شناخت تجهیزات فرآیندی در هر دو دسته دوار و ثابت از اولین نیازهای مهندسین شیمی (به طور خاص مهندسین فرآیند) یا به طور کلی افراد علاقه مند یا شاغل در واحدهای فرآیندی است. در این مقاله به چند مورد از تجهیزات فرآیندی که به افزایش و کاهش حرارت کمک می کنند، یا به عبارت دقیق تر به تجهیزات حرارتی (thermal equipment) پرداخته شده است.
کولرها
کولرها از تجهیزات حرارتی هستند که حتی عامه افراد جامعه آنها را به عنوان وسایل کاهش حرارت می شناسند. عبارت (کولر) معمولا برای توصیف تجهیزی استفاده می شود که از هوای محیط برای خنک کردن یک سیال فرآیندی استفاده می کند. رایج ترین نوع کولرهای هوایی هستند، آنها از دریچه (bay) هایی تشکیل شده اند که بالای قفسه لوله ها نصب شده اند. البته این اهمیت دارد که قفسه لوله ها ضد آتش باشند. قفسه لوله ها بار زیاد ناشی از تجهیزات را تحمل می کند علاوه بر این شکست قفسه تکیه گاه کولرها می تواند باعث آسیب قابل ملاحظه ای مانند آتش سوزی پالایشگاه شود.
طول هر دریچه حداکثر برابر با عرض قفسه لوله ها است و شامل یک فن تکی یا دوتایی برای جا به جایی هوا در سراسر تیوب های پره دار است که حاوی سیال فرآیندی است. تیوب ها از جعبه هایی پر شده اند که به باکس هدر معروف هستند در کل عرض دریچه حرکت می کنند. هر دریچه معمولا 3 تا 4 متر عرض دارد و ممکن است 10 الی 20 دریچه در کنار هم به صورت موازی قرار بگیرند.
فن ها ممکن است زیر تیوب ها (حالت اجباری) یا بالای تیوب (حالت القایی) نصب شوند، این موضوع تاثیری بر چیدمان ورودی یا خروجی لوله ها ندارد.
هر باکس هدر معمولا دارای یک عدد یا بیشتر نازل ورودی و خروجی است. نازل های ورودی رو به بالا و نازل های خروجی رو به پایین هستند.
مهمترین ملاحظه برای طراح پایپینگ (اطلاعات بیشتر درباره سیستم های پایپینگ) اطمینان از توزیع برابر سیال در کل 10 تا 20 دریچه کولر است. این توزیع معمولا در مدارک P&ID (برای آشنایی با مدارک P&ID کلیک کنید)نشان داده می شود و توسط مهندس فرآیند دیکته می شود.
ساده ترین و رایج ترین توزیع استفاده از یک هدر تک برای ورودی و یک هدر برای خروجی با شاخه های مستقیم به سه هر نازل است. برای دستیابی به توزیع برابر، هدر ورودی از یک سر مخزن کولر و هدر خروجی از انتهای دیگر آن جاری می شوند این موضوع به تعادل مخزن کمک میکند.
این روش همچنین اقتصادی ترین و ساده ترین روش برای پشتیبانی نیز می باشد. اگرچه این روش می تواند به برخی مشکلات مهندسی تنش (برای آشنایی با تحلیل تنش سیستم های پایپینگ کلیک کنید) به دلیل اتصال مستقیم تعداد زیادی نازل به هدرها ، منجر شود.
پیچیده ترین روش، روش آبشاری است. در این روش هدرهای ورودی و خروجی از و به سمت مرکز نازل ها جاری می شوند. روش آبشاری توزیع بهتری را ارائه می دهد اما بسیار گران است و تنها زمانی باید استفاده شود که الزام اسناد P&ID باشد.
چیدمان های زیادی بین حالت ساده و حالت آبشاری وجود دارد و مسئله اصلی همیشه دستیابی به جریان متعادل در همه کولرها است.
