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Analyse des perspectives de gestion et d’application des échangeurs de chaleur à tubes enroulés. L'échangeur de chaleur à tubes enroulés est non seulement un équipement important dans les processus chimiques à grande échelle, mais également un équipement efficace et économe en énergie. Ces échangeurs de chaleur ont des structures complexes, sont coûteux et sont situés dans des parties clés du dispositif. Par conséquent, une fois que ces échangeurs de chaleur fuient, l'ensemble de l'appareil doit être arrêté, et il faudra jusqu'à six mois pour en fabriquer un, et les pertes de l'entreprise seront énormes. La durée de vie d'un échangeur de chaleur normal est généralement d'environ 12 à 20 ans. Les entreprises peuvent effectuer des remplacements planifiés en fonction de l'utilisation réelle et de la durée de vie. Cependant, de nombreuses entreprises nationales ne gèrent pas entièrement l'ensemble du processus des échangeurs de chaleur à serpentins, et des problèmes de qualité surviennent après une courte période d'utilisation. Afin d'assurer le fonctionnement à long terme de l'échangeur de chaleur à tubes enroulés, il est nécessaire de gérer l'ensemble du processus d'utilisation de l'échangeur de chaleur à tubes enroulés. 1 Introduction à l'échangeur de chaleur à tube enroulé L'échangeur de chaleur à tube enroulé se compose de deux parties : le noyau du tube enroulé et la coque (Figure 1). Le corps du noyau tubulaire est composé d'un cylindre central, de tubes d'échange thermique, de joints et de colliers de serrage. Les tubes d'échange thermique sont étroitement enroulés autour du cylindre central (Figure 2), séparés par des entretoises plates et des entretoises de forme spéciale pour assurer l'espacement horizontal et vertical entre les tubes. Les entretoises et les tubes sont reliés de manière fixe à des colliers de serrage. Les tubes d'échange thermique et la plaque tubulaire adoptent une structure de connexion soudée et expansée. Le tube central joue un rôle de support lors de la fabrication, il nécessite donc un certain degré de solidité et de rigidité. La coque est constituée d'un cylindre et d'une tête. Les principaux avantages de son application en ingénierie sont : a. Structure compacte et grande surface de transfert de chaleur par unité de volume. Pour les tubes de transfert de chaleur d'un diamètre de 8 à 12 mm, la surface de transfert de chaleur par mètre cube de volume peut atteindre 100 à 170 m2 ; b. Le transfert de chaleur de plusieurs supports peut être effectué en même temps ; c. La pression de fonctionnement à l'intérieur du tube est élevée et la pression de fonctionnement la plus élevée actuelle à l'étranger peut atteindre 2 156 MPa ; d. La dilatation thermique du tube caloporteur peut être compensée par elle-même ; e. L'échangeur de chaleur peut facilement être agrandi. 2. Application industrielle des échangeurs de chaleur à tubes enroulés. Dans les pays étrangers, les échangeurs de chaleur à tubes enroulés sont largement utilisés dans les sous-refroidisseurs et les liquéfacteurs (appareils à oxygène liquide, ammoniac liquide) des grandes usines de séparation d'air. La série d'échangeurs de chaleur à tubes enroulés lancée par Linde dans le système de lavage à l'ammoniac et au méthanol synthétique utilise pleinement le rôle de ce type d'échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur à tubes enroulés est actuellement principalement utilisé dans la section de lavage du méthanol de la grande usine de synthèse d'ammoniac d'engrais (procédé Texaco aux États-Unis) en Chine. Il existe près de 20 ensembles de ces appareils dans le pays, et chaque appareil dispose de 6 échangeurs de chaleur à tubes enroulés. Les conditions spécifiques de ces échangeurs de chaleur sont présentées dans le tableau 1. La plupart des échangeurs de chaleur à tubes enroulés de la première douzaine d'unités de notre pays ont été remplacés. La plupart d’entre eux ont atteint la fin de leur durée de vie, mais nombre d’entre eux ont également été endommagés en raison d’une mauvaise gestion. Le tableau 2 montre les principales causes de dommages matériels pour certains utilisateurs, et le tableau 3 illustre le pourcentage de causes de dommages matériels. 