انواع مبدل حرارتی و رسوب زدایی مبدل حرارتی

رسوب زدایي مبدل هاي حرارتي با استفاده از روش هاي شیمیایي و مکانیکي

 

 

مبدل هاي حرارتي یکي از تجهیزات حیاتي در واحد فرآیندي مي باشند که کارکرد مناسب آنها نقش تعیین کننده اي در کاستن از هزینه هاي تولید دارد. یکي از مشکلات اصلي دراستفاده از این تجهیزات، پدیده رسوب گذاري مي باشد که باعث کاهش راندمان حرارتي مبدل شده و علاوه بر افزایش هزینه تولید باعث کاهش کیفیت یا مقدار محصولات تولید شده نیز مي گردد. بدیهي است که در بیشتر موارد جلوگیري از تشکیل رسوب غیر ممکن است ولي با اتخاذ تدابیر مناسبي مانند تمیز کاري مبدل ها در فواصلزماني مناسب و همچنین کاستن از عوامل ایجاد رسوب تا حد ممکن میتوان زیانهاي ناشي از این پدیده را به مقدار حداقل رساند. انتخاب بهینه ترین روش تمیز کاري مبدل یکي دیگر از عواملي است که مي تواند علاوه بر کاهش هزینه ها عمر مبدل ها را نیز افزایش دهد. مهمترین عاملي که در انتخاب روش تمیز کاري باید بدان توجه کرد نوع و مقدار رسوبات ایجاد شده در مبدل مي باشد. 

1-مقدمه

در صنایعي مانند نفت، گاز و پتروشیمي همواره سعي بر این است با استفاده از روش هاي مختلف از بروز مشکل تشکیل رسوب در تجهیزاتي مانند مبدل هاي حرارتي پیشگیري شود. اگر چه در این زمینه هزینه هاي زیادي صرف مصرف مواد شیمیایي و افزودني های اکثر مبدل های حرارتی جهت جلو گیري از رسوب گذاري مي شود، اما  اکثر مبدلهای حرارتی در صنعت به دلیل عدم رعایت دستور العمل هاي عملیاتي یا عدم سازگاري با مواد شیمیایي و یا به دلیل کیفیت پائین آبهای مناطق مختلف به نوعي در معرض رسوب گذاري قرار مي گیرند. این رسوبات بیشتر در لوله ها یا تیوب هاي مبدل هاتشکیل مي شوند و باعث کاهش انتقال حرارت در مبدل مي گردد که در نتیجه آن هزینه هاي تولید افزایش مي یابد. براي کاستن اثرات ناشي از پدیده رسوب، عملکرد مبدل بایستي پیوسته تحت نظر و تمیز کاری قرار گیرد و همچنین در فواصل زماني معین مناسب مبدل ها انجام شود.

2- رسوب گذاری مبدل ها و اثرات آنها

در فرآیندهاي صنعتي رسوب ها انواع مختلفي دارند که برخي از آنها در ادامه ذکر شده است:

  • رسوب ذرات ریز معلق
  • رسوب گذاري ناشي از خوردگي
  • رسوب گذاري بیولوژیکی
  • رسوب گذاري به علت تشکیل کریستال های جامد
  • رسوب گذاري در اثر یك واکنش شیمیایی
  • رسوب گذاری در اثر انجماد رسوب

در بسیاري از موارد رسوب ایجاد شده ناشي از یك عامل نمي باشد ولي معمولا یکي از عوامل به عنوان مهمترین عامل در ایجاد رسوب مي باشد. به دلیل اینکه ایجاد پدیده رسوب در مبدلها گریز ناپذیر است بر اساس توصیه انجمن تولید کنندگان مبدل هایپوسته لوله (TEMA)همواره مقداري مجاز براي رسوب در طراحي مبدل ها در نظر گرفته مي شود تا ایجاد رسوب تا حد مجاز تاثیر زیادي در فرآیند تولید نداشته باشد.  اما در تمامي موارد باید تمیزکاري مبدل در فواصل زماني مناسب جهت کاهش هزینه ها و جلوگیري از مشکلات فرآیندي صورت گیرد.

