化学製造向けの熱伝達ソリューション: 実践的な設計ガイド

40 MW で燃焼するプロセス ヒーターは、通常、そのエネルギーのうち 6 ～ 10 MW を顕熱としてスタックから送り出します。化学プラントでは、それを回収する交換器がプロジェクトの難しい部分になることはほとんどありません。難しい部分は、煙道ガスの酸露点、プロセス流の汚れ挙動、およびフルレートと最小安定運転の間のターンダウンです。これら 3 つを適切に調整すれば、伝熱面はほぼ自然にサイズが決まります。

化学プロセスが実際に熱を失う場所

化学プラントで回収可能な熱は、加熱されたヒーターの煙道ガス、キルンと酸化剤の排気ガス、発熱反応器のオフガス、および低級凝縮水の 4 つの流れを通って排出されます。それぞれに異なる制約があり、ある任務用に設計されたユニットは別の任務ではパフォーマンスが著しく低下します。

データシートではなく測定キャンペーンから始めます。バーナー洗浄サイクルを含む生産サイクル全体にわたって、排ガス温度、酸素、粉塵負荷を記録します。フルレートで 340 ℃ と表示されるヒーターは、夜間には 290 ℃ になることがよくあり、その 50 ℃ の変動は、後で選択できる材料の選択よりも露点マージンを大きく動かします。

酸露点が壁温度の下限を設定します

化学物質の排気ダクト内の限界温度は、ガスの温度ではなく金属壁の温度です。三酸化硫黄と水蒸気は境界層で結合し、露点以下の表面で液体硫酸として凝縮し、壁が最も冷たいフィンの先端から攻撃が始まります。

水の露点ははるかに低く、通常は 45 ～ 60 ℃ の間にあり、それ自体が拘束力となることはほとんどありません。塩化物を含む流れは別の問題です。塩素化飼料や廃棄物中の塩からの塩化水素は塩酸として凝縮し、きれいな排ガスで 10 年間耐えられるステンレスグレードを攻撃します。

実際のオプションは、おおよそコストの順に次のとおりです。

• 再循環ラインまたはエコノマイザーバイパスを使用して、最も冷たいチューブ壁が計算された露点より 10 ～ 15 ℃ 高い状態に保たれるように、水入口を調整します。
• 義務により壁温度が露点の許容値よりも低く設定される場合は、ND 鋼またはエナメルコーティングされたチューブを指定してください。
• 熱伝達効率を犠牲にしてでも、塩化水素および塩化物塩の流れには鋳鉄またはポリマーで裏打ちされた表面を使用してください。
• 部分負荷時に入口水の温度を上昇させることができるバイパスの後ろにのみ低温エコノマイザー ステージを追加します。の 低温用エコノマイザーと通常のエコノマイザーの違い ほとんどの場合、チューブバンドル自体ではなく、このコントロールの詳細に配置されます。

エコノマイザーまたは廃熱ボイラー: ユニットを用途に合わせて選択

回収した熱を予熱されたボイラー給水または加熱されたプロセス流体として使用したい場合は、エコノマイザを指定してください。エジェクター、リボイラー、タービン用の蒸気としてご希望の場合は、廃熱ボイラーまたは排熱回収ボイラーをご指定ください。この 2 つは互換性がなく、蒸気を上げるよう依頼されたエコノマイザーは、試運転から数か月以内にチューブ内で沸騰し始めます。

有用なチェックは、年間の蒸気収支です。サイトで発生する蒸気を一年中消費できれば、ボイラーの方が早く回収できます。蒸気需要に季節性がある場合、たとえボイラーが理論上より多くのキロワットを回収するとしても、エコノマイザーによる給水加熱の方がリスクが低い投資となります。

プロセス機器排ガスエコノマイザー 季節的な蒸気需要に応じて、プロセス排ガスを使用して給水を加熱し、腐食性または爆発性の排気を処理しながらボイラーの負荷を軽減します。 製品を見る→

