추상적인
현대 산업화가 발달하면서 저-탄소 산업은 피할 수 없는 추세가 되었습니다. 다양한 산업 분야에서 전통적인 열교환 장비를 대체하기 위해 고효율 및 에너지 절약형-열교환기가 개발되었습니다. 그러나 열교환기의 성능 개선만으로는 전체 생산 시스템에 대한 최적의 에너지{5}}절감 효과를 얻을 수 없습니다.
본 논문에서는 석유화학 산업의 실제 운영 조건을 바탕으로 다양한 유형의 열 교환기의 적용 환경, 에너지 절약 기술 개발-, 오염 제거 및 결함 처리에 대한 연구 진행 상황을 검토합니다. 새로운 연구 방향도 제시됐다.
열 교환기라고도 알려진 열 교환기는 주로 서로 다른 유체 사이의 열 전달을 달성하는 데 사용되는 장치입니다. 석유화학 생산 중에 공정 매체를 가열하거나 냉각해야 하는 경우가 많습니다. 다양한 작동 조건 및 생산 요구 사항에 따라 다양한 유형의 열 교환기를 선택하여 공정 유체가 필요한 온도 수준에 도달하고 화학 반응 공정의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
작동 원리와 기능으로 인해 열교환기는 전체 정제 공정에서 중요한 역할을 합니다. 이는 공정 유체의 적절한 온도 제어를 보장하고, 정제 시스템의 안정적인 운영을 유지하며, 에너지 절약을 위한 폐열 회수를 위한 핵심 장비입니다. 또한, 열교환 장비는 석유화학 산업에서 널리 사용되기 때문에 장비 투자비에서 차지하는 비중이 크다. 이와 관련된 에너지 소비 및 금속 손실 또한 주의가 필요한 주요 요인입니다.
1. 석유화학산업에서의 열교환기 적용 경과
1.1 폐열 회수에 히트파이프 열교환기 적용
히트 파이프 열 교환기는 석유 산업, 특히 고유황 연료와 관련된 공정에서 열악한 폐열 회수 조건에 성공적으로 적용되었습니다.
석유화학 생산 공정에서는 고온-가열 및 분해 장비가 필수적입니다. 예를 들어, 경질 올레핀 생산에는 고온- 석유 나프타 분해로가 일반적으로 사용됩니다. 이 용광로의 배기가스 온도는 200~400도에 달할 수 있습니다. 가혹한 작동 환경으로 인해 발생된 폐가스는 대기 중으로 직접 배출될 수 없습니다.
공기 예열 히트파이프 열교환기는 배기가스의 잔열을 활용하여 연소 공기를 예열할 수 있어 에너지 효율을 높이는 동시에 환경 오염을 줄일 수 있습니다.
최근 몇 년 동안 더 나은 에너지 절약 및 폐열 회수 성능을 달성하기 위해 관형 열 교환기의 다양한 조합이 국내외에서 널리 채택되었습니다. 주요 생산 공정은 그림 1에 나와 있습니다.
1.2 냉각 및 열교환 공정에서 나선형 배플 열교환기의 적용
나선형 배플 열교환기는 새로운 유형의 고효율 열교환 장비입니다.- 이 개념은 1930년 스웨덴의 Rosenbland 회사가 제안한 나선형 판형 열교환기 구조에서 유래되었으며 이후 특허를 받았습니다. 이후 영국, 미국, 독일, 구소련 등의 국가에서도 유사한 장비를 개발, 제조했습니다.
중국은 1950년대에 화학 산업에 이 기술을 도입하고 적용하기 시작했습니다. 1960년대 중반까지 국내 제조사들은 압연공정을 통해 대량생산을 이루었다. 1973년 중국이 편찬한나선형 판형 열교환기 도면 선택 매뉴얼. 최신 표준, JB/T4751나선형 판형 열교환기(2003년판)은 중국의 나선형 판형 열교환기 기술 개발 수준을 나타냅니다.
기존 열교환기와 비교하여 나선형 판형 열교환기는 더 높은 열 전달 계수와 유체 난류로 인한 자가 세척 기능을 포함하여 퇴적물 축적을 방지하는 데 도움이 되는 장점이 있습니다.
