Conception

Les échangeurs de chaleur gaz-gaz à haute température se trouvent couramment dans les usines d'acide sulfurique, fonctionnant comme échangeurs ou préchauffeurs pour le lit de catalyseur, et comme préchauffeurs au niveau du four à soufre.

Ces récupérateurs voient des températures très élevées et des écarts de température élevés. Généralement, au moins un, voire les deux, flux gazeux sont très corrosifs s'ils se condensent.

Modes de défaillance courants

Si une conception standard à coque et tube est utilisée, plusieurs modes de défaillance se produiront très probablement. Ceux-ci inclus:

Corrosion du côté froid – Le flux de gaz froid pénètre souvent dans l'échangeur de chaleur à une température inférieure au point de rosée des constituants contenus dans le flux de gaz chaud. Cela crée un potentiel pour des températures de surface des matériaux inférieures à ce point de rosée. C’est ce que l’on appelle communément les points froids. Si un flux de gaz entre en contact avec un point froid, de la condensation se produira. L’acide résultant provoquera une corrosion localisée communément appelée corrosion à froid.

Encrassement du côté froid – Lorsqu'un flux de gaz riche en SO3 est présent, les points froids provoquent la précipitation du SO3. Le SO3 crée un lien tenace avec la paroi du tube métallique. Ces dépôts continuent de s’accumuler et si l’unité n’est pas arrêtée pour maintenance, le blocage du flux de gaz qui en résultera entraînera des problèmes évidents de capacité.

Ruptures de contrainte – Les récupérateurs gaz-gaz à haute température subissent des changements de température rapides et extrêmes. Cela se traduit par une expansion et une contraction rapide et significative du matériau. Avec les conceptions standard de coques et de tubes, les tubes se dilateront très probablement à des rythmes différents en raison d'une répartition inégale de la température dans le faisceau de tubes. Cela entraîne des forces inégales exercées sur la plaque tubulaire par les tubes et, finalement, une rupture des soudures de la plaque tubulaire.

Chute de pression imprévue – Si la chute de pression est plus élevée que prévu, le débit opérationnel sera également inférieur à celui prévu.

Tous ces modes de défaillance entravent les performances du récupérateur et, à terme, les performances de l’ensemble de l’installation. Une fois en service, la solution ou la réparation est très coûteuse et prend beaucoup de temps. Si rien n’est fait, la durée de vie opérationnelle pourrait être de quelques années seulement.

La solution

Il est impératif d'évaluer minutieusement l'application prévue et de concevoir le récupérateur en gardant à l'esprit ces exigences opérationnelles et les modes de défaillance ci-dessus. Les problèmes doivent être résolus dès la phase de conception afin que la fiabilité et l’efficacité puissent être intégrées au récupérateur.

Une analyse approfondie de l'unité est essentielle pour traiter les points froids, les contraintes inégales et les chutes de pression avant la fabrication de l'unité afin d'éviter des ajustements et des réparations coûteux et de maximiser la durée de vie globale et la productivité.

Compte tenu de l’expérience et de l’expertise, la solution est simple. Le but est de créer une symétrie thermique au sein de l’unité. Les fonctionnalités suivantes aident à atteindre cet objectif :

Faisceau de tubes à pas variable – Le pas, ou la distance entre les tubes, varie d'une rangée à l'autre. Cela permettra une répartition plus uniforme du débit dans tout le faisceau tubulaire et conduira à une température uniforme à travers la plaque tubulaire. Cela contribue également à une perte de charge plus faible et à une efficacité thermique plus élevée.

Dispositions de déflecteurs uniques – Contrairement aux dispositions standard à coque et à tubes, les emplacements d'entrée et les dispositions de déflecteurs résultant en une combinaison de flux transversal et de flux parallèle en plus du contre-courant commun sont tous utilisés. Plusieurs passages sont incorporés, ce qui permet d'éloigner le flux d'entrée de gaz froid du flux de gaz chaud existant, évitant ainsi les points froids où ils seraient problématiques. L'agencement contribue en outre à l'uniformité de la température.

Plénums d'entrée annulaires complets – Les plénums permettent aux flux de gaz d'entrer dans le récupérateur à une vitesse plus faible, favorisant l'uniformité et évitant davantage les points froids. Cette conception évite également les zones isolées de chute de pression plus élevée communes au niveau des connexions et améliore l'efficacité de l'unité.