3. Gestion de l’utilisation des échangeurs de chaleur à tubes enroulés. Le processus d'utilisation et de gestion des échangeurs de chaleur à tubes enroulés comprend principalement quatre aspects : le contrôle du processus de fabrication, la sélection de la technologie de détartrage et de nettoyage, la gestion efficace du fonctionnement de l'appareil et l'application correcte des plans de réparation des défauts du produit. 3.1 Contrôle du processus de fabrication En raison de la particularité de l'échangeur de chaleur à tubes enroulés, le fabricant utilisateur doit contrôler l'ensemble du processus dès le début de la fabrication et proposer différentes exigences de contrôle en fonction des différentes occasions d'utilisation. Contenu principal du contrôle : a. Sélection de tuyaux. Les tubes actuellement utilisés sont des tubes en acier soudés et des tubes en acier sans soudure. Les tuyaux en acier soudés ont une faible fiabilité et conviennent aux basses pressions ; tandis que les tuyaux en acier sans soudure ont de meilleures performances globales, mais présentent des zones faibles et les joints doivent être traités avec une solution. Pour les fluides hautement corrosifs, des tuyaux en acier sans soudure doivent être utilisés ; à l'inverse, des tuyaux en acier soudés doivent être utilisés. Les bobines de grand diamètre doivent utiliser des tuyaux soudés, tandis que les bobines de petit diamètre doivent utiliser des tuyaux sans soudure. b. Contrôle des bobines. La qualité du contrôle du serpentin affecte directement l'efficacité du transfert de chaleur de l'échangeur thermique, en particulier la situation d'encrassement. Par conséquent, lors de l'enroulement, l'espacement des couches doit être modéré et il ne doit y avoir aucun espace étroit ni coin mort pour éviter une disposition inégale dans les zones locales, provoquant un blocage du fluide et réduisant la zone de circulation du fluide. c. Contrôle des soudures. La forme de dommage la plus courante sur les tuyaux d’enroulement est la fuite à l’embouchure du tuyau, qui constitue un élément essentiel de l’équipement. Généralement, afin d'améliorer l'efficacité du transfert de chaleur, les tubes utilisés dans les échangeurs de chaleur à tubes enroulés en spirale sont relativement petits et minces, et des défauts de soudage se produisent facilement. Par conséquent, le soudage doit contrôler strictement l’énergie de la ligne. Il est préférable d'utiliser le soudage automatique et le cordon de soudure doit être uniforme et complet. d. Les échangeurs de chaleur à tubes enroulés fonctionnent tous verticalement et une corrosion des espaces est susceptible de se produire entre la plaque tubulaire inférieure et les tubes, ce qui constitue également l'une des formes de dommages les plus courantes. Par conséquent, les joints de dilatation doivent réaliser deux choses : premièrement, avoir une expansion appropriée, éliminer les espaces et prévenir la corrosion ; deuxièmement, pour éviter une dilatation excessive, qui entraînerait une déformation plastique de la plaque tubulaire et réduirait la fiabilité du joint de dilatation. En plus des aspects ci-dessus, le contrôle de la fabrication des échangeurs de chaleur à tubes enroulés comprend également le contrôle des matériaux, le contrôle de la conception, etc., afin que les produits d'échangeur de chaleur puissent répondre aux caractéristiques de production de différentes entreprises. 3.2 Sélection de la technologie de détartrage À l'heure actuelle, la plupart des dommages causés aux échangeurs de chaleur à tubes dans les entreprises nationales sont causés par une technologie de décapage et de détartrage immature, principalement en raison de méthodes de décapage inappropriées. Actuellement, trois solutions de décapage couramment utilisées sont principalement utilisées, à savoir une solution de HCl à 5 %, l'acide nitrique ou acide fluorhydrique et l'acide citrique. Parmi eux, HCl est principalement utilisé pour le décapage de l’acier au carbone, et les deux derniers sont principalement utilisés pour le décapage de l’acier inoxydable. L'acide nitrique ou acide fluorhydrique est très acide. Il utilise le principe du détartrage pour éliminer le tartre et est sujet à la corrosion ; tandis que l'acide citrique élimine le tartre par complexation et est faiblement acide. L'auteur prend comme exemple l'échangeur de chaleur au méthanol pour analyser la cause des dommages. Lors du décapage des E9 et E10 de la Zhenhai Refining and Chemical Company, le matériau du faisceau de tubes était de l'acier au carbone et de l'acide HCl a été utilisé. Après le décapage, l'acide dans la partie inférieure de l'échangeur