کوره

کوره چیست ؟

کوره دارای تجهیزاتی است که توسط آنها ، درون یک محفظه عایق ، حرارت ناشی از احتراق سوخت ، به  سیال فرایند منتقل می گردد . میان فرایند در لوله هایی جریان دارد که عموماً در امتداد جداره ها و سقف محفظه احتراق نصب شده اند . عامل اصلی انتقال حرارت مکانیزم تشعشع می باشد . در صنایع نفت ، کوره با اسامی مختلفی ((Processheater )) ، ((Furance)) ، ((direct-firedheater )) ، (( Tubestillheater))، اطلاق می شود .

وظیفه اصلی کوره ، تأمین حرارت معینی به سیال فرایند ، تحت درجه حرارتهای بالا می باشد ، این عمل بایستی بدون افزایش بیش از حد حرارت ، در نفطه معینی از سیال و یا اجزاء بدنه کوره انجام می شود .

کاربرد کوره ها در صنعت :

درصنایع نفت کوره ها کاربرد متعددی دارند.دراینجا شش موردمهم رابررسی می نماییم

الف – ریبویلر ستونهای تقطیر :

• این نوع کوره ملایمترین کاربرد کوره بوده که معمولاً دچار وضعیت بحرانی نمی شود . سیال فرایند که از پایین برج تقطیر گرفته می شود ، درون کوره تا اندازه ای تبخیر می گردد . مخلوط بخار – مایع حاصله دوباره وارد برج تقطیر شده و بخار آن تقطیر می گردد بطوری که تبخیر خود را در آنجا آزاد می نماید .

ب – پیش گرمکن خوراک ستون تقطیر:

• این نوع کوره نبض بسیاری از عملیات دیگر را در دست دارد . سیال فرایند ( که به صورت مایع و گاهی در جریان ورودی حاوی مقداری بخار است .) قبلاً توسط مبدلهای حرارتی گرم می شود . درجه حرارت این سیال درون کوره آنقدر بالا می رود تا تبخیر جزئی اتغاق بیفتد .

ج – پیش گرمکن خوراکی راکتورها :

• این نوع کوره ، درجه حرارت سیال را تا درجه حرارت لازم جهت کنترل واکنش شیمیایی که در راکتور مجاور انجام می شود ، بالا می برد .

د – تأمین حرارت محیطهای واسطه ای:

• در بسیاری از کارخانجات ، حرارت از طریق یک محیط واسطه ای به قسمتهایی مختلف انتقال می یابد . در اینگونه موارد ، کوره نقش گرم کننده مجدد این سیال را ایفا می کند . سیال واسطه ای ممکن است یک برش نفتی ، دائوترم ، ترمینول و یا یک ملح مذاب باشد .

ک – کوره های گرم کننده سیالات ویسکوز :

• بعضی اوقات برشهای سنگین نفتی بایستی از نقطه ای به نقطه دیگر حمل شوند . تحت درجه حرارتهای کم ، ویسکوزیته این برشها بقدری زیاد است که عمل پمپ کردن را مختل می سازد . بدین سبب ، از یک کوره جهت گرم کردن سیال استفاده می شود تا ویسکوزیته آن کاهش یافته و بهتر پمپ گردد.

م – راکتورهای اشتعالی :

• این داکتورها به صورت کوره هایی هستند که یک واکنش شیمیای درون کویل لوله های آنها اتفاق می افتد . از نقطه نظر تکنولوژی این کوره ها بسیار پیچیده هستند . و دو نمونه از این کوره ها    ۱ کوره های فرمر هیدروکربنها توسط بخار آب     ۲  کوره های پیرولیز

تنوع طراحی و ساخت :

• طراحی و جزئیات ساخت کوره ها بسیار متنوع است . به سبب این انعطاف پذیری هر کوره جهت کاربرد خاص خود طراحی می گردد ساده ترین نوع کوره شامل یک محفظه احتراق بوده که در آن کویل ها  در امتداد دیواره محفظه چیده شده است و حرارت فقط از طریق تابش به این لوله ها منتقل می گردد بازده حرارتی کم و سرمایه گذاری اولیه اندک جهت بار حرارتی معین از خصوصیات این نوع طراحی می باشد .

