Soluções de transferência de calor para fabricação de produtos químicos: um guia prático de design

Um aquecedor de processo que dispara 40 MW normalmente envia de 6 a 10 MW dessa energia para fora da pilha como calor sensível. Nas fábricas de produtos químicos, o trocador que o recupera raramente é a parte difícil do projeto. As partes difíceis são o ponto de orvalho ácido do gás de combustão, o comportamento incrustante da corrente do processo e a redução entre a taxa máxima e a operação estável mínima. Resolva esses três corretamente e a superfície de transferência de calor quase se dimensionará.

Onde os processos químicos realmente perdem calor

O calor recuperável em uma planta química sai através de quatro fluxos: gás de combustão do aquecedor, exaustão do forno e do oxidante, gás de exaustão do reator exotérmico e condensado de grau inferior. Cada um carrega uma restrição diferente, e uma unidade projetada para uma tarefa terá um desempenho inferior em outra.

Comece com uma campanha de medição em vez de uma planilha de dados. Registre a temperatura dos gases de combustão, a carga de oxigênio e poeira durante um ciclo de produção completo, incluindo o ciclo de limpeza do queimador. Um aquecedor que marca 340 C na taxa máxima geralmente marca 290 C à noite, e essa oscilação de 50 C move a margem do ponto de orvalho mais do que qualquer escolha de material que você possa fazer posteriormente.

O ponto de orvalho ácido define a temperatura da parede

A temperatura limite em um duto de exaustão química é a temperatura da parede metálica, não a temperatura do gás. O trióxido de enxofre e o vapor de água combinam-se na camada limite e condensam-se como ácido sulfúrico líquido em qualquer superfície abaixo do ponto de orvalho, e o ataque começa nas pontas das aletas, onde a parede é mais fria.

O ponto de orvalho da água fica bem mais baixo, geralmente entre 45 e 60°C, e raramente é a restrição por si só. Fluxos contendo cloreto são um problema separado. O cloreto de hidrogênio da alimentação clorada ou do sal contido nos resíduos condensa-se como ácido clorídrico e ataca os tipos de aço inoxidável que sobreviveriam a um gás de combustão limpo por uma década.

As opções práticas, aproximadamente em ordem de custo:

• Tempere a entrada de água para que a parede mais fria do tubo fique 10 a 15 C acima do ponto de orvalho calculado, usando uma linha de recirculação ou um desvio do economizador.
• Especifique tubos revestidos de aço ND ou esmalte onde a função força a temperatura da parede abaixo do permitido pelo ponto de orvalho.
• Use superfícies revestidas de ferro fundido ou polímero para correntes de cloreto de hidrogênio e sal de cloreto, mesmo às custas da eficiência da transferência de calor.
• Adicione um estágio economizador de baixa temperatura somente atrás de um desvio que possa elevar a temperatura da água de entrada em carga parcial. O diferenças entre economizadores de baixa temperatura e comuns sente-se principalmente neste detalhe de controle, e não no próprio feixe de tubos.

Economizador ou caldeira de calor residual: combine a unidade com o serviço

Se o calor recuperado for desejado como água de alimentação de caldeira pré-aquecida ou como fluido de processo aquecido, especifique um economizador. Se for desejado como vapor para ejetores, refervedores ou turbinas, especifique uma caldeira de calor residual ou um gerador de vapor de recuperação de calor. Os dois não são intercambiáveis, e um economizador solicitado a aumentar o vapor começará a ferver dentro de seus tubos meses após o comissionamento.

Uma verificação útil é o balanço anual de vapor. Se o local puder consumir o vapor produzido durante todo o ano, a caldeira terá retorno mais rápido. Se a procura de vapor for sazonal, o aquecimento da água de alimentação através de um economizador é o investimento de menor risco, mesmo quando a caldeira recuperaria mais quilowatts no papel.

Economizador de gases de combustão de equipamentos de processo Para a demanda sazonal de vapor, aquece a água de alimentação usando gás de combustão do processo e reduz a carga da caldeira ao manusear gases de escape corrosivos ou explosivos. Ver Produto →

Caldeira de recuperação de calor residual industrial Para a demanda de vapor durante todo o ano, captura o calor residual do processo para gerar vapor com designs adaptáveis para gases de combustão empoeirados ou corrosivos. Ver Produto →

Tubos com aletas decidem a pegada, a perda de corrente de ar e a limpeza

A superfície estendida é o que transforma uma seção de duto de oito metros em um módulo de dois metros, mas a geometria das aletas decide com que frequência a unidade deve ser limpa e quanto de potência do ventilador custa essa superfície extra.

