Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm (PHE) đã trở thành thành phần không thể thiếu trong các quy trình công nghiệp xử lý dòng chứa hydro sulfua (H₂S), đặc biệt trong xử lý khí chua và các đơn vị khử lưu huỳnh. Bài viết kỹ thuật này khám phá các ứng dụng cụ thể, ưu điểm và các cân nhắc thiết kế của nhiều loại bộ trao đổi nhiệt dạng tấm khác nhau—bao gồm các thiết kế có gioăng, bán hàn và hàn hoàn toàn—trong môi trường chứa H₂S. Bằng cách phân tích các ứng dụng trong thế giới thực trên khắp các đơn vị lọc khí tự nhiên, khử lưu huỳnh trong nhà máy lọc dầu và thu hồi lưu huỳnh, bài viết này chứng minh cách PHE giải quyết những thách thức độc đáo do các hợp chất lưu huỳnh ăn mòn gây ra đồng thời cải thiện hiệu quả năng lượng và độ tin cậy vận hành so với các bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống truyền thống. Bài viết cũng xem xét việc lựa chọn vật liệu, các chiến lược bảo trì và những cải tiến công nghệ gần đây giúp nâng cao hiệu suất trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe này.
Hydro sulfua đại diện cho một trong những chất gây ô nhiễm có vấn đề nhất gặp phải trong quá trình xử lý dầu khí, sản xuất hóa chất và vận hành nhà máy lọc dầu. Hợp chất có tính độc và ăn mòn cao này đặt ra những thách thức đáng kể cho thiết bị xử lý, đặc biệt là bộ trao đổi nhiệt, vốn rất cần thiết để quản lý nhiệt trong các hệ thống khử lưu huỳnh. Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đã nổi lên như là công nghệ được ưa chuộng cho nhiều ứng dụng giàu H₂S do diện tích nhỏ gọn, hiệu quả truyền nhiệt vượt trội, và khả năng thích ứng với các điều kiện dịch vụ đầy thách thức.
Sự phát triển của các thiết kế PHE đã dần giải quyết những khó khăn do các hợp chất lưu huỳnh gây ra, bao gồm ăn mòn, bám bẩn và rủi ro rò rỉ. PHE hiện đại có thể đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của quá trình xử lý khí chua dựa trên amin, các đơn vị thu hồi lưu huỳnh và quá trình hydrodesulfurization diesel, trong đó H₂S là chất gây ô nhiễm được xử lý hoặc là sản phẩm phụ của phản ứng. Bài viết này xem xét cách các cấu hình PHE khác nhau hoạt động trong những môi trường này, đặc biệt chú ý đến những cải tiến kỹ thuật giúp khắc phục những hạn chế của thiết bị truyền nhiệt truyền thống khi xử lý các dòng chứa lưu huỳnh.
Xử lý hydro sulfua trong các dòng xử lý đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn và thiết kế bộ trao đổi nhiệt. H₂S hòa tan trong dung dịch nước tạo thành một axit yếu có thể gây ra ăn mòn chung trên thép carbon và tấn công các hợp kim dễ bị thông qua nứt ứng suất sulfua. Hơn nữa, khi có hơi ẩm, H₂S có thể góp phần vào ăn mòn cục bộ, đặc biệt là dưới các lớp cặn hoặc ở những khu vực ứ đọng—các vấn đề thường gặp trong thiết bị trao đổi nhiệt.
Sự hiện diện của H₂S hiếm khi bị cô lập trong các quy trình công nghiệp; nó thường đi kèm với carbon dioxide (CO₂), amoniac (NH₃), clorua và các loại hydrocarbon khác nhau. Hóa học phức tạp này tạo ra tác động ăn mòn hiệp đồng làm tăng tốc độ suy giảm vật liệu. Ví dụ, trong các hệ thống khử lưu huỳnh dựa trên amin, dung môi (ví dụ: MEA, DEA hoặc MDEA) hấp thụ H₂S từ khí chua để tạo thành "amin giàu" trở nên ăn mòn cao, đặc biệt ở nhiệt độ cao gặp phải trong bộ trao đổi nhiệt. Sự phân hủy của dung môi amin có thể tạo thành sản phẩm phân hủy làm trầm trọng thêm các vấn đề ăn mòn và bám bẩn.
Khi các dòng xử lý chứa H₂S được làm nóng trong bộ trao đổi, các biến chứng bổ sung sẽ xuất hiện:
Sự tiến hóa của khí: Các loại khí axit hòa tan (H₂S và CO₂) có thể tạo hạt nhân và tạo thành bọt khi amin giàu được làm nóng, tạo ra dòng chảy hai pha gây ra sự phân bố dòng chảy sai, rung động và có khả năng làm hỏng bề mặt truyền nhiệt.
Dễ bị bám bẩn: Các dòng bị ô nhiễm bởi chất rắn (ví dụ: sản phẩm ăn mòn sulfua sắt) có xu hướng lắng đọng trên bề mặt truyền nhiệt, làm giảm hiệu quả và tạo ra các vị trí ăn mòn dưới lớp cặn.