لوله های افقی یا عمودی :

اساس تقسیم بندی کوره ها وابسطه به موقعیت کویل حرارتی در بخش تابشی و یا به عبارت دیگر وابسته به عمودی یا افقی بودن لوله ها می باشد . که در شکلهای ۱-۱ و ۲-۱ می شوند که در اینجا جنبه های برجسته هر یک از کوره ها بررسی می شوند .

• کوره استوانه ای – عمودی کاملاً تشعشعی :

در این کوره ، کویل لوله ها عمودی در امتداد دیواره محفظه احتراق قرار دارد . اشتعال از کف کوره به صورت عمودی انجام می گیرد .

• کوره استوانه ای – عمودی با کویل مارپیچ:

در این کوره ها کویل به صورت مارپیچ در کنار دیواره محفظه احتراق قرار داشته و اشتعال به صورت عمودی از کف کوره صورت می گیرد . گرچه این کوره ها جزء کوره های عمودی هستند ولی خصوصیات سیال فرایند درون لوله های آنها شبیه کوره های افقی می باشد .

طراحی این کوره ها نیز مستلزم سرمایه گذاری و فضای اندک بوده و بازده حرارتی کمی دارند . کویل لوله ها ذلتاً قابل تخلیه می باشد . تنها محدودیت این واحدها این است که فقط یک سیال می تواند در آن جریان یابد .

کوره استوانه ای – عمودی با بخش جابجای متقاطع :

این کوره نیزاز کف مشتعل شده و شامل دو بخش تشعشع و جابجایی است . کویل حرارتی در بخش تابشی به صورت عمودی در کنار محفظه اختراق قرار داشته و در بخش جابجایی به صورت یک دسته لوله افقی بالای بخش تابشی قرار دارد.

کوره استوانه ای- عمودی با جابجایی کلی:

این نوع طراحی گرچه در تاسیسات جدید به ندرت یافت می شود ولی بواسطه تعددشان در واحد های قدیمی به آن اشاره می گردد. اشتعال از کف کوره صورت گرفته و کویل حرارتی در کنار دیواره محفظه احتراق به صورت افقی قرار دارد. تفاوت آن با انواع قبل وجود سطوح پرده دار دربالای لوله ها جهت افزایش حرارت جابجایی است. این سطوح بین کویل جابجایی و یک بفل مرکزی درون یک بخش استوانه ای امتداد دارد. این کوره ها با حداقل فضا دارای بازده حرارتی متوسطی می باشد و بار حرارتی بین ۱۰-۱۰۰ میلیون بی – تی – یو بر ساعت است.

کوره اتاقی:

طراحی این نوع کوره در حالت خاصی بوده ،بطوریکه لوله های بخش تشعشع بصورت شکل به توزیع کننده های انتهایی متصل می شوند. این کوره بخصوص  برای گرم کردن جریان زیاد گازمناسب است، زیرا افت فشار ناچیز می باشد. اشتعال بصورت عمودی از کف کوره و یا بصورت افقی درون انحنای لوله ها صورت می گیرد.

کوره عمودی با اشتعال از دو طرف:

لوله های بخش تابشی این کوره در یک ردیف عمودی درون هر سلول محفظه احتراق قرار داشته و از دو طرف مشتعل می شوند. با چنین وضعیتی توزیع حرارت در اطراف لوله ها کاملاْ یکنواخت خواهد بود. نوع دیگری از این کوره دارای مشعل هایی واقع در سطوح مختلف است. در نتیجه کنترل پروفیل حرارت در امتداد لوله ها کاملاْ دقیق می باشد. این نوع کوره بیشتر بعنوان راکتور اشتعالی و یا بعنوان گرم کننده سیال راکتورها بکار برده می شود.

کوره افقی دو سلولی:

در اینجا کویل لوله های بخش تابشی به صورت افقی در امتداد دیواره های جانبی و سقف سلول محفظه احتراق نصب شده اند. اما لوله های بخش جابجائی به صورت افقی و مشترک بین دو سلول می باشند عمل اشتعال ، از کف به طور عمودی صورت می گیرد.

کوره اطاقی با دیواره حائل:

در این کوره نیز لوله های بخش تابشی به صورت افقی در امتداد دیواره های جانبی و سقف منطقه احتراق قرار دارند. لوله های بخش جابجایی افقی بوده وبالای محفظه احتراق نصب شده اند.

کوره اطاقی با اشتعال جانبی ولوله های افقی:

کویل بخش تابشی به صورت موازی در امتداد دیواره های جانبی و سقف احتراق قرار دارد. لوله های بخش جابجایی نیز به صورت افقی در بالای محفظه احتراق نصب گردیده اند. این کوره توسط مشعل هایی که روی دیواره های جانبی قرار دارند به طور افقی مشتعل می شود.

کوره اطاقی با اشتعال جانبی و لوله های افقی با بخش جابجایی کناری:

در اینجا نیز کویل بخش تابشی به صورت افقی در اطراف دیواره های جانبی و سقف محفظه احتراق می باشد. این واحد توسط مشعل هایی افقی و بر روی دیواره های جانبی  مشتعل می شود . این کوره در تا‌‌‍سیسات قدیمی و گاهی نیز در واحدهای جدیدی که از سوختهای نامرغوب با خاکستر زیاد استفاده می کنند، یافت می شود. هزینه ساخت آن زیاد بوده و بار حرارتی بین ۵۰ تا ۲۰۰ میلیون Btu/hr تولید می کند.

کوره افقی با اشتعال از دو طرف:

لوله های بخش تابش در یک ردیف افقی قرار داشته، از دو طرف در معرض تابش هستند. لذا توزیع حرارت در اطراف لوله ها به طور یکنواخت می باشد. در چنین کوره ای معمولا مشعل ها در کف محفظه احتراق قرار داشته و عمل اشتعال به طور عمودی صورت می گیرد. از این کوره ها غالبا برای راکتورها استفاده می شود. زیرا کنترل و حرارت در آنها بسیار مهم است.

مواردی مهم که در انتخاب کوره باید دقت شود:

1. -برخورد شعله: به طور کلی در تمام کوره ها شعله بلند با لوله ها برخورد کرده و در محل برخورد حرارت بیش از حد ایجاد می شود .
2.  لوله های داغ:در لوله های ابتدایی بخش جابجایی میزان جذب حرارت بسیار زیاد است. چون حرارت توسط هر دو مکانیسم تشعشع و جابجایی به آنها منتقل می شود.
3. اشتعال سوخت های نفتی: به سبب وجود مشعلهای بزرگ سوختهای نفتی شعله بزرگتری تولید می کنند .
4. توزیع حرارت
5. تنظیم میزان حرارت
6. ظرفیت
7. دودکش
8. هزینه

مصالح ساخت و اجزاء اصلی کوره ها، جنبه های مکانیکی:  

از مهمترین عواملی که در  انتخاب نوع مصالح و جنبه های مکانیکی طراحی کوره تاثیر می گذارند عبارتند از: بدنه ، سطوح بازتابنده ، کویل لوله ها ، سطوح توسعه یافته و نگهدارنده لوله ها که اجزای اصلی لوله می باشد.

کوره

•  بدنه و چهار چوب اصلی

  جداره خارجی یا بدنه کوره معمولا از ورقه های فولادی به ضخامت اینچ ساخته می شود این ورقه ها معمولا در مقابل تنش های مکانیکی و خمش مقاوم هستند. ضخامت ورقه ها کف کوره نیز حدود  اینچ می باشد. ورقه های فولادی بدنه توسط جوشکاری کاملاً آب بندی می شوند، به طوری که هوا و آب امکان نفوذ به داخل کوره را نداشته باشند. تمام اجزاء کوره بر روی بدنه فولادی سوار می شوند. از این رو بدنه باید امکان انبساط و انقباض جانبی و عمودی این اجزاء را ممکن سازد. لوله ها نیز مستقل از دیواره باز تابنده توسط بدنه نگهداشته می شوند.

• سطوح بازتابنده

سطوح داخلی بدنه کوره تحمل حرارت بالا را ندارد، بنابراین با مواد عایق پوشانیده می شود. این مواد نه تنها از حرارت بیش از حد ساختمان فولادی جلوگیری می کند، بلکه توسط بازتابش روی لوله ها دمای داخل محفظه کوره را بالا نگه می دارد. همچنین مانند سدی در برابر ذرات جامد موجود در گاز داغ عمل می کند واز نشست آنها روی بدنه واز خوردگی اسیدی ورقه های فولادی جلوگیری می نماید. به علاوه مواد عایق افت حرارتی از جداره کوره را کاهش می دهد.

عوامل مهم در انتخاب پوش شش های بازتابنده :

جهت طراحی و انتخاب درست پوشش بازتابنده باید به عوامل زیر توجه لازم معطوف نمود :

• دمای بیش از حد : اگر مواد بازتابنده در معرض دمایی بیش از دمای حد طراحی واقع شوند ذوب و یا دچار نقص می گردند .
• شوک حرارتی : نوسانات متعدد و بیش از حد در درجه حرارت ، موجب تخریب و ایجاد ترک در پوشش بازتابنده می شود .
•  تنش مکانیکی : برخی از ارتعاشات و تنش های نامعلوم می تواند به تخریب بعضی از مواد بازتابنده کمک نماید . مانند تنش ناشی از انبساط و انقباض مکرر بدنه در صورتی که خارج از حد مجاز طراحی مکانیکی باشد .
• فرسایش : ذرات بسیار ریز مانند خاکستر یا کاتالیست که توسط جریان گازهای داغ حمل می شود باعث فرسایش مواد بازتابنده می گردد .
• واکنش شیمیایی : بعضی از سوختها حاوی ناخالصی هستند که با اجزا مختلف پوشش بازتابنده ترکیب و موجب تخریب و خوردگی پوشش می شوند . مواد قلیایی یا اسیدی بسته به درجه حرارت و نقطه شبنم گازهای داغ از جمله این مواد هستند .
• هزینه : ارزیابی هزینه اقتصادی پوش بازتابنده بسیار پیچیده است . زیرا موادی که از نظر عایق بودن بهترین شرایط را دارا هستند معمولا دارای مقاومتی کم در برابر تنش های مکانیکی می باشند . بنابراین در موقع انتخاب ، بین میزان عایق بندی و خواص مکانیکی باید بهترین ترکیب را برگزید .
  

  انواع پوششهای بازتابنده:

  سیستمهای عایق در کوره های جدید به سه بخش تقسیم بندی می شوند:

• آجر نسوز عایق – آجر نسوز به صورت متخلخل بوده و از مخلوط خاک اره، کک و خاک رس با ترکیبات آلومینیومی زیاد تشکیل شده است. خصوصیات عایق بندی آن بسیار خوب و درجه حرارتی بینºF 1600 تا ºF 2800 را می تواند تحمل نماید.
• بازتابنده قالبی- این نوع عایق در بسیاری از کوره ها متداول بوده، توسط هوای با فشار زیاد به طریق gunning در محل نصب می شود برای مدلهای پیش ساخته، این روش از نظر اقتصادی کاملا مقرون به صرفه است. یکی از این نوع بازتابنده ها لومنیت- هیدیت- ورمیکولیت (به نسبت حجمی ۴:۲:۱:) بوده که ماده ارزان و عایق بسیار خوبی است.
• 

بازتابنده قالبی بر روی دیوارهای بدون حفاظ و در مجاورت مستقیم شعله، حداکثر دمایی بین  ºF 1800 تا ºF 1900 را می تواند تحمل تحمل کند. هنگامی که درجه حرارت یا دانسیته بازتابنده افزایش یابد از کارآیی عایق بندی آن کاسته می شود.

