چکیده:

تمیز کردن مبدلهاي حرارتی آلوده اغلب چالش بزرگی براي صنایع مختلف از جمله صنایع نفت و گاز و پتروشیمی بوده است. با وجود تمامی تلاشهاي صورت گرفته در طراحی فرآیندها و سخت افزارها براي به حداقل رساندن رسوبات در مبدلهاي حرارتی، همواره بدلیل سطوح پیچیده داخلی این مبدلها نیاز به تمیز کردن و بازگرداندن آنها به راندمان کاري مطلوب مورد نیاز است. در حال حاضر از روش شستشوي شیمیایی و یا پاششی جهت احیا مبدلها استفاده میشود که در روش شستشوي شیمیایی همواره نیاز به درك دقیق از خواص رسوبات میباشد. در انتها پروسه نیز ممکن است سطوح پیچیده مبدل به طور کامل تمیز نگردد؛ روش ناکارآمد دیگر پاشش آب با فشار بالا است که علاوه بر آنکه تضمینی براي احیاي صد در صدي مبدلها ارائه نمیکند، نیازمند زمان و نیروي انسانی بسیار بالا و استفاده از حجم بسیار زیادي از آب میباشد. در حالیکه شستشوي قطعات صنعتی به روش حمام التراسونیک بیش از چندین دهه است که مورد استفاده قرار میگیرد. هدف از این مقاله بررسی جزئیات فرآیند تمیز کاري با کمک امواج التراسونیک و استفاده از این تجهیزات در مقیاس بزرگ و ارائه مثالها و نتایج آزمایشات انجام شده بر روي آن است. تستهاي به عمل آماده تاکنون روي رنج و سیعی از مبدلهاي صنایع نفت و گاز و پتروشیمی با آلودگیهاي متفاوت که با روشهاي مرسوم، پاکسازي آنها ناکار آمد بوده، انجام گرفته است. به طوریکه نتایج این آزمایشها نشان میدهد ترکیبی از امواج التراسونیک و محلولهاي شیمیایی، روش جایگزین سریع، ایمن موثر و سازگار با محیط زیست را در مقایسه با روشهاي سنتی ارائه میکند.

واژگان کلیدي: رسوب زدایی، احیاء مبدلهاي حرارتی، التراسونیک کلینر، شستشو.

-۱ مقدمه:

استخراج و پالایش نفت خام سنگین همواره چالش هاي فنی بسیاري از جمله تمیز کردن قطعات و تجهیزات که به سرعت با مواد نفتی یا مواد مرتبط دیگر آلوده می گردند را پیش روي مهندسان و مسئولین واحدهاي تعمیر و نگهداري قرار می دهد. بیش از ۱۰ سال است که استفاده از حمام هاي التراسونیک((Ultrasonic bath براي رسیدگی به مشکلات این واحد ها و تمیز کردن قطعات آلوده اي از جمله فیلترها، ولوها (Valves) ، قرقره ها و …. مورد استفاده قرار میگیرد، بر همین اساس در اوایل سال ۲۰۰۹ پیشنهاد شد که از همین فناوري جهت مرتفع ساختن مشکل مبدل هاي حرارتی نیز می توان استفاده کرد، به همین منظور در تابستان سال ۲۰۰۹ در کانادا آزمایشاتی در مقیاس کوچک به منظور بررسی اثر بخشی امواج فراصوت به عنوان ابزاري براي شستشوي مبدل هاي حرارتی طراحی و تست شد.

-۲ مکانیزم عملکرد سیستم هاي التراسونیک کلینر:

پاکسازي قطعات با کمک امواج فراصوت از سال ۱۹۵۰ که اولین سیستم هاي التراسونیک تجاري سازي شد، مورد شناخت صنایع مختلف قرار گرفته است. ] چیک، [۲۰۰۲
مکانیزم عملکرد حمام هاي التراسونیک شامل یک ژنراتور الکتریکی به همراه چندین مبدل التراسونیک است که به بدنه یک مخزن ساخته شده از جنس استینلس استیل((Stainless steel نصب می شوند. ژنراتور التراسونیک وظیفه تولید یک سیگنال پیوسته را دارد که از طریق مبدل ها این سیگنال الکتریکی به ارتعاشات مکانیکی تبدیل شده و انرژي حاصل از این ارتعاشات به مایع درون مخزن منتقل میشود. درون مایع بر اثر این ارتعاشات مقدار زیادي حباب میکروسکوپی ایجاد می گردد؛ که از انفجار پی در پی و سریع این حباب ها انرژي بالایی بین سطح قطعه و مایع تمیز کننده بوجود می آید که در اصطلاح علمی کاویتاسیون (Cavitation) نامیده می شود (شکل ] (۱مهرپویان، [۱۳۹۱ ، همچنین این پدیده علمی که اولین بار توسط ناود والیس در سال ۱۹۶۱ مشاهده شد ازعان میداردکه انرژي حاصل از این انفجار ها به طور معمول به سطوح مجاور در قطعه هدایت می گردد. بطوریکه انفجار سریع حباب هاي کاویتاسیون در زمانی کمتر از۲ میکرو ثانیه فشار شدیدي در حدود ۱۰۲ مگا پاسکال و درجه حرارتی در حدود ۳۵۰۰ تا ۸۰۰۰ درجه کلوین ایجاد میکند. ] فوجی کاما، [۱۹۸۱