Giới hạn nhiệt độ: Trên một số nhiệt độ nhất định, tốc độ ăn mòn tăng lên đáng kể, đặc biệt đối với dung dịch amin, đòi hỏi phải thiết kế nhiệt cẩn thận.
Những thách thức này đòi hỏi thiết bị trao đổi nhiệt có khả năng chống ăn mòn, dễ làm sạch và độ tin cậy tuyệt vời—những thuộc tính mà bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hiện đại có vị trí độc đáo để cung cấp.
Trong các quy trình làm ngọt khí tự nhiên dựa trên amin, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm chủ yếu đóng vai trò là bộ trao đổi amin nghèo/giàu trong đó amin nghèo nóng (dung môi tái tạo) làm nóng trước amin giàu (dung môi chứa H₂S) trước khi nó đi vào cột tái tạo. Dịch vụ này đặc biệt khắt khe vì amin giàu không chỉ chứa H₂S và CO₂ mà còn chứa nhiều loại hydrocarbon và sản phẩm phân hủy có thể tấn công thiết bị trao đổi nhiệt thông thường.
Việc triển khai PHE trong vai trò này đã chứng minh những lợi thế hoạt động đáng kể. Một nghiên cứu điển hình từ một nhà máy lọc khí tự nhiên Trùng Khánh báo cáo rằng sau khi lắp đặt một bộ trao đổi nhiệt dạng tấm song song với một thiết bị dạng vỏ và ống hiện có, hệ thống vẫn duy trì hoạt động liên tục ngay cả khi xảy ra hiện tượng bám bẩn trong bộ trao đổi thông thường. Điều này cấu hình dự phòng cho phép nhà máy tiếp tục hoạt động trong khi thực hiện bảo trì trên thiết bị bị bám bẩn, cải thiện đáng kể độ tin cậy tổng thể của hệ thống.
Hiệu quả của PHE trong ứng dụng này ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ năng lượng của nhà máy. Vì quá trình tái tạo amin tiêu tốn nhiều năng lượng nên hiệu quả nhiệt của quá trình trao đổi nghèo/giàu ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệm vụ của bộ đun sôi lại trong cột tái tạo. Một nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu quả của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm trong việc thu hồi nhiệt từ amin nghèo đã giảm lượng năng lượng cần thiết để tái tạo amin khoảng 10-15% so với các thiết kế dạng vỏ và ống thông thường.
Trong các đơn vị hydrodesulfurization nhà máy lọc dầu, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đã được triển khai thành công để cải thiện khả năng thu hồi năng lượng đồng thời đáp ứng các thông số kỹ thuật sản phẩm ngày càng khắt khe. Một trường hợp được ghi lại cho thấy rằng sau khi lắp đặt một PHE trong một đơn vị HDS được thiết kế để giảm hàm lượng lưu huỳnh trong dầu diesel xuống 50ppm, nhà máy lọc dầu đã đạt được khả năng thu hồi nhiệt nâng cao đồng thời cải thiện màu sắc của dầu diesel. Báo cáo đặc biệt lưu ý rằng hiệu quả truyền nhiệt của bộ trao đổi dạng tấm cao hơn khoảng ba lần so với bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống truyền thống, dẫn đến ước tính tiết kiệm năng lượng hàng năm khoảng 220 triệu đơn vị tiền tệ.
Trong ứng dụng này, PHE xử lý dòng thải lò phản ứng nóng chứa H₂S (là sản phẩm của phản ứng) và hydro, trao đổi nhiệt với nguồn cấp lạnh. Thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả cao của PHE khiến chúng đặc biệt phù hợp với các dự án cải tạo, trong đó các ràng buộc về không gian và hiệu quả năng lượng là những cân nhắc quan trọng.
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm tìm thấy các ứng dụng chuyên biệt trong các đơn vị thu hồi lưu huỳnh (SRU) và các quy trình xử lý khí đuôi liên quan. Trong các dịch vụ này, PHE được sử dụng cho các ứng dụng cụ thể theo nhiệm vụ như gia nhiệt khí, tạo hơi nước và kiểm soát nhiệt độ trong các lò phản ứng xúc tác. "Lò phản ứng trao đổi nhiệt dạng tấm lạnh" độc đáo đại diện cho một ứng dụng sáng tạo, trong đó các bề mặt trao đổi nhiệt được tích hợp trực tiếp trong lớp xúc tác để kiểm soát nhiệt độ chính xác trong môi trường lưu huỳnh.
Thiết kế tích hợp này có các lớp lớp xúc tác với các tấm trao đổi nhiệt được sắp xếp theo chiều dọc, loại bỏ hiệu quả nhiệt phản ứng, duy trì cấu hình nhiệt độ tối ưu thông qua lớp xúc tác. Cấu hình này dẫn đến thiết kế nhỏ gọn, hệ số truyền nhiệt cao, và giảm sức cản của lớp—đặc biệt có giá trị để kiểm soát quá trình oxy hóa H₂S tỏa nhiệt cao trong các bộ chuyển đổi Claus.
