Projeto

Trocadores de calor gás-gás de alta temperatura são comumente encontrados em plantas de ácido sulfúrico, funcionando como intercambiadores ou pré-aquecedores para o leito do catalisador e como pré-aquecedores no forno de enxofre.

Esses recuperadores apresentam temperaturas muito altas e diferenciais de alta temperatura. Tipicamente, pelo menos um, se não ambos os fluxos de gás são altamente corrosivos se condensarem.

Modos de falha comuns

Se um projeto padrão de casco e tubo for empregado, vários modos de falha provavelmente ocorrerão. Esses incluem:

Corrosão a frio – A corrente de gás frio frequentemente entra no trocador de calor a uma temperatura abaixo do ponto de orvalho dos constituintes contidos na corrente de gás quente. Isto cria um potencial para temperaturas da superfície do material abaixo desse ponto de orvalho. Estes são comumente chamados de pontos frios. Se um fluxo de gás entrar em contato com um ponto frio, ocorrerá condensação. O ácido resultante causará corrosão localizada, comumente chamada de corrosão a frio.

Incrustação na extremidade fria – Quando um fluxo de gás rico em SO3 está presente, os pontos frios causarão a precipitação do SO3. O SO3 cria uma ligação tenaz com a parede do tubo metálico. Estes depósitos continuam a acumular-se e se a unidade não for desligada para manutenção, o bloqueio resultante do fluxo de gás levará a problemas óbvios de capacidade.

Falhas por estresse – Os recuperadores gás-gás de alta temperatura sofrem mudanças rápidas e extremas de temperatura. Isso resulta em expansão e contração rápida e significativa do material. Com designs padrão de casco e tubo, os tubos provavelmente se expandirão em taxas diferentes devido à distribuição desigual de temperatura dentro do feixe de tubos. Isto resulta em forças desiguais exercidas sobre o espelho pelos tubos e, em última análise, na falha das soldas do espelho.

Queda de pressão imprevista - Se a queda de pressão for maior do que o previsto, a vazão operacional também será menor do que o previsto.

Todos estes modos de falha impedem o desempenho do recuperador e, em última análise, o desempenho de toda a planta. Uma vez em operação, a solução ou reparo é muito caro e demorado. Se não for remediado, a vida operacional poderá ser tão curta quanto vários anos.

A solução

É imperativo avaliar minuciosamente a aplicação pretendida e projetar o recuperador tendo em mente essas demandas operacionais e os modos de falha acima mencionados. As questões precisam ser abordadas durante a fase de projeto para que a confiabilidade e a eficiência possam ser incorporadas ao recuperador.

Uma análise completa da unidade é essencial para lidar com pontos frios, tensões irregulares e queda de pressão antes da unidade ser fabricada, para que ajustes e reparos dispendiosos sejam evitados e a vida operacional geral e a produtividade sejam maximizadas.

Dada a experiência e o conhecimento, a solução é simples. O objetivo é criar simetria térmica dentro da unidade. Os seguintes recursos ajudam a atingir esse objetivo:

Feixe de tubos de passo variável – O passo, ou distância entre os tubos, varia entre as fileiras. Isso permitirá uma distribuição de fluxo mais uniforme em todo o feixe de tubos e levará a uma temperatura uniforme em todo o espelho. Isto também contribui para uma menor queda de pressão e maior eficiência térmica.

Arranjos exclusivos de defletores – Ao contrário dos arranjos padrão de casco e tubo, são utilizados locais de entrada e arranjos de defletores, resultando em uma combinação de fluxo cruzado e fluxo paralelo, além do contrafluxo comum. Múltiplas passagens são incorporadas, o que permite isolar o fluxo de entrada de gás frio do fluxo de gás quente existente, evitando assim pontos frios onde seriam problemáticos. O arranjo auxilia ainda mais na uniformidade da temperatura.

Plenos de entrada anulares completos – Os plenums permitem que os fluxos de gás entrem no recuperador em velocidade mais baixa, promovendo uniformidade e evitando ainda mais pontos frios. Este projeto também evita áreas isoladas de maior queda de pressão comuns nas conexões e aumenta a eficiência da unidade.