مبردات العينات والمبادلات الحرارية لأخذ العينات في درجات الحرارة العالية

مبردات العينات والمبادلات الحرارية لأخذ العينات في درجات الحرارة العالية

تكون درجات الحرارة في العديد من عمليات التكرير والبتروكيماويات وتوليد الطاقة مرتفعة للغاية بحيث يتعذر أخذ عينات منها مباشرة. أ مبرد العينات — وهو مبادل حراري صغير مخصص لتجهيز العينات — يعمل على خفض درجة حرارة السائل إلى مستوى يمكن للجهاز التحليلي أو المختبر التعامل معه، مع حماية الأختام والأنابيب والأجهزة من التلف الحراري. وعند تنفيذه بشكل صحيح، فإنه يمنع أيضًا العينة من التبخر أو التكثف، وهو ما يحافظ على تمثيلية العينة.

يتناول هذا الدليل الأسباب التي تجعل العينات ذات درجات الحرارة المرتفعة بحاجة إلى التكييف، والتصاميم الرئيسية للمبردات، وكيفية تحديد أبعادها، بالإضافة إلى الاعتبارات المتعلقة بالمواد ونقطة الندى التي تحدد ما إذا كانت العينة المبردة لا تزال تعبر عن المقصود منها.

لماذا تحتاج العينات المعرضة لدرجات حرارة عالية إلى التهيئة؟

لا يمكن إدخال عينة تم سحبها عند درجة حرارة تتراوح بين 200 و350 درجة مئوية مباشرةً إلى جهاز التحليل. وتكمن المشاكل في الجانبين العملي والتحليلي على حد سواء:

• حدود الأجهزة والأختام — تبلغ درجات الحرارة القصوى للتشغيل في أجهزة التحليل وموانع تسرب الصمامات والأنابيب مستويات أقل بكثير من ظروف العمليات التي تتسم بارتفاع درجات الحرارة.
• الوميض والتدفق ثنائي الطور — يتحول السائل الساخن والمضغوط إلى بخار فورًا عند تبريده وإزالة الضغط عنه، مما ينتج عنه تيار ثنائي الطور لا يمكن لأي قياس أحادي الطور تفسيره.
• السلامة — تشكل خطوط العينات الساخنة خطرًا على العاملين من حيث التعرض للحروق، كما أنها مصدر إجهاد حراري على الوصلات.
• التمثيلية — قد يؤدي التبريد غير المنضبط إلى تكثيف المكونات الثقيلة وفقدان المكونات الخفيفة، وبالتالي لا تعود العينة التي تم تحليلها مطابقة للعملية.

يعالج مبرد العينات ذو الحجم المناسب هذه العوامل الأربعة جميعها من خلال إحضار العينة إلى حالة خاضعة للتحكم، أحادية الطور (أو مُدارة وفقًا لنقطة الندى) قبل وصولها إلى جهاز التحليل.

تصاميم مبردات العينات

يعتمد الاختيار على الحمل الحراري، ووسيلة التبريد المتاحة ودرجة حرارتها، ودرجة الحرارة المطلوبة لمخرج العينة، والمساحة المادية المتاحة في غرفة جهاز التحليل.

تحديد حجم مبرد العينات

يتم تحديد الحجم وفقًا للنهج القياسي للمبادلات الحرارية، ولكن مع مراعاة القيود الخاصة بالعينة. وتبلغ الطاقة الحرارية المطلوبة:

Q = m · c_p · ΔT

حيث m هو التدفق الكتلي للعينة،, c_p حرارتها النوعية، و ΔT انخفاض درجة الحرارة من مدخل العينة إلى المخرج المطلوب. ويجب إضافة ما يلي إلى ذلك:

• معدل تدفق العينة — تدفق الدائرة السريعة أو التدفق الجانبي للمحلل، والذي يتراوح عادةً بين عشرات ومئات السنتيمترات المكعبة في الدقيقة.
• درجات حرارة المدخل والمخرج — عادةً ما يتم ضبط مخرج الهواء عند درجة حرارة أعلى بقليل من نقطة الندى للعينة.
• درجة حرارة وسيط التبريد — يجب أن تكون درجة الحرارة الفاصلة بين مخرج العينة ووسط التبريد واقعية.
• الحرارة النوعية، وسلوك التكثف بالنسبة للغازات من العينة.

إن اختيار مبرد أصغر من اللازم يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة العينة بشكل مفرط، مما يضع ضغطًا على المكونات التالية في السلسلة. أما اختيار مبرد أكبر من اللازم فيؤدي إلى تبريد العينة إلى درجة أقل من نقطة الندى، مما يتسبب في تكثف السائل داخل جهاز التحليل — وهو خطأ يؤدي إلى تشويه القراءة دون أن يُلاحظ.

التحكم في نقطة الندى: القاعدة التصميمية الحاسمة

الخطأ الأكثر شيوعًا في مبردات العينات هو تبريد عينة الغاز إلى درجة حرارة أقل من نقطة الندى للهيدروكربونات أو الماء. وعندما يحدث ذلك، يتكثف السائل داخل المبرد أو في خط العينة، وبالتالي فإن العينة التي تصل إلى جهاز التحليل لم تعد تمثل العملية — حيث يرى جهاز التحليل غازًا أقل تركيزًا مما تحتويه العملية فعليًّا.

هناك استراتيجيتان تمنعان حدوث ذلك:

1. تبريد حتى درجة حرارة تزيد قليلاً عن نقطة الندى — يجب تحديد حجم المبرد والتحكم في وسيط التبريد بحيث تظل درجة حرارة مخرج العينة أعلى من نقطة الندى للمكونات الأثقل.
2. توفير نظام إخراج وإعادة السائل — إذا كان لا بد من تبريد العينة إلى درجة حرارة أقل من نقطة الندى، فيجب إضافة أسطوانة فصل وإعادة السائل المتكثف إلى العملية، بحيث يتم التحكم على الأقل في سلوك الحالة الفيزيائية.

وانان أنظمة أخذ العينات ذات الحلقة المغلقة تضمين مبردات أخذ العينات التي تتناسب أحجامها مع نقطة الندى الخاصة بالعملية، مع مسارات لإعادة السائل عند الحاجة.

المواد والتشييد

يجب أن يتحمل سطح الأنبوب كلًا من سائل المعالجة ووسط التبريد، ويجب أن يتجنب تصميم المبرد وجود جيوب ميتة يمكن أن يتراكم فيها السائل ويبقى راكدًا. أما بالنسبة لمآوي أجهزة التحليل، فعادةً ما يتم تركيب المبرد في أقرب مكان ممكن من صمام أخذ العينات، وذلك لتقليل طول خط العينة الساخن إلى أدنى حد ممكن.

الأسئلة الشائعة

هل تحتاج إلى مساعدة في تحديد المعدات المناسبة لمنشأتك؟ شركة «وانان تكنولوجي» هي شركة مصنعة حاصلة على شهادة ASME U-Stamp لأنظمة أخذ العينات ومعدات سلامة الخزانات، وتزود المصافي ومصانع المواد الكيميائية ومحطات التخزين في أكثر من 40 دولة، بما في ذلك «سينوبك» و«بتروتشاينا» و«إكسون موبيل» و«لوك أويل» و«BASF». اتصل بفريقنا الهندسي لإجراء مراجعة فنية أو تنزيل كتالوج المنتجات.

طلب عرض أسعار   تنزيل الكتالوج