Các điều kiện khắt khe của dịch vụ H₂S đã thúc đẩy sự phát triển của các cấu hình bộ trao đổi nhiệt dạng tấm chuyên biệt. Mỗi thiết kế đều mang lại những ưu điểm riêng biệt cho các môi trường hoạt động cụ thể gặp phải trong các quy trình khử lưu huỳnh.
Bảng: So sánh các loại PHE trong Dịch vụ H₂S
| Loại PHE | Giới hạn áp suất | Giới hạn nhiệt độ | Ưu điểm | Hạn chế | Ứng dụng H₂S điển hình |
|---|---|---|---|---|---|
| Có gioăng | ≤2.5 MPa | 40-180°C | Dễ làm sạch hoàn toàn, có thể mở rộng, chi phí thấp | Giới hạn bởi vật liệu gioăng | Nước làm mát, làm mát amin nghèo |
| Bán hàn | ≤5.0 MPa | 150-200°C | Xử lý môi trường ăn mòn, giảm nguy cơ rò rỉ | Khả năng làm sạch một phần | Trao đổi amin nghèo/giàu, gia nhiệt/làm mát dung môi |
| Hàn hoàn toàn | ≤10 MPa | Lên đến 400°C | Không có gioăng, độ tin cậy cao | Không thể làm sạch, thiết kế cố định | Áp suất cao |
PHE có gioăng truyền thống mang lại những ưu điểm của dễ bảo trì, khả năng làm sạch hoàn toàn, và linh hoạt tại hiện trường thông qua việc thêm hoặc loại bỏ các tấm. Tuy nhiên, trong dịch vụ H₂S, gioăng đàn hồi tiêu chuẩn dễ bị tấn công hóa học bởi hydrocarbon và các loài lưu huỳnh trong dung dịch amin, dẫn đến hỏng hóc sớm. Việc phát triển các vật liệu gioăng chuyên dụng như công thức chống paramine đã cải thiện đáng kể hiệu suất trong các ứng dụng này. Dữ liệu thực địa cho thấy rằng gioăng paramine có thể cung cấp tuổi thọ phục vụ vượt quá 15 năm trong dịch vụ amin giàu, trong khi các vật liệu thông thường có thể bị hỏng trong vòng vài tháng.
PHE bán hàn, được chế tạo với các cặp tấm hàn laser được phân tách bằng gioăng, đại diện cho một sự thỏa hiệp tối ưu cho nhiều ứng dụng H₂S. Trong thiết kế này, dòng giàu H₂S ăn mòn thường bị giới hạn trong kênh hàn, trong khi môi trường ít xâm thực hơn (ví dụ: nước làm mát hoặc amin nghèo) chảy qua phía có gioăng. Cấu hình này loại bỏ nguy cơ môi trường ăn mòn tiếp xúc với gioăng trong khi vẫn giữ lại các lợi ích về khả năng sử dụng của một thiết bị có gioăng một phần.
Thiết kế bán hàn đã chứng minh thành công đặc biệt trong dịch vụ amin, nơi nó loại bỏ các vấn đề rò rỉ của các thiết bị có gioăng hoàn toàn trong khi tránh các hạn chế về khả năng làm sạch của các thiết kế hàn hoàn toàn. Ngoài ra, các thiết bị này duy trì hiệu quả nhiệt và diện tích nhỏ gọn đặc trưng của bộ trao đổi kiểu tấm trong khi cung cấp độ tin cậy cao hơn trong nhiệm vụ ăn mòn.
Đối với các dịch vụ khắc nghiệt nhất liên quan đến nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc môi trường hóa chất khắc nghiệt, PHE hàn hoàn toàn cung cấp tính toàn vẹn vượt trội và kết cấu chắc chắn. Bằng cách loại bỏ hoàn toàn gioăng, các thiết kế này tránh được chế độ hỏng chính của PHE thông thường trong dịch vụ ăn mòn. Các thiết kế hàn hoàn toàn hiện đại có thể chứa áp suất lên tới 10 MPa và nhiệt độ lên tới 400°C, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như làm mát axit sulfuric, nhiệm vụ đun sôi lại amin và xử lý khí áp suất cao.
Hạn chế chính của các thiết bị hàn hoàn toàn—không thể tháo rời để làm sạch cơ học—đã được giải quyết thông qua các tính năng thiết kế tiên tiến. Chúng bao gồm lỗ hở rộng dòng chảy tự do các lối đi chống bám bẩn, hệ thống làm sạch tích hợp và các giao thức chuyên biệt để làm sạch hóa học. Ngoài ra, một số thiết kế kết hợp các cổng kiểm tra để kiểm tra trực quan bên trong—một tính năng có giá trị để đánh giá tình trạng trong dịch vụ H₂S quan trọng.
Việc lựa chọn vật liệu phù hợp là tối quan trọng đối với PHE trong dịch vụ H₂S do vai trò của hợp chất này trong các cơ chế ăn mòn khác nhau. Vật liệu tiêu chuẩn cho nhiều tấm trong dịch vụ amin là thép không gỉ 316L, mang lại khả năng chống ăn mòn sulfua hợp lý trong hầu hết các điều kiện kiềm. Tuy nhiên, đối với các môi trường xâm thực hơn có chứa clorua hoặc điều kiện axit, các hợp kim cao hơn thường cần thiết:
254 SMO: Khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất do clorua và rỗ tuyệt vời, phù hợp với môi trường nước muối.