따라서 석유화학 산업에서 나선형 판형 열교환기는 휘발유, 디젤 연료, 암모니아수, 염소수, 염수, 강산, 강알칼리 및 질소-수소-암모니아 혼합 가스를 포함하는 가열 및 냉각 공정에 주로 사용됩니다.
또한 알코올, 수지, 요소, 소분자 단량체, 중합 올레핀 및 관련 중간 생성물의 가열, 냉각, 응축 및 재비등 시스템에도 널리 적용됩니다.
Hao Zhenlianget al. 쉘-측 압력 강하와 유량 사이의 관계, 레이놀즈 수(Re) 및 누셀트 수(Nu)에 따른 쉘-측 대류 열 전달 성능의 변화, 나선형 배플 및 세그먼트 배플 열 교환기에 대한 단위 압력 강하 조건 하의 쉘{3}}측 열 전달 계수를 실험적으로 연구했습니다.
그들의 연구는 다양한 작동 조건에서 장비 선택에 대한 지침을 제공했습니다. 주요 결론은 다음과 같습니다.
(1) 동일한 레이놀즈 수 조건에서 분할 배플 열 교환기의 쉘{1}} 측 대류 열 전달 계수는 나선형 배플 열 교환기의 것보다 높습니다.
(2) 동일한 쉘 직경 및 유량 조건에서 나선형 배플 열교환기의 쉘{1}}측 압력 강하는 나선형 각도와 음의 상관관계가 있습니다. 그러나 선택된 나선형 각도에 관계없이 압력 강하는 세그먼트 배플 열 교환기의 압력 강하보다 낮게 유지됩니다.
(3) 위의 두 가지 결론과 달리, 단위 압력 강하당 열 전달 성능을 고려할 때 나선형 배플 열 교환기의 쉘{1}} 측 대류 열 전달 계수가 더 높습니다. 나선형 각도가 약 40도일 때 대류 열전달 계수는 최대값에 도달하여 전체 열전달 성능이 가장 높습니다.
1.3 정유 분야에서-고효율 판형 열교환기의 에너지 절약 적용-
중규모 및 대규모{0}}정유소에는 다양한 유형의 열교환기가 약 400개 있을 수 있습니다. 이러한 시스템은 고압 및 고온 조건에서 작동하는 경우가 많습니다. 국제적으로 쉘-및-튜브 열 교환기는 8.4 MPa 압력 및 1500도 온도의 작동 수준에 도달했으며 열 전달 면적은 최대 6,700m²에 이릅니다.
해양 석유 플랫폼의 높은 건설 비용으로 인해 용접 판형 열교환기는 컴팩트한 구조, 경량 설계, 우수한 열 전달 성능 및 저렴한 비용으로 인해 해양 석유 생산에 널리 사용되었습니다.
주요 용도에는 기계 윤활유 및 담수(예: 엔진 재킷 냉각수) 냉각이 포함됩니다. 유전에서는 원유 가열 및 기타 공정에도 사용할 수 있습니다.
주요 과제는 프로세스 시스템의 설계 및 계산에 있습니다. 실제 생산에서는 불합리한 공정 설계로 인해 에너지 손실이 발생하는 경우가 많습니다.
Chen Jianweiet al. 석유화학 분야에 사용되는 냉각판 열교환기의 압력 강하 계산에 대한 이론적 연구를 수행했습니다. 열 교환기의 특성과 열 전달 원리를 기반으로 그들은 유동 채널을 따라 액체상이 선형적으로 증가한다고 가정하고 유동 채널 길이, 실제 질량 증기 품질 및 체적 증기 품질 사이의 관계를 확립했습니다. 계산 결과는 실제 운영 데이터와 일치했습니다.
주요 결론은 다음과 같습니다.
(1) 상-변화 조건에서 유체 압력 강하를 계산할 때 유체는 2상 또는 다상 흐름으로 간주되어야 합니다. 단상 흐름 또는 균질 흐름 모델은 다상 흐름 계산의 대체물로 사용되어서는 안 됩니다. 분리된 흐름 모델을 적용해야 합니다.
(2) 석유화학 산업의 냉각 공정 중에 부분 응축이 발생하여 열 전달 표면에 액체 필름이 형성될 수 있습니다. 따라서 플레이트-핀 열교환기와 같은 소형 열교환기를 선택할 때 합리적이고 경제적인 설계를 위해서는 구조적 매개변수를 고려해야 합니다. 단순히 열 전달 면적을 늘리고 안전 마진을 추가하는 것만으로는 충분하지 않습니다.
