تركيبة فرن التسخين الأنبوبي والمواد المقاومة للحرارة المستخدمة فيه

Thread Content

يتم وضع عدد كبير من أنابيب الصلب عالية الجودة أو المصنوعة من سبائك، والمتصلة ببعضها البعض، داخل جسم مغلق مزود بطبقة عازلة. يمر المادة المستخدمة في التسخين داخل هذه الأنابيب بسرعة عالية، ويحترق الوقود داخل الجسم المغلق مما ينتج عنه دخان ساخن. ينقل الدخان الساخن الحرارة إلى المادة المستخدمة في التسخين عن طريق الإشعاع والتبادل الحراري، مما يؤدي إلى تسخين المادة إلى الدرجة المطلوبة في عملية الإنتاج، أو لإتمام تفاعلات كيميائية معينة； تُسمى هذه الأجهزة بشكل عام بأفران التسخين الأنبوبية. الفرن الحراري الأنبوبي الذي نتحدث عنه اليوم هو فرن للتسخين في معدات إنتاج التكرير والصناعات البتروكيماوية، ويُطلق عليه اختصارًا فرن التسخين في العمليات البتروكيماوية. http://www.znhcl.com/uedits/c029a71236c5454cabf957f3dc755142.jpg يتكون فرن التسخين من نوع الأنابيب في صناعة البتروكيماويات من غرفة الإشعاع، وغرفة التبادل الحراري، وجهاز استرداد الحرارة الزائدة، والموقد، بالإضافة إلى نظام تزويد الهواء ونظام تصريف الدخان. 1. غرفة الإشعاع: هي الجزء الذي يلعب فيه انتقال الحرارة بالإشعاع دورًا رئيسيًا في الفرن. نظرًا لأنه المكان الذي توجد فيه اللهب مباشرة، فإنه يُعتبر أعلى جزء في درجة حرارة الفرن. لذلك، من الضروري التفكير بعناية في تركيب المواد المستخدمة في صنعه، وقوتها وسمكها وخصائصها الميكانيكية. كما أن 70 إلى 80% من الحرارة الناتجة عن الفرن يتم امتصاصها في غرفة الإشعاع. في الأفران التي يحدث فيها تحويل وتكسير للسوائل، يتم إجراء عمليات التفاعل والتكسير بشكل عام داخل غرفة الإشعاع. لذلك، فإن جودة غرفة الإشعاع تحدد جودة فرن التسخين، وهذا ليس مبالغة. 2. غرفة الحمل الحراري: تعد غرفة الحمل الحراري الجزء الذي يتحكم في عملية نقل الحرارة بالحمل الحراري في الفرن. تحتوي هذه الغرفة على مجموعة من الأنابيب المرتبة بكثافة، وهيكلية تؤدي إلى زيادة سرعة مرور الغازات العادمة عبر أنابيب الحمل الحراري، مما يضمن نقلاً فعالاً للحرارة عن طريق الحمل الحراري. عادةً، يمتص غرفة التدفق حوالي 20 إلى 30% من الحرارة الناتجة عن الفرن بأكمله. يمكن وضع غرفة التدفق فوق غرفة الإشعاع ； يمكن أيضًا تركيبه على الأرض، مع ربطه بجسم المفاعل عبر أنابيب الدخان، لكن المبدأ يظل كما هو. يمكن استخدام أنابيب المسامير أو الأنابيب ذات الزعانف في غرفة الحمل الحراري. 3. جهاز استرداد الحرارة المتبقية: جهاز استرداد الحرارة المتبقية هو الجهاز المستخدم لاسترداد الحرارة من غازات العادم الخارجة من غرفة الحمل الحراري، أو من غازات العادم الخارجة مباشرةً من غرفة الإشعاع عند عدم وجود غرفة حمل حراري. تتمثل تدابير استرجاع الحرارة المستخدمة حاليًا في المصانع المحلية والدولية في الأنواع التالية تقريبًا: أ. من منظور توازن العمليات الإنتاجية والمعدات بشكل عام، يتم تسخين الهواء المستخدم في العمليات عبر استخدام زيت ساخن. ب. من منظور تحسين وتبسيط نظام التدوير، هناك تدوير لوسط النقل الحراري – تسخين الهواء مسبقًا بواسطة الزيت الساخن. يشمل ذلك دورات نقل الحرارة المفتوحة والمغلقة. ج. من حيث زيادة معدات الاسترداد الملحقة، هناك: ① النوع المصنوع من الأنابيب الفولاذية ； ②أنبوب زجاجي ； ③دوار ； ④أنابيب حديدية مصبوبة ； ⑤نمط الدفايع ； ⑥أنبوب حراري ； ⑦مسخنات الهواء من النوع اللوحي، وغيرها. د. من حيث توفير الطاقة عن طريق التعاون مع أجهزة أخرى، هناك ①غلايات لاستغلال الحرارة الزائدة ； ②إنتاج الحرارة والكهرباء معًا. 4. أجهزة الاحتراق هي أحد المكونات الأساسية لفرن التسخين، ويؤثر مستوى كفاءتها التقنية ومدى توافقها مع متطلبات عملية التسخين وتركيبة الفرن وخصائص نقل الحرارة بشكل مباشر على أداء الفرن واستهلاكه للطاقة وكذلك على الجوانب البيئية. يعد اختيار موقد يتناسب أداؤه التقني مع متطلبات عملية الفرن والتركيب الهيكلي له وخصائص انتقال الحرارة، أمراً ذا أهمية كبيرة لضمان تشغيل الفرن بكفاءة أو بشكل "طويل الأمد، آمن، مستقر، ومستوفٍ للمواصفات". ٥. أجهزة التهوية: تتمثل وظيفة أجهزة التهوية في إدخال الهواء اللازم لعملية الاحتراق، وفي نفس الوقت طرد الغازات الناتجة عن الاحتراق خارج الفرن. وهناك نوعان من أجهزة التهوية: التهوية الطبيعية والتهوية القسرية. الأول يعتمد على قوة التهوية في المدخنة ； يستخدم النوع الأخير مروحة سحب لسحب الغازات العادمة بقوة. عادةً، عندما يكون فقدان الضغط داخل الفرن قليلاً، يُستخدم نظام التهوية الطبيعية عبر المدخنة؛ حيث تُركب المدخنة في الجزء العلوي من الفرن وتشكل جزءًا لا يتجزأ منه. ومن الأفضل أن يكون ارتفاع المدخنة كافيًا لتعويض فقدان الضغط داخل الفرن والحفاظ على قوة تهوية كافية. تتميز أفران التسخين بتركيبة معقدة؛ لذا فإن الأفران التي تعاني من خسائر ضغط كبيرة داخلها، أو تلك المزودة بأجهزة لاسترداد الحرارة المهدرة، غالبًا ما تستخدم مراوح سحب لتوفير تهوية قوية. 6. أنابيب الفرن والتوصيلات: تعتبر أنابيب الفرن والتوصيلات أهم أجزاء الأفران ذات الأنابيب، حيث تشكل 40% من إجمالي كمية المواد الفولاذية المستخدمة في هذه الأفران، كما تمثل 60% من إجمالي التكاليف اللازمة لبنائها. نظرًا للحاجة إلى مقاومة الضغوط والتآكل، بالإضافة إلى مقاومة الحرارة الشديدة الناتجة عن اللهب، ومن أجل إتمام المهام الإنتاجية وضمان سلامة العملية، يتم تصميم أنابيب الفرن وفقًا للمعايير التالية: يتحدد طول أنابيب الفرن وعددها الإجمالي بناءً على حمل الحرارة في فرن التسخين، وكفاءته في نقل الحرارة، بالإضافة إلى تركيبة الفرن نفسه. يتم تحديد قطر الأنبوب وعدد مسارات الأنبوب بناءً على معدل التدفق، والخسارة المسموح بها في الضغط، وزمن الإقامة. يتحدد سمك الجدار بناءً على الضغط الداخلي، والإجهادات الحرارية، والأحمال الثابتة، ودرجة حرارة جدار الأنبوب، وقوة المادة (بما في ذلك خصائص الانزلاق عند درجات الحرارة العالية والهشاشة)، بالإضافة إلى هامش المقاومة للتآكل. يتحدد الخصائص المادية بدرجة الحرارة المسموح بها وقوتها عند درجات الحرارة العالية (بما في ذلك قوتها أثناء الانزلاق)، بالإضافة إلى مقاومتها للحرارة ومقاومتها