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Gestão de trocadores de calor de tubos enrolados e análise de suas perspectivas de aplicação. Os trocadores de calor de tubos enrolados não são apenas equipamentos importantes em grandes processos químicos, mas também representam uma solução eficiente em termos de economia de energia. Esses trocadores de calor têm estrutura complexa, são caros e ficam em posições cruciais no equipamento. Portanto, caso ocorra vazamento neles, todo o sistema precisa ser parado. Além disso, a fabricação de um novo trocador de calor leva pelo menos seis meses, o que resulta em perdas enormes para a empresa. A vida útil de um trocador de calor normal é, em geral, de 12 a 20 anos. As empresas podem substituí-lo de forma planejada, com base nas condições reais de uso e no prazo estipulado para sua vida útil. No entanto, no país, muitas empresas enfrentam problemas de qualidade após um curto período de uso, devido à falta de gestão adequada dos trocadores de calor de tipo tubular. Para garantir o funcionamento de longo prazo do trocador de calor com tubos enrolados, é essencial realizar uma gestão abrangente durante todo o período de uso desse tipo de trocador. 1 Introdução ao trocador de calor de tubos enrolados O trocador de calor de tubos enrolados é composto por dois componentes: o núcleo dos tubos e a carcaça (Figura 1). O invólucro ao redor do núcleo é composto por um tubo central, tubos de troca de calor, tiras de fixação e abraçadeiras para tubos, entre outros componentes. Os tubos de troca de calor são enrolados de forma compacta ao redor do cilindro central (Figura 2). Eles são separados por arruelas planas e arruelas especiais, o que garante o espaçamento lateral e longitudinal entre os tubos. As arruelas são fixadas aos tubos por meio de abraçadeiras. Os tubos de troca de calor e a placa de tubos são conectados por meio de soldagem resistente, além de uso de elementos de expansão. O cilindro central desempenha um papel de suporte durante a fabricação; portanto, é necessário que ele tenha certa resistência e rigidez. A carcaça é composta por um cilindro e uma tampa, entre outros componentes. Os principais vantagens de sua aplicação em engenharia são: a. Estrutura compacta, com uma grande área de transferência de calor por unidade de volume. Para tubos de transferência de calor com diâmetro de 8 a 12 mm, a área de transferência de calor por metro cúbico pode chegar a 100–170 m². b. É possível realizar a transferência de calor entre vários tipos de meios ao mesmo tempo. c. A pressão operacional dentro dos tubos é alta; atualmente, a maior pressão operacional registrada no exterior é de 2156 MPa. d. A expansão térmica dos tubos de transferência de calor pode ser compensada automaticamente. e. É fácil tornar os trocadores de calor de maior tamanho. As aplicações industriais dos trocadores de calor de tubos enrolados no exterior são bastante amplas. Eles são utilizados em grandes equipamentos de separação de ar, como resfriadores e liquefatores (em instalações de oxigênio líquido e amônia líquida). A empresa Linde desenvolveu uma série de trocadores de calor de tubos enrolados para sistemas de lavagem com metanol na produção de amônia sintética, aproveitando ao máximo as vantagens desse tipo de trocador de calor. Os trocadores de calor de tubos enrolados são atualmente utilizados principalmente na China em unidades de síntese de amônia para a produção de fertilizantes (processo Texaco). Em todo o país, existem cerca de 20 unidades desse tipo; em cada unidade, há 6 trocadores de calor de tubos enrolados. As especificações detalhadas desses trocadores de calor estão apresentadas na Tabela 1. Na maioria dos primeiros mais de dez conjuntos de equipamentos do nosso país, os trocadores de calor com tubos enrolados já foram substituídos. Na grande maioria dos casos, isso se deveu ao fim do período de vida útil desses equipamentos; porém, muitos deles também sofreram danos devido a uma má gestão. A Tabela 2 mostra as principais causas de danos nos dispositivos de alguns usuários, enquanto a Tabela 3 indica a porcentagem de cada causa de dano. A gestão do uso dos trocadores de calor com tubos enrolados envolve 4 aspectos principais: controle do processo de fabricação, escolha das técnicas adequadas para a remoção de incrustações, gestão eficaz do funcionamento do equipamento e aplicação correta de soluções para correção de defeitos nos produtos. 