Titan: Khả năng chống lại các dòng H₂S có tính axit vượt trội, đặc biệt là khi có clorua.
Hastelloy/C-276: Hiệu suất vượt trội trong axit mạnh (sulfuric, hydrochloric) và các điều kiện ăn mòn nghiêm trọng.
Hợp kim niken: Thích hợp cho môi trường ăn da nồng độ cao, nhiệt độ cao.
Việc lựa chọn vật liệu gioăng đòi hỏi sự cân nhắc tương đương. Trong khi cao su nitrile tiêu chuẩn có thể đủ cho amin nghèo và các dịch vụ không xâm thực, amin giàu với hydrocarbon phức tạp thường yêu cầu các hợp chất chuyên dụng như công thức chống paramine. Đối với các ứng dụng nhiệt độ cao, chất đàn hồi fluorocarbon mang lại khả năng kháng hóa chất được cải thiện, trong khi vật liệu gốc PTFE cung cấp khả năng tương thích hóa học rộng nhất.
Các chiến lược bảo trì hiệu quả cho PHE trong dịch vụ H₂S tập trung vào giảm thiểu bám bẩn, giám sát ăn mòn, và thay thế chủ động các thành phần dễ bị tổn thương. Việc theo dõi thường xuyên độ sụt áp và cách tiếp cận nhiệt độ cung cấp dấu hiệu sớm về sự bám bẩn hoặc suy giảm hiệu suất. Đối với các thiết bị có gioăng và bán hàn, việc thiết lập một chương trình thay thế gioăng theo kế hoạch dựa trên lịch sử vận hành sẽ ngăn ngừa các hỏng hóc bất ngờ.
Làm sạch hóa học đại diện cho một hoạt động bảo trì quan trọng, đặc biệt đối với các thiết bị xử lý các dòng bám bẩn. Các quy trình hiệu quả bao gồm:
Làm sạch định kỳ với dung môi thích hợp (dung dịch axit nitric đối với cặn vô cơ, dung môi chuyên dụng đối với bám bẩn polymer hữu cơ/amin).
Phun nước áp lực cao đối với các gói tấm có thể tháo rời.
Chải cơ học các tấm có gioăng trong quá trình lắp ráp lại.
Các hoạt động vận hành ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ của PHE trong dịch vụ H₂S. Thay đổi nhiệt độ dần dần (tránh sốc nhiệt), duy trì vận tốc trong phạm vi thiết kế (để giảm thiểu xói mòn trong khi ngăn ngừa bám bẩn) và thực hiện các quy trình tắt máy thích hợp (thoát hoàn toàn để ngăn ngừa ăn mòn cục bộ) đều góp phần kéo dài tuổi thọ phục vụ.
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đã chứng minh giá trị của chúng trong các hệ thống xử lý hydro sulfua, mang lại ưu điểm kỹ thuật và lợi ích kinh tế trên nhiều ứng dụng trong quá trình xử lý khí, lọc dầu và sản xuất hóa chất. Sự phát triển của các thiết kế PHE—từ cấu hình có gioăng đến bán hàn và hàn hoàn toàn—đã giải quyết những thách thức độc đáo do các dòng chứa H₂S gây ra, bao gồm các vấn đề về ăn mòn, bám bẩn và độ tin cậy vận hành.
Trong quá trình làm ngọt khí tự nhiên, PHE thể hiện hiệu suất vượt trội trong quá trình trao đổi amin nghèo/giàu, cung cấp khả năng thu hồi nhiệt nâng cao trong khi chịu được các dung dịch amin giàu ăn mòn. Trong các ứng dụng nhà máy lọc dầu, chúng mang lại hiệu quả đặc biệt trong các đơn vị hydrodesulfurization, góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng đáng kể. Các ứng dụng chuyên biệt trong các đơn vị thu hồi lưu huỳnh làm nổi bật khả năng thích ứng của công nghệ PHE với các chức năng trao đổi nhiệt phản ứng tích hợp.
Sự phát triển liên tục của các vật liệu chống ăn mòn, hình học tấm sáng tạo và các thiết kế lai hứa hẹn sẽ mở rộng hơn nữa các ứng dụng PHE trong các quy trình liên quan đến lưu huỳnh. Khi các điều kiện xử lý trở nên khắc nghiệt hơn với các tiêu chuẩn môi trường chặt chẽ hơn và nguyên liệu ngày càng thách thức, những ưu điểm vốn có của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm—kích thước nhỏ gọn, hiệu quả nhiệt và tính linh hoạt trong thiết kế—đặt chúng vào vị trí là những người đóng góp ngày càng quan trọng cho hoạt động an toàn, đáng tin cậy và tiết kiệm trong các dịch vụ đòi hỏi khắt khe này.