de chaleur n'a pas été évacué à temps, ce qui a entraîné le maintien d'un certain liquide résiduel dans la zone morte de la plaque tubulaire inférieure, provoquant une corrosion acide pendant la période de révision et d'arrêt, endommageant les tubes. Un échangeur de chaleur tubulaire de 36 tonnes dans une usine chimique de Shanghai a été décapé avec une solution d'acide fluorhydrique. Étant donné que l'acide fluorhydrique est assez corrosif pour la soudure, l'acide a pénétré dans l'espace entre les joints de la plaque tubulaire, provoquant la fissuration de la soudure de la tête du tuyau ; L'usine chimique 15E6 de Ningxia a utilisé du liquide HNO3 pour détartrer. Après le détartrage du HNO3, une grande quantité de Fe3+ a été produite. Le temps de décapage était légèrement plus long, ce qui rendait la teneur en Fe3+ bien supérieure à la valeur standard de 6×10-4. Fe3+ s'est attaché aux tuyaux et a provoqué de la corrosion. De plus, le temps de décapage du HNO3 était long et n'était pas égoutté à temps. Le liquide acide lui-même a produit une forte corrosion, entraînant des dommages au faisceau de tubes. À l'heure actuelle, la méthode de décapage la plus mature devrait consister à utiliser de l'acide citrique avec une acidité relativement faible et à utiliser la méthode de plusieurs fois et de courts séjours pour décaper un échangeur de chaleur jusqu'à 5 à 6 fois. Chaque fois est courte et soigneusement rincée afin que Fe3+ ne dépasse pas la norme et soit éliminé à temps pour garantir que l'échangeur de chaleur ne soit pas corrodé. L'utilisation correcte de la technologie de détartrage et de nettoyage est très importante pour la durée de vie de l'échangeur thermique. Une grande attention doit être accordée à la gestion des applications et un plan de processus raisonnable doit être utilisé pour le décapage. 3.3 Gestion du fonctionnement des appareils. Il existe de nombreux problèmes de qualité causés par les impuretés présentes dans les matières premières. Selon les exigences de conception, l'échangeur de chaleur à tube en spirale est utilisé dans des situations où les impuretés moyennes sont petites et faciles à nettoyer. Étant donné que l'échangeur de chaleur à tube en spirale recherche sa compacité, la distance entre l'espacement des tubes et l'espacement des couches est relativement petite, de sorte que les exigences en matière de matières premières sont également plus élevées. Une fois que l'équipement fluctue, cela peut entraîner une présence excessive d'impuretés dans les matières premières et provoquer facilement un blocage. Par conséquent, il est nécessaire de réaliser efficacement les aspects suivants en fonctionnement : a. Sélection des matières premières. La teneur en impuretés des matières premières doit être strictement contrôlée. Une augmentation de la teneur en impuretés fera adhérer certaines impuretés aux supports entre les couches. Cela entraînera facilement un blocage des canaux au fil du temps, entraînant une réduction significative de la zone d'échange thermique. b. La conception de la structure du système est raisonnable. Afin d'empêcher les grosses impuretés de pénétrer dans l'échangeur de chaleur, un filtre doit être ajouté en amont du système. Le nombre de mailles du filtre doit dépendre de la taille des impuretés. Les matières premières ne peuvent entrer dans l’échangeur thermique qu’après avoir traversé le filtre. Cela empêche les matières premières de provoquer un blocage à l’intérieur de la coque et du côté du tube. c. Ajoutez un dispositif de lavage à contre-courant. Lors du fonctionnement de l’échangeur thermique, les impuretés ont tendance à se déposer vers le bas. D'une part, ils bloquent le canal d'écoulement, et d'autre part, ils provoquent de la corrosion sous le tartre. Par conséquent, un lavage à contre-courant est ajouté à la partie inférieure de l'échangeur de chaleur pour perturber les impuretés internes déposées sous forme de bulles, provoquant ainsi l'écoulement des impuretés avec le milieu. De plus, pendant le fonctionnement de l'appareil, une attention particulière doit être accordée à l'augmentation et à la baisse de la température et de la pression pendant le démarrage et l'arrêt, et l'adaptation de la vitesse d'augmentation de la température et de la pression doit être strictement contrôlée, sinon cela provoquera facilement une dilatation thermique inégale et une contraction à froid et endommagera le raccordement de la tête de tuyau. 