デザイン

高温ガス対ガス熱交換器は硫酸プラント内で一般的に見られ、触媒床の交換器または予熱器として、また硫黄炉の予熱器として機能します。

これらの復熱装置では、非常に高い温度と高い温度差が発生します。 通常、両方ではないにしても少なくとも一方のガス流は、凝縮すると非常に腐食性が高くなります。

一般的な故障モード

標準的なシェルとチューブの設計が採用されている場合、いくつかの故障モードが発生する可能性が高くなります。 これらには次のものが含まれます。

コールドエンド腐食 – 冷たいガス流は、多くの場合、高温ガス流に含まれる成分の露点より低い温度で熱交換器に流入します。 これにより、材料の表面温度がその露点を下回る可能性が生じます。 これらは一般にコールド スポットと呼ばれます。 ガス流がコールドスポットに接触すると、結露が発生します。 結果として生じる酸は、一般にコールドエンド腐食と呼ばれる局所的な腐食を引き起こします。

コールドエンドのファウリング – SO3 が豊富なガス流が存在する場合、コールドスポットにより SO3 が沈殿します。 SO3 は金属管壁との強力な結合を形成します。 これらの堆積物は蓄積し続けるため、メンテナンスのためにユニットを停止しないと、結果としてガス流が遮断され、明らかな容量の問題が発生します。

ストレスによる故障 – 高温のガス対ガス復熱装置は、急速かつ極端な温度変化にさらされます。 これにより、材料は急速かつ大幅に膨張および収縮します。 標準的なシェルとチューブの設計では、チューブ束内の温度分布が不均一であるため、チューブは異なる速度で膨張する可能性が高くなります。 これにより、管によって管板に不均一な力が加わり、最終的には管板の溶接が破損します。

予期せぬ圧力降下 - 圧力降下が予想よりも高い場合、動作流量も予想よりも少なくなります。

これらの故障モードはすべて、再生熱交換器の性能を妨げ、最終的にはプラント全体の性能を妨げます。 一度稼働すると、修復や修理には非常に費用と時間がかかります。 改善しない場合、動作寿命が数年程度短くなる可能性があります。

ソリューション

意図した用途を徹底的に評価し、これらの動作上の要求と上記の故障モードを念頭に置いて復熱器を設計することが不可欠です。 信頼性と効率を回復熱交換器に設計できるように、設計段階で問題に対処する必要があります。

コストのかかる調整や修理を回避し、全体的な動作寿命と生産性を最大化するには、ユニットの製造前にコールド スポット、不均一な応力、圧力降下に対処するためにユニットの徹底的な分析が不可欠です。

経験と専門知識があれば、解決策は簡単です。 目標は、ユニット内に熱対称性を作り出すことです。 次の機能は、その目標を達成するのに役立ちます。

可変ピッチのチューブ束 – ピッチ、つまりチューブ間の距離は列ごとに異なります。 これにより、管束全体にわたってより均一な流量分布が可能になり、管板全体の温度が均一になります。 これにより、圧力損失の低減と熱効率の向上にも貢献します。

ユニークなバッフル配置 – 標準的なシェルとチューブの配置とは異なり、一般的な向流に加えてクロスフローとパラレルフローの組み合わせとなる入口の位置とバッフル配置がすべて利用されています。 複数のパスが組み込まれているため、冷たいガス入口の流れを既存の熱いガスの流れから遠ざけることができ、それによって問題となるコールドスポットを回避できます。 この配置により、温度の均一性がさらに高まります。

完全な環状入口プレナム – プレナムにより、ガス流が低速で復熱装置に流入できるようになり、均一性が促進され、コールド スポットがさらに回避されます。 この設計はまた、接続部で一般的な圧力損失の高い孤立した領域を回避し、ユニットの効率を高めます。

CFDとFEA解析による設計

数値流体力学 (CFD) と有限要素解析 (FEA) は、圧力降下、熱伝達率、温度、および復熱器を通る流れを検証するために必要な徹底的な評価の中核です。 チューブのピッチ、バッフルとプレナムの配置を決定する際には、経験が出発点となります。 設計は、その後の実行で証明されるまで、初期分析に基づいて調整されます。 この分析は、5 年の動作寿命と 20 年以上の動作寿命の違いを表します。