 

2-1- زمانهای مناسب تمییزکاری مبدل ها

با توجه به اینکه مبدل ها بخشي از فرآیند مي باشند در صورت تشکیل رسوب جهت حفظ مقدار حرارت منتقل شده دماي سیال گرم بایستي افزایش یابد. این افزایش دما مي تواند منجر به افزایش هزینه انرژي ورودي به فرآیند یا کاهش میزان تولید گردد که در هر دو حالت هزینه هایي را به فرایند اعمال مي کند که هزینه رسوب گذاري گفته مي شوند. واضح است که براي اتخاذ تصمیمات مناسب اقتصادي این هزینه ها بایستي در زمان هاي مختلف و متناسب با مقاوت انتقال حرارت ناشي از پدیده رسوب محاسبه گردند. 

در سال 1891 "ما" و "ایپستین" نشان دادند که چگونه فواصل زماني تمیز کاري مناسب را مي توان با مدلسازي متوسط هزینه ناشي از دست دادن زمان  به دلیل تمیز کاري و همچنین هزینه هاي تمیز کاري با سرعت تشکیل رسوب به دست آورد بطوري که هزینه ها به کمترین مقدار خود برسد.

بطور کلي زمان تمیز کاري را باید با در نظر گرفتن تاثیر رسوب بر فرآیند محاسبه کرد و به یك مقدار بهینه دست یافت. تمیز کاري در فواصل زماني کم باعث افزایش زمان از سرویس خارج بودن مبدلها مي شود، بنابر این علاوه بر افزایش هزینه هاي تمیزکاري به دلیل کاهش محصولات مقدار درآمد یك مجتمع تولیدي را نیز کاهش مي دهد. همچنین در صورتي که تمیز کاري در فواصل زماني طولاني صورت گیرد به دلیل افزایش رسوبات، نیاز به انرژي جهت حفظ دماي سیالات افزایش مي یابد. علاوه بر آن در مواردي گرفتگي بیش از حد مبدل ها تولید یك مجتمع را نیز مي تواند مختل کند.

3-روشهای تمییزکاری مبدل های حرارتيهاي

 تمیز کاري تیوب هاي مبدل هایي حرارتي براي افزایش کارایي مبدل هایي که دچار پدیده رسوب شده شوند، بایستی در فواصل زمانی معین انجام گیرد. هر زمان که رسوب حدودی سطح داخلي تیوب به حالت اولیه خود که در واقع سطح فلز است بر مي گردد و باعت افزایش زمان عمر تیوب میگردد. بعد از تمیز کاري لایه نازکي از اکسید در سطح تیوب تشکیل مي گردد که خود به عنوان عامل جلوگیري از خورندگي عمل مي کند. تمیزکاري تیوب هاي مبدل هاي پوسته لوله فقط در صورتي انجام مي گیرد که مبدل در سرویس نباشد. روشهاي مختلفي براي تمیز کاري اعم از شستشوي مکانیکي و شستشوي شیمیایي استفاده میشود.

3-1- شستشوی شیمیایی

هنگام بروز نقص یا کاهش انتقال حرارت در مبدل ها پس از خارج کردن مبدل از سرویس، بایستي آزمایشات شیمیایي لازم با توجه به شرایط فرآیند بر روي نمونه هاي موجود از رسوبات انجام شود تا نوع رسوبات اعم از رسوب ناشي از سیال فرآیندي و یا رسوبات ناشي از خوردگي مشخص گردد. پس از مشخص شدن نوع رسوب، مبدل ها توسط تجهیزات خاص مورد استفاده تحت شستشو قرار مي گیرند. این تجهیزات معمولا از چند مخزن با پوششهای مخصوص ضد خوردگي ساخته مي شوند که متناسب با نوع فرایند شستشو با مواد شیمیایي مناسب پر شده و با لوله هایي به هم متصل میباشند. براي برقراري جریان، پمپ هایي در نظر گرفتهشده که با لوله هاي انعطاف پذیر (Flexible pipe)به مولد مورد نظر متصل مي شوند و عمل چرخش(Circulation) شوینده را انجام مي دهند.