1.4 농축 및 건조 공정에서 박막 증발기의 적용
박막 증발기는 가성소다 농축, 황화나트륨 증발, 수지 건조 및 고무 건조와 같은 석유화학 공정에 일반적으로 사용됩니다. 이는 상당한 경제적 이점을 제공합니다.
주철 증발 팬과 같은 기존 장비와 비교할 때 열유로로 가열되는 박막 증발 열교환기는 다음과 같은 장점이 있습니다.
(1) 장비 설치 공간을 약 6% 줄일 수 있습니다. 이 공정을 통해 기계화된 증발이 가능하고, 운영이 단순화되며, 간헐적 생산을 연속 생산으로 전환하여 산업 효율성을 향상시킵니다.
(2) 회전하는 스크레이퍼에 의해 구동되어 열 전달 성능이 크게 향상됩니다. 표면의 증발 시간을 1분 미만으로 줄여 스케일링과 탄소 침착을 줄일 수 있습니다. 이 제품은 분해 가능성이 낮고 열-에 민감한 재료에 적합합니다. 동시에 침전물 형성이 감소하여 유지 관리 및 청소가 더 쉬워집니다.
(3) 주철 증발 팬과 비교하여 지지 열유로는 석탄 소비를 약 50% 줄일 수 있습니다. 압력이 없는 조건에서도 안전한 작동을 유지하면서 최대 300도까지 작동할 수 있습니다.
(4) 공정 확장-설계에 편리하며 기존의 케틀-형 건조기를 대체할 수 있는 장비입니다. 대규모 생산 확장 중에-규모 확대로 인한 편차는 상대적으로 작습니다.
그러나 실제 적용에는 여전히 몇 가지 기술적 과제가 존재합니다.
For example, scraper grooves are usually made of polytetrafluoroethylene (PTFE), which has excellent corrosion resistance but limited high-temperature resistance. One possible solution is to use materials such as graphite that provide both corrosion resistance and high-temperature resistance (>280도).
프로세스 파이프라인은 일반적으로 이음매 없는 파이프로 만들어지며 대략 30일마다 교체해야 할 수 있습니다. 가능한 개선 방법은 불소수지- 라이닝 열교환기 튜브와 같이 부식-내부 라이닝이 있는 스테인레스 스틸 파이프나 파이프를 사용하는 것입니다.
또한 순환 펌프와 관련된 부식 문제에도 추가 솔루션이 필요합니다.
2. 석유화학산업 열교환설비의 파울링 제거 및 대책
Steinhagen et al.에 따르면 뉴질랜드에서 3,000가지 유형의 열교환기를 조사한 결과 열교환기의 90% 이상이 오염 문제를 경험한 것으로 나타났습니다. 다양한 유형의 열 교환기 간의 오염 조건 비교가 그림 2에 나와 있습니다.
국내외 연구에 따르면 석유정제 및 화학산업의 파울링 처리와 관련된 연간 비용은 약 1,560만 달러에 달하며, 이로 인해 막대한 경제적 손실과 자원 소모가 발생하는 것으로 나타났습니다.
석유화학 산업의 실제 운영 조건에서 파울링의 형성 메커니즘과 분류는 주로 다음 범주로 나눌 수 있습니다.
부식 오염 모델
응고 오염 모델
표면 재료-유발 오염 모델
기체-오염 모델
화학 반응 오염 모델
실제 작동 예측 및 분석 중에 파울링은 이러한 메커니즘에 따라 분류될 수 있습니다. 다양한 운전 조건에 따라 적절한 열교환기 유형을 선택하고 최적의 청소 주기를 계산함으로써 경제적 손실을 줄일 수 있습니다.
또한, 석유화학 응용 분야의 고온 및 고압의 작동 환경을 고려한 -주요 처리 방법은 다음과 같습니다.