للتآكل ومدى هشاشتها. يُستخدم أنابيب الفرن المصنوعة من الفولاذ الكربوني عندما تكون درجة حرارة الأنابيب أقل من 500 درجة مئوية ； عندما تكون درجة حرارة أنابيب الفرن بين 500°م و700°م، يتم استخدام أنابيب فرن مصنوعة من فولاذ منخفض السبائك (T9–T22) ； عندما تكون درجة حرارة أنابيب الفرن بين 700 درجة مئوية و800 درجة مئوية، يتم استخدام أنابيب فرن من الفولاذ المقاوم للصدأ (304، 316) ； يتم استخدام أنابيب الفرن من نوع 309 عندما تكون درجة حرارة الأنابيب بين 800 درجة مئوية و900 درجة مئوية ； عندما تتجاوز درجة حرارة أنابيب الفرن 900 درجة مئوية، يتم استخدام أنابيب فرن مصنوعة من فولاذ سبائكي عالي الجودة بطريقة الصب بالطرد المركزي (HK-40). تستخدم أنابيب التسخين في الأفران الأنبوبية أنابيب ضوئية، بينما تستخدم غرف التبادل الحراري أنابيب ذات رؤوس مسمارية أو أنابيب ذات ريش. هناك طريقتان لربط أنابيب الفرن بالتوصيلات المنحنية، وهما اللحام والتوصيل بالضغط. عند استخدام اللحام، تكون الكوعات عبارة عن كوعات ذات انحناء حاد مصنوعة بضغط أنابيب الفرن، ويُعد الكوع بزاوية 180° النموذج الأبرز لها، بينما نادراً ما يتم صبها. عند استخدام الربط بالتمدد، يتم استخدام توصيلات دائرية مصنوعة من المعدن ومزودة بأغلاق، ويتم إزالة هذا الإغلاق لكي يتسنى تنظيف الأجزاء الداخلية للأنبوب ميكانيكيًا. العيب هو أن تكلفتها مرتفعة، كما أن المواد المستخدمة في صنعها هي نفسها المستخدمة في صناعة أنابيب الفرن. إذا كان الزيت المراد تسخينه خفيفًا، فلا يحدث تكون للقطع الصلبة على أنابيب الفرن، أو يمكن استخدام منازل انعطاف حادة في الأفران التي تستخدم تقنية إزالة القطع الصلبة أثناء التشغيل. أما إذا كان الزيت المراد تسخينه ثقيلًا، وكان من السهل حدوث تكون للقطع الصلبة على أنابيب الفرن، ولم تُستخدم تقنية إزالة القطع الصلبة أثناء التشغيل، فيمكن استخدام منازل انعطاف مصنوعة من الخرسانة في جزء الغرفة الإشعاعية. 7. دعامات الأنابيب وأنابيب الدعم: تتحمل هذه الدعامات وزن أنابيب التسخين الموجودة داخل الفرن، وتنقل ذلك الوزن إلى هيكل الفرن نفسه. يجب أن تتمتع دعامات الأنابيب بخصائص مثل قدرة ممتازة على مقاومة التأكسد والتآكل، بالإضافة إلى قوة عالية في درجات الحرارة المرتفعة. كما يجب أن تكون قادرة على التمدد والانكماش بحرية من الناحية الهيكلية، مع تغير درجة حرارة الأنابيب. مادة دعامات الأنابيب: في غرفة الإشعاع والجزء السفلي من غرفة الحمل الحراري، تُستخدم فولاذ 25Cr-12Ni أو فولاذ 25Cr-20Ni. في الجزء العلوي من غرفة التبادل الحراري، يتم استخدام الحديد المصبوب المقاوم للحرارة “HR” وفولاذ سبيكة 5Cr. من مشاكل استخدام الفولاذ ذو المحتوى العالي من الكروم هو الهشاشة عند درجات الحرارة العالية، بالإضافة إلى التآكل الناتج عن وجود الفاناديوم والكبريت في الوقود. في مثل هذه الحالات، يجب تصميم الدعامات بحيث تكون قابلة للاستبدال، كما يجب استخدام المادة الفيريتية للحد من الهشاشة الناتجة عن درجات الحرارة العالية، أما بالنسبة لتآكل الفاناديوم، فيمكن التغلب عليه باستخدام طبقة واقية مصنوعة من المواد المناسبة. عادةً، يتم استخدام دعامات أنابيب على شكل حامل سكاكين في غرفة الإشعاع، بينما يتم استخدام دعامات أنابيب على شكل صفائح مثقوبة في غرفة التبادل الحراري، وتقوم هياكل الأنابيب فقط بدور توجيه الأنابيب. 