産業廃熱回収ボイラー 年間を通じての蒸気需要に対応し、粉塵や腐食性の排ガスに適応した設計でプロセス廃熱を回収して蒸気を生成します。 製品を見る→

フィン付きチューブが設置面積、ドラフトロス、洗浄を決定します

拡張された表面は、8 メートルのダクトセクションを 2 メートルのモジュールに変えるものですが、フィンの形状によって、ユニットを掃除する必要がある頻度と、追加の表面にかかるファンの電力量が決まります。

H型フィン付きチューブは、チューブの両側に2つのハーフフィンをH型に溶接します。ガスレーンはまっすぐで開いた状態を保ち、粉塵はフィンの間を埋めるのではなく通り抜け、格納式のスートブロワーはバンクの完全な深さまで到達できます。スパイラルフィン付きチューブは、1 メートルあたりの表面積が大きく、クリーンなガスに適していますが、粘着性のあるアルカリ粉塵ではピッチブラインドが近くなり、数週間以内に圧力降下が上昇します。

平滑管は依然として、熱伝達率ではなく腐食代が肉厚を設定する重度の汚れの用途に使用されています。

ガス速度は、すべての選択において重要な変数です。約 8 m/s を下回ると、塵が先頭の列に集まります。 12 m/s を超えると、最初の 2 列の浸食が加速し、チューブの寿命が急激に低下します。インライン配置は千鳥配置よりも汚れが少ないですが、列あたりの熱伝達がわずかに少なくなります。これは通常、化学サービスでは適切な取引です。

粉塵を含んだ排ガス用 H 型フィン付きチューブ H 型フィンは粉塵の堆積を制限し、排ガス抵抗を低く保ち、汚れや速度制御が重要な廃熱交換器に適しています。 製品を見る→

規格の遵守と溶接の品質は調達リスクです

圧力部品のコンプライアンスによって、熱設計に誰が署名するか、チューブが故障した場合に誰がリスクを負うかが決まります。熱計算が完了した後に熱交換器に添付される事務手続きではありません。

• 設計コードスタンプ: 蒸気発生ユニットについては ASME セクション I、非燃焼熱交換器についてはセクション VIII Division 1。
• EN 10204 3.1 に準拠した材料認証 (工場証明書に追跡可能な熱番号付き)。
• ISO 3834-2に準拠した溶接手順と溶接士の資格記録。
• 溶接マップと一致するフィルム ライブラリを使用した、チューブとヘッダーの接合部の X 線撮影またはリアルタイム X 線イメージング。
• 水力試験記録と寸法レポートは到着後ではなく出荷前に発行されます。

同じプラント内で溶接、X線撮影、水圧試験を行う製造業者は、入札中にその要望に応えることができる。この記事で説明されているチームなど、自動化された溶接ライン、社内の X 線画像処理、および文書化された品質システムを備えたサプライヤー 製造能力プロファイル 、複数のサブベンダーからパッケージを組み立てる商社よりも監査が簡単です。

レビューに耐える仕様シーケンス

仕様の失敗のほとんどは、プロセスデータが確定する前に装置のタイプを修正したことに起因します。これら 5 つのステップを順番に実行すれば、議論することなく熱設計が完成します。

1. デューティとターンダウン範囲を修正します。 フルレート、70%、および最小安定レートでの回収熱を kW で示し、3 つのうちのどれが表面積を支配するかを確認します。
2. ストリームを特徴づけます。 組成、硫黄分、水分、塩化物レベル、粉塵負荷。酸露点は仮定ではなく計算されます。
3. ピンチを設定します。 計算された露点より 10 ～ 15 C 高い出口ガス温度を選択し、設計速度だけでなく部分負荷での水側アプローチを確認します。
4. サーフェスを選択します。 ダスト負荷からフィンのタイプを選択し、ガス速度を 8 ～ 12 m/s に設定し、同時にスートブロワーまたは水洗浄アクセスのサイズを選択します。
5. 錠前の検査と納品。 余分な表面の 10 ～ 20% の汚れ許容量を追加し、発注書の溶接マップ、NDT 範囲、および水圧試験スケジュールを確認してください。

化学プロセスエンジニアからのよくある質問