Os tubos com aletas do tipo H soldam duas meias aletas em forma de H em cada lado do tubo. As pistas de gás permanecem retas e abertas, a poeira cai em vez de formar uma ponte entre as aletas e os sopradores de fuligem retráteis podem atingir toda a profundidade da margem. Os tubos com aletas em espiral carregam mais superfície por metro e são adequados para gás limpo, mas na poeira alcalina pegajosa o tom próximo cega e a queda de pressão aumenta em semanas.

Tubos lisos ainda têm um lugar em tarefas altamente incrustantes, onde a tolerância à corrosão, e não o coeficiente de transferência de calor, define a espessura da parede.

A velocidade do gás é a variável silenciosa em cada seleção. Abaixo de cerca de 8 m/s a poeira deposita-se nas fileiras principais; acima de 12 m/s, a erosão nas duas primeiras fileiras acelera e a vida útil do tubo cai drasticamente. Os arranjos em linha prejudicam menos que os arranjos escalonados, mas transferem um pouco menos calor por fileira, o que geralmente é o comércio certo em serviços químicos.

Tubo com aletas tipo H para gases de combustão carregados de poeira As aletas em forma de H limitam a deposição de poeira e mantêm baixa a resistência aos gases de combustão, adequando-se aos trocadores de calor residual onde a incrustação e o controle de velocidade são importantes. Ver Produto →

A conformidade com o código e a qualidade da soldagem são riscos de aquisição

A conformidade da peça de pressão decide quem assina o projeto térmico e quem assume o risco se um tubo falhar. Não é uma papelada anexada a um trocador de calor após a conclusão do cálculo térmico.

• Selo de código de projeto: ASME Seção I para unidades geradoras de vapor, Seção VIII Divisão 1 para trocadores não queimados.
• Certificação do material conforme EN 10204 3.1 com números de calor rastreáveis ​​ao certificado da fábrica.
• Procedimento de soldagem e registros de qualificação do soldador mantidos de acordo com a ISO 3834-2.
• Radiografia ou imagem de raios X em tempo real das juntas do tubo até a plataforma, com uma biblioteca de filmes que corresponde ao mapa de solda.
• Registros de testes hidráulicos e relatórios dimensionais emitidos antes do envio, não após a chegada.

Os fabricantes que realizam soldagem, radiografia e hidroteste dentro da mesma planta podem atender essa solicitação durante a licitação. Um fornecedor com linhas de soldagem automatizadas, imagens de raios X internas e um sistema de qualidade documentado, como a equipe descrita neste perfil de capacidade de fabricação , é mais fácil de auditar do que uma empresa comercial que monta pacotes de vários subfornecedores.

Uma sequência de especificações que sobrevive à revisão

A maioria das especificações que falharam vem da correção do tipo de equipamento antes que os dados do processo sejam resolvidos. Execute essas cinco etapas em ordem e o projeto térmico seguirá sem discussão.

1. Corrija o dever e o intervalo de abertura. Indique o calor recuperado em kW à taxa máxima, a 70 por cento e à taxa mínima estável, e confirme qual dos três governa a área de superfície.
2. Caracterize o fluxo. Composição, teor de enxofre, umidade, nível de cloreto e carga de poeira, com ponto de orvalho ácido calculado em vez de assumido.
3. Defina a pitada. Escolha a temperatura do gás de saída 10 a 15 C acima do ponto de orvalho calculado e, em seguida, verifique a abordagem do lado da água com carga parcial, e não apenas na taxa projetada.
4. Selecione a superfície. Escolha o tipo de aleta da carga de poeira, defina a velocidade do gás entre 8 e 12 m/s e dimensione os sopradores de fuligem ou o acesso de lavagem com água ao mesmo tempo.
5. Inspeção e entrega de fechaduras. Adicione uma margem de incrustação de 10 a 20 por cento extra de superfície e confirme o mapa de solda, o escopo do END e o cronograma de teste hidráulico no pedido de compra.

Perguntas comuns de engenheiros de processos químicos