Fűtött nyomászszabályzók

Miért és hol alkalmazunk fűtött szabályzókat?

A fűtött szabályzók a ’80-as évek elején jelentek meg. Felépítésüket tekintve egy komplett szabályzót és egy központi elhelyezkedésű fűtőelemet tartalmaznak, melyet eleve úgy alakítanak ki, hogy ellensúlyozzon számos, a gőz-állapotú alkalmazásoknál jelentkező nemkívánt jelenséget. Ez az alapvető kialakítás máig érvényes, és sok gyártónál megtalálható, akik árérzékeny, alacsony követelményszintű alkalmazásokhoz kínálnak fűtött szabályzót. 

A fűtött szabályzók alkalmasak folyékony szénhidrogének párologtatására is. Ez különösen hasznosnak bizonyult azokban az időkben, mikor a folyékony minták injektor-szelepei (azaz LSV – flash párologtató) a korabeli kromatográfokon nem bírták a magas nyomásokat, vagy nem voltak olyan megbízhatóak, mint manapság. Ahogy a fűtött szabályzók teret nyertek ezen a piacon, és elkezdték őket szélesebb körben alkalmazni  minták kezelésére, úgy váltak lassan általános megoldássá egyre több gőz- és folyadék alkalmazáshoz, mint például kriogén berendezések, vagy LNG töltés. Erről a térhódításról kapták köznyelvi nevüket: párologtató szabályzók.

Kihívások és desing

Ahogy a berendések egyre komplexebbek lettek, úgy jöttek a problémák a minták párologtatásával: megbízhatatlan mérések, megégett, vagy eltömődő szelepek, mind a hibás használat, vagy rossz beállítások miatt. Mára már tudjuk, hogy az egyszerű kialakítások csak nagyon korlátozottan használhatóak folyékony szénhidrogénekkel. Ez a felismerés vezetett el a flash párologtatók innovatív újragondolásához  (különösen, ami az LNG-s alkalmazásokat illeti), és a kromatográfokon használt LSV-t fejlődéséhez. Itt érdemes megjegyezni, hogy a flash párologtatók egy adott mennyiségű (microliter nagyságrendű) folyadékot fecskendeznek be egy állandó térfogatú, temperált térrészbe. Az így létrejövő azonnali, homogén párolgás roppant pontos mérési eredményekhez vezet, ezt a kialakítást azonban csak igen költségesen lehet megvalósítani. 

A folyamatos áramlást elpárologtató szabályzókkal szemben, noha a működésük éppen ellentétes a fentebb leírtakkal, az elvárás egy idő után ugyanaz a pontosság volt, mint a flash-párologtatónál: ez persze jobbára csak elvárás maradt, és gyakran inkább egyfajta frakcionál-szabályzóként üzemeltek. 

Èppen ezért ez a rövid értekezés azt a célt tűzi ki, hogy a fókuszt újra a folyamatos áramlásos, fűtött szabályzók alapkialakításainak megértésére irányítsuk, és bemutassunk néhány új fejlesztést, folyadék közeg alkalmazásokra. 

Az alábbi illusztráció azt hivatott bemutatni, mi történik egy folyadékmintán, ahogy áthalad egy általánosan elterjedt fűtött szabályozó fűtőelemén. Ez a hatás még hangsúlyosabban van jelen olyan mintáknál, ahol a forrás széles hőmérséklet tartományban megy végbe (tipikusan C1-töl C4+-ig). Ilyen körülmények között bármilyen egyensúlyi kilépő nyomás, áramlás, vagy hőmérséklet elérése és megtartása komoly kihívás. 

Gőz közegek

A temperálást egy központi fűtőelem biztosítja a szeleptestben. Úgy helyezik el, hogy a kívánt hőátadás útja a házon felfelé, radiális irányban valósuljon meg. 

A gőz állapotú minta a bemenet felől egy temperált kamra felé áramlik, a fűtőelem körül haladva, ezzel biztosítva, hogy végig a harmatpontja fölött marad, elejét véve a pára- vagy csepp kicsapódásának. Ahogy a vezérlő szelep csökkenti a nyomást, a felső testben Joule-Thompson hatás alakul ki. 