شکل:۱ عملکرد کاویتاسیون-تشکیل تا انفجار حباب

-۳ روش شستشوي مبدل هاي حرارتی با کمک امواج فراصوت:

در روش هاي سنتیمعمولاً مبدل هاي حرارتی پس از خارج شدن از سایت ، جهت شستشو با فشار بالاي آب، بر روي یک پد قرار می گیرند، البته در برخی موارد تجهیزات خودکار پاشش و تجهیزات مکانیکی مانند نیزه هاي باریکی که به درون لوله ها هدایت میگردد، براي باز کردن و تمیز کردن لوله هاي مسدود نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

در حالیکه روش شستشوي مبدل هاي حرارتی در حمام فراصوت نیازمند یک مخزن طراحی شده است، که نه تنها قادر باشد حجم مایع شستشو را در خود جا دهد بلکه بتوان تیوب باندل (Tube bundle) را به طوري در آن قرار داد که آلودگی ها به راحتی پس از صرف زمان شستشو از قطعه خارج شود و همچنین در طراحی مهندسی این مخزن، مبدل هاي التراسونیک بطوري قرار میگرند که انرژي لازم جهت شستشو، کاملا به باندل منتقل گردد.
بر اساس مطالعات انجام شده در روش شستشو با کمک امواج التراسونیک زمان لازم براي شستشوي باندل ها چیزي در حدود
۴ تا ۸ ساعت بر اساس نوع باندل و میزان آلودگی آنها بر آورد می گردد.

این فرآیند طوري طراحی می گردد که از غوطه وري تمامی لوله هاي مبدل در آب اطمینان حاصل شود و با انجام آبکشی مداوم جهت پاکسازي آلودگی ها و مانیتورینگ میزان شستشو جهت بررسی زمان کار ، ادامه میابد.البته براي انجام عملیات پاکسازي رسوبات ، روندمعمولاً ساده تر است. زیرا فرآیند انحلال و جداسازي با کمک امواج التراسونیک ومحلول شیمیایی، همزمان انجام می گردد.

به منظور آزمون این روش در تابستان سال ۲۰۰۹ دو تست جهت بررسی اثر بخشی فرآیند التراسونیک به شرح ذیل طراحی و انجام گردید:

تست اول: مبدل حرارتی U شکلی به طول ۴ متر و قطر ۱ متري به جاي روش شستشوي عادي جهت پاکسازي آلودگی ها براي شستشو به حمام التراسونیک منتقل شد. این مبدل حرارتی در سمت پوسته داراي آلودگی از جنس bituminous hydrocarbons و در داخل لوله داراي آلودگی از جنس Calcium carbonate بود.

تست دوم بر روي مبدل حرارتی بزرگتري انجام گرفت، مبدلی که براي این آزمایش انتخاب شد، سه سال قبل از انجام تست بدلیل حجم بالاي آلودگی و عدم کارایی روش هاي سنتی شستشو از خط خارج گردید. در همان زمان از روش فشار آب و نیزه زنی (Lancing) و دیگر روش هاي مرسوم شستشو براي این مبدل استفاده شد که همگی ناکارامد بود؛ پس بلاجبار این مبدل که در لایه بیرونی خود حجم زیادي از آلودگی هاي هیدروکربنی ، شن ، خاك و آلودگی هاي محیط کار و در لایه داخلی خود پر از آلودگی سولفیدي (Solidified) بود براي سه سال کنار گذاشته شد، پس از گذشت این زمان مخزن ویژه اي با حجم حدودي ۲۸ هزار لیتر و با ابعادي در حدود ۹ متر طول و ۲,۷۵ متر عرض و ارتفاع، براي شستشوي این قطعه به مبدل هاي التراسونیک مجهز شد، چیدمان این مبدل ها طوري طراحی شده بود که انرژي را به راحتی به سمت لایه هاي داخلی مبدل هدایت کنند و نوع قرار گیري قطعه در مخزن به حالتی بود که آلودگی هاي جدا شده بتواند به راحتی خارج گردند و سپس عملیات شستشو به شکل زیر برنامه ریزي و اجرا گردید: .۱ شستشو در وان التراسونیکی که داراي مقادیر جزیی از محلول هاي چربی گیر بود.۲آبکشی قطعه.۳ شستشوي مجدد قطعه در وان التراسونیک .۴ آبکشی نهایی. ] کایسر، [۲۰۱۱

-۴ نتایج تست هاي انجام شده:

مبدل حرارتی اول پس از انجام ۴ ساعت عملیات التراسونیک در محلول چربی گیر و با آبکشی انتهاییکاملاً هم از ناحیه بیرون و هم از ناحیه درون تمیز گردید و در کمتر از ۱ روز دوباره مورد استفاده قرار گرفت، در حالی که چیزي در حدود ۱۵۰
کیلو آلودگی از آن خارج شد.