مواد و محلول هاي مختلفي از قبیل قلیاها، اسیدها، باز دارنده هايخوردگي، محلول هاي مرطوب کننده و حلال هاي آلي در شستشوي شیمیایي صنعتي مورد استفاده واقع مي شوند. انتخاب نوع حلال با توجه به جنس فلز و آلیاژ، میزان حلالیت رسوب و  همچنین هزینه اقتصادي آن انجام مي پذیرد برخي حلال هاي شیمیایي و کاربرد هاي آن ها در زیر ذکر مي شود:

- محلول Boil-out: براي زدودن آلودگي هاي آلي از مبدل ها و برداشتن رسوبات سخت و در مواردي که رسوبات به دلایل مختلف حاوي روغنهاي روان کننده، گریس و رنگ مي باشد استفاده مي شوند. از انواع این محلول ها مي توان به محلول سود و بي کربنات سدیم، مخلوط تري سدیم فسفات و دي سدیم فسفات، و متا سیلیسیلات سدیم اشاره کرد.

- پرمنگنات قلیایي: در شستشوي رسوبات پلیمري و قیري استفاده میگردد. اما باید توجه داشت که این محلول برروی فولاد اثر خوردگي دارد. 

- محلول هاي اسیدي: این گونه محلول ها مناسب ترین محلول هابراي حل کردن اکسیدهاي معدني و نمك هاي اسید ضعیف هستند. نکته بسیار مهم در کاربرد اسیدها اثر بالاي خورندگي آنها بر فلزات است که این امر کاربرد آن ها را در شستشوي مبدل ها به حداقل رسانده است. در برخي موارد توصیه شده است از اسیدهاي ضعیف آلي استفاده شود که فعالیت یون هیدروژن آن ها کمتر از اسیدهاي معدني است مانند اسید هیدروکسي استیك، اسید اگزالیك و اسید سیتریك.

- محلول هاي قلیایي: براي خنثي سازي باقیمانده اسیدهاي حاصل از شستشوي شیمیایي و کمك به رویین سازي سطح فلز شستشو شده استفاده مي شود. در مواردي که فلزهاي آلومینیوم، سرب و روي به کار رفته نباید استفاده شود.

- آمونیوم بي فلئورید(NH4HF4): با اضافه کردن این ماده مقدار کمي اسید هیدروکلریك، رسوبات سیلیکاتي ناشي از آب نظیر آکمیت.( Na2O.Fe2O3.4SiO2)آنالیست (Al2O3.4SiO2.Na2O) و منیزیم ارتو سیلیکات هیدرات را مي توان از تیوب هاي مبدل پاک کرد.

 - گلوکونات سدیم  (Sodium Gluconate): توانایي روغن زدایي و زنگ زدایي را همزمان دارد که به طور موفقیت آمیزي در چندین مورد آزمایش شده است. در اکثر موارد شستشو با حلال هاي شیمیایي پسماندهاي خطرناکي را به همراه مي آورد که جابه جایي و دفع آنها را از محل شستشو با خطرات زیادي همراه است و اثرات زیست محیطي مخربي را نیز مي تواند در بر داشته باشد. همچنین در این روش، جداسازي رسوبات بطور کامل صورت نمي گیرد و به روش هاي مکمل مکانیکي جهت تکمیل تمیز سازي و خارج کردن باقیمانده آنها نیاز است.