3.1 Controle do processo de fabricação Devido às características especiais dos trocadores de calor de tubos enrolados, os fabricantes devem exercer controle sobre todo o processo desde o início da produção. São necessárias exigências de controle diferentes, dependendo das condições de uso. Principais pontos de controle: a. Escolha dos tubos. Atualmente, são utilizados tubos de aço com costura e tubos de aço sem costura. Os tubos de aço com costura têm menor confiabilidade e são adequados para baixas pressões; já os tubos de aço sem costura possuem desempenho geral melhor, mas apresentam áreas frágeis, sendo necessário realizar um tratamento de solidificação nas juntas. Para meios altamente corrosivos, é recomendado o uso de tubos de aço sem costura; por outro lado, para meios menos corrosivos, são adequados os tubos de aço com costura. Para diâmetros grandes do serpentino, é recomendado o uso de tubos com costura; para diâmetros menores, são adequados os tubos sem costura. b. Controle dos tubos de aquecimento. A qualidade do controle dos serpentines afeta diretamente a eficiência de troca de calor do trocador, especialmente no que diz respeito à formação de incrustações. Portanto, durante a regulação, é necessário manter um espaçamento adequado entre as camadas, sem cantos com espaços estreitos. Isso evita que haja uma distribuição desigual dos fluidos em determinadas áreas, o que poderia causar obstruções e reduzir a área de fluxo do fluido. c. Controle da soldagem. A forma mais comum de danos no tubo enrolado é vazamento na extremidade do tubo, que é uma parte crucial do equipamento. Geralmente, nos trocadores de calor com tubos enrolados, para aumentar a eficiência da troca de calor, são utilizados tubos pequenos e finos; nesse caso, a soldagem pode causar defeitos. Portanto, a soldagem deve ter um controle rigoroso da energia da linha de solda; é melhor utilizar o método de soldagem automática, para que as costuras fiquem uniformes e completas. d. Os trocadores de calor com tubos enrolados operam sempre na vertical; entre a placa inferior dos tubos e os próprios tubos, pode ocorrer corrosão por folga, o que também é uma das formas mais comuns de degradação desse tipo de equipamento. Portanto, para que a solda por expansão seja eficaz, é necessário atender a dois requisitos: primeiro, é preciso ter um grau de expansão adequado, a fim de eliminar as lacunas e prevenir a corrosão; segundo, é necessário evitar uma expansão excessiva, que pode causar deformações plásticas na placa do tubo, reduzindo assim a confiabilidade da solda por expansão. Além dos aspectos mencionados acima, o controle na fabricação de trocadores de calor com tubos enrolados também inclui o controle dos materiais e do design, visando garantir que os produtos resultantes atendam às características de produção de diferentes empresas. 3.2 Escolha das técnicas de remoção de incrustações Atualmente, as falhas nos trocadores de calor com tubos em empresas domésticas são, em sua maioria, causadas pela imaturidade das técnicas de remoção de incrustações por meio de tratamento químico. O principal problema é o uso inadequado desse método de tratamento. Atualmente, os soluções de decapagem mais utilizadas são três tipos: solução a 5% de HCl, ácido nítrico ou ácido fluorídrico, e ácido cítrico. Dentre eles, o decapante à base de HCl é utilizado principalmente em aço carbono, enquanto os dois últimos são usados principalmente para o decapamento de aço inoxidável. O ácido nítrico ou o ácido fluorídrico têm acidez elevada; eles funcionam removendo a incrustação por meio do princípio de dissolução dela, mas podem causar corrosão. Já o ácido cítrico remove a incrustação por meio de complexação, e sua acidez é menor. O autor analisa as causas de danos tomando como exemplo um trocador de calor a metanol. Na empresa Zhenhai Refining & Chemical, durante o processo de decapagem com ácidos E9 e E10, o material utilizado para os tubos era aço carbono. Era usado ácido HCl para a decapagem. Após o processo, o ácido restante não era removido adequadamente, ficando acumulado nas áreas mortas