열전달 향상
기계적 청소 방법
화학적 세척 방법
온라인 모니터링 및 실시간{0}}청소 기술
3. 석유화학산업 열교환기의 고장 분석 및 유지보수
3.1 열교환기의 부식 및 마모 방지
석유화학산업의 열교환기 작동 중 부식 누출 사고가 자주 발생합니다. 이러한 고장은 안정적인 생산을 방해할 수 있으며 석유화학 시스템의 주요 장비 문제 중 하나로 간주됩니다.
이러한 누출문제는 크게 침식누설과 부식누출로 분류된다. 현재 솔루션은 주로 고장 발생 후 손상된 장비를 수리하고, 고장을 방지하기 위해 생산 프로세스를 개선하며, 열 교환기 재료 및 유형의 적절한 선택을 통해 장비 성능 저하를 줄이는 데 중점을 두고 있습니다.
3.1.1 열교환기의 부식 및 마모 원인
원자재 관점의 분석
석유화학 생산에 사용되는 원료, 특히 원유에는 복잡한 화학 성분이 포함되어 있습니다. 또한 원유는 일반적으로 점도가 높고 불규칙한 크기의 고체 입자를 포함하고 있습니다.
결과적으로 열교환기 표면과 접촉하는 작동 매체는 매우 복잡합니다. 장비는 물리적 마찰과 심각한 화학적 부식으로 인한 기계적 손상을 겪는 경우가 많습니다.
화학 공정 관점에서 분석
The entire petrochemical production chain often involves high-temperature (>1000도) 및 고압 작동 조건-. 다양한 형태의 부식이 동시에 발생하고 서로 상호 작용할 수 있습니다.
예를 들어, 생산 공정에서 요구되는 높은 유속은 침식 부식의 직접적인 원인이 되는 동시에 기존 부식 누출 문제도 가속화합니다.
따라서 열교환기 고장 시 누출과 부식은 대개 밀접한 관련이 있으며 장비 성능 저하를 가속화하는 시너지 효과를 낼 수 있습니다.
3.1.2 석유화학산업의 열교환기 부식 및 마모 분류와 대책
(1) 열교환기의 표면 부식 및 마모
표면 부식은 열교환기 튜브 누출의 가장 일반적인 원인으로 약 90%를 차지합니다.
석유화학 생산에 사용되는 공정 매체는 특정 수준의 점도와 접착력을 갖는 경우가 많습니다. 고체 입자와 기포가 포함된 고속- 유체는 열 전달 표면에 지속적으로 영향을 미쳐 최대 10MPa의 국부적 표면 압력을 생성하며, 이로 인해 피로 침식 및 금속 표면 손상이 발생할 수 있습니다.
따라서 공정 요구 사항에 따라 매체 흐름 속도가 2m/s보다 커야 한다고 명시하는 경우가 많습니다.
(2) 표면 퇴적물로 인한 전기화학적 부식
석유 정제 공정 중 공정 매체는 일반적으로 점도가 높으며 특정 조건에서 응고가 발생할 수 있습니다. 이로 인해 열 교환기 표면에 물질이 축적되어 침전물이 형성될 수 있습니다.
이러한 퇴적물의 불안정하고 불연속적이며 고르지 못한 특성으로 인해 균열과 틈이 발생할 수 있습니다. 이러한 틈의 내부와 외부 사이의 산소 농도 차이로 인해 전기화학적 부식이 발생할 수 있습니다.
관련 부식 반응은 주로 다음과 같습니다.
금속 용해 반응, 즉 양극 산화;
음극환원반응;
전기화학적 불균형으로 인해 부식이 점진적으로 확대됩니다.
(3) 열교환기 튜브 물측 표면의 부식
열 교환 시스템에서는 물이 열 전달 매체로 자주 사용되므로 물{0}}측 부식이 일반적인 문제가 됩니다.
주요 부식 메커니즘은 다음과 같습니다.
pH 값 감소;
수증기 침투;
용존 산소로 인한 공격;
염화물 이온(Cl⁻) 부식;
황화물 이온(S²⁻) 부식.
이러한 반응은 일반적으로 화학적 부식과 전기화학적 부식으로 나눌 수 있습니다.
열 교환기 튜브 물 측의 부식{0}}방지 재료에 대한 요구 사항은 다음과 같습니다.
좋은 열 전도성과 강한 표면 접착력;
온도 변화에 대한 저항력이 뛰어나고 경도가 충분합니다.
