌کند و گرما را با خوراک سرد تبادل می‌کند. طراحی جمع و جور و راندمان بالای PHEها، آنها را به ویژه برای پروژه‌های بازسازی که در آن محدودیت‌های فضا و راندمان انرژی ملاحظات مهمی هستند، مناسب می‌کند.

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای کاربردهای تخصصی را در واحدهای بازیابی گوگرد (SRU) و فرآیندهای تصفیه گاز دم مرتبط پیدا می‌کنند. در این خدمات، PHEها برای کاربردهای خاص وظیفه مانند پیش گرم کردن گاز، تولید بخار و کنترل دما در راکتورهای کاتالیستی استفاده می‌شوند. «راکتور تبادل حرارت صفحه سرد» منحصربه‌فرد، یک کاربرد نوآورانه را نشان می‌دهد که در آن سطوح تبادل حرارت مستقیماً در بستر کاتالیزور برای کنترل دقیق دما در محیط‌های گوگردی ادغام می‌شوند.

این طراحی یکپارچه دارای لایه‌های بستر کاتالیزور با صفحات تبادل حرارت عمودی است که به طور موثر گرمای واکنش را حذف می‌کند و مشخصات دمایی بهینه را در سراسر بستر کاتالیزور حفظ می‌کند. این پیکربندی منجر به طراحی جمع و جور، ضریب انتقال حرارت بالا، و مقاومت بستر کاهش یافته می‌شود - به ویژه برای کنترل اکسیداسیون بسیار گرمازای H₂S در مبدل‌های کلاوس ارزشمند است.

شرایط سخت سرویس H₂S، توسعه پیکربندی‌های تخصصی مبدل حرارتی صفحه‌ای را هدایت کرده است. هر طرح مزایای متمایزی را برای محیط‌های عملیاتی خاصی که در فرآیندهای گوگردزدایی با آن مواجه می‌شویم، ارائه می‌دهد.

جدول: مقایسه انواع PHE در سرویس H₂S

PHEهای واشردار سنتی مزایای نگهداری آسان، قابلیت تمیز کردن کامل، و انعطاف‌پذیری میدانی را از طریق افزودن یا حذف صفحات ارائه می‌دهند. با این حال، در سرویس H₂S، واشرهای الاستومری استاندارد در برابر حمله شیمیایی توسط هیدروکربن‌ها و گونه‌های گوگرد در محلول‌های آمین آسیب‌پذیر هستند که منجر به خرابی زودرس می‌شود. توسعه مواد واشر تخصصی مانند فرمولاسیون‌های مقاوم در برابر پارامین، عملکرد را در این کاربردها به طور قابل توجهی بهبود بخشیده است. داده‌های میدانی نشان می‌دهد که واشرهای پارامین می‌توانند عمر سرویس بیش از 15 سال را در سرویس آمین غنی ارائه دهند، در حالی که مواد معمولی ممکن است در عرض چند ماه از کار بیفتند.

PHEهای نیمه جوش، که با جفت صفحات جوش داده شده با لیزر که توسط واشرها از هم جدا شده‌اند، ساخته شده‌اند، یک سازش بهینه برای بسیاری از کاربردهای H₂S نشان می‌دهند. در این طرح، جریان غنی از H₂S خورنده معمولاً به کانال جوش داده شده محدود می‌شود، در حالی که محیط کمتر تهاجمی (به عنوان مثال، آب خنک کننده یا آمین رقیق) از طریق سمت واشردار جریان می‌یابد. این پیکربندی خطر تماس محیط خورنده با واشرها را از بین می‌برد و در عین حال مزایای قابلیت سرویس‌دهی یک واحد تا حدی واشردار را حفظ می‌کند.

طراحی نیمه جوش در سرویس آمین موفقیت خاصی را نشان داده است، جایی که مشکلات نشت واحدهای کاملاً واشردار را از بین می‌برد و در عین حال از محدودیت‌های تمیز کردن طرح‌های کاملاً جوش داده شده جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، این واحدها راندمان حرارتی و ردپای جمع و جور مشخصه مبدل‌های نوع صفحه را حفظ می‌کنند و در عین حال قابلیت اطمینان را در کار خورنده افزایش می‌دهند.

برای سخت‌ترین خدمات شامل دماهای بالا، فشارهای بالا یا محیط‌های شیمیایی تهاجمی، PHEهای کاملاً جوش داده شده یکپارچگی برتر و ساخت و ساز قویارائه می‌دهند. با حذف کامل واشرها، این طرح‌ها از حالت خرابی اولیه PHEهای معمولی در سرویس خورنده جلوگیری می‌کنند. طرح‌های کاملاً جوش داده شده مدرن می‌توانند فشارهایی تا 10 مگاپاسکال و دماهایی تا 400 درجه سانتیگراد را تحمل کنند و آنها را برای کاربردهای سخت مانند خنک‌سازی اسید سولفوریک، وظیفه ریبویلر آمین و فرآوری گاز با فشار بالا مناسب می‌سازد.

محدودیت اصلی واحدهای کاملاً جوش داده شده - عدم امکان جداسازی برای تمیز کردن مکانیکی - از طریق ویژگی‌های طراحی پیشرفته برطرف شده است. اینها شامل گذرگاه‌های جریان آزاد با شکاف وسیع است که در برابر رسوب‌گذاری مقاومت می‌کنند، سیستم‌های تمیزکننده یکپارچه و پروتکل‌های تخصصی برای تمیز کردن شیمیایی. علاوه بر این، برخی از طرح‌ها شامل پورت‌های بازرسی برای معاینه بصری داخلی هستند - یک ویژگی ارزشمند برای ارزیابی شرایط در سرویس H₂S بحرانی.

