مبدل پوسته و لوله

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله یکی از پرکاربردترین انواع مبدل‌های حرارتی در صنعت نفت و گاز هستند. این مبدل‌ها به دلیل طراحی ساده، قابلیت تحمل فشار و دمای بالا، و انعطاف‌پذیری در کاربردهای مختلف، به طور گسترده در فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کاربرد مبدل‌های پوسته و لوله

مبدل‌های پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchangers) در صنعت نفت و گاز به طور گسترده‌ای برای انتقال حرارت بین دو سیال استفاده می‌شوند. این مبدل‌ها از یک مجموعه لوله‌های داخلی (تیوب) که درون یک پوسته بزرگتر قرار گرفته‌اند، تشکیل شده‌اند. برخی از کاربردهای اصلی این مبدل‌ها در صنعت نفت و گاز عبارتند از:

خنک‌سازی و گرم‌سازی سیالات: در پالایشگاه‌ها و کارخانه‌های پتروشیمی، برای خنک‌سازی نفت خام، محصولات نفتی و گازهای مختلف از مبدل‌های پوسته و لوله استفاده می‌شود. همچنین برای گرم‌سازی نفت خام قبل از تقطیر نیز این مبدل‌ها به کار می‌روند.
بازیابی حرارت: بازیابی حرارت از جریان‌های گرم به جریان‌های سرد، به منظور افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش هزینه‌های عملیاتی. مثلاً، بازیابی حرارت از گازهای خروجی به منظور پیش‌گرم کردن هوای ورودی به بویلرها.
تبادل حرارتی در فرآیندهای مختلف: در فرآیندهای شیمیایی مختلف که در پالایشگاه‌ها و کارخانه‌های پتروشیمی انجام می‌شود، برای تبادل حرارت بین واکنش‌دهنده‌ها و محصولات واکنش.
خنک‌سازی تجهیزات: خنک‌سازی تجهیزات حساس مانند کمپرسورها، توربین‌ها و موتورهای بزرگ که در صنعت نفت و گاز استفاده می‌شوند.
پیش‌گرمایش خوراک ورودی: پیش‌گرمایش خوراک ورودی به راکتورهای شیمیایی و واحدهای پالایش به منظور افزایش بهره‌وری و بهبود واکنش‌های شیمیایی.
جداسازی و تفکیک گازها: در واحدهای تفکیک گاز طبیعی، برای خنک‌سازی و جداسازی اجزای مختلف گاز طبیعی مانند متان، اتان، پروپان و بوتان.

به طور کلی، مبدل‌های پوسته و لوله به دلیل ساختار ساده، قابلیت تحمل فشارها و دماهای بالا و کارایی بالا در بسیاری از بخش‌های صنعت نفت و گاز به عنوان تجهیزات اساسی و حیاتی شناخته می‌شوند.

مبدل‌های پوسته و لوله به چند دسته تقسیم ‌می‌شوند؟

مبدل‌های پوسته و لوله (Shell and Tube Heat Exchangers) به چند دسته مختلف تقسیم می‌شوند که این تقسیم‌بندی بر اساس معیارهای مختلفی انجام می‌شود. مهمترین معیارهای تقسیم‌بندی عبارتند از:

بر اساس نوع جریان سیال

جریان موازی (Parallel Flow): هر دو سیال در یک جهت جریان دارند.
جریان مخالف (Counter Flow): سیالات در جهت‌های مخالف جریان دارند که معمولاً کارایی بالاتری دارد.
جریان متقاطع (Cross Flow): سیالات به صورت متقاطع با هم برخورد می‌کنند.

بر اساس تعداد پاس‌های تیوب (Tube Passes)

تک پاس (Single Pass): سیال درون تیوب‌ها یک بار از یک انتها به انتهای دیگر عبور می‌کند.
دو پاس (Two Pass): سیال دوبار از تیوب‌ها عبور می‌کند، معمولاً با استفاده از تیوب شیت (Tube Sheet) که جریان را معکوس می‌کند.
چند پاس (Multi Pass): سیال چندین بار از تیوب‌ها عبور می‌کند تا انتقال حرارت بیشتری صورت گیرد.

بر اساس آرایش تیوب‌ها (Tube Arrangement)

آرایش مستقیم (Straight Tube): تیوب‌ها به صورت مستقیم از یک انتها به انتهای دیگر کشیده شده‌اند.
آرایش خمیده (U-tube): تیوب‌ها به شکل U خم شده‌اند و هر دو انتهای آنها در یک تیوب شیت قرار دارند.

بر اساس ساختار پوسته (Shell Type)

پوسته تک پاس (Single Shell Pass): سیال درون پوسته یک بار از یک انتها به انتهای دیگر عبور می‌کند.
پوسته چند پاس (Multi Shell Pass): سیال درون پوسته چندین بار عبور می‌کند.

بر اساس نوع نصب و کاربرد

مبدل‌های حرارتی نیروگاهی، مخصوص نیروگاه‌های تولید برق.
مبدل‌های حرارتی پالایشگاهی، مخصوص پالایشگاه‌های نفت و گاز.
مبدل‌های حرارتی دریایی، مخصوص استفاده در محیط‌های دریایی و کشتی‌ها.

بر اساس استانداردهای طراحی

استاندارد TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association): شامل سه نوع کلی است؛ TEMA R (برای خدمات نفتی و پالایشگاهی)، TEMA C (برای خدمات تجاری) و TEMA B (برای خدمات عمومی).

این دسته‌بندی‌ها کمک می‌کنند تا مبدل‌های پوسته و لوله به طور دقیق‌تر و بر اساس نیازهای خاص هر صنعت یا کاربرد انتخاب و طراحی شوند.