이온 부식에 대한 강한 저항성;
우수한{0}}스케일링 방지 성능;
수증기 침투에 대한 저항력이 뛰어납니다.
3.1.3 열교환기의 부식 방지 방법
현재 석유화학 산업의 열교환기 부식 방지 방법은 주로 다음과 같습니다.
(1) 희생적인 양극 보호
이 방법은 주요 장비의 부식을 방지하기 위해 보다 활성이 높은 금속을 희생양극으로 사용하여 열교환기 재료를 보호합니다.
(2) 부식방지 코팅의 개발 및 적용-
부식 방지 코팅은 열교환기 보호에 널리 사용됩니다. 접촉면에 극도로 얇은 금속 코팅이나 무기 코팅을 적용함으로써 유해 물질과 오염 침전물을 효과적으로 격리할 수 있습니다.
일반적으로 사용되는 코팅은 CH-784 에폭시 아미노 부식 방지 코팅 시스템입니다.
(3) 열교환기 소재 개선
수질과 공격적인 매체로 인한 부식을 방지하기 위해 개선된 재료를 선택할 수 있습니다.
스테인레스강, 구리합금, 티타늄합금으로 제작된 열교환기는 일반적으로 우수한 내식성을 제공합니다. 그러나 재료비가 높기 때문에 일부 산업에서는 적용이 제한됩니다.
3.2 열교환기 플랜지 균열 수리를 위한 용접 기술
현재 냉융합 용접 수리 기술은 산업 현장 유지 관리에 널리 사용되고 있습니다.
상온 융합 용접 기술은 가스{0}}차폐 용접 기술을 기반으로 개발된 새로운 수리 기술입니다. 이는 석유화학 산업에서 손상된 열교환기의 수리 및 유지보수에 자주 적용됩니다.
주요 특징은 다음과 같습니다.
(1) 입열량이 적고 용접시간이 짧다.
용접 중에 발생하는 열은 매우 낮습니다. 용접 공정은 수십 밀리초 밖에 걸리지 않아 어닐링 변색과 같은 문제를 피할 수 있습니다.
(2) 작은 용접 풀과 우수한 수리 품질
용접 풀의 부피는 2mm³ 미만입니다. 응력 분포가 분산되어 수리된 부품에 집중된 응력이 줄어듭니다.
이 과정에서 균열이나 변형이 발생하지 않습니다. 또한, 불활성 가스 보호 기능으로 기공 및 기포 형성을 방지하여 매끄럽고 깨끗한 보수 표면을 제공합니다.
(3) 소형 장비 및 현장 수리에 대한 적합성-
용접 장비는 소형이며 실시간 현장 수리에 적합합니다.-
다양한 용접 와이어를 선택할 수 있으므로 다양한 재료로 만든 열교환기를 수리할 수 있습니다.
4. 향후 발전 전망
다양한 공정 요구 사항에 따라 다양한 유형의 열 교환기가 필요하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 또한 열교환기의 병렬 또는 직렬 배열은 전체 공정 시스템의 작동 성능에 상당한 영향을 미칩니다.
구성 요소의 선택과 일치도 중요한 요소입니다. 신뢰성-지향적 설계에서는 구성요소가 석유화학 산업에서 일반적으로 직면하는 다양한 작동 조건, 무작위 부하 변화 및 응력 변화를 견딜 수 있는 충분한 적응성을 갖추어야 합니다. 이 설계 개념은 기존 설계 방법의 한계를 뛰어 넘는 개선 사항을 제공합니다.
에너지 보존 및 배출 감소 측면에서 향후 개발은 열교환기 구조 개선에만 초점을 둘 것이 아니라 첨단 열교환기 재료 개발에 더 많은 관심을 기울여야 합니다.
이러한 연구 분야 중 열교환기 표면 코팅 기술은 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 코팅 개발의 향후 방향은 다음과 같습니다.
경량 디자인;
높은-온도 및 높은{1}}압력 저항;
우수한 내식성;
제조 비용 절감;
보다 경제적인 운영 및 유지관리.
현재 시뮬레이션 기술과 엔지니어링 소프트웨어 개발도 중요한 연구 방향이 되고 있다. 이러한 기술은 오염 예측, 청소 주기 최적화 및 운영 성능 평가를 위한 효과적인 지침을 제공할 수 있습니다.
