螺旋缠绕管式换热器
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高通量换热器研制及在大型石化装置中的节能应用点击：2285 日期：[ 2014-04-26 21:14:26 ] |
| 高通量换热器研制及在大型石化装置中的节能应用 徐 宏1,戴玉林1,2,夏翔鸣1,2,刘京雷1,徐 鹏1 (1.绿色高效与节能教育部工程研究中心,华东理工大学化工机械研究所,上海200237;2.中国石化扬子石油化工有限公司,南京210048) 摘 要：开发了烧结型表面多孔高通量换热管及其换热器。以乙醇为介质评价了表面多孔换热管的沸腾传热性能。研究表明,表面多孔换热管强化传热效果显著,在酒精中的传热效果是光管的8.7~12.1倍。以1.8 g/L CaSO4盐溶液为介质经240 h阻垢性能试验,结果表明表面多孔换热管具有良好的抗垢性能,在溶盐中多孔管沸腾传热系数始终大于光管的沸腾传热系数。工业化应用考核表明,采用该烧结型表面多孔换热管设计制造的高通量换热器,不仅可以大幅度提高相关流程装置的产能,而且可以明显降低能耗。 关键词：高通量换热器;石化装置;强化传热;节能 中图分类号：TK124 文献标识码：A 节能是国家能源战略的重点,提高换热设备的效率对化工和石化等行业的工业节能至关重要。另一方面,装备的高效化进程已经成为制约化工、石油化工装置大型化发展的瓶颈,发展和应用高效换热器已到了刻不容缓的程度。 在国家科技部、教育部、江苏省、上海市和中石化、中石油等的支持下,华东理工大学联合无锡化工装备有限公司和中国石化扬子石油化工有限公司从1999年起进行烧结型表面多孔高通量换热管及其换热器的研制,成功实现了产业化,建成国内唯一世界第二的烧结型高通量管及高通量换热器产业化生产基地,具有完全自主知识产权。研制的高通量管和高通量换热器在中石化、中石油、中海油、中国兵器集团等国内特大型企业获得应用63台,并出口欧洲,填补了国内空白并打破国际垄断。2008年被列为“中国石化重大装备国产化重点推广项目”。拥有完全自主知识产权,申请专利15项,其中发明专利7项。已获得9项专利授权。产品荣获“国家重点新产品证书(2007GRC10022)”和江苏省“高新技术产品证书(070211G0082N)”。技术成果获中国石化科技进步三等奖(2008、2009)、上海市科技进步一等奖(2009)。 1·高通量换热管的性能评价 烧结型高通量管是指采用粉末冶金的方法在普通换热管表面烧结一薄层具有特定结构的多孔表面高效换热管。表面多孔层的凹穴与孔隙相互连通,可以显著强化沸腾传热,传热效果甚至可提高20倍[1]。这是至今为止换热系数最高的管式传热元件,尤其适用于烷烃、烯烃、醇类、氟利昂等介质。与光管相比,烧结型表面多孔管具有如下优越性[2]: 1)能显著地强化沸腾给热,减少所需换热面积一半左右,在大型乙烯和大型芳烃等化工和石化装置中应用前景广阔。 2)可以在很小的温差下维持沸腾,对低品味能量的回收和低温沸腾换热有很大的价值,应用于再沸器时可以降低所需加热蒸汽的等级。 3)临界热负荷比普通管高50%以上。 4)具有良好的阻垢性能。 根据粉末冶金烧结理论,采用特定成分的粉末与粉末烧结技术相结合,在保持换热管基体性能基本不受影响的烧结温度下实现了特定高孔隙率多孔表层[3]。通过对比试验,探索优化了较低温度下的高通量换热管烧结工艺,实现了铜管、铜镍管、碳钢管、耐热钢管等系列换热管内/外表面多孔管特征参数的可控制造。自主开发的系列高通量换热管见图1。 1.1 高通量换热管的强化传热 实验采用如图2所示的池沸腾装置测定高通量换热管的强化传热性能。实验采用酒精作为传热介质,各个电压值下的热流量Q可以通过冷凝水量m和汽化潜热γ的乘积并除以时间t获得,即 Q = (m·γ)/t. 热流密度为q=Q/A;传热系数为h=q/Δt,根据实验测出的传热温差(过热度)Δt=tw-tsat(其中tw为管外壁温度,tsat为介质温度),即可算出换热管沸腾传热系数ho 通过实验得到壁面过热度与热流密度之间的关系结果见图3。多孔管与光管的热流密度q都随过热度Δt(Δt=tw-tsat)的增大而增大。在酒精中,多孔管的沸腾传热温差一般在3.52℃左右,而光管的沸腾温差一般在6.78℃左右,其沸腾传热温差比光管的沸腾传热温差低48%。在相同的温差下,多孔管的热流量同样明显高于光管的热流量。 定义一个提高因子ω,即相同温差下多孔管的沸腾传热系数与光管的沸腾传热系数之比,该值反映了多孔管强化传热的能力,其值越高说明多孔管强化传热能力越强。通过origin曲线拟合求得光管和多孔管在酒精中的沸腾曲线,并在具有共同的温差区间内求得同一温差下对应的热流密度,得到温差和提高因子之间的关系,在实验范围内测得的数据如图4所示。高通量换热管在酒精中的传热效果是光管的8.7~12.1倍,这说明在酒精中多孔管的强化传热效果非常明显。 1.2 高通量换热管的阻垢性能 换热管在某些介质中长时间运行,会产生结垢现象,为保证换热器设计的合理性,保证不因污垢的影响而降低设备的负荷能力,需要在换热器的设计上考虑结垢的倾向性,选取合适的污垢系数。