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm (PHE) đã trở thành thành phần không thể thiếu trong các quy trình công nghiệp xử lý dòng chứa hydro sulfua (H₂S), đặc biệt trong xử lý khí chua và các đơn vị khử lưu huỳnh. Bài viết kỹ thuật này khám phá các ứng dụng cụ thể, ưu điểm và các cân nhắc thiết kế của nhiều loại bộ trao đổi nhiệt dạng tấm khác nhau—bao gồm các thiết kế có gioăng, bán hàn và hàn hoàn toàn—trong môi trường chứa H₂S. Bằng cách phân tích các ứng dụng trong thế giới thực trên khắp các đơn vị lọc khí tự nhiên, khử lưu huỳnh trong nhà máy lọc dầu và thu hồi lưu huỳnh, bài viết này chứng minh cách PHE giải quyết những thách thức độc đáo do các hợp chất lưu huỳnh ăn mòn gây ra đồng thời cải thiện hiệu quả năng lượng và độ tin cậy vận hành so với các bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống truyền thống. Bài viết cũng xem xét việc lựa chọn vật liệu, các chiến lược bảo trì và những cải tiến công nghệ gần đây giúp nâng cao hiệu suất trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe này.
Hydro sulfua đại diện cho một trong những chất gây ô nhiễm có vấn đề nhất gặp phải trong quá trình xử lý dầu khí, sản xuất hóa chất và vận hành nhà máy lọc dầu. Hợp chất có tính độc và ăn mòn cao này đặt ra những thách thức đáng kể cho thiết bị xử lý, đặc biệt là bộ trao đổi nhiệt, vốn rất cần thiết để quản lý nhiệt trong các hệ thống khử lưu huỳnh. Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đã nổi lên như là công nghệ được ưa chuộng cho nhiều ứng dụng giàu H₂S do diện tích nhỏ gọn, hiệu quả truyền nhiệt vượt trội, và khả năng thích ứng với các điều kiện dịch vụ đầy thách thức.
Sự phát triển của các thiết kế PHE đã dần giải quyết những khó khăn do các hợp chất lưu huỳnh gây ra, bao gồm ăn mòn, bám bẩn và rủi ro rò rỉ. PHE hiện đại có thể đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của quá trình xử lý khí chua dựa trên amin, các đơn vị thu hồi lưu huỳnh và quá trình hydrodesulfurization diesel, trong đó H₂S là chất gây ô nhiễm được xử lý hoặc là sản phẩm phụ của phản ứng. Bài viết này xem xét cách các cấu hình PHE khác nhau hoạt động trong những môi trường này, đặc biệt chú ý đến những cải tiến kỹ thuật giúp khắc phục những hạn chế của thiết bị truyền nhiệt truyền thống khi xử lý các dòng chứa lưu huỳnh.
Xử lý hydro sulfua trong các dòng xử lý đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn và thiết kế bộ trao đổi nhiệt. H₂S hòa tan trong dung dịch nước tạo thành một axit yếu có thể gây ra ăn mòn chung trên thép carbon và tấn công các hợp kim dễ bị thông qua nứt ứng suất sulfua. Hơn nữa, khi có hơi ẩm, H₂S có thể góp phần vào ăn mòn cục bộ, đặc biệt là dưới các lớp cặn hoặc ở những khu vực ứ đọng—các vấn đề thường gặp trong thiết bị trao đổi nhiệt.
Sự hiện diện của H₂S hiếm khi bị cô lập trong các quy trình công nghiệp; nó thường đi kèm với carbon dioxide (CO₂), amoniac (NH₃), clorua và các loại hydrocarbon khác nhau. Hóa học phức tạp này tạo ra tác động ăn mòn hiệp đồng làm tăng tốc độ suy giảm vật liệu. Ví dụ, trong các hệ thống khử lưu huỳnh dựa trên amin, dung môi (ví dụ: MEA, DEA hoặc MDEA) hấp thụ H₂S từ khí chua để tạo thành "amin giàu" trở nên ăn mòn cao, đặc biệt ở nhiệt độ cao gặp phải trong bộ trao đổi nhiệt. Sự phân hủy của dung môi amin có thể tạo thành sản phẩm phân hủy làm trầm trọng thêm các vấn đề ăn mòn và bám bẩn.
Khi các dòng xử lý chứa H₂S được làm nóng trong bộ trao đổi, các biến chứng bổ sung sẽ xuất hiện:
Sự tiến hóa của khí: Các loại khí axit hòa tan (H₂S và CO₂) có thể tạo hạt nhân và tạo thành bọt khi amin giàu được làm nóng, tạo ra dòng chảy hai pha gây ra sự phân bố dòng chảy sai, rung động và có khả năng làm hỏng bề mặt truyền nhiệt.
Dễ bị bám bẩn: Các dòng bị ô nhiễm bởi chất rắn (ví dụ: sản phẩm ăn mòn sulfua sắt) có xu hướng lắng đọng trên bề mặt truyền nhiệt, làm giảm hiệu quả và tạo ra các vị trí ăn mòn dưới lớp cặn.