entre os tubos. Isso causou corrosão ácida durante o período de parada para manutenção, danificando os tubos. Em uma fábrica química em Xangai, um trocador de calor com tubos de 36 toneladas era limpo com solução de ácido fluorídrico. Como o ácido fluorídico é muito corrosivo para as soldas, ele penetrava nos espaços entre as conexões dos tubos, causando rachaduras nas soldas. Na fábrica química de Ningxia, o processo de remoção de incrustações era feito com HNO3. Após esse processo, havia uma grande quantidade de Fe3+ no líquido. O tempo de decapagem era longo demais, fazendo com que a concentração de Fe3+ ultrapassasse o valor padrão de 6×10-4. O Fe3+ causava corrosão nos tubos. Além disso, como o tempo de uso do ácido HNO3 era longo demais e o líquido não era removido adequadamente, o próprio ácido causava forte corrosão, danificando os tubos. Atualmente, o método mais eficaz de decapagem ácida é o uso de ácido cítrico, que tem um grau de acidez menor. É necessário realizar a decapagem várias vezes, em intervalos curtos de tempo, até 5 a 6 vezes por trocador de calor. Cada processo de decapagem dura pouco tempo, e o trocador de calor é bem lavado, de modo que o Fe3+ não exceda os limites permitidos e seja removido rapidamente, garantindo assim que o trocador de calor não sofra corrosão. O uso correto das técnicas de limpeza para remoção de incrustações é muito importante para a vida útil dos trocadores de calor. É necessário dar grande atenção à sua aplicação, adotando métodos adequados para a limpeza com ácido. 3.3 Gestão da operação do dispositivo: Há muitos casos em que problemas de qualidade surgem devido a impurezas presentes nas matérias-primas utilizadas nos tubos de troca de calor. De acordo com os requisitos de projeto, os trocadores de calor de tipo tubular são utilizados em situações em que as matérias-primas possuem poucas impurezas e são fáceis de limpar. Como esses trocadores de calor buscam ser compactos, a distância entre os tubos e entre as camadas é bastante pequena; por isso, são necessárias matérias-primas de alta qualidade. Quando há flutuações no dispositivo, por exemplo, isso pode causar um aumento das impurezas nos materiais de partida, o que facilita o entupimento. Portanto, para agir de maneira eficaz, é necessário prestar atenção aos seguintes aspectos: a. Escolha das matérias-primas. O teor de impurezas nos materiais brutos deve ser controlado com rigor. Um aumento no teor de impurezas faz com que algumas delas se acumulem nas estruturas de suporte entre as camadas. Com o passar do tempo, isso pode causar obstruções nos canais, reduzindo significativamente a área de troca de calor. b. O design da estrutura do sistema é razoável. Para evitar que impurezas grandes entrem no trocador de calor, é necessário instalar uma rede de filtragem a montante do sistema. A abertura da rede de filtragem deve ser adequada ao tamanho das impurezas. Somente após a filtragem é que a matéria-prima pode entrar no trocador de calor, o que evita que ela cause obstruções dentro dos tubos do equipamento. c. Adicionar um dispositivo de lavagem reversa. Durante o funcionamento do trocador de calor, as impurezas tendem a se depositar na parte inferior. Isso pode causar obstruções nos canais de fluxo e, ao mesmo tempo, levar à corrosão sob a camada de incrustações. Por isso, é necessário implementar um sistema de lavagem reversa na parte inferior do trocador de calor. Esse sistema utiliza bolhas para agitar as impurezas acumuladas no interior, fazendo com que elas sejam levadas junto com o fluido em movimento. Além disso, durante a operação do equipamento, é necessário prestar especial atenção às variações de temperatura e pressão durante o início e parada do processo. É preciso controlar rigorosamente a velocidade de aumento da temperatura e a correspondência entre as pressões; caso contrário, pode ocorrer expansão e contração térmica desigual, o que pode danificar as conexões dos tubos. 