Heat transfer enhancement in shell-and-tube heat exchangers. Design, simulation and applications to oil refining processes

The heat transfer enhancement is a process intensification methodology addressed to the thermal performance improvement of heat transfer sections in the major process industries. The increased concern about how energy is utilised and recovered in heat exchanger networks led to the interest of developing heat transfer enhancement technologies as effective techniques for retrofitting existing networks or for designing more efficient ones. This thesis aims at providing a comprehensive study of the most efficient techniques applied to the shell-and-tube heat exchanger, a common heat transfer unit in chemical and oil refining processes, with general focus to liquid-phase applications. Five different technologies are selected for the present study, three on the tube-side and two on the shell-side. From intense literature survey and in-depth critical analysis of experimental works, design geometries, fluid dynamics and thermo-hydraulic behaviours are estimated for each technology and adapted to be suitable of being implemented in a complex dynamic distributed model for the enhanced heat exchanger. The simulations of the individual enhanced unit are performed referring to typical refinery operations and ad hoc physical KPIs are proposed for enhanced performance evaluation. The hot end section of a crude oil pre-heat train is selected as representative case study for network retrofit simulations by means of enhanced units, to pursue the vital need of energy savings: the neglecting of crude oil fouling represents the main simplifying assumption. Both physical and economic KPIs are computed in evaluating the retrofit performance, showing appreciable improved economics, even in the order of millions of US dollars, during one year of operation.

L’accrescimento dello scambio termico è una metodologia di intensificazione di processo volta al miglioramento della performance delle unità di scambio termico nelle maggiori industrie di processo. La crescente necessità di metodi per il risparmio energetico nelle reti di scambiatori di calore ha volto all’interesse di sviluppare tecnologie di accrescimento dello scambio termico come efficienti tecniche per il retrofit di reti di scambio termico preesistenti o per il progetto di nuove configurazioni. L’obiettivo di questa tesi consiste nel proporre uno studio comprensivo delle tecniche di accrescimento più efficienti specificatamente applicate agli scambiatori di tipo ‘shell-and-tube’, l’unità scambio termico più utilizzata nei processi dell’industria chimica e petrolchimica, con attenzione specifica ad applicazioni in singola fase liquida. Cinque diverse tecnologie di accrescimento sono state prese in considerazione per lo studio attuale, tre delle quali dal lato tubi e due dal lato mantello. Un’attenta analisi critica della letteratura ha permesso di studiare, per ogni tecnologia, univoche specifiche di progetto, analisi fluidodinamiche e andamenti termo-idraulici, i quali sono stati a loro volta adattati per essere inseriti in un complesso modello matematico dinamico a variabili distribuite di scambiatore di calore. Le simulazioni del modello riferito alla singola unità sono state compiute con riferimento a tipiche operazioni di raffineria mentre la quantificazione dell’accrescimento termico è stata sviluppata sulla base di indicatori di performance derivati dalla fisica del sistema. La sezione finale di una rete di scambio termico per il greggio negli impianti di raffineria è stata selezionata come caso di studio rappresentativo di una network di scambiatori: la più grande approssimazione fatta nelle simulazioni è stata quella di ignorare la presenza dello sporcamento da petrolio. Altri indicatori di performance sono stati suggeriti per valutare la performance dell’operazione di retrofit, dimostrando apprezzabili risparmi energetici ed economici, fino a ordini di grandezza di milioni di dollari americani, durante un anno di operazione.