8. المواد المقاومة للحرارة: تعتبر المواد المقاومة للحرارة ضرورية في أفران التسخين، ويمكن تقسيمها إلى نوعين: المواد المصبوبة في أشكال معينة، والمواد غير المصبوبة في أشكال معينة. أ. المواد المقاومة للحرارة ذات الشكل المحدد: تُعد المواد المقاومة للحرارة ذات الشكل المحدد عبارة عن بلاط مقاوم للحرارة ذو كثافة عالية، وبلاط مقاوم للحرارة ذو كثافة منخفضة، بالإضافة إلى بلاط عازل للحرارة. يتميز البلاط المقاوم للحرارة ذو الكثافة العالية بخصائصه المقاومة للحرارة، ويُستخدم في ممرات الاحتراق في أجهزة الاحتراق، وكذلك في طلاء الأسطح المواجهة للحرارة في الأفران ذات درجات الحرارة العالية. الطوب الحراري الخفيف يتمتع بخصائص مقاومة الحرارة والعزل الحراري، ويُستخدم غالبًا في جوانب الفرن وسقفه. مقاومة الحرارة لطوب العزل منخفضة، ويُستخدم غالبًا في بطانة قاع الفرن وجدرانه الجانبية، ولكن بكميات قليلة. يمكن للعملاء الذين يحتاجون إلى منتجات مقاومة للحرارة مثل الطوب المقاوم للحرارة، زيارة موقع شبكة المواد المقاومة للحرارة على الرابط http://www.znhcl.com. حيث توفر الشركات المصنعة في جميع أنحاء البلاد المنتجات مباشرة، كما يتم قبول عمليات الدفع عبر منصة أليباي، ويتم التسليم نقدًا فورًا. ب. المواد المقاومة للحرارة غير المتبلورة تشير بشكل عام إلى المواد التي يتم تصنيعها من الركائز والأسمنت مع استخدام الماء، ويتم تطبيقها بنفس طريقة الخرسانة، وتُسمى أيضًا بالمواد المصبوبة. ينقسم إلى مواد صب ذات مقاومة عالية للحرارة مع قدرة معينة على العزل الحراري (مواد صب ثقيلة)، ومواد صب عازلة حراريًا (مواد صب خفيفة)، وتتضمن طرق التطبيق الثلاثة: الحقن، والدهن، والرش. بالنسبة لأفران التسخين الأنبوبية، يُفضل استخدام مواد صب قابلة للتشكيل ذات مقاومة عالية للحرارة، بالإضافة إلى خصائص عزل حراري جيدة، وذلك لاستخدامها في الجزء العلوي من الفرن وجوانبه وقاعده. أما بالنسبة لتغليف المداخن والأسطح الجانبية، فيتم استخدام مواد صب قابلة للتشكيل ذات خصائص عازلة للحرارة. كتل الألياف الخزفية، وبطانات الإسفنج الصخري، والرش بالألياف الخزفية تعتبر أيضًا من المواد المقاومة للحريق غير المصبوبة. 9. إطار الفرن والجوانب ومنصة الفرن هي هياكل فولاذية تتحمل كل أحمال الفرن، والمادة المستخدمة هي الفولاذ الكربوني العادي، وغالبًا ما يتم استخدام القضبان المجوفة والقضبان على شكل حرف I. الألواح الجانبية هي ألواح فولاذية تقع على السطح الخارجي لجدران الفرن، ووظيفتها هي حماية الفرن من المطر والغبار، كما تمنع دخول الهواء غير الضروري إلى داخل الفرن. ويمكن تصنيفها حسب وظيفتها إلى نوعين: نوع يساعد في تحمل أعباء الهيكل الفولاذي، ونوع يقوم فقط بوظيفة التغطية. المنصات والسلالم مصممة للتشغيل والصيانة، وتُستخدم للعمليات اليومية والفحوصات.