• الیاف سرامیکی :

• کاربرد الیاف سرامیکی جدیدترین گام در طراحی کوره هاست. این پوشش شامل یک لایه سطح گرم و چند لایه سطوح یک اینچ است. دانسیته لایه سطح گرم حداقل ۸ پوند بر فوت مکعب و ضخامت آن حداقل  ۱ اینچ است. ضخامت لایه های حامی نیز حداقل یک اینچ و دانسیته آنها ۴ پوند بر فوت مکعب است. اگر میزان گوگرد موجود در سوخت مایع کمتر از ۱ درصد وزنی و یا میزان H2S موجود در سوخت گازی کمتر از ۵/۱ درصد حجمی باشد، می توان از پشم شیشه به عنوان لایه حامی استفاده نمود. یکی از مزایای الیاف سرامیکی، وزن کم آن است که باعث کاهش بار بر روی بدنه می شود. لذا ورقه های فولادی نازکتری جهت ساخت بدنه می توان به کار برد. هنگام راه اندازی کوره، چون باز تابنده سرد است باید احتیاط لازم را نمود که در اثر انبساط، پوشش بازتابندهاز بین نرود مزیت الیاف سرامیکی راه انداز ساده کوره می باشد. الیاف سرامیکی نبایددر بخش جابجایی استفاده گردد زیرا جهت تمیز کردن لوله های این بخش از بخار آب استفاده می شود که شدیدا بر الیاف سرامیکی اثر سوء دارد.

کویل لوله ها:

مهمترین قسمت یک کوره، کویل حرارتی آن است. مخارج آن هم یکی از بزرگترین ارقام در هزینه های اولیه ساخت کوره محسوب می شود.

   معمولاْ کویل حرارتی از تعدادی لوله تشکیل شده که توسط زانوهای ۱۸۰ درجه به یکدیگر متصلند. در صورت نشست کک روی جداره داخلی لوله ها توسط بخار آب و هوا عمل کک زدایی انجام می شود. بدین ترتیب که توسط بخار آب با فشار زیاد سیال داخل لوله شسته شده، سپس کک موجود روی جداره با هوا محترق می شود وبا فشار هوا ذرات آن خارج می گردد. امروزه جهت کک زدایی از یک ماده سابنده همراه گاز با فشار زیاد استفاده می گردد.

طراحی لوله ها:

عوامل مهم در انتخاب جنس لوله در دماهای زیاد عبارتند از عمر مفید، هزینه و شرایط محیطی است که لوله در معرض آن قرار دارد.

عمر مفید لوله های کوره بستگی به کاربرد خاص کوره دارد و حتی در شرایط کارکرد یکسان، عمر لوله های سازندگان مختلف کوره متفاوت است.

به عنوان مثال یک شرکت ممکن است جهت تأسیسات معینی از لوله های فولادی ضد زنگ نوع ۳۰۴ با عمر مفید ۸ تا ۱۱ سال استفاده کند در حالی که شرکت سازنده دیگر لوله های فولادی کروم – موبیلدن را اختیار نموده و پیش بینی نماید که بعد از حدود ۵ سال بعضی از آنها و بعد از هفت سال کلیه آنها را تعویض نماید .

هر آلیاژ دارای عمر مفیدی است که تابع دما و تنش های جداره لوله می باشد که نمودار ا- ا صفحه بعدی  تاثیر دما و تنش را بر عمر مفید لوله ای از آلیاژ ” Incoloy 800 ” نشان می دهد.

