Skip to main content

A Shell-and-tube heat exchanger enhancement that increases Energy Efficiency in the Oil, Gas, Power & Chemical Process Sectors

Article Category

Article available in the folowing languages:

Zapobiegać, nie interweniować – sposób na zmniejszenie jednego z głównych problemów rafinerii

Przez lata inżynierowie borykali się z problemem porastania wymienników ciepła stosowanych w fazie wstępnego podgrzewania frakcjonowania ropy naftowej osadami z procesu. Badacze odkryli, że problem pojawia się na wcześniejszym etapie i zdołali go rozwiązać, proponując technologię, która pozwoli zmodernizować projekty wymienników ciepła, a także zaprojektować nowe.

Technologie przemysłowe

Szacuje się, że światowe zapotrzebowanie na ropę naftową sięgnie do roku 2022 100,6 miliona baryłek dziennie, a możliwości produkcyjne rafinerii będą stale wzrastać w ciągu najbliższych 5 lat. Oznacza to, że nadeszła odpowiednia pora, by rafinerie podjęły starania zmierzające do rozwiązania jednego z najbardziej palących problemów – porastania wymienników ciepła osadami, co prowadzi do wysokiego zużycia energii, zwiększania emisji oraz strat na poziomie miliardów dolarów. Finansowany ze środków UE projekt FlowEnhancer stał się przyczynkiem do opracowania modulatora przepływu wlotowego Flow Optimiser do stosowania w wymiennikach płaszczowo-rurowych. Modulator ten będzie można zastosować do modernizacji, a także użyć we wlotach nowych wymienników ciepła. Jego zastosowanie pozwala na bardziej równomierne rozprowadzenie ciepła w rurach wymiennika, co powoduje zmniejszenie liczby niekorzystnych „gorących punktów” w wymienniku, powodem powstawania których są nagromadzone osady, co wyraźnie podnosi jego sprawność.

Ciąg podgrzewania wstępnego na drodze do przyszłości

Rafinerie naftowe „ulepszają” ropę naftową do postaci paliw o wyższej wartości energetycznej w trzyetapowym procesie, który rozpoczyna się od frakcjonowania ropy naftowej na mniejsze cząsteczki. Aby osiągnąć odpowiedni stopień frakcjonowania, należy wprowadzić strumień ropy naftowej o bardzo wysokiej temperaturze do kolumny destylacyjnej. Zwykle przed etapem frakcjonowania następuje tak zwany ciąg podgrzewania wstępnego, w którym wykorzystywane są wymienniki ciepła i ciepło odpadowe z innych procesów. Ma to zmniejszać zapotrzebowanie energetyczne tego etapu. Szacuje się, że całkowite koszty związane z porastaniem osadami wymienników ciepła i kotłów w najbardziej uprzemysłowionych krajach przekraczają 4,4 miliarda USD rocznie. Modele obliczeniowe dynamiki płynów zastosowane w ramach uruchomionego wcześniej i finansowanego w ramach unijnego planu finansowania FP7 projektu CLEANEX pozwoliły wskazać źródło tego problemu – co ciekawe okazał się nim punkt wlotu. W projekcie FlowEnhancer zmniejszono obciążenie obliczeniowe związane z analizami i skupiono się na istotnych obszarach w ramach konstrukcji wymiennika, co przyniosło niespodziewanie dobre efekty. Według Dereka Sumsiona, kierownika ds. badań i rozwoju w Tube Tech International, „zastosowanie zakrojonego na szeroką skalę modelowania dynamiki płynów z zachowaniem wysokiej rozdzielczości, znacznie wykraczającego poza to, co zaplanowano w ramach projektu FlowEnhancer, doprowadziło do powstania koncepcji wkładki wlotowej, która będzie równomiernie rozprowadzać strumień wlotowy różnych składników ropy naftowej na liczne wymienniki o różnych objętościach rur. To pozwoli zminimalizować stopień porastania osadami”.

Pierwszy w swoim rodzaju

Konstrukcja wymiennika ciepła nie zmieniła się w znaczącym stopniu w ciągu ostatnich czterdziestu lat. Roztwory przeciwporostowe, jeśli w ogóle są stosowane, trafiają do wymienników ciepła. Jak wykazano podczas prac prowadzonych w ramach projektu FlowEnhancer, problem pojawia się znacznie wcześniej. Optymalizator przepływu Flow Optimiser ogranicza przepływ turbulentny, co przekłada się na 10-procentowy wzrost prędkości wlotowej do rury wymiennika i odpowiadający temu wzrost temperatury wylotowej o 7°C. Przekłada się to na zwiększenie sprawności wymiennika ciepła, co automatycznie będzie wiązać się z drastycznym zmniejszeniem zużycia energii, ograniczeniem emisji CO2 na skalę światową i redukcją kosztów, a także z wydłużeniem żywotności urządzenia. Potencjalne oszczędności dla rafinerii mogą sięgnąć nawet 1,8 miliona EUR rocznie i zwrotu z inwestycji na wymiennik ciepła w stosunku 9:1. Sumsion opowiada dalej o planowanych i nieprzewidzianych wynikach prac nad projektem: „Oprócz odkrycia nierównomiernego rozkładu przepływu na wlocie do wymiennika testy przeprowadzone w zakładach Shell India – mimo wyzwań związanych z pandemią – pomogły nam przeprowadzić ekspansywne analizy z zakresu obliczeniowej dynamiki płynów. To właśnie one kryją się za koncepcją optymalizatora Flow Optimiser, nowatorskiej technologii impulsowej, która pozwoli zmniejszyć osadzanie się zanieczyszczeń przy niższych prędkościach. Przypuszczalnie przyczyni się ona też do oczekiwanego od lat przeprojektowania wymienników ciepła. Mamy duże plany na przyszłość”. Nowy optymalizator Flow Optimiser zostanie zainstalowany w zakładach Shell w październiku 2021 roku. W ten sposób badacze pozyskają dane praktyczne dotyczące zanieczyszczeń. W międzyczasie zespół zarządzający pracuje nad zebraniem kapitału i nawiązaniem współpracy z klientami w celu przyspieszenia rozwoju i wykorzystania optymalizatora Flow Optimiser. Optymalizator Flow Optimiser do stosowania w ciągu podgrzewania wstępnego jest już niemal gotów do pracy.

Słowa kluczowe

FlowEnhancer, wymiennik ciepła, porastanie, Flow Optimiser, frakcjonowanie, ciąg podgrzewania wstępnego, ropa naftowa, rafinerie, obliczeniowa dynamika płynów

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania