مبدل حرارتی پالایشگاه

مقدمه و اهمیت مبدل حرارتی پالایشگاه در صنعت نفت و گاز

مبدل حرارتی (Heat Exchanger) یک دستگاه است که حرارت را از یک جریان سیال به جریان دیگر منتقل می‌کند. مبدل‌های حرارتی در صنایع مختلفی کاربرد دارند، اما یکی از مهم‌ترین زمینه‌های استفاده از آن‌ها صنعت نفت و گاز است. در پالایشگاه‌ها و مجتمع‌های پتروشیمی، مبدل‌های حرارتی برای انجام فرآیندهای مختلفی مانند تقطیر، تصفیه، تبخیر، تبرید، تسکین، ترکیب و جداسازی مواد مورد نیاز است. مبدل‌های حرارتی با افزایش کارایی انرژی، کاهش هزینه‌ها، حفاظت از محیط زیست و بهبود کیفیت محصولات نقش مهمی در صنعت نفت و گاز ایفا می‌کنند.

کاربردهای مبدل‌های حرارتی در صنعت نفت و گاز

مبدل‌های حرارتی در صنعت نفت و گاز برای انجام فرآیندهای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از این کاربردها عبارتند از:

تقطیر (Distillation):

تقطیر یکی از روش‌های جداسازی مخلوط‌های مایع است که بر اساس تفاوت نقطه جوش مواد صورت می‌گیرد. در پالایشگاه‌ها، تقطیر برای جداسازی نفت خام به فرآورده‌های مختلفی مانند بنزین، گازوئیل، نفتای سبک و سنگین، واکس و بیتومن استفاده می‌شود. مبدل‌های حرارتی در تقطیر برای گرم کردن نفت خام قبل از ورود به برج تقطیر و خنک کردن محصولات خروجی از برج تقطیر کاربرد دارند.

تصفیه (Refining):

تصفیه یک فرآیند است که برای حذف آلاینده‌ها و بهبود کیفیت فرآورده‌های نفتی انجام می‌شود. در پالایشگاه‌ها، تصفیه برای حذف گوگرد، نیتروژن، اکسیژن، آب، مواد جامد و دیگر مواد ناخواسته از نفت خام و محصولات تقطیر استفاده می‌شود. مبدل‌های حرارتی در تصفیه برای گرم کردن و خنک کردن سیالات قبل و بعد از عبور از واحدهای تصفیه مانند هیدروتریتینگ (Hydrotreating)، هیدروکراکینگ (Hydrocracking)، آلکیلیشن (Alkylation) و ایزومریزاسیون (Isomerization) کاربرد دارند.

تبخیر (Evaporation):

تبخیر یک فرآیند است که برای ترکیب یا جداسازی مواد مایع با استفاده از حرارت انجام می‌شود. در پالایشگاه‌ها، تبخیر برای تولید آب صنعتی از آب دریا یا آب شور استفاده می‌شود. آب صنعتی برای تولید بخار، خنک کردن واحدها و تزریق به چاه‌های نفتی مورد نیاز است. مبدل‌های حرارتی در تبخیر برای گرم کردن آب قبل از ورود به واحدهای تبخیر مانند تبخیر متعدد اثر (Multiple Effect Evaporation)، تبخیر مکش بخار (Vapor Compression Evaporation) و تبخیر ممبرانی (Membrane Evaporation) کاربرد دارند.

تبرید (Cooling):

تبرید یک فرآیند است که برای کاهش دمای سیالات با استفاده از یک محیط خنک‌تر انجام می‌شود. در پالایشگاه‌ها، تبرید برای کاهش دمای محصولات نفتی و گازی قبل از انبار کردن یا حمل و نقل استفاده می‌شود. تبرید همچنین برای تولید گاز مایع (Liquefied Gas) از گاز طبیعی یا گازهای مختلف مانند پروپان، بوتان، اتان و متان استفاده می‌شود. مبدل‌های حرارتی در تبرید برای انتقال حرارت بین سیالات گرم و سرد کاربرد دارند. مبدل‌های حرارتی مورد استفاده در تبرید می‌توانند از نوع لوله‌ای، صفحه‌ای، صفحه‌ای و لوله‌ای یا اسپیرال باشند.

تسکین (Condensation):

تسکین یک فرآیند است که برای تبدیل گاز به مایع با استفاده از خنک‌سازی انجام می‌شود. در پالایشگاه‌ها، تسکین برای بازیابی محصولات گازی مانند اتان، پروپان، بوتان و بنزین استفاده می‌شود. تسکین همچنین برای تولید گاز مایع از گاز طبیعی یا گازهای مختلف مانند متان، اتیلن و پروپیلن استفاده می‌شود. مبدل‌های حرارتی در تسکین برای خنک کردن گازها قبل و بعد از عبور از واحدهای تسکین مانند تسکین جرمان (Direct Contact Condensation)، تسکین سطحی (Surface Condensation) و تسکین انتخابی (Selective Condensation) کاربرد دارند.

ترکیب و جداسازی (Mixing and Separation):

ترکیب و جداسازی دو فرآیند مکمل هستند که برای تولید محصولات مورد نظر از مخلوط‌های مایع یا گازی انجام می‌شوند. در پالایشگاه‌ها، ترکیب و جداسازی برای تولید بنزین با اکتان بالا، گازوئیل با گوگرد کم، گاز مایع با خلوص بالا و دیگر محصولات با کیفیت بالا استفاده می‌شوند. مبدل‌های حرارتی در ترکیب و جداسازی برای گرم کردن و خنک کردن مخلوط‌های ورودی و خروجی از واحدهای ترکیب و جداسازی مانند ترکیب گاز-مایع (Gas-Liquid Mixing)، جداسازی گاز-مایع (Gas-Liquid Separation)، ترکیب مایع-مایع (Liquid-Liquid Mixing) و جداسازی مایع-مایع (Liquid-Liquid Separation) کاربرد دارند.

اصول عملکرد مبدل حرارتی پالایشگاه

مبدل حرارتی پالایشگاه یک دستگاه است که بر اساس قانون دوم ترمودینامیک کار می‌کند. این قانون بیان می‌کند که حرارت از یک محیط با دمای بالاتر به یک محیط با دمای پایین‌تر جابه‌جا می‌شود. در مبدل حرارتی پالایشگاه، دو جریان سیال با دماهای متفاوت وارد می‌شوند و از طریق یک محیط جداکننده با هم تماس می‌گیرند. این محیط جداکننده می‌تواند یک دیوار جامد، یک محیط میانی یا یک محیط مخلوط باشد. حرارت از جریان گرم‌تر به جریان سرد‌تر منتقل می‌شود و دمای هر دو جریان تغییر می‌کند. انتقال حرارت می‌تواند به صورت هادی (Conduction)، همرفتی (Convection) یا تشعشعی (Radiation) باشد. هادی برای انتقال حرارت از یک جسم جامد به جسم دیگر استفاده می‌شود. همرفتی برای انتقال حرارت از یک سیال به سیال دیگر یا از یک سیال به یک جسم جامد استفاده می‌شود. تشعشعی برای انتقال حرارت از یک جسم گرم به جسم دیگر بدون نیاز به محیط میانی استفاده می‌شود.

انتقال حرارت در مبدل حرارتی پالایشگاه توسط چندین پارامتر تعیین می‌شود. این پارامترها عبارتند از:

ضریب انتقال حرارت (Heat Transfer Coefficient):

این پارامتر نشان می‌دهد که چقدر حرارت از یک سطح به سطح دیگر منتقل می‌شود. ضریب انتقال حرارت بستگی به نوع سیال، جریان سیال، خواص حرارتی سیال، شکل و جنس سطح و نوع انتقال حرارت دارد. ضریب انتقال حرارت بالاتر، انتقال حرارت بیشتر را نشان می‌دهد.

مساحت انتقال حرارت (Heat Transfer Area):

این پارامتر نشان می‌دهد که چقدر سطح برای انتقال حرارت بین دو جریان سیال موجود است. مساحت انتقال حرارت بستگی به شکل هندسی و ابعاد مبدل حرارتی دارد. مساحت انتقال حرارت بیشتر، انتقال حرارت بیشتر را نشان می‌دهد.