مبدل حرارتی بزرگتر که در آزمایش دوم مورد استفاده قرار گرفت پس از ۶ ساعت عملیات التراسونیک با کمک محلول چربی گیري و چندین مرحله آبکشی با تخلیه ۱۰۰۰ کیلو آلودگی هم از ناحیه درون لوله ها و هم از ناحیه خارجی تیوب ها تمیز گردید.

در هر دو آزمایش انجام شده، آزمون (Internal rotating inspecting system) IRISبررسی کننده میزان حذف رسوبات از درون لوله ها بود.] کایسر، [۲۰۱۱

-۵ بحث و گفتگو:

از پاییز ۲۰۰۹ تاکنون مبدل هاي حرارتی زیادي با موفقیت در وان هاي التراسونیک شستشو و احیاء گردیده اند، به طــــوریکه مـراکز معتبري مانند: شــل اویل((Shell Oil، والورو انــرژي((Valero Energy ، مرکز استخراج و پالایش فورت مک موري آلبرتا(.(Fort McMurray Alberta oil sands mining and refining operations و … تبدیل به بزرگترین مصرف کنندگان این تکنولوژي در دنیا گشته اند و به گفته شرکت بین المللی نفت کانادا، با استفاده از این روش سالانه بیش از ۷
میلیون دلار و چیزي در حدود ۴۲ میلیون لیتر آب در کانادا صرفه جویی می شود.
موفقیت این روش ، کشور هاي صنعتی دنیا را بر آن داشته است، که مخازنی به طول بیش از ۱۰٫۵ متر براي احیاي مبدل هایی با طول ۳۲ فیت آماده و بهره برداري نمایند تا بدین طریق بسیاري از مشکلات روش هاي صنعتی شستشو مانند اسید شویی، نا کارآمدي روش هاي مرسوم، آسیب رسیدن به مبدل در حین پروسه شستشو و … به طور کامل برطرف گردد.

-۶ نتیجه گیري:

نتایج آزمایشات انجام شده نشان میدهد که ترکیبی از مخازن بزرگ التراسونیک محلول هاي شستشو و سیستم دقیق حمل و کنترل پروسه شستشو، روش بسیار موثري را براي شستشوي مبدل هاي حرارتی فراهم می کند، روشی که مزایاي باور نکردنی مانند:

۱٫ کاهش زمان شستشوي مبدل هاي حرارتی به کمتر از ۸ ساعت
۲٫ عدم آسیب مکانیکی به مبدل در حین پروسه شستشو

۳٫ حجم دور ریز بسیار کمتر آب در مقایسه با روش هاي پاشش (به طور میانگین ۲۰۰۰ لیتر براي هر مبدل )
۴٫ حذف خطرات موجود در روش سنتی براي نیروي کار

۵٫ موفقیت %۱۰۰ در تمیز کردن داخل و بیرون مبدل ها
۶٫ امکان دسترسی و پاکسازي نقاطی مانند داخل و بین لوله ها به راحت ترین حالت ممکن. ] کایسر، [۲۰۱۱

-۷ پیشنهادها:

به گزارش بولتن نیوز ایران داراي نخستین ذخایر بزرگ گاز طبیعی و سومین ذخایر بزرگ نفت خام در میان کشورهاي اوپک می باشد اما بدلیل تحریم ها و عقب ماندن زیر ساخت هاي بخش انرژي در سال ۲۰۱۴ رتبه پنج صادرات گاز و رتبه هفتم صادرات نفت این سازمان را به خود اختصاص داده است. از طرف دیگر وجود ۱۵ میدان مشترك نفت و گاز ایران با کشورهاي همسایه] اسماعیلی، [۱۳۸۸ همگی ما را بر آن می داردکه تا حد امکان زمان تعمیرات و اورهال((overhaul قطعات را کاهش دهیم. لذا با توجه به حجم بالاي استفاده از مبدل هاي حرارتی در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی و با در نظر گرفتن هزینه و زمان لازم براي احیاء این مبدل ها در روش سنتی و البته علم به این نکته که سیستم هاي شستشوي التراسونیک تنها منحصر به مبدل هاي حرارتی نبوده و امکان پاکسازي بسیاري از قطعات را براي ما فراهم می کند، به نظر می رسد که استفاده از این تکنولوژي در مراکزي مانند گاز پارس جنوبی می بایست در اولیت هاي واحد تعمیر و نگهداري قرار گیرد. همچنین با توجه به بحران آب در کشور و در نظر گرفتن این نکته که نقش مبدل هاي حرارتی ، تنها محدود به صنعت نفت وگاز نمی شود، استفاده از این تکنولوژي در صنایع دیگر مانند صنایع هوا فضا و… نیز توصیه می گردد.