Conception

Les échangeurs de chaleur gaz-gaz à haute température se trouvent couramment dans les usines d'acide sulfurique, fonctionnant comme échangeurs ou préchauffeurs pour le lit de catalyseur, et comme préchauffeurs au niveau du four à soufre.

Ces récupérateurs connaissent des températures très élevées et des différentiels de température élevés. En règle générale, au moins un, sinon les deux, flux de gaz sont hautement corrosifs s'ils se condensent.

Modes de défaillance courants

Si une conception standard de coque et de tube est utilisée, plusieurs modes de défaillance se produiront très probablement. Ceux-ci inclus:

Corrosion à l'extrémité froide - Le flux de gaz froid pénètre souvent dans l'échangeur de chaleur à une température inférieure au point de rosée des constituants contenus dans le flux de gaz chaud. Cela crée un potentiel de températures de surface du matériau inférieures à ce point de rosée. Ceux-ci sont communément appelés points froids. Si un flux de gaz est en contact avec un point froid, une condensation se produira. L'acide résultant provoquera une corrosion localisée communément appelée corrosion de l'extrémité froide.

Encrassement de l'extrémité froide - Lorsqu'un flux de gaz riche en SO3 est présent, les points froids provoquent la précipitation du SO3. Le SO3 crée un lien tenace avec la paroi du tube métallique. Ces dépôts continuent de s'accumuler et si l'unité n'est pas arrêtée pour maintenance, le blocage du flux de gaz qui en résulte conduira à des problèmes de capacité évidents.

Défaillances sous contrainte – Les récupérateurs gaz-gaz à haute température subissent des changements de température rapides et extrêmes. Il en résulte une expansion et une contraction rapides et importantes du matériau. Avec les conceptions standard de coque et de tube, les tubes se dilateront très probablement à des vitesses différentes en raison de la répartition inégale de la température dans le faisceau de tubes. Il en résulte des forces inégales exercées sur la plaque tubulaire par les tubes et finalement une défaillance des soudures de la plaque tubulaire.

Chute de pression imprévue - Si la chute de pression est plus élevée que prévu, le débit opérationnel sera également inférieur à celui prévu.

Tous ces modes de défaillance entravent les performances du récupérateur et, en fin de compte, les performances de l'ensemble de la centrale. Une fois en fonctionnement, la réparation ou la réparation est très coûteuse et prend du temps. S'il n'est pas corrigé, la durée de vie opérationnelle pourrait être aussi courte que plusieurs années.

La solution

Il est impératif d'évaluer soigneusement l'application prévue et de concevoir le récupérateur en tenant compte de ces exigences opérationnelles et des modes de défaillance ci-dessus. Les problèmes doivent être résolus pendant la phase de conception afin que la fiabilité et l'efficacité puissent être intégrées au récupérateur.

Une analyse approfondie de l'unité est essentielle pour traiter les points froids, les contraintes inégales et la chute de pression avant la fabrication de l'unité afin d'éviter des ajustements et des réparations coûteux et de maximiser la durée de vie et la productivité globales.

Compte tenu de l'expérience et de l'expertise, la solution est simple. L'objectif est de créer une symétrie thermique au sein de l'unité. Les fonctionnalités suivantes aident à atteindre cet objectif :

Faisceau de tubes à pas variable - Le pas, ou la distance entre les tubes, varie entre les rangées. Cela permettra une distribution plus uniforme du débit dans tout le faisceau de tubes et conduira à une température uniforme à travers la plaque tubulaire. Cela contribue également à une chute de pression plus faible et à une efficacité thermique plus élevée.

Dispositions de déflecteurs uniques - Contrairement aux dispositions standard de coque et de tube, les emplacements d'entrée et les dispositions de déflecteur résultant en une combinaison de flux croisé et de flux parallèle en plus du contre-courant commun sont tous utilisés. Plusieurs passages sont incorporés, ce qui permet de détourner le flux d'entrée de gaz froid du flux de gaz chaud existant, évitant ainsi les points froids où ils seraient problématiques. L'agencement contribue en outre à l'uniformité de la température.

Plénums d'entrée annulaires complets - Les plénums permettent aux flux de gaz d'entrer dans le récupérateur à une vitesse inférieure, favorisant l'uniformité et évitant davantage les points froids. Cette conception évite également les zones isolées de chute de pression plus élevée communes aux connexions et améliore l'efficacité de l'unité.

Conception avec analyse CFD et FEA

La dynamique des fluides computationnelle (CFD) et l'analyse par éléments finis (FEA) sont au cœur de l'évaluation approfondie requise pour vérifier la chute de pression, les taux de transfert de chaleur, les températures et le débit dans le récupérateur. L'expérience fournit le point de départ pour déterminer les pas des tubes et la disposition des déflecteurs et des plénums. La conception est ajustée en fonction de l'analyse initiale jusqu'à ce qu'elle soit prouvée par des essais ultérieurs. Cette analyse est la différence entre une durée de vie de cinq ans et une durée de vie de plus de 20 ans.

