شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب

مقاله ارائه شده تحت عنوان بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد در هشتمین کنفرانس بین المللی مهندسی شیمی و نفت توسط مهندس امیرحسین یوسف بیگی مدیر بازرگانی شرکت ویستا اسمان

چکیده

 ریفرمر تیوب ها در صنایع گوناگون از جمله صنعت فولاد، نفت، گاز و پتروشیمی حجم زیادی از انرژی را مصرف می‌کنند؛ با توجه به اهمیت حفظ منابع انرژی و از طرفی مسائل زیست محیطی، افزایش بازدهی صنایع پرمصرف اهمیت زیادی یافته است. کاتالیست های مورد استفاده در ریفرمر تیوب تا حد زیادی بر راندمان کاری ریفرمر و افزایش عمر آن تاثیر دارند. در این تحقیق تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست در افزایش عمر ریفرمر تیوب بررسی می‌شود. در صورت عملکرد ناصحیح کاتالیست عمر ریفرمر تیوب از میزان تقریبی 10 سال به حدود 2 سال می‌رسد یعنی تنها 20% عمر اسمی خود را طی می‌کند. بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

واژه‌های کلیدی

 ریفرمرتیوب، کاتالیست، عمر ریفرمر، احیا مستقیم، راندمان کاری ریفرمر، فولاد سبز، فولاد سازی

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

1.  مقدمه

ریفرمینگ بخار، فناوری کلیدی در صنایع پتروشیمی، تولید کود، فولادسازی و … است [1-3]. ریفرمرها لوله هایی هستند که درون آن واکنش بین یک هیدروکربن (عمدتا متان) با آب در حضور کاتالیست صورت می‌گیرد. این واکنش گرماگیر است و گرمای آن توسط تابش حرارت به ریفرمرتیوب ها تامین می‌شود [4-6]. کاتالیست‌های مورد استفاده در تیوب‌های ریفرمر نقش کلیدی در فرآیند تولید گاز احیایی هیدروژن دارد. این تولید گاز احیایی نیازمند مصرف مقدار زیادی سوخت فسیلی است. از همین رو عملکرد بهینه این کاتالیست ها در کاهش مصرف سوخت و همچنین کاهش آلودگی های زیست محیطی ناشی از آن موثر است [7, 8]. بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

به دلیل شرایط کاری و دمای بالا، ریفرمرها از آلیاژهای مقاوم به حرارت دارای خواص مکانیکی و خزشی بالا ساخته می‌شوند. در طول 50 سال گذشته استفاده مداوم از ریفرمرها، باعث شده دانش موجود در این حوزه تا حد زیادی توسعه یابد و آلیاژهای مورد استفاده در ساخت این لوله‌ها تا حد زیادی بهبود یافته‌اند [4, 9, 10]. بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

یفرمر تیوب ها عموما از فولاد آستنیتی مقاوم به خزش ریخته‌گری شده تولید می‌شوند. اگرچه به صورت اسمی این تیوب ها برای عمر 100.000 ساعت معادل 11.4 سال طراحی می‌شوند اما عمدتا بنا به شرایط کاری که در آن قرار می گیرند عمری بین 30.000 تا 180.000 ساعت را دارند. قرارگیری در معرض دمای بالا، موجب تغییر در ریزساختار و خواص فیزیکی به دلیل تشکیل ساختارهایی ناخواسته همچون کاربیدها و در نتیجه تحلیل رفتن خواص مکانیکی این تیوب‌ها می‌شود [3]. عموما این ساختارهای ناخواسته در قسمت های پایینی تیوب که در معرض دمای بیشتری قرار دارد رخ می‌دهد. به دلیل هزینه های زیاد ناشی از توقف و خاموشی ناگهانی در سیستم و در پی آن هزینه های ناشی از تعمیرات باید تمهیدات لازم برای ابقای طول عمر تیوب ها صورت گیرد [5, 11, 12]. در این پژوهش نیز خواص متریال رایج در ریفرمر و دلایل شکست آن مورد بررسی قرار می‌گیرد. بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

2.      مواد و روش تحقیق

جنس ریفرمر تیوب فولاد HK 40 با آنالیز شیمیایی مطابق جدول 1 در نظر گرفته می‌شود. برای شبیه‌سازی خواص فولاد HK 40 از نرم افزار تجاری پروکست نسخه 2018.0 استفاده می‌شود. ابتدا خواص فیزیکی فولاد HK 40 شبیه سازی شده و نتایج آن مطابق شکل 1 است. بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

2.1.  مش بندی و ابعاد                               برای شبیه سازی ربع مقطعی از ریفرمر با قطر 152 mm، ارتفاع 100 mm و ضخامت 10.7 mm در نظر گرفته می‌شود. برای مش‌بندی مناسب از مش مثلی استفاده شده است. نمایی از مقطع شبیه‌سازی شده مش خورده در شکل 2 مشاهده می‌شود بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

3.      نتایج

     بررسی‌ها نشان می‌دهد در مناطقی که کاتالیست‌های شکسته و آسیب دیده حضور دارند همواره دمای ریفرمر بالاتر می‌رود. در این مناطق به دلیل دمای بالای موجود تنش‌های پایین نیز می‌تواند موجب ایجاد خزش و گسیختگی در بدنه ریفرمر شود [3]. نمایی از نحوه ایجاد تنش موثر وارده در بدنه ریفرمر تیوب در شکل 3 مشاهده می‌شود. مطابق شکل 3-(ب) مشاهده می‌شود که تنش وارده به قسمت بیرونی بیشتر از قسمت های عمقی است. بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

عوامل موثر بر توانایی سرویس دهی ریفرمر تیوب شامل موارد زیر می‌شود:

– نقص در ساختار و جنس ریفرمرتیوب در موارد مربوط به خواص مکانیکی و عیوب ذاتی

-عیوب سطحی عمیق همچون کربورایز و کربن‌زداییموضعی همچون ترک‌های نوک تیز و سوراخ‌ها

-گرمادهی بیش از حد در حالت همراه یا بدون افزایش فشار

افزایش بیش از حد دما در تیوب می‌تواند به دلیل انجام نشدن واکنش (گرماگیر) باشد که بنابراین در آن جریان راکدی از گاز باقی می‌ماند که چون واکنش گرماگیر در آن صورت نگرفته حرارت تابیده شده به محفظه تماما صرف افزایش دمای گاز درون آن می‌شود و دما به شدت بالا می‌رود. به همین دلیل در قسمت‌هایی که شکست رخ می‌دهد عموما در حلقه نگه‌دارنده کاتالیست خرد شده یافت می‌شود. بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

     شکست شایع در ریفرمورتیوب‌ها به دلیل شوک ناشی از عملکرد نامناسب کاتالیست‌های شکسته رخ می‌دهد. برای جلوگیری از چنین شوکی، باید احتیاط های لازم صورت گیرد تا هیچ تکه‌ای از کاتالیست‌های شکسته و یا هر گونه مواد اضافی درون تیوب قرار نگیرد. حرارت دهی بیش از حد که برای جبران عملکرد نامناسب کاتالیست صورت می‌گیرد [6]، باعث می‌شود عمر تقریبی ریفرمر تیوب‌ها به شدت کاهش یابد. گاها به دلیل کارکرد نامناسب این تیوب ها تنها حدود 20 درصد عمر اسمی خود را دارند. بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

4.      نتیجه‌گیری

     با توجه به فرآیند کاری مداوم ریفورمرتیوب ها، آلیاژهای مقاوم به حرارت و خوردگی با خواص خزشی مناسب برای متریال تولید آن در نظر گرفته می‌شود. به دلیل شرایط کاری در دمای بالا، مقداری افزایش ناخواسته و بیش از حد اسمی در نظر گرفته شده که می‌تواند تغییرات ریزساختاری در متریال ریفرمر ایجاد کند. بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

     در میان عوامل موثر در تخریب ریفرمر تیوب ها تغییرات ریزساختاری اهمیت بالایی دارند. ایجاد کاربیدها در دماهای بیش از حد اسمی در نظر گرفته شده، از تغییرات رایج و مضر ریزساختاری است.

با بهبود کاتالیست و دقت در خارج نمودن کاتالیست های تخریب شده و شکسته، می‌توان از افزایش دمای بیش از حد در ریفرمر تیوب جلوگیری نمود. بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

     واکنش در حال انجام در ریفرمر تیوب از واکنش‌های گرماگیر است که برای تامین انرژی آن حجم زیادی سوخت فسیلی مصرف می‌شود. با بهبود سیستم عملکرد کاتالیست در ریفرمر تیوب علاوه بر ابقای طول عمر ریفرمر تیوب، از اتلاف انرژی و مضرات زیست‌محیطی جلوگیری می‌شود. بررسی آماری و شبیه سازی تاثیر عملکرد صحیح کاتالیست ها در افزایش عمر ریفرمر تیوب های احیا مستقیم فولاد

5.      مراجع

1.         Raj, A., et al., Damage analysis of service exposed reformer tubes in petrochemical industries. High Temperature Materials and Processes, 2014. 33(3): p. 201-216.

2.         Ajbar, A., K. Alhumaizi, and M. Soliman, Modeling and simulations of a reformer used in direct reduction of iron. Korean Journal of Chemical Engineering, 2011. 28(12): p. 2242-2249.

3.         Ray, A.K., et al., Analysis of failed reformer tubes. Engineering Failure Analysis, 2003. 10(3): p. 351-362.

4.         Bonaccorsi, L., et al., Damage analysis in Fe–Cr–Ni centrifugally cast alloy tubes for reforming furnaces. Engineering Failure Analysis, 2014. 36: p. 65-74.

5.         Silveira, T.L.d. and I.L. May, Reformer furnaces: materials, damage mechanisms and assessment. Arabian Journal for Science and Engineering. Section B: Engineering, 2006. 31(2C): p. 99-119.

6.       ریاضی، ا.، پارسا، ع.، یوسف‌بیگی، ا، خاوندی، ع.، “شبیه سازی دمایی اثر افزودن ترکیبات دارای رسانش حرارتی بالا بر عملکرد کاتالیست“, در سومین کنفرانس کاتالیست ایران. 1401, سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران.

7.         Liao, M., et al., Efficient hydrogen production from partial oxidation of propane over SiC doped Ni/Al2O3 catalyst. Energy Procedia, 2019. 158: p. 1772-1779.

8.         Abokyi, E., et al., Industrial growth and emissions of CO2 in Ghana: The role of financial development and fossil fuel consumption. Energy Reports, 2019. 5: p. 1339-1353.

9.         Jaske, C.E., Issues in life assessment of reformer tubes. CORROSION 2005, 2005.

10.       Ray, A.K., et al., Microstructural studies and remnant life assessment of eleven years service exposed reformer tube. Materials Science and Engineering: A, 2011. 529: p. 102-112.

11.       Kazempour-Liasi, H., Z. Lalegani, and M. Rayatpour, Life Assessment of HP-40Nb Reformer Furnace Tube of a Petrochemical Plant. Strength of Materials, 2021. 53(2): p. 364-375.

12.       Abbasi, M., et al., Microstructural evaluation of welded fresh-to-aged reformer tubes used in hydrogen production plants. Engineering Failure Analysis, 2018. 92: p. 368-377.