3.4 Sélection correcte du plan de réparation de l'équipement. Les échangeurs de chaleur à tubes enroulés ont généralement un cycle de fonctionnement long, mais des problèmes surviennent souvent. Les principaux problèmes comprennent le blocage, les fuites de tuyaux et les fuites d’orifices de tuyaux. La sélection correcte du plan de réparation approprié est très importante pour l'appareil. Une fois l'échangeur de chaleur bloqué, il existe deux façons de le nettoyer : l'une consiste à rincer avec un pistolet à eau haute pression, qui est principalement utilisé lorsque le blocage n'est pas très grave ; la seconde consiste à utiliser un nettoyage acide, qui est principalement utilisé pour les blocages importants. Si l'échangeur thermique présente une fuite de tube, les tubes ne peuvent être bouchés qu'après un test de pression et une fuite évidente. Si un échangeur de chaleur a un problème de fuite de tube, il doit être réparé dans deux situations : s'il y a un petit nombre d'ouvertures de tube, la méthode de bouchage de tube sera utilisée ; s'il y a un grand nombre d'ouvertures de tubes, le blocage des tubes affectera sérieusement l'effet de transfert de chaleur, alors la méthode de soudage de réparation par traction du noyau doit être utilisée pour réparer le tube d'enroulement. Bien que la réparation par extraction du noyau de l'échangeur de chaleur à tubes enroulés soit compliquée, il existe de nombreux cas de réparation réussie. 4. Analyse des perspectives d'application des échangeurs de chaleur à tubes enroulés. À l'heure actuelle, les échangeurs de chaleur à tubes en spirale sont principalement utilisés dans les dispositifs cryogéniques de l'industrie chimique, tels que les dispositifs de séparation d'air et de méthanol. Avec l'approfondissement de la recherche nationale sur les échangeurs de chaleur à tubes en spirale, de nombreuses unités domestiques ont continué à s'attaquer à des problèmes clés et ont obtenu des résultats préliminaires en élargissant les domaines d'application des échangeurs de chaleur à tubes en spirale. Les principales tendances sont les suivantes. 4.1 Échangeur de chaleur à tube enroulé à grande échelle En raison de la conception structurelle spéciale de l'échangeur de chaleur à tube en spirale, sa tête est petite et le tube peut mesurer des centaines de mètres de long. Certains échangeurs de chaleur à tubes spiralés à grande échelle ont été développés et fabriqués. La figure 3 (omise) montre un grand échangeur de chaleur à tubes enroulés utilisé par Dezhou Petrochemical. La taille de l'échangeur de chaleur est de 1 600 mm × 20 000 mm, pèse 60 tonnes et a une surface d'échange de chaleur de 2 000 m2, soit environ le double de celle des échangeurs de chaleur à coque similaires ordinaires. À mesure que l'équipement devient plus grand, l'échangeur de chaleur à tubes enroulés doit également devenir plus grand. Cependant, les échangeurs de chaleur à tubes et tubes ordinaires ne peuvent pas agrandir l'échangeur de chaleur en raison des limitations des tubes. 4.2 Température élevée de l'échangeur de chaleur à tube enroulé L'échangeur de chaleur à tube enroulé a des performances d'échange thermique efficaces, mais il est actuellement essentiellement utilisé dans les dispositifs cryogéniques. Depuis 2001, des entreprises telles que l'Institut général de recherche de Hefei ont commencé à étudier les échangeurs de chaleur à tubes enroulés (Figure 4) (omis) pour les applications à haute température, et ils ont été mis en service dans l'industrie chimique et de raffinage de Zhenhai en 2002. Cet échangeur de chaleur utilise des matériaux résistants aux hautes températures en acier CrMo. Les paramètres de fonctionnement sont présentés dans le tableau 4. Après plusieurs années de fonctionnement, les performances de l'échangeur de chaleur répondent pleinement aux exigences et la qualité est relativement fiable. L'application réussie de ce produit a rendu les domaines d'application des échangeurs de chaleur à tubes en spirale * * En s'élargissant, il peut passer des applications à basse température aux applications à haute température. Tant que le fluide le permet, les avantages de l'échangeur de chaleur tubulaire peuvent également être pleinement exploités dans l'industrie du raffinage du pétrole. 