Techniques simplifiées

Les programmes CFD et FEA sont devenus plus puissants au fil des années et sont capables d'analyser de très grands modèles avec un maillage très fin. Ils peuvent analyser des modèles de transfert de chaleur qui sont très sensibles et difficiles à faire converger. Cependant, cela prend un temps informatique considérable, ce qui n'est pas toujours possible lorsqu'un prix budgétaire approximatif est nécessaire pour un projet dans les premières étapes du travail de conception.

Il existe des techniques pour simplifier cette modélisation qui impliquent de se concentrer sur les domaines les plus préoccupants. L'expérience nous apprend que ceux-ci se trouvent généralement dans des régions à basse température, car ce sont le plus souvent le lieu des pannes.

L'analyse de cette zone d'intérêt implique un ensemble très compliqué de surfaces comprenant le flux de gaz à l'intérieur et à l'extérieur du tube et un modèle détaillé de la paroi du tube lui-même. L'exécution de cette analyse pour chaque tube du faisceau prend beaucoup de temps et est fastidieuse.

Afin de fournir un dimensionnement et des arrangements initiaux/budgétaires, une approche simplifiée est nécessaire pour une sélection initiale. Pour ce criblage initial, des hypothèses peuvent être faites pour les flux de gaz sur la base d'une couche limite standard et de coefficients de transfert de chaleur par convection. Des hypothèses peuvent également être faites pour modéliser les tubes comme une seule surface.

Avec un modèle simplifié, une analyse de la "zone d'intérêt" peut être effectuée assez rapidement pour confirmer la suspicion d'un potentiel de point froid dans cette région.

La conception du récupérateur peut alors être modifiée et réanalysée. Avec le modèle simplifié, il est pratique d'exécuter plusieurs itérations pour se concentrer sur l'arrangement le plus avantageux.

Ajuster et réévaluer

Sur la base des résultats de l'analyse initiale de la "zone d'intérêt", le pas du tube est modifié pour permettre un écoulement plus uniforme du côté coque et plus d'uniformité sur la plaque tubulaire. L'entrée d'air est déplacée plus haut dans la coque pour coïncider avec des températures de paroi de tube plus chaudes. Ensuite, la disposition des chicanes est ajustée pour s'adapter à cet emplacement d'entrée unique.

Les déflecteurs guideront d'abord l'air dans un arrangement à co-courant, parallèle au gaz chaud. Ceci est suivi d'une section de flux croisés, le reste du flux étant dirigé à contre-courant du gaz chaud dans les tubes. Les déflecteurs sont également évalués pour minimiser la chute de pression.

Finalisation de la conception

Il serait négligent de ne pas mentionner plusieurs autres considérations dans cette discussion qui ont un impact significatif sur la durée de vie du récupérateur.

Joint de dilatation

Les joints de dilatation à brides et à carneau sont conçus et situés le long de la coque pour atténuer les contraintes dues à la dilatation thermique. Les joints de dilatation sont pré-comprimés lors de l'installation afin qu'ils fonctionnent presque normalement aux températures élevées rencontrées pendant le fonctionnement.

Choix du matériel

La température de fonctionnement maximale ainsi que la composition du gaz doivent être prises en compte lors de la sélection des matériaux. La température du métal la plus élevée, telle que déterminée par l'analyse CFD, et la composition du flux sont les principaux critères utilisés dans la détermination des matériaux. Les coûts des matériaux et de fabrication, la disponibilité et la durée de vie souhaitée font également partie de l'équation. L'expérience et l'expertise sont les meilleurs outils pour déterminer le matériau qui minimise les coûts et maximise la durée de vie.

Analyse vibratoire

Comme pour toute conception d'échangeur de chaleur, le potentiel de vibration doit être examiné. De petits ajustements dans la disposition des chicanes et les configurations des buses peuvent éliminer les problèmes de vibration et sont facilement résolus pendant la phase de conception. Si elles sont ignorées, les vibrations peuvent être très coûteuses à traiter sur le terrain.

Plaque tubulaire flottante

En fonction de la configuration du récupérateur, de la fréquence de son cycle et de la rapidité et de l'extrême augmentation des températures, une plaque tubulaire flottante peut être recommandée. Une plaque tubulaire flottante absorberait les contraintes supplémentaires causées par ces conditions et éliminerait davantage le problème des défaillances de soudure.

L'ingénierie des problèmes pendant la phase de conception est la clé du succès

En conclusion, la prise en compte du potentiel de corrosion et d'encrassement de l'extrémité froide, la minimisation des contraintes inégales et l'évaluation de la chute de pression pendant la phase de conception sont essentielles pour des économies de coûts à long terme et une durée de vie maximale. Ceci est mieux accompli avec l'expérience aidée par l'analyse CFD et FEA. Avec cette attention aux détails dans la phase de conception, le résultat sera un récupérateur avec une durée de vie de plus de 20 ans.

Ressources additionnelles