برج های خنک کننده
برج های خنک کننده نیز مانند کولرها با هدف کاهش دما مورد استفاده قرار می گیرند. کولینگ تاورها در انواع مختلف خیس (مرطوب) یا خشک، مکانیکی یا طبیعی (بدون فن) وجود دارند. رایج ترین نوع مورد استفاده در پلنت های پتروشیمی نوع القایی ، خیس و چند سلولی با ورودی هوای قابل تنظیم کرکره ای است. هر سلول فن القایی مخصوص به خود را دارد. سازه اصلی آن ها اغلب از چوب ساخته شده است که اقتصادی است هم نسبت به خوردگی مقاوم است. انواع کمتر رایج برج های خنک کننده، برج های بتنی، طبیعی، تبخیری و مرطوب هستند که معمولا در نیروگاه های بخار پدیده می شوند. هر دو نوع این کولینگ تاورها از تبخیر برای خنک سازی میعانات بازگشتی یا آب داغ استفاده می شوند. هرچند شاید این برج ها از نظر بازگشت گرما بی فایده به نظر برسند، اما نسبت به مبدل های حرارتی پوسته-لوله (آشنایی بیشتر با مبدل های پوسته-لوله) بسیار به صرفه تر هستند.
هر دو نوع از یک برج بالایی باز با صداها نازل داخلی تشکیل شده اند که میعانات داغ را به سمت جریان هوای محیط اسپری می کنند. در نوع هایپربلوئید (هذلولوی) هوا به طور طبیعی از ورودی های اطراف پایه بالا می رود و به کمک شکل هذلولوی برج، شتاب می گیرد.
در نوع چند سلولی القایی، هوا به وسیله فن القایی از لوورها (کرکره ها) جانبی، به داخل کشیده می شود. در هر دو نوع تبخیر میعانات داغ، خروجی در ابرهای حجیمی از بخار آب خالص، با آلودگی هوا اشتباه گرفته می شود. قطرات مایع خنک شده منتج، توسط پمپ های بزرگی به رودخانه ریخته می شود.
از دیدگاه طراحی پایپینگ (برای آشنایی با طراحی پایپینگ کلیک کنید) ، لوله کشی یا پایپینگ داخلی یا خارجی بسیار کمی برای برج وجود دارد به همین دلیل نسبت به چیدمان مناسب پمپ کشش و تخلیه، چیدمان پایپینگ پارامتر طراحی مشخصی به شمار نمی آید.
از دیدگاه طراح پلنت، برج های خنک کننده باید همیشه در جهت باد پلنت اصلی قرار گیرند تا از ابرهای بخار آب که متراکم می شوند و ممکن است بر روی سازه ها و تجهیزات یخ بزنند، جلوگیری شود.
بویلرها
بویلرها از نظر دسته بندی تجهیزات حرارتی در گروه مقابل کولرها و برج های خنک کننده قرار می گیرند و در واقع به عبارت ساده به افزایش دما کمک می کنند. هدف اولیه یک بویلر در یک پلنت پتروشیمی تولید بخار آب فوق گرم (superheated) از توربین ها و استفاده از آن به عنوان بخشی از فرآیند پالایش است. اگرچه بخار می تواند بعنوان محصول جانبی سایر فرآیندها تولید شود، اما معمولا نیاز است بویلرها مکمل این تولید باشند. در حالی که بخار ویژگی های فوق گرم بودن خود را از دست می دهد، برای وظایف دیگر مانند گرم کردن، مورد استفاده قرار می گیرد. به محض اینکه بخار تبدیل به میعانات می شود، سرد می شود و به سیستم خوراک بویلر باز می گردد.
بویلرها اغلب از نوع تیوب آب هستند که شامل تعداد زیادی تیوب های عمودی متصل به یک درام آب در پایین و یک درام بخار در بالا است. پوسته بویلر معمولا یک سیلندر افقی با یک مشعل افقی نفتی یا گازی در جلو و یک دودکش در پشت است.
برای حذف همه قطرات آب از بخار در جهت تولید بخار فوق گرم خشک، بخار اشباع باید از طریق تیوب های فوق گرم از درام بخار عبور کند
اتصالات پایپینگ به بویلرها نسبتا ساده هستند. اتصالات اولیه آب ورودی بویلر و بخار فوق گرم خروجی است. الزامات خاصی به جز ملاحظات مربوط به ساپورت ها و تنش ها وجود ندارد. اتصالات ثانویه، اتصالات شیرهای اطمینان است که نفت، گاز و میعانات را به پایین می آورند. بر خلاف شیرهای اطمینان فرآیندی، شیرهای اطمینان بویلرتنها بخار آب را تخلیه می کنند. بنابراین آنها می توانند مستقیما بخار را در اتمسفر تخلیه کنند.
نوسنده:ستاره دهقان، کارشناس مهندسی شیمی گروه آموزشی پارس پژوهان