 

3-2- شستشوی مکانيکي

 بیشترین روشي که براي تمیزکاري مبدل انتخاب مي شود روش مکانیکي است از میان روشهاي مختلف استفاده از آب فشار بالا یکي از انتخابهاي متداول مي باشد. به دلیل اینکه جت آب به آرامي لوله ها را تمیز مي کند این روش وقت گیر مي باشد. ولي باید دقت کرد که در این روش تمیز کاري به آرامي و با دقت انجام گیرد چرا که در غیر این صورت مي تواند باعث تخریب تیوب ها و یا تیوب شیت گردد. که اکثر این تخریب ها بعد از در سرویس قرار دادن مجدد مبدل آشکار مي گردد.

 مهمترین ابزاري که براي تمیزکاري مکانیکي مبدل هایي که درسرویس نیستند بکار مي رود تمیز کننده هاي پلاستیکي هستند که Pigنامیده میشوند. این تمیز کننده ها در صورتي که مبدلداراي رسوب نرم  باشد کاربرد بیشتري دارند. برس هاي تمیز کاري نیز براي جدا کردن رسوبات نرم مناسب هستند این ابزارها رسوبات بیولوژیکي را بهتر تمیز کاري مي کنند. همچنین در صورتي که تیوب ها سایز کوچکتري داشته باشند یا داراي پوشش هایي از نوع اپوکسي باشند مي توان از این نوع تجهیزات استفاده کرد. شکل1 نمونه هایي از این تمیز کننده ها را نشان مي دهد.


براي تمیزکاري رسوبات سخت تر از تمیز کننده هاي فلزي استفاده مي شود. شکل 2  نمونه هایي از تمیزکننده هاي فلزي را  نشان مي دهد این تمیز کننده ها شامل قطعات فلزي Uشکل هستند که بر روي هم سوار مي شوند. طرز قرار گرفتن این قطعات بر روي هم به صورتي است که در مجموع تمامي سطح  داخلي تیوب را به یکباره تمیزکاري کند. این قطعات از یك انتها به یك قطعه پلاستیکي و یا لاستیکي متصل مي شوند و این امکان را بوجود مي آورند که از جت آب نیز بطور همزمان جهت تمیز کاري بهتر استفاده شود.


 آب مورد استفاده در تمیز کاري توسط یك دستگاه جت که آب را از طریق یك پمپ قابل حمل با فشارهاي مختلف تامین مي کند، به درون تیوبهاي مبدل تزریق مي شود. قابل حمل بودن این تجهیزات این امکان را بوجود مي آورند که بتوان از آنها در قسمتهاي مختلف یك واحد تولیدي استفاده کرد. در بیشتر موارد فشار آب مورد استفاده در حدود 300 Psig  می باشد، فشارهاي بالاتر امکان تخریب مبدل را بوجود مي آورد. در برخياز سیستم هاي تمیز کاري از مخلوط آب و هوا جهت تمیز کردن استفاده مي شود به دلیل اینکه امکان افزایش حجم یا به عبارتي انبساط هوا زیاد است استفاده از این روش خطراتي به دنبال دارد. نمونه اي از دستگاه هاي تزریق کننده آب پر فشار در شکل 3 و پمپ مخصوص به آن در شکل 4 نشان داده شده است.



مزیت دیگر استفاده از آب به عنوان تمیز کننده این است که مي توان رسوبات جدا شده را جمع آوري کرد و پس از خشك کردن با آنالیز آنها به منشاء آن ها دست یافت و تا حد امکان سعي در بر طرف کردن عوامل ایجاد کننده رسوب نمود.

با افزایش سطح تماس تجهیزات تمیز کننده مي توان کارایي آنها را افزایش داد به عنوان مثال تمیز کننده هایي که  داراي 6 کاردک هستند همانند آنچه در شکل 5مشاهده مي شود بهتر از تمیز کننده هایي با 2 کاردک عمل مي کنند. استفاده از تمیز کننده هاي با سطح تماس زیاد نه تنها زمان تمیزکاري را کاهش مي دهد بلکه در مورد رسوباتي که شامل چندین نوع رسوب مختلف هستند نیز بسیار مناسب تر مي باشند.