4.3 Les échangeurs de chaleur à tubes enroulés haute pression sont actuellement principalement utilisés dans les situations où la pression côté calandre est élevée et la pression côté tube est faible. Généralement, la pression côté coque atteint 15,0 MPa, tandis que la pression côté tube est généralement inférieure à 5,0 MPa. Étant donné que la structure de conception de l'échangeur de chaleur à tubes enroulés est caractérisée par une petite plaque tubulaire, un grand chemin de coque et de petites têtes d'entrée aux deux extrémités, cette structure peut surmonter les défauts des échangeurs de chaleur à haute pression ordinaires. Les échangeurs de chaleur à haute pression ordinaires adoptent un type à tête flottante ou un type de tube en forme de U. Lorsque la pression augmente, non seulement l’épaisseur de la coque augmente, mais le niveau de résistance de la bride doit également être considérablement amélioré. Pour les échangeurs de chaleur généraux à haute pression, si la pression est supérieure à 10 MPa, lorsqu'elle atteint 1,4 m, l'échangeur de chaleur sera très grand et la bride sera également très épaisse. De plus, à mesure que le dispositif devient plus grand, l'échangeur de chaleur haute pression doit également être continuellement agrandi, ce qui pose des problèmes de fabrication. Par exemple, l'échangeur de chaleur haute pression à anneau de verrouillage pour l'hydrocraquage a une pression côté tube de 14,5 MPa, une pression côté coque de 18,5 MPa et un diamètre de 1,4 m. Le poids de la boîte à tubes de l'échangeur de chaleur a atteint 45 tonnes, ce qui est très difficile à fabriquer. S'il est converti en échangeur de chaleur à tête flottante, il sera difficile d'assurer l'étanchéité de l'échangeur de chaleur. Par conséquent, à mesure que l’unité d’hydrogénation devient plus grande, l’échangeur de chaleur à anneau de verrouillage devra également être plus grand, atteignant 1,6 m ou 1,8 m. Non seulement il est difficile à fabriquer, mais aussi en raison de la grande structure, l'entretien sera très difficile. Cependant, l'échangeur de chaleur enroulé peut augmenter sa surface en allongeant sa longueur, et les petites plaques tubulaires aux deux extrémités rendent la bride de connexion petite et facile à fabriquer. À l'heure actuelle, certaines unités nationales mènent des recherches pour remplacer progressivement certains échangeurs de chaleur à haute pression dans l'industrie du raffinage du pétrole par des échangeurs de chaleur à tubes enroulés, tels que les équipements d'hydrocraquage et de reformage. 4.4 Échangeur de chaleur à tubes enroulés multibrins À mesure que l'application évolue, l'échangeur de chaleur à tubes en spirale réalise progressivement un échange de chaleur multi-flux, ce qui constitue une performance spéciale que les autres échangeurs de chaleur ne peuvent égaler. Un échangeur de chaleur et un fluide côté coque peuvent échanger de la chaleur avec deux ou trois fluides en même temps. Cela peut * * Améliorez l'efficacité de l'échange thermique et l'espace d'échange thermique de l'appareil. À l'heure actuelle, la recherche et la fabrication nationales d'échangeurs de chaleur multi-flux ont progressivement commencé et certains produits ont été mis en application. La figure 5 (omise) montre l'échangeur de chaleur multi-flux de Baling Petrochemical. 4.5 Échangeur de chaleur à tube enroulé miniature En raison de ses performances d'échange thermique efficaces, l'échangeur de chaleur à tube enroulé en spirale évolue progressivement vers la miniaturisation tout en évoluant vers la grande échelle. Dans certains endroits où l'espace est limité, les échangeurs de chaleur conventionnels ne peuvent pas répondre aux exigences d'échange de chaleur, mais l'utilisation d'échangeurs de chaleur à tubes enroulés peut répondre aux exigences dans le même espace. C’est en raison de ces bonnes performances que les échangeurs de chaleur à tubes enroulés ont été utilisés dans les micro-champs. La figure 6 est un échangeur de chaleur à tubes enroulés utilisé dans un certain produit militaire. En raison de l'espace limité de ce produit militaire, après des comparaisons répétées, ce produit a finalement été sélectionné pour réaliser un échange thermique dans un espace limité. 5 Conclusion L'échangeur de chaleur à tubes enroulés est un nouveau type d'échangeur de chaleur à haut rendement. La manière de gérer correctement l’ensemble du processus d’installation de l’équipement est très importante pour le fonctionnement de l’appareil. Et à mesure que l'application continue de mûrir, ses champs d'application s'élargissent de jour en jour et elle jouera un rôle de plus en plus important.