Piping Layout: Heat Exchanger And Condenser Location In Plant And Piping Arrangement

 

Introduction

 

Heat Exchangers are widely used equipment’s in the chemical, petrochemical and refinery type of plant.  The control of heat within plant operation is done by direct heat application in a furnace, or   by heat exchange in shell and tube exchanger plate heat exchanger.   Types of heat exchanger    may be Shell and Tube, Aircooled (Fin-Fan), Plate    type or Coil type(spiral).

 

Various process duties of heat exchanger have an effect on the layout aspects viz.

 

a.        Exchange of sensible heat between two process   fluids.

b.       Cooling with air or water.

c.        Chilling with refrigerated  liquid.

d.       Heating with steam or hot  water.

e.        Condense by water or cold process   stream.

f.         Vapourising by steam (e.g. column reboiler) or any heat transfer    liquid.

 

Fixed tube exchangers are used when the temperature differences between shell side and tube side

fluid are small.

 

Floating head or U-type exchangers are used where there is

a  significant  temperature  difference

Kettle -type reboilers are us

for evaporation in case of limiting  pressure  drop,  otherwise  vertical reboilers are use

for  evaporation.

 

Plate heat exchangers are generally used in low-pressure, low temperature

applications.  The   plateexchanger occupies less space than shell and

tube exchanger for equivalent  heat  exchangersurface.

 

Aircoolers are used for overhead condensers of column and consist of fin-tube bundles with header box to each end, having inlet on top of header-box at one end and outlet on bottom of header box at the other  end.

 

For single pass arrangement of air-cooler exchangers, inlet nozzles are mounted on the top of the header box and the outlet nozzles are located at the opposite end and mounted on the bottom of the header box.For double pass arrangement, the inlet and outlet nozzles are located at the same end.

 

LOCATION

 

Exchangers should be located close to the major equipment with  which  it is associated  in PFD  /  P&ID. Reboilers are placed next to their respective towers and condensers are placed over reflux  drums. Exchangers between two distant pieces of process equipment  should be placed at optimal  points in relationship to  piperacks.

 

Most exchangers are to be located at grade level with elevations to have clearance of 1m above Finished Ground Level (FGL). Elevated exchangers may be necessary  to  fulfill  the  NPSH  requirement of downstream centrifugal   pump.

 

In case of large numbers of heat exchangers, they are grouped in one or more category to save       pipe work, structural work, provision of lifting and maintenance facilities, platform requirement etc. Paired or grouped exchnagers shall be spaced to allow  minimum  450mm  preferrably  600mm  between the outside of adjacent channel or bonnet flanges to facilitate access to flange boltsduring maintenance. Adequate  space

shall be provided  on either  side of paired  exchanger  and at both  ends of grouped

exchanger for control and operator access as illustrated.

 

Groups of exchangers should be generally located by the alignment of channel

nozzles in vertical plane so as to present an aesthetic   appearance.

The support saddle with oblong holes for provision of thermal expansion are normally located on the saddle farthest from the channel end but the final location

depends on the plant layout and the stress analysis of the connected  piping.

 

Exchanger piping should be as direct and simple as possible by considering

alternatives such as arranging exchangers side by side stacking them for reversing   flows.

 

Exchangers are sometimes mounted on structures, process columns and other equipment. Special arrangements for maintenance and tube cleaning should be provided in suchcases.

 

Access For Operation  Maintenance

 

Internals of heat exchanger require periodic  cleaning  and  repair.  It

is important  that  exchangers and the surrounding piping are arranged to facilitate ace

 to the internal parts.

 

Horizontal clearance of at least 900mm should be left between

exchangers flange to flange or exchanger flanges to piping. Where space is limited,

clearance may be reduced between alternate exchangers but in

no case clearance over insulation between channel flanges shall be less than 600mm.

 

The channel ends of exchangers should face the local access road for tube

bundle removal and  the shell cover should face the piperack.       Pulled out bundles

should not extend over main access road.

typical exchange

arrangement  with clearance  for access,  operation  and maintenance  is shown

Access for tube bundle removal is usually 500mm more than the bundle length.

 

Mobile equipment should be used for handling tube bundles and covers at grade level. Expensivebuilt-in facilities e.g. lifting beams, monorails to be kept     minimum.

 

The use of tube-bundle extractor eliminates the need for permanent tube bundle removal structures. These mechanisms weigh around seven tons and are capable of pull forces about 500,000lbs. The tube-bundle is held in position by crane

and balanced by the extractor's leveling cradle and pulled       out of its shell with pull

rod attachments that use hydraulic    force.

 

For air-cooled exchangers, platform arrangements must suit maintenance access requirements. Considerations must be given to fin-tube   bundle removal, tube rodding out at header boxes, motor   and fan access.

 

Provision of easily removable spool pieces, flanged elbows, break flanges or short pipe runs will be helpful for maintenance of  exchangers.

 

Illustrations for exchanger location in unit plot plan alongwith the provisions of operating and maintenance space, accessibility are shown.

 

STEPS TO DO HEAT EXCHANGER   PIPING

 

Collect the mech. spec. of the heat   exchanger.

 

Study  the  P&ID  around  the  heat  exchanger  and  identify  the  relationship  with  theconnected equipment viz. column or  reactor.

 

Note  the  special  process  (functional)  requirement  along  with  the  specific arrangementdetails with respect to level or height difference from other related equipment like pumps.

 

Study the nozzle schedule, its position on the equipment and verify with P&ID.

 

Make sketch for the relative location and level.        Find out the tube cleaning space in caseshell &

tube Heat Exchanger as well as the maintenance space of tube bundle length.

 

Locate the control valve stations both for shell side and tube side fluids.

 

Decide the flanged joints location for replacement of Heat Exchanger / maintenance facility.

 

Check, in general, that cooled streams flow downwards and heated streams flow upwards. This arrangement is mandatory when there is change of phase, desirable when the streams  are  liquid but not important when the streams are gas or vapour  or there is no  super  heating,  super cooling.

 

Check,  piping  should  not  foul  with  exchanger  removal  either  in  the  horizontal     direction  for bundle-pulling nor in the vertical for whole exchanger   removal.

 

Check, locally mounted PI, TI on equipment or process lines, sight glasses and level indicators are visible from access aisles and valves are accessible from the aisles.

 

Mark the supports support arrangement on the piping    study.

 

Ensure  accessibility  operation  facility  for all valves  as well as the clearance  kept are   not less than  the recommended  minimum requirement