Giới hạn nhiệt độ: Trên một số nhiệt độ nhất định, tốc độ ăn mòn tăng lên đáng kể, đặc biệt đối với dung dịch amin, đòi hỏi phải thiết kế nhiệt cẩn thận.
Những thách thức này đòi hỏi thiết bị trao đổi nhiệt có khả năng chống ăn mòn, dễ làm sạch và độ tin cậy tuyệt vời—những thuộc tính mà bộ trao đổi nhiệt dạng tấm hiện đại có vị trí độc đáo để cung cấp.
Trong các quy trình làm ngọt khí tự nhiên dựa trên amin, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm chủ yếu đóng vai trò là bộ trao đổi amin nghèo/giàu trong đó amin nghèo nóng (dung môi tái tạo) làm nóng trước amin giàu (dung môi chứa H₂S) trước khi nó đi vào cột tái tạo. Dịch vụ này đặc biệt khắt khe vì amin giàu không chỉ chứa H₂S và CO₂ mà còn chứa nhiều loại hydrocarbon và sản phẩm phân hủy có thể tấn công thiết bị trao đổi nhiệt thông thường.
Việc triển khai PHE trong vai trò này đã chứng minh những lợi thế hoạt động đáng kể. Một nghiên cứu điển hình từ một nhà máy lọc khí tự nhiên Trùng Khánh báo cáo rằng sau khi lắp đặt một bộ trao đổi nhiệt dạng tấm song song với một thiết bị dạng vỏ và ống hiện có, hệ thống vẫn duy trì hoạt động liên tục ngay cả khi xảy ra hiện tượng bám bẩn trong bộ trao đổi thông thường. Điều này cấu hình dự phòng cho phép nhà máy tiếp tục hoạt động trong khi thực hiện bảo trì trên thiết bị bị bám bẩn, cải thiện đáng kể độ tin cậy tổng thể của hệ thống.
Hiệu quả của PHE trong ứng dụng này ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ năng lượng của nhà máy. Vì quá trình tái tạo amin tiêu tốn nhiều năng lượng nên hiệu quả nhiệt của quá trình trao đổi nghèo/giàu ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệm vụ của bộ đun sôi lại trong cột tái tạo. Một nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu quả của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm trong việc thu hồi nhiệt từ amin nghèo đã giảm lượng năng lượng cần thiết để tái tạo amin khoảng 10-15% so với các thiết kế dạng vỏ và ống thông thường.
Trong các đơn vị hydrodesulfurization nhà máy lọc dầu, bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đã được triển khai thành công để cải thiện khả năng thu hồi năng lượng đồng thời đáp ứng các thông số kỹ thuật sản phẩm ngày càng khắt khe. Một trường hợp được ghi lại cho thấy rằng sau khi lắp đặt một PHE trong một đơn vị HDS được thiết kế để giảm hàm lượng lưu huỳnh trong dầu diesel xuống 50ppm, nhà máy lọc dầu đã đạt được khả năng thu hồi nhiệt nâng cao đồng thời cải thiện màu sắc của dầu diesel. Báo cáo đặc biệt lưu ý rằng hiệu quả truyền nhiệt của bộ trao đổi dạng tấm cao hơn khoảng ba lần so với bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống truyền thống, dẫn đến ước tính tiết kiệm năng lượng hàng năm khoảng 220 triệu đơn vị tiền tệ.
Trong ứng dụng này, PHE xử lý dòng thải lò phản ứng nóng chứa H₂S (là sản phẩm của phản ứng) và hydro, trao đổi nhiệt với nguồn cấp lạnh. Thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả cao của PHE khiến chúng đặc biệt phù hợp với các dự án cải tạo, trong đó các ràng buộc về không gian và hiệu quả năng lượng là những cân nhắc quan trọng.
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm tìm thấy các ứng dụng chuyên biệt trong các đơn vị thu hồi lưu huỳnh (SRU) và các quy trình xử lý khí đuôi liên quan. Trong các dịch vụ này, PHE được sử dụng cho các ứng dụng cụ thể theo nhiệm vụ như gia nhiệt khí, tạo hơi nước và kiểm soát nhiệt độ trong các lò phản ứng xúc tác. "Lò phản ứng trao đổi nhiệt dạng tấm lạnh" độc đáo đại diện cho một ứng dụng sáng tạo, trong đó các bề mặt trao đổi nhiệt được tích hợp trực tiếp trong lớp xúc tác để kiểm soát nhiệt độ chính xác trong môi trường lưu huỳnh.
Thiết kế tích hợp này có các lớp lớp xúc tác với các tấm trao đổi nhiệt được sắp xếp theo chiều dọc, loại bỏ hiệu quả nhiệt phản ứng, duy trì cấu hình nhiệt độ tối ưu thông qua lớp xúc tác. Cấu hình này dẫn đến thiết kế nhỏ gọn, hệ số truyền nhiệt cao, và giảm sức cản của lớp—đặc biệt có giá trị để kiểm soát quá trình oxy hóa H₂S tỏa nhiệt cao trong các bộ chuyển đổi Claus.