انواع جنس لوله ها:

   در شرایط خوردگی و اکسیداسیون ملایم، فولاد کربن دار یکی از متداولترین مواد در ساخت لوله هاست. علت این امر هزینه کم، کارایی خوب و قابلیت جوشکاری این ماده است.

آلیاژهای فولاد در دماهای زیاد طبق جدول ۱-۱ معمولاً شامل مولیبدن، کروم یا سیلیس هستند. مولیبدن به منظور افزایش مقاومت در برابر تنش های حرارتی، کروم جهت جلوگیری از تشکیل گرافیت بین مولکولهای فولاد و افزایش مقاومت در برابر  تنش های حرارتی، کروم جهت جلوگیری از تشکیل گرافیت بین مولکولهای فولاد و افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون و سیلیس نیز برای جلوگیری از اکسیداسیون به کار برده می شود. فولادهای ضد زنگ اساساً آلیاژهایی از آهن و کروم و بیکل هستند و در برابر خوردگی یا اکسیداسیون شدید مقاوم هستند.

افزایش انتقال حرارت جابجائی توسط سطوح توسعه یافته:

مقاومت فیلمی طرف گاز های داغ عامل تعیین کننده سطح لوله های بخش جابجائی می باشند .

جهت افزایش انتقال حرارت جابجایی به ازای هر فوت لوله، میتوان از سطوح توسعه یافته استفاده نمود. امروزه لوله های برهنه را فقط در کوره هایی به کار می برند که کیفیت سوخت آنها نامطلوب بوده و احتمال نشستن خاکستر روی لوله های بخش جابجایی زیاد باشد. لازم به تذکر است که در بخش جابجایی هرگز از سطوح توسعه یافته استفاده نمی شود.

• پره های دندانه دار
• پره های یکپارچه
• زوائد میخی

محملها و هادیهای لوله ها:

در طراحی مکانیکی باید نحوه نگهداری لوله ها در نظر گرفته شود. لوله ها معمولاً توسط آویزها (Hangers) و صفحات فلزی (Tubesheets) در محل خود نگهداشته می شوند. این وسایل مستقل از پوشش بازتابنده به بدنه کوره متصل می شوند یعنی هیچ گونه بار مکانیکی بر بازتابنده اعمال نمی شود. نوع محمل ها به افقی یا عمودی بودن لوله  بستگی دارد .

• لوله های افقی:

لوله های افقی در بخش تابشی توسط آویز و در بخش جابجایی توسط صفحات فولادی نگهداری می شوند.

• لوله های عمودی:

این لوله ها از بالا به پائین نگهداشته می شوند، لوله هایی که از بالا نگهداری می شوند در پایین دارای هادیهایی هستند و بالعکس.جنس محملهای لوله و صفحات نگهدارنده از فولاد کربن دار به ضخامت ½ اینچ ساخته می شود. اگر دما از ۸۰۰ درجه فارنهایت بالاتر برود باید از آلیاژ مقاومتر استفاده شود .

دریچه خروج گازها یا دمپر (Damper):

وظیفه دمپر دودکش،کنترل مکش کوره و ایجاد فشار منفی حدود ۵/۰ اینج آب در قسمت پائینی بخش جابجایی می باشد. دودکش کوره های کوچک دارای دمپر یک لایه ای و دودکش کوره های بزرگ دارای دمپر چند لایه ای می باشد. اگر گازهای داغ توسط مجاری با مقطع مستطیلی از کوره به دودکش مجزایی حمل شود از دمپر کرکره ای استفاده می شود. باز و بستن دمپر دودکش عموماْ توسط کابل به طریق دستی از سکویی مجاور دودکش و در مورد کوره های بزرگ به طریق هوایی (نیوماتیک) صورت می گیرد.

دمپرهای مختلف بر حسب حداکثر دمای گازهای داغ مشاهده می شود.