براي تمیزکاري رسوبات کلسیکي که بسیار سخت هستند و حتي تمیز کاري آنها با استفاده از اسید نیز مشکل است از تمیز کننده هاي ویژه اي استفاده مي شود. همانگونه که در شکل6  نشان داده شده این تمیز کننده ها از یك بدنه تفلوني که چندین تیغه برنده چرخشي به آن متصل شده تشکیل شده اند. زاویه قرارگیري این تیغه ها طوري طراحي شده که بیشتر بازده تمیز کاري را داشته باشند. این تمیزکننده ها بطور گسترده براي تمیزکاري رسوبات کلسیکي کندانسورها و مبدل هاي بخش سرویس هاي جانبی Utility  مورد استفاده قرار مي گیرند.


 در برخي مبدل ها که تیوب ها بصورتU  شکل هستنداز تمییزکننده های قابل انعطاف خاصي براي تمیز کاري رسوبات نرم استفاده مي شود. در شکل 7 یك نمونه از تمیز کننده هاي انعطاف پذیر نشان داده شده است.


 رسوبات نرم را مي توان توسط برس هاي مخصوص به همراه آب یا شوینده ها نیز تمیز کاري کرد. رسوبات سخت تر نیازمند استفاده از مته  به همراه آب مي باشند که آب علاوه بر کمك در تمیزکاري به عنوان سرد کننده مته و جلوگیري کننده از تخریب مبدل عمل مي کند. براي رسوبات بسیار سخت که جدا سازي آن ها بسیار مشکل است از فشار بالاي هوا استفاده مي شود که توسط یك کمپرسور تامین مي شود با استفاده از مته هاي مناسب وبرس هاي ویژه رسوبات تیوب ها جداسازي میگردند. شکل8 یك نمونه از این تجهیزات را نشان میدهد.

 

 

4-نتيجه

از آنجا که مبدلهاي پوسته و لوله از جمله بخشهاي اساسي یك فرآیند محسوب مي شوند و شرایط عملکرد آنها تاثیر قابل توجهي در وضعیت اقتصادي یك مجتمع دارد، براي انتخاب یك روش مناسب جهت تمیز کاري و در نتیجه افزایش کارایي و بازده مبدل ها باید تمهیدات ویژه اي در نظر گرفت. روش انتخاب شده از بین روشهاي مکانیکي و شیمیایي علاوه بر کارایي مناسب بایستي کمترین صدمه را به مبدل وارد آورد تا هزینه هاي تعمیر و نگهداري مبدل کاهش یابد. اگر چه با شستشوي شیمیایي مي توان نسبت به رسوب زدایي مبدل ها اقدام نمود ولي همواره سعي بر این است که از حداقل مواد شیمیایي و خطرناک استفاده شود. مشکل اصلي در روش شستشوي شیمیایي هزینه بالا و اثرات زیست محیطي مواد دور ریز مي باشد. همچنین در این روش، جداسازي رسوب ها بطور کامل صورت نمي گیرد و به روش هاي مکمل مکانیکي جهت تکمیل تمیز سازي نیاز است. علاوه بر این جهت افزایش کارایي مبدل ها در مواجهه با مشکل تشکیل رسوب، داده هاي تجربي بایستي در یك دوره از عملکرد مبدل جمع آوري گردد تا با تجزیه و تحلیل آن، زمان مناسب براي تمیز کاري و همچنین روش مناسب جهت آن انتخاب شود.

نویسندگان: حمید رضارشيدي، حامداسلاميبندر امام خمیني(ره) ، منطقه ویژه اقتصادي پتروشیمي، سایت 4، پتروشیمي خوزستان