Các điều kiện khắt khe của dịch vụ H₂S đã thúc đẩy sự phát triển của các cấu hình bộ trao đổi nhiệt dạng tấm chuyên biệt. Mỗi thiết kế đều mang lại những ưu điểm riêng biệt cho các môi trường hoạt động cụ thể gặp phải trong các quy trình khử lưu huỳnh.
Bảng: So sánh các loại PHE trong Dịch vụ H₂S
| Loại PHE | Giới hạn áp suất | Giới hạn nhiệt độ | Ưu điểm | Hạn chế | Ứng dụng H₂S điển hình |
|---|---|---|---|---|---|
| Có gioăng | ≤2.5 MPa | 40-180°C | Dễ làm sạch hoàn toàn, có thể mở rộng, chi phí thấp | Giới hạn bởi vật liệu gioăng | Nước làm mát, làm mát amin nghèo |
| Bán hàn | ≤5.0 MPa | 150-200°C | Xử lý môi trường ăn mòn, giảm nguy cơ rò rỉ | Khả năng làm sạch một phần | Trao đổi amin nghèo/giàu, gia nhiệt/làm mát dung môi |
| Hàn hoàn toàn | ≤10 MPa | Lên đến 400°C | Không có gioăng, độ tin cậy cao | Không thể làm sạch, thiết kế cố định | Áp suất cao |
PHE có gioăng truyền thống mang lại những ưu điểm của dễ bảo trì, khả năng làm sạch hoàn toàn, và linh hoạt tại hiện trường thông qua việc thêm hoặc loại bỏ các tấm. Tuy nhiên, trong dịch vụ H₂S, gioăng đàn hồi tiêu chuẩn dễ bị tấn công hóa học bởi hydrocarbon và các loài lưu huỳnh trong dung dịch amin, dẫn đến hỏng hóc sớm. Việc phát triển các vật liệu gioăng chuyên dụng như công thức chống paramine đã cải thiện đáng kể hiệu suất trong các ứng dụng này. Dữ liệu thực địa cho thấy rằng gioăng paramine có thể cung cấp tuổi thọ phục vụ vượt quá 15 năm trong dịch vụ amin giàu, trong khi các vật liệu thông thường có thể bị hỏng trong vòng vài tháng.
PHE bán hàn, được chế tạo với các cặp tấm hàn laser được phân tách bằng gioăng, đại diện cho một sự thỏa hiệp tối ưu cho nhiều ứng dụng H₂S. Trong thiết kế này, dòng giàu H₂S ăn mòn thường bị giới hạn trong kênh hàn, trong khi môi trường ít xâm thực hơn (ví dụ: nước làm mát hoặc amin nghèo) chảy qua phía có gioăng. Cấu hình này loại bỏ nguy cơ môi trường ăn mòn tiếp xúc với gioăng trong khi vẫn giữ lại các lợi ích về khả năng sử dụng của một thiết bị có gioăng một phần.
Thiết kế bán hàn đã chứng minh thành công đặc biệt trong dịch vụ amin, nơi nó loại bỏ các vấn đề rò rỉ của các thiết bị có gioăng hoàn toàn trong khi tránh các hạn chế về khả năng làm sạch của các thiết kế hàn hoàn toàn. Ngoài ra, các thiết bị này duy trì hiệu quả nhiệt và diện tích nhỏ gọn đặc trưng của bộ trao đổi kiểu tấm trong khi cung cấp độ tin cậy cao hơn trong nhiệm vụ ăn mòn.
Đối với các dịch vụ khắc nghiệt nhất liên quan đến nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc môi trường hóa chất khắc nghiệt, PHE hàn hoàn toàn cung cấp tính toàn vẹn vượt trội và kết cấu chắc chắn. Bằng cách loại bỏ hoàn toàn gioăng, các thiết kế này tránh được chế độ hỏng chính của PHE thông thường trong dịch vụ ăn mòn. Các thiết kế hàn hoàn toàn hiện đại có thể chứa áp suất lên tới 10 MPa và nhiệt độ lên tới 400°C, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe như làm mát axit sulfuric, nhiệm vụ đun sôi lại amin và xử lý khí áp suất cao.
Hạn chế chính của các thiết bị hàn hoàn toàn—không thể tháo rời để làm sạch cơ học—đã được giải quyết thông qua các tính năng thiết kế tiên tiến. Chúng bao gồm lỗ hở rộng dòng chảy tự do các lối đi chống bám bẩn, hệ thống làm sạch tích hợp và các giao thức chuyên biệt để làm sạch hóa học. Ngoài ra, một số thiết kế kết hợp các cổng kiểm tra để kiểm tra trực quan bên trong—một tính năng có giá trị để đánh giá tình trạng trong dịch vụ H₂S quan trọng.
Việc lựa chọn vật liệu phù hợp là tối quan trọng đối với PHE trong dịch vụ H₂S do vai trò của hợp chất này trong các cơ chế ăn mòn khác nhau. Vật liệu tiêu chuẩn cho nhiều tấm trong dịch vụ amin là thép không gỉ 316L, mang lại khả năng chống ăn mòn sulfua hợp lý trong hầu hết các điều kiện kiềm. Tuy nhiên, đối với các môi trường xâm thực hơn có chứa clorua hoặc điều kiện axit, các hợp kim cao hơn thường cần thiết:
254 SMO: Khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất do clorua và rỗ tuyệt vời, phù hợp với môi trường nước muối.