تفاوت دمای متوسط لگاریتمی (Log Mean Temperature Difference):

این پارامتر نشان می‌دهد که چقدر تفاوت دمای موثر بین دو جریان سیال در مبدل حرارتی است. تفاوت دمای متوسط لگاریتمی بستگی به دمای ورودی و خروجی هر دو جریان و نحوه جریان آن‌ها دارد. تفاوت دمای متوسط لگاریتمی بالاتر، انتقال حرارت بیشتر را نشان می‌دهد.

انواع مبدل حرارتی پالایشگاه و مزایا و معایب هر یک

مبدل‌های حرارتی پالایشگاه بر اساس نحوه جریان سیالات، نوع تماس بین آن‌ها و شکل هندسی آن‌ها به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. در این بخش، انواع رایج مبدل حرارتی پالایشگاه و مزایا و معایب هر یک از آن‌ها معرفی می‌شوند.

مبدل‌های حرارتی لوله‌ای (Tubular Heat Exchangers)

در این نوع مبدل‌ها، یک جریان سیال در داخل لوله‌ها و جریان دیگر در فضای بین لوله‌ها جریان دارد. مبدل‌های حرارتی لوله‌ای می‌توانند به صورت موازی جریان، مخالف جریان، یا متقاطع جریان باشند. این نوع مبدل‌ها ساده، مقاوم و قابل تعمیر هستند، اما فضای زیادی را اشغال می‌کنند و انتقال حرارت آن‌ها کم است.

مزایای مبدل‌های حرارتی لوله‌ای:

ساخت و نصب آسان و ارزان

تحمل فشار و دمای بالا

مقاومت در برابر خوردگی و آلودگی

قابلیت تعمیر و نگهداری آسان

اشغال فضای زیاد

انتقال حرارت کم

نیاز به تمیز کردن دوره‌ای

افت فشار بالا

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای (Plate Heat Exchangers)

در این نوع مبدل‌ها، جریان‌های سیال بین صفحات مسطح و موازی جریان دارند. صفحات با یکدیگر به صورت مخالف جریان یا متقاطع جریان قرار می‌گیرند. این نوع مبدل‌ها انتقال حرارت بالایی دارند، فضای کمی را اشغال می‌کنند و قابلیت تغییر تعداد و اندازه صفحات را دارند. اما این مبدل‌ها پیچیده، ظریف و غیر قابل تعمیر هستند و نیاز به تمیز کردن مداوم دارند.

مزایای مبدل‌ حرارتی صفحه‌ای:

انتقال حرارت بالا

اشغال فضای کم

قابلیت تغییر تعداد و اندازه صفحات

کاهش هزینه‌های انرژی

معایب مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای:

پیچیدگی و ظرافت ساختار

غیر قابل تعمیر

نیاز به تمیز کردن مداوم

تحمل فشار و دمای کم

مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای و لوله‌ای (Plate and Frame Heat Exchangers)

در این نوع مبدل‌ها، جریان‌های سیال بین صفحات مسطح و لوله‌هایی که درون صفحات قرار دارند جریان دارند. این نوع مبدل‌ها ترکیبی از مزایای مبدل‌های حرارتی لوله‌ای و صفحه‌ای هستند. انتقال حرارت بالا، فضای کم، قابلیت تعمیر و تغییر تعداد و اندازه صفحات و لوله‌ها از ویژگی‌های این مبدل‌ها هستند. اما این مبدل‌ها هم پیچیده و هم نیاز به تمیز کردن مداوم دارند.

مزایای مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای و لوله‌ای:

انتقال حرارت بالا

اشغال فضای کم

قابلیت تعمیر و تغییر تعداد و اندازه صفحات و لوله‌ها

تحمل فشار و دمای بالا

معایب مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای و لوله‌ای:

پیچیدگی و ظرافت ساختار

نیاز به تمیز کردن مداوم

افت فشار بالا

مبدل‌های حرارتی اسپیرال (Spiral Heat Exchangers)

در این نوع مبدل‌ها، دو جریان سیال در دو مسیر اسپیرال شکل جریان دارند. این مبدل‌ها انتقال حرارت بالا، فضای کم، قابلیت تعمیر و تمیز کردن آسان را دارند. اما این مبدل‌ها پیچیده و گران هستند و فشار افت بالایی دارند.