3.4 Escolha correta do método de reparo dos equipamentos: Os trocadores de calor com tubos enrolados geralmente têm um ciclo de operação longo, mas frequentemente apresentam problemas. Os principais problemas são o entupimento, vazamentos nos tubos e vazamentos nas extremidades dos tubos. É muito importante escolher corretamente o método de reparo adequado para esses equipamentos. Quando o trocador de calor fica obstruído, existem duas maneiras de desobstruí-lo: uma delas é usar um jato d’água de alta pressão, método adequado para situações em que a obstrução não é muito grave; a segunda maneira é usar ácidos para a limpeza, método utilizado principalmente em casos de obstruções graves. Se for constatado que há vazamentos nos tubos do trocador de calor, então os tubos só poderão ser selados após a verificação dos vazamentos por meio de teste de pressão. O trocador de calor apresentou problemas de vazamento nos tubos. A reparação deve ser feita de duas maneiras diferentes: se houver poucos orifícios nos tubos, utiliza-se o método de obstrução dos mesmos; caso haja muitos orifícios, a obstrução afetará negativamente a eficiência do trocador de calor. Nesse caso, é melhor optar pelo método de soldagem para reparar os tubos. Embora a reparação por meio de soldagem seja complexa, existem muitos exemplos de reparos bem-sucedidos nesse método. Análise das perspectivas de aplicação dos trocadores de calor com tubos enrolados. Atualmente, os trocadores de calor com tubos enrolados são amplamente utilizados em instalações de refrigeração intensiva no setor químico, como unidades de separação de ar e unidades de produção de metanol. Com o aprofundamento das pesquisas sobre esses trocadores de calor no país, várias empresas nacionais têm se esforçado para expandir suas aplicações. Já foram alcançados resultados iniciais nesse sentido, com tendências principais nas seguintes áreas. 4.1 Ampliação dos trocadores de calor com tubos enrolados Devido ao design especial dos trocadores de calor com tubos enrolados – que possuem tampas pequenas e tubos que podem atingir centenas de metros de comprimento – já foram desenvolvidos e fabricados alguns trocadores de calor desse tipo de grande porte. A Figura 3 (omissão) mostra um grande trocador de calor de tipo tubular utilizado pela Texas Petrochemicals. As dimensões desse trocador de calor são de 1600 mm × 20000 mm; seu peso é de 60 t, e sua área de troca de calor é de 2000 m². Isso representa aproximadamente o dobro da área de troca de calor de um trocador de calor convencional com estrutura semelhante. Com o aumento do tamanho dos dispositivos, esses trocadores de calor com tubos enrolados também precisam se tornar cada vez maiores. Já os trocadores de calor convencionais de tubos não podem ser ampliados devido às limitações dos tubos. 4.2 Trocadores de calor com tubos enrolados de alta temperatura: Os trocadores de calor com tubos enrolados possuem um desempenho eficiente na troca de calor. No entanto, atualmente são utilizados principalmente em equipamentos de resfriamento extremo. A partir de 2001, empresas como a Hefei General começaram a pesquisar trocadores de calor de tipo tubular para uso em condições de alta temperatura (Figura 4) (sem imagem). Em 2002, esses trocadores de calor foram colocados em uso na refinaria de Zhenhai. Esses trocadores de calor são feitos de aço CrMo, que é resistente a altas temperaturas. Os parâmetros de operação estão indicados na Tabela 4. Após vários anos de funcionamento, o desempenho deste trocador de calor atende plenamente aos requisitos de uso, e sua qualidade também é bastante confiável. A aplicação bem-sucedida desse produto permitiu que o campo de uso dos trocadores de calor com tubos enrolados se **ampliasse**, passando de aplicações em baixas temperaturas para aplicações em altas temperaturas. Desde que o meio seja adequado, os trocadores de calor com tubos enrolados também podem aproveitar plenamente suas vantagens na indústria petrolífera. 