ساختار و طراحی مبدل‌های پوسته و لوله

مبدل‌های پوسته و لوله شامل یک پوسته (Shell) و مجموعه‌ای از لوله‌های داخلی (Tubes) هستند. طراحی این مبدل‌ها به گونه‌ای است که یک سیال درون لوله‌ها و سیال دیگر در اطراف لوله‌ها و در داخل پوسته جریان دارد. این طراحی به تبادل حرارت موثر بین دو سیال کمک می‌کند.

اجزای اصلی

پوسته (Shell): معمولاً به صورت استوانه‌ای ساخته می‌شود و وظیفه نگه‌داری سیال خارجی را بر عهده دارد.
لوله‌ها (Tubes): از جنس فلزات مقاوم در برابر خوردگی ساخته می‌شوند و سیال داخلی درون آنها جریان دارد.
صفحات لوله (Tube Sheets): لوله‌ها را در دو انتها نگه می‌دارند و به پوسته متصل می‌کنند.
پوشش‌های سر (Heads or Bonnets): در دو انتهای پوسته قرار دارند و وظیفه توزیع سیال را بر عهده دارند.
بفل‌ها (Baffles): صفحات عمودی یا افقی که در داخل پوسته قرار دارند و جریان سیال خارجی را هدایت و افزایش می‌دهند.

طراحی حرارتی

محاسبات حرارتی شامل تعیین سطح انتقال حرارت مورد نیاز، طول و تعداد لوله‌ها، و نوع جریان (جریان همسو، مخالف یا متقاطع) است.
نرم‌افزارهای طراحی مانند HTRI و Aspen HYSYS برای شبیه‌سازی و بهینه‌سازی طراحی حرارتی استفاده می‌شوند.

مواد مورد استفاده در ساخت مبدل‌های پوسته و لوله

انتخاب مواد برای ساخت مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله بستگی به شرایط عملیاتی مانند دما، فشار و ماهیت خورنده سیالات دارد:

فولاد ضد زنگ (Stainless Steel): به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی و دماهای بالا، برای بسیاری از کاربردها مناسب است.
آلیاژهای نیکل (Nickel Alloys): برای محیط‌های بسیار خورنده و دماهای بالا استفاده می‌شوند.
مس و آلیاژهای مس (Copper and Copper Alloys): برای کاربردهایی که نیاز به هدایت حرارتی بالا دارند مناسب است.
تیتانیوم (Titanium): برای محیط‌های بسیار خورنده مانند آب دریا و اسیدهای قوی استفاده می‌شود.

نصب و راه‌اندازی مبدل‌های پوسته و لوله

نصب و راه‌اندازی صحیح مبدل‌های پوسته و لوله برای عملکرد بهینه آنها ضروری است:

موقعیت نصب

مبدل‌های حرارتی باید در محلی نصب شوند که دسترسی آسان برای تعمیر و نگهداری فراهم باشد.
پایه‌های محکم و مقاوم برای تحمل وزن مبدل و سیالات درون آن ضروری است.

اتصالات

اتصالات لوله‌ها به مبدل باید با دقت انجام شود تا از نشتی جلوگیری شود.
استفاده از گسکت‌های مناسب برای آب‌بندی اتصالات و جلوگیری از نشت سیالات ضروری است.

آزمایش‌ها

قبل از راه‌اندازی، مبدل باید تحت آزمایش‌های فشار و نشتی قرار گیرد.
آزمایش‌های عملکردی برای اطمینان از کارایی و انتقال حرارت موثر باید انجام شود.

نگهداری مبدل‌های پوسته و لوله

نگهداری منظم و صحیح مبدل‌های حرارتی برای حفظ عملکرد و افزایش عمر مفید آنها ضروری است:

بازرسی دوره‌ای

بازرسی‌های منظم برای شناسایی خرابی‌ها، خوردگی، و رسوب‌گیری انجام می‌شود.
استفاده از تکنیک‌های بازرسی غیرمخرب مانند تست اولتراسونیک و تست جریان ادی برای شناسایی مشکلات داخلی.

تمیزکاری

رسوبات و آلودگی‌ها باید به طور منظم حذف شوند تا کارایی حرارتی حفظ شود.
تمیزکاری شیمیایی برای حذف رسوبات معدنی و آلی و تمیزکاری مکانیکی برای حذف ذرات جامد استفاده می‌شود.

تعویض قطعات

قطعات فرسوده مانند لوله‌ها و گسکت‌ها باید به موقع تعویض شوند.
استفاده از قطعات یدکی با کیفیت و مطابق با استانداردهای طراحی اولیه ضروری است.

ساخت مبدل حرارتی پوسته و لوله

شرکت پتروسازه بین الملل آرام سازنده انواع مبدل‌های حرارتی از قبیل مبدل پوسته و لوله، مبدل صفحه ای و مبدل هوایی می‌باشد. این مجموعه با بهره‌گیری از نیروهای متخصص و تجهیزات مورد نیاز، امکان ساخت مبدل‌های حرارتی را دارا می‌باشد. جهت دریافت مشاوره تخصصی با کارشناسان ما تماس بگیرید.

منابع

“Perry’s Chemical Engineers’ Handbook” edited by Don W. Green and Robert H. Perry
“Chemical Engineering Design” by Gavin Towler and Ray Sinnott
“Heat Exchanger Design Handbook” by K. M. V. V. Prasad
“Heat Exchangers: Selection, Rating, and Thermal Design” by Sadik Kakaç, Hongtan Liu, and Anchasa Pramuanjaroenkij

پروژه‌های اجرا شده

شرکت اکسین گاز سربلند فرداد

در حال انجام

شرکت اکسین گاز سربلند فرداد