A fűtőelem hőmérsékletét folyamatosan szabályozni kell, hogy ezt a hatást ellensúlyozza, ugyanakkor a teljes szabályzóban harmatpont fölött tartsa a mintát, normál áramlási feltételek mellett. A szükséges hőmennyiséget befolyásolják az adott alkalmazásra jellemző nyomásviszonyok, az áramlási- és környezeti körülmények.

A minta a membrán körül áramlik a kilépő csatlakozás felé, végig a fűtött kamra közelében, a lehűlést elkerülendő. Bizonyos idő után beáll egy általános egyensúlyi állapot, melyet üzembe helyezés után optimalizálhatunk. 

Egyes alkalmazások esetén, ha a nyomáskülönbség jelentős, a nyomáscsökkentés során jelentkező J/T hatás olyan jelentős lehet, hogy egyszerűen nem lehet eléggé felfűteni a szabályzót, hogy a jégképződést elkerüljük. Ez a minta kondenzációjához vezet, a kilépési oldalon folyadék fázis jelenhet meg, és mechanikus hibákat, gázszivárgást okozhat. Ezek a problémák egy fűtőelemmel nem kezelhetőek, ilyenkor lehet szükség flash-párologtatókra, többlépcsős nyomáscsökkentésre, vagy kettős-fűtésű szabályzóra, adott térfogatáram mellett.

Folyadék közegek

A folyadékokat az alkalmazás során forráspont alatt és a hőforrástól távol kell tartani, mely más megközelítést tesz szükségessé.

A következő kialakítás poliamidból készült, belépő csonkja sokkal kevésbé vezeti a hőt (0,12 W/mk) mint például a SS316 (16,3 W/mk).

Ez a poliamid szigetelés védi a folyadékmintát a belépéstől az elpárologtatón át egészen a sugár legkisebb keresztmetszetéig (vena contracta) ahol a legnagyobb a nyomásesés és az áramlás a legfrakcionáltabb. Megfelelő szigetelést biztosítva elérhető, hogy a minta ezt a pontot szuperkritikus állapotban érje el, így fázisátmenet folyadék és gáz között pillantszerű lesz, nem jelennek meg vegyes fázisok. 

A furat nagyságának, és a Cv érték helyes megválasztásával a szabályzó testre szabható az egyes alkalmazásokra, illetve készleteink segítségével könnyen átszerelhető.

A kilépés felé eltolt fűtés a hőteljesítményének jelentős részét a nyomáscsökkentés zónája után adja le. A tömör spirál hüvelybe helyezett fűtőpatron nagy felülete biztosítja a hatékony hőátadást a kiáramló minta felé Ezzel a spirális betétel a az elektromos teljesítménysűrűség 11,4%-kal, 4,93 W/cm2-re emelkedik egy 100W-os fűtésnél.

Tipikus alkalmazási környezetük a finomítók, NGL, cseppfolyós propán, bután és etilén művek, illetve a kriogenika.

Összegzés

Az analitikai berendezések mindig komoly befektetést jelentenek, de csak akkor szolgáltatnak valid eredményeket, ha reprezentatív mintákat kapnak mind a kalibráció, mind a normál üzemmenet során. Ha fűtött szabályzókat folyadék közegre alkalmazunk, létfontosságú felmérni, megjelenhet-e frakcionáció, párolgás vagy kondenzáció a mintában, és ezen hibák összessége hogy hathat az eredményekre. 

Ilyen esetekben a legdrágább mérőrendszert is túszul ejtheti egy egyszerű fűtött szabályzó. A területen felgyülemlett tudás, párosítva a korszerű megmunkálási technológiákkal lehetővé teszi azokat a kialakításokat, amik sokkal alkalmasabbak folyékony szénhidrogén-alkalmazások kiszolgálására, miközben a termék csomagolás és integrálás szempontjából mit sem változott.

A cikk eredeti verziója: https://www.pressure-tech.com/files/39/Pressure%20Tech_Vaporising%20Regulators%20for%20Hydrocarbon%20Service.pdf
A borítókép forrása: ASaP NL