4.3 Trocadores de calor com tubos enrolados de alta pressão: Atualmente, esses trocadores de calor são utilizados principalmente em situações em que a pressão no lado do casco é alta, enquanto a pressão no lado dos tubos é baixa. Geralmente, a pressão no lado do casco chega a 15,0 MPa, enquanto a pressão no lado dos tubos costuma ser inferior a 5,0 MPa. Devido às características da estrutura de projeto do trocador de calor com tubos entrelaçados – como placas de tubos pequenas, câmara externa grande e extremidades de entrada pequenas – essa estrutura consegue superar as desvantagens dos trocadores de calor de alta pressão convencionais. Os trocadores de calor de alta pressão comuns utilizam o tipo “flutuante” ou o tipo de tubos em forma de U. À medida que a pressão aumenta, não apenas a espessura do corpo do trocador de calor aumenta, mas também o grau de resistência das flanges precisa ser elevado significativamente. Em trocadores de calor de alta pressão, quando a pressão excede 10 MPa, e a espessura do corpo do trocador de calor atinge 1,4 m, o próprio trocador de calor torna-se muito grande, e as flanges também ficam extremamente grossas. Além disso, à medida que os dispositivos se tornam maiores, os trocadores de calor de alta pressão também precisam ser ampliados continuamente. Isso cria dificuldades na fabricação. Por exemplo, nos trocadores de calor de tipo anel de fixação utilizados em processos de hidrocraqueamento, a pressão no interior dos tubos é de 14,5 MPa, enquanto a pressão no exterior dos tubos é de 18,5 MPa. O diâmetro desses trocadores é de 1,4 m. O peso da caixa dos tubos do trocador chega a 45 toneladas, o que torna sua fabricação muito difícil. Se optar por trocadores de calor do tipo flutuante, fica difícil garantir as condições necessárias para uma boa vedação do trocador. Portanto, à medida que os equipamentos de hidrogenação se tornam maiores, os trocadores de calor com anéis de fixação também precisam ser ampliados, atingindo tamanhos de 1,6 m ou 1,8 m. Isso não só aumenta a dificuldade de fabricação, mas também torna a inspeção e manutenção muito mais complexas, devido ao tamanho enorme desses equipamentos. Já o trocador de calor em espiral pode aumentar sua área ao ser alongado, e as placas tubulares nas extremidades fazem com que as flanges de conexão sejam menores, facilitando sua fabricação. Atualmente, algumas instituições no país estão realizando pesquisas com o objetivo de substituir, gradualmente, alguns trocadores de calor de alta pressão utilizados na indústria petrolífera – como os usados em processos de hidrocracking e reprocessamento – por trocadores de calor do tipo tubular. 4.4 Multiplexação dos fluxos nos trocadores de calor com tubos enrolados À medida que as aplicações desses dispositivos se tornam mais maduras, os trocadores de calor com tubos enrolados passam a permitir a troca de calor entre vários fluxos ao mesmo tempo. Trata-se de uma característica única, que não pode ser igualada por outros tipos de trocadores de calor. Um trocador de calor permite que um meio presente no lado do casco troque calor simultaneamente com dois ou três meios diferentes. Isso permite **aumentar a eficiência de troca de calor do dispositivo e o espaço disponível para essa troca**. Atualmente, a pesquisa e fabricação de trocadores de calor de vários fluxos no país está começando a ganhar ritmo. Alguns produtos já foram colocados em uso. A Figura 5 (abaixo) mostra um trocador de calor de vários fluxos produzido pela Baling Petrochemicals. 4.5 Trocadores de calor com tubos enrolados em formato microscópico: Devido às suas excelentes propriedades de troca de calor, os trocadores de calor com tubos enrolados estão se desenvolvendo cada vez mais em versões menores, ao mesmo tempo em que continuam a ser aprimorados para tamanhos maiores. Em locais onde o espaço é limitado, os trocadores de calor convencionais não conseguem atender às necessidades de troca térmica; porém, o uso de trocadores de calor com tubos enrolados permite que as necessidades sejam atendidas no mesmo espaço. É justamente devido a esse bom desempenho que os trocadores de calor com tubos enrolados são utilizados no setor micro. A Figura 6 mostra um trocador de calor com tubos enrolados, utilizado em um determinado produto militar. Devido ao espaço limitado desse produto militar, após várias comparações, foi escolhido esse tipo de trocador de calor para permitir a troca de calor dentro desse espaço restrito. 5 Conclusão O trocador de calor de tubos entrelaçados é um tipo de trocador de calor eficiente e moderno. Portanto, é muito importante gerenciar corretamente todo o processo de operação do equipamento, a fim de garantir seu bom funcionamento. Além disso, à medida que as aplicações se tornam cada vez mais maduras, suas áreas de aplicação se expandem, e elas passarão a desempenhar um papel cada vez mais importante.