簡略化されたテクニック

CFD および FEA プログラムは年々強力になってきており、非常に細かいメッシュで非常に大規模なモデルを解析できるようになりました。 非常に敏感で収束が難しい熱伝達モデルを解析できます。 ただし、これにはかなりのコンピュータ時間がかかり、設計作業の初期段階でプロジェクトの大まかな予算価格が必要な場合には、常にそれが可能であるとは限りません。

最も関心のある領域に焦点を当てることを含む、このモデリングを簡素化する手法があります。 経験上、これらは最も頻繁に故障が発生する場所であるため、通常は低温領域にあることがわかっています。

この対象領域の解析には、チューブの内側と外側のガスの流れやチューブ壁自体の詳細なモデルなど、非常に複雑な一連の表面が含まれます。 バンドル全体のすべてのチューブに対してこの分析を完了するには、非常に時間がかかり、面倒です。

初期/予算に応じた規模設定と取り決めを提供するには、初期スクリーニングで簡素化されたアプローチが必要です。 この初期スクリーニングでは、標準境界層と対流熱伝達係数に基づいてガス流の仮定を立てることができます。 チューブを単一の表面としてモデル化するという仮定を立てることもできます。

単純化されたモデルを使用すると、「対象領域」の分析を比較的迅速に完了して、その領域におけるコールド スポットの可能性の疑いを確認できます。

その後、復熱器の設計を変更して再解析することができます。 単純化されたモデルでは、最も有利な配置に焦点を合わせるために複数回の反復を実行することが現実的です。

調整と再評価

「対象領域」の最初の分析で得られた結果に基づいて、チューブのピッチが変更され、シェル側での流れがより均一になり、チューブシート全体でより均一になるようになります。 空気入口は、より暖かいチューブ壁温度と一致するように、シェルのさらに上に再配置されます。 次に、この独特の入口位置に合わせてバッフルの配置が調整されます。

バッフルはまず空気を並流配置で導き、高温ガスと平行に流れます。 これにクロスフローのセクションが続き、流れの残りはチューブ内の高温ガスへの逆流に向けられます。 バッフルも圧力損失を最小限に抑えるように評価されています。

デザインの完成

この議論で、復熱器の動作寿命に重大な影響を与える他のいくつかの考慮事項について言及しないのは不作為です。

伸縮継手

熱膨張による応力を軽減するために、フランジ付きおよび流体拡張継手がシェルに沿って設計および配置されています。 伸縮継手は設置中に事前に圧縮されるため、動作中に経験する高温でもほぼ正常に動作します。

素材の選択

材料を選択する際には、最大動作温度とガス組成を考慮する必要があります。 CFD 解析によって決定される最高金属温度とストリームの組成が、材料の決定に使用される主な基準です。 材料と製造のコスト、可用性、および望ましい動作寿命も方程式の一部です。 コストを最小限に抑え、動作寿命を最大限に延ばす材料を決定するには、経験と専門知識が最適なツールです。

振動解析

他の熱交換器の設計と同様に、振動の可能性を検討する必要があります。 バッフルの配置とノズルの構成を微調整することで振動の懸念を排除でき、設計段階で簡単に対処できます。 振動を無視すると、現場での対処に多大なコストがかかる可能性があります。

フローティングチューブシート

回収熱交換器の構成、サイクルの頻度、および温度の急激かつ極端な上昇に応じて、フローティングチューブシートが推奨される場合があります。 フローティングチューブシートは、これらの条件によって引き起こされる追加の応力を吸収し、溶接欠陥の懸念をさらに排除します。

設計段階で問題を解決することが成功の鍵です

結論として、コールドエンドの腐食や汚れの可能性に対処し、不均一な応力を最小限に抑え、設計段階で圧力降下を評価することは、長期的なコスト削減と最大の動作寿命にとって非常に重要です。 これは、CFD および FEA 解析を活用した経験が最も効果的です。 設計段階でこのように細部に注意を払うことで、20 年以上の動作寿命を持つ復熱器が完成します。

追加リソース