الزامات طراحی و انتقال حرارت در ناحیه رادیانت Fired Heater ها بر اساس API 560
Fired Heaterها یا کوره‌های فرآیندی از حیاتی‌ترین تجهیزات در واحدهای پالایشگاهی و پتروشیمی هستند و مسئول تأمین انرژی حرارتی موردنیاز برای عملیات‌هایی مانند تبخیر، تقطیر، کراکینگ، ریفرمینگ و بسیاری فرآیندهای دیگرند.
این کوره‌ها دارای دو بخش اصلی Radiant Section و Convection Section هستند که مهم‌ترین و حساس‌ترین منطقه آن‌ها، بخش رادیانت است.
در ناحیه رادیانت، انتقال حرارت عمدتاً از طریق تابش (Radiation) انجام می‌شود و شرایط طراحی آن باید دقیقاً مطابق استاندارد API 560 باشد.
در این مقاله، الزامات طراحی ناحیه رادیانت و اصول انتقال حرارت بر اساس API 560 را به‌صورت کامل بررسی می‌کنیم.
آنچه در این پست میخوانید
۱. تعریف و نقش ناحیه رادیانت
ناحیه Radiant چیست؟
بخش رادیانت اولین ناحیه‌ای است که حرارت ناشی از احتراق مشعل‌ها وارد آن می‌شود. در این قسمت، تیوب‌های فرآیندی روی دیواره‌ها یا کف کوره نصب می‌شوند و بخش اعظم انرژی موردنیاز سیال داخل تیوب‌ها در همین بخش منتقل می‌شود.
وظایف اصلی Radiant Section
- انتقال بخش عمده انرژی حرارتی (۶۰ تا ۷۰ درصد کل انرژی کوره)
- ایجاد شرایط یکنواخت دمایی برای جلوگیری از نقاط داغ (Hot Spots)
- فراهم‌کردن راندمان بالا و مصرف سوخت بهینه
۲. اصول انتقال حرارت در ناحیه رادیانت
در ناحیه رادیانت سه نوع مکانیزم انتقال حرارت وجود دارد، اما تابش مکانیسم غالب است.
۱) تابش (Radiation) – مکانیزم اصلی
حدود ۹۰ درصد انتقال حرارت در این بخش از طریق تابش شعله به تیوب‌ها صورت می‌گیرد.
تابش به چند عامل بستگی دارد:
- دمای شعله
- ضریب گسیل (Emissivity) سطوح
- فاصله تیوب تا شعله
- چیدمان هندسی تیوب‌ها
- نوع و کیفیت Refractory
۲) جابجایی (Convection)
در ناحیه رادیانت سهم کمی دارد اما در طراحی مدل‌سازی می‌شود.
۳) هدایت (Conduction)
از طریق refractory و بدنه کوره رخ می‌دهد.
۳. الزامات چیدمان و طراحی تیوب‌ها (بر اساس API 560)
فواصل تیوب‌ها
API 560 حداقل فاصله‌ها را به منظور جلوگیری از نقاط داغ و افزایش راندمان تعیین می‌کند:
- حداقل فاصله تیوب تا شعله: معمولاً ۱.۵ تا ۲ برابر قطر شعله
- حداقل فاصله بین دو تیوب: ۲ تا ۳ برابر قطر خارجی تیوب
نحوه نصب تیوب‌ها
- عمودی، افقی یا U-Shape بسته به مدل کوره
- دسترسی آسان برای بازرسی و تمیزکاری
- استفاده از Tube Supports برای جلوگیری از ارتعاش و خمش
- محدودیت شار حرارتی (Heat Flux)
حداکثر شار حرارتی مجاز برای تیوب‌ها باید رعایت شود:
۲۰۰۰ تا ۸۰۰۰ Btu/hr-ft² بسته به متریال و سرویس
افزایش بیش از حد منجر به کک‌سازی، کاهش عمر تیوب و ترک حرارتی می‌شود.
۴. الزامات طراحی مشعل‌ها در ناحیه رادیانت
مشعل‌ها (Burners) مهم‌ترین تأثیر را روی توزیع حرارت و راندمان دارند.
مهم‌ترین الزامات API 560:
- طراحی باید به گونه‌ای باشد که Mixing مناسب هوا و سوخت انجام شود.
- جهت شعله نباید به سمت تیوب‌ها باشد.
- ارتفاع، طول و شکل شعله باید کنترل‌شده باشد.
- استفاده از Low NOx Burners برای کاهش آلاینده‌ها.
- حفاظت در برابر Backfire، Flashback و Flame Impingement الزامی است.
۵. نقش Refractory در انتقال حرارت
مواد نسوز در دیواره‌ها و کف کوره نقش اساسی دارند:
- افزایش بازتابش حرارت به تیوب‌ها
- کاهش اتلاف انرژی
- محافظت از بدنه فلزی کوره
ریفرکتوری با ضریب بازتاب بالا (High Emissivity) راندمان کوره را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.
۶. محدودیت‌های دمایی و انتخاب متریال
انتخاب متریال تیوب‌ها
برای بخش رادیانت معمولاً از آلیاژهای مقاوم به دما استفاده می‌شود:
- HK40
- HP Mod
- 25Cr-35Ni آلیاژهای پایه نیکل
- INCOLOY آلیاژهای بسیار مقاوم
حداکثر دمای مجاز تیوب‌ها
- دمای سطح تیوب نباید از ۱۱۰۰°C تجاوز کند.
- دمای فلز (Metal Temperature) باید همیشه با Thermocouple یا IR Camera مانیتور شود.
۷. اشتباهات رایج در طراحی و بهره‌برداری بخش رادیانت
- فاصله کم تیوب‌ها و ایجاد Hot Spot
- جهت‌گیری غلط شعله به سمت تیوب
- استفاده از Refractory با ضریب تابشی کم
- عدم کنترل دمای فلز تیوب
- نگهداری نامناسب و تجمع دوده (Soot)
- تنظیم نادرست نسبت هوا به سوخت (Excess Air)