انتخاب مواد مناسب برای PHEها در سرویس H₂S به دلیل نقش این ترکیب در مکانیسم‌های خوردگی مختلف، بسیار مهم است. ماده استاندارد برای بسیاری از صفحات در سرویس آمین، فولاد ضد زنگ 316L است که مقاومت معقولی در برابر خوردگی سولفید در اکثر شرایط قلیایی ایجاد می‌کند. با این حال، برای محیط‌های تهاجمی‌تر حاوی کلریدها یا شرایط اسیدی، آلیاژهای بالاتر اغلب ضروری هستند:

• 254 SMO: مقاومت عالی در برابر ترک خوردگی تنشی ناشی از کلرید و حفره‌زنی، مناسب برای محیط‌های شور.

• تیتانیوم: مقاومت برجسته در برابر جریان‌های اسیدی H₂S، به ویژه در حضور کلریدها.

• Hastelloy/C-276: عملکرد برتر در اسیدهای قوی (سولفوریک، هیدروکلریک) و شرایط خورنده شدید.

• آلیاژهای نیکل: مناسب برای محیط‌های سوزاننده با دمای بالا و غلظت بالا.

انتخاب مواد واشر به توجه یکسان نیاز دارد. در حالی که لاستیک نیتریل استاندارد ممکن است برای آمین رقیق و خدمات غیر تهاجمی کافی باشد، آمین غنی با هیدروکربن‌های پیچیده معمولاً به ترکیبات تخصصی مانند فرمولاسیون‌های مقاوم در برابر پارامین نیاز دارد. برای کاربردهای با دمای بالا، الاستومرهای فلوئوروکربن مقاومت شیمیایی بهبود یافته‌ای را ارائه می‌دهند، در حالی که مواد مبتنی بر PTFE سازگاری شیمیایی گسترده‌تری را ارائه می‌دهند.

استراتژی‌های نگهداری مؤثر برای PHEها در سرویس H₂S بر کاهش رسوب‌گذاری، نظارت بر خوردگی، و جایگزینی فعال اجزای آسیب‌پذیر متمرکز است. نظارت منظم بر افت فشار و رویکرد دما، نشانگر اولیه رسوب‌گذاری یا تخریب عملکرد را فراهم می‌کند. برای واحدهای واشردار و نیمه جوش، ایجاد یک برنامه جایگزینی واشر برنامه‌ریزی شده بر اساس سابقه عملیاتی، از خرابی‌های غیرمنتظره جلوگیری می‌کند.

تمیز کردن شیمیایی یک فعالیت نگهداری حیاتی است، به ویژه برای واحدهای فرآوری جریان‌های رسوب‌گذار. روش‌های مؤثر شامل:

• تمیز کردن دوره‌ای با حلال‌های مناسب (محلول‌های اسید نیتریک برای رسوبات غیر آلی، حلال‌های تخصصی برای رسوب‌گذاری پلیمر آلی/آمین).

• جت آب با فشار بالا برای بسته‌های صفحه قابل جابجایی.

• برس زدن مکانیکی صفحات واشردار در حین مونتاژ مجدد.

عملکرد عملیاتی تأثیر قابل توجهی بر طول عمر PHE در سرویس H₂S دارد. تغییرات تدریجی دما (اجتناب از شوک حرارتی)، حفظ سرعت در محدوده طراحی (برای به حداقل رساندن فرسایش در حالی که از رسوب‌گذاری جلوگیری می‌کند) و اجرای روش‌های خاموش کردن مناسب (تخلیه کامل برای جلوگیری از خوردگی موضعی) همگی به افزایش عمر سرویس کمک می‌کنند.

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای ارزش خود را در سیستم‌های مدیریت سولفید هیدروژن ثابت کرده‌اند و مزایای فنی و مزایای اقتصادی را در سراسر کاربردهای متعدد در فرآوری گاز، پالایش و تولید مواد شیمیایی ارائه می‌دهند. تکامل طرح‌های PHE - از پیکربندی‌های واشردار تا نیمه جوش و کاملاً جوش داده شده - به چالش‌های منحصربه‌فردی که توسط جریان‌های حاوی H₂S ایجاد می‌شود، از جمله خوردگی، رسوب‌گذاری و نگرانی‌های مربوط به قابلیت اطمینان عملیاتی، پرداخته است.

در شیرین‌سازی گاز طبیعی، PHEها عملکرد برتر را در تبادل آمین رقیق/غنی نشان می‌دهند و بازیابی حرارت را افزایش می‌دهند در حالی که در برابر محلول‌های آمین غنی خورنده مقاومت می‌کنند. در کاربردهای پالایشگاه، آنها راندمان استثنایی را در واحدهای هیدروگوگردزدایی ارائه می‌دهند و به بهبود کیفیت محصول و صرفه‌جویی قابل توجه در انرژی کمک می‌کنند. کاربردهای تخصصی در واحدهای بازیابی گوگرد، سازگاری فناوری PHE را با عملکردهای یکپارچه تبادل حرارت واکنش برجسته می‌کند.

توسعه مداوم مواد مقاوم در برابر خوردگی، هندسه‌های صفحه نوآورانه و طرح‌های ترکیبی، نوید گسترش بیشتر کاربردهای PHE در فرآیندهای مرتبط با گوگرد را می‌دهد. از آنجایی که شرایط فرآوری با استانداردهای زیست محیطی سخت‌گیرانه‌تر و خوراک‌های فزاینده چالش‌برانگیزتر، شدیدتر می‌شود، مزایای ذاتی مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای - اندازه جمع و جور، راندمان حرارتی و انعطاف‌پذیری طراحی - آنها را به عنوان مشارکت‌کنندگان فزاینده مهم در عملیات ایمن، قابل اعتماد و اقتصادی در این خدمات سخت قرار می‌دهد.