Titan: Khả năng chống lại các dòng H₂S có tính axit vượt trội, đặc biệt là khi có clorua.
Hastelloy/C-276: Hiệu suất vượt trội trong axit mạnh (sulfuric, hydrochloric) và các điều kiện ăn mòn nghiêm trọng.
Hợp kim niken: Thích hợp cho môi trường ăn da nồng độ cao, nhiệt độ cao.
Việc lựa chọn vật liệu gioăng đòi hỏi sự cân nhắc tương đương. Trong khi cao su nitrile tiêu chuẩn có thể đủ cho amin nghèo và các dịch vụ không xâm thực, amin giàu với hydrocarbon phức tạp thường yêu cầu các hợp chất chuyên dụng như công thức chống paramine. Đối với các ứng dụng nhiệt độ cao, chất đàn hồi fluorocarbon mang lại khả năng kháng hóa chất được cải thiện, trong khi vật liệu gốc PTFE cung cấp khả năng tương thích hóa học rộng nhất.
Các chiến lược bảo trì hiệu quả cho PHE trong dịch vụ H₂S tập trung vào giảm thiểu bám bẩn, giám sát ăn mòn, và thay thế chủ động các thành phần dễ bị tổn thương. Việc theo dõi thường xuyên độ sụt áp và cách tiếp cận nhiệt độ cung cấp dấu hiệu sớm về sự bám bẩn hoặc suy giảm hiệu suất. Đối với các thiết bị có gioăng và bán hàn, việc thiết lập một chương trình thay thế gioăng theo kế hoạch dựa trên lịch sử vận hành sẽ ngăn ngừa các hỏng hóc bất ngờ.
Làm sạch hóa học đại diện cho một hoạt động bảo trì quan trọng, đặc biệt đối với các thiết bị xử lý các dòng bám bẩn. Các quy trình hiệu quả bao gồm:
Làm sạch định kỳ với dung môi thích hợp (dung dịch axit nitric đối với cặn vô cơ, dung môi chuyên dụng đối với bám bẩn polymer hữu cơ/amin).
Phun nước áp lực cao đối với các gói tấm có thể tháo rời.
Chải cơ học các tấm có gioăng trong quá trình lắp ráp lại.
Các hoạt động vận hành ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ của PHE trong dịch vụ H₂S. Thay đổi nhiệt độ dần dần (tránh sốc nhiệt), duy trì vận tốc trong phạm vi thiết kế (để giảm thiểu xói mòn trong khi ngăn ngừa bám bẩn) và thực hiện các quy trình tắt máy thích hợp (thoát hoàn toàn để ngăn ngừa ăn mòn cục bộ) đều góp phần kéo dài tuổi thọ phục vụ.
Bộ trao đổi nhiệt dạng tấm đã chứng minh giá trị của chúng trong các hệ thống xử lý hydro sulfua, mang lại ưu điểm kỹ thuật và lợi ích kinh tế trên nhiều ứng dụng trong quá trình xử lý khí, lọc dầu và sản xuất hóa chất. Sự phát triển của các thiết kế PHE—từ cấu hình có gioăng đến bán hàn và hàn hoàn toàn—đã giải quyết những thách thức độc đáo do các dòng chứa H₂S gây ra, bao gồm các vấn đề về ăn mòn, bám bẩn và độ tin cậy vận hành.
Trong quá trình làm ngọt khí tự nhiên, PHE thể hiện hiệu suất vượt trội trong quá trình trao đổi amin nghèo/giàu, cung cấp khả năng thu hồi nhiệt nâng cao trong khi chịu được các dung dịch amin giàu ăn mòn. Trong các ứng dụng nhà máy lọc dầu, chúng mang lại hiệu quả đặc biệt trong các đơn vị hydrodesulfurization, góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng đáng kể. Các ứng dụng chuyên biệt trong các đơn vị thu hồi lưu huỳnh làm nổi bật khả năng thích ứng của công nghệ PHE với các chức năng trao đổi nhiệt phản ứng tích hợp.
Sự phát triển liên tục của các vật liệu chống ăn mòn, hình học tấm sáng tạo và các thiết kế lai hứa hẹn sẽ mở rộng hơn nữa các ứng dụng PHE trong các quy trình liên quan đến lưu huỳnh. Khi các điều kiện xử lý trở nên khắc nghiệt hơn với các tiêu chuẩn môi trường chặt chẽ hơn và nguyên liệu ngày càng thách thức, những ưu điểm vốn có của bộ trao đổi nhiệt dạng tấm—kích thước nhỏ gọn, hiệu quả nhiệt và tính linh hoạt trong thiết kế—đặt chúng vào vị trí là những người đóng góp ngày càng quan trọng cho hoạt động an toàn, đáng tin cậy và tiết kiệm trong các dịch vụ đòi hỏi khắt khe này.