因此,准确反映高通量换热管的阻垢性能非常重要。采用如图2所示的实验装置,研究了多孔管和光管在1.8 g/LCaSO4溶液中241 h结垢性能,结果见图5和图6。由试验发现:随着实验进行,多孔管沸腾传热系数经过很长一段时间波动(约为15 h)后才出现了下降,而光管传热系数在很短时间内就出现了下降,主要是因为多孔层中有强烈的气液循环,阻止污垢向换热表面沉积,同时加速已经沉积污垢的剥离,因此其传热系数开始时变化比较小。从图5可以看出,当实验进行了91 h后,多孔管传热系数由61.73下降到26.84 kW/(m2·℃),降幅为56.5%,光管传热系数由28.26下降到15.83 kW/(m2·℃),降幅为43.6%;虽然多孔管沸腾传热系数降幅比光管大,但是多孔管传热系数始终明显大于光管,在开始时为光管2.2倍,即使经过91 h后,其换热系数仍为光管1.7倍,说明其仍然保持着强化传热能力。从图6可以看出,多孔管和光管在1.8 g/L CaSO4溶液中污垢热阻随时间的变化情况:开始阶段成线性增长,超过一定时间后两种换热管污垢生长符合渐近线模型,且多孔管积垢曲线渐近值明显小于光管积垢曲线渐近值,说明在硫酸钙溶液中多孔管具有良好的抗垢性能。 2 高通量换热器的工业化生产及应用 2.1 高通量换热器的工业化生产 高通量换热器与普通换热器在设计、加工制造、检验方面均有其特点。项目解决了高通量管表面预处理、粉末涂覆、烧结、校直、U弯成形等技术难题,开发了具有多项关键技术的表面多孔高通量管生产成套技术及装备;掌握了工业化应用系列高通量换热器(浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器等)的设计、制造、检验等关键技术;实现了成套技术与设备的国产化,建立了完善的产业化生产基地与技术、装备,建立系列高通量换热管/换热器质量保证体系,形成了高通量换热管/换热器制造及检验技术标准;建成国内唯一世界第二的烧结型高通量管及高通量换热器产业化生产基地。新建专用厂房面积18 000 m2,基本建设投资2 631万元,设备投资为3 317万元,并组建了完善的产、学、研研发体系。2008年申请成立教育部绿色高效过程装备与节能工程研究中心(华东理工大学)与江苏省工程技术中心(无锡化工装备总厂)。 2.2 高通量换热器的工业化应用 经近10年烧结型表面多孔高通量换热管及其换热器的研制,已成功掌握了系列高通量换热管/换热器的设计、制造、检验等关键技术,具有完全自主知识产权,已累计应用63台。三次通过中国石化股份有限公司科技开发部与重大装备国产化办公室组织的专家鉴定(中国石化鉴字[2002]第222号、[2007]第92号、[2008]第213号)。标志着我国国产高通量管换热器跨入国际先进行列。 高通量换热器节能、降耗、减排效果十分显著,符合国家节能减排政策,在高耗能行业具有广泛的应用前景和巨大的潜在市场。高通量管换热器可广泛应用于: 1)炼油、石化及化工等工业装置中的重沸器、汽化器、蒸发器等。在芳烃和乙二醇等装置中可大量采用烧结型表面多孔管高通量换热器。 2)天然气净化和气体分离装置。可用于液化天然气的汽化和低温空分再沸冷凝器,既可降低换热面积,又可减小温差,降低能耗。可以实现低的压缩机功率需求。 3)海水淡化装置及低温多效蒸发器。 4)低温制冷装置。多孔表面可以显著地强化小温差下的传热[4]。 3 结束语 1)烧结型表面多孔高通量换热管具有优异的沸腾换热性能,在有机介质—酒精中的传热效果是光管的8.7~12.1倍,强化传热效果非常明显。 2)表面多孔管具有优良的阻垢性能,在溶盐溶液中多孔管沸腾传热系数大于光管的沸腾传热系数。多孔表面内强烈的气液循环,阻止污垢向换热表面沉积,同时可对已沉积污垢起到剥离作用。 3)烧结型表面多孔管实现了高通量换热器的工业化生产。工业化应用表明,采用高通量换热器不仅可以大幅度提高相关流程装置的产能,而且可以明显降低能耗。 参考文献: [1] Gottzman C F,P S 0’Neill,P E Minton. High Efficiency Heat Exchangers[J]. Chemical Engineering Progress,1973,69(7):69-75. [2] Thome J R. Enhanced Boiling Heat Transfer[M]. New York:Hemisphere Publishing Corp, 1990. [3] 刘京雷,徐宏,王学生,等.一种铁基粉末多孔表面换热管及其制备方法[P].中国发明专利:CN101251351A,2009. [4] O’Neill P S, Gottzmann C F, Terbot J W. Heat Exchanger for NGL[J]. Chem Eng Prog, 1971, 67(7): 80. |
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