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弹性管束缠绕结构换热器在化工流程中应用分析

点击:1869 日期:[ 2014-04-26 21:14:29 ]
                  弹性管束缠绕结构换热器在化工流程中应用分析                   济南化工新材料有限公司(山东250100)蒋国光                   济南西斯普换热技术公司(山东250022)王守业    【摘要】主要介绍了新型弹性管束螺纹缠绕换热器,从结构上论述弹性管束有效补偿热应力破坏及螺旋缠绕湍流换热的优势。    【关键词】化工流程换热器弹性管束湍流换热换热系数    一、前言    流程工业中,换热器(如图1所示)作为通用设备应用相当广泛,随着科技水平的提高,换热器的发展也得到不同程度的改善,每种换热器的研究发展都是根据化工过程设备选择要求作为研究对象,特别是如何保证换热器的运行安全可靠、提高换热效率是研究发展的重中之重。                                  换热系数的提高,可以有效地减少设备的体积,减少材料使用,减少占地面积方便维修。如何提高换热器换热系数是根据流体力学及传热学技术的综合研究利用。先进的机械设备使用不仅可以实现节能降耗,提高化工工业的经济效益,更能保证工艺安全可靠,有效地保护工艺操作及人身安全。    二、换热设备的发展    由于制造工艺和科学水平的限制,早期的换热器只能采用简单的结构,而且传热面积小、体积大和笨重,如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展,逐步形成一种管壳式换热器,它不仅单位体积具有较大的传热面积,而且传热效果也较好,长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。    20世纪20年代出现板式换热器,并应用于食品工业。以板代管制成的换热器,结构紧凑,传热效果好,因此陆续发展为多种形式。30年代初,瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器,用于飞机发动机的散热。30年代末,瑞典又制造出第一台板壳式换热器,用于纸浆工厂。在此期间,为了解决强腐蚀性介质的换热问题,人们对新型材料制成的换热器开始注意。60年代左右,由于空间技术和尖端科学的迅速发展,迫切需要各种高效能紧凑型的换热器,再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展,换热器制造工艺得到进一步完善,从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外,自60年代开始,为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要,典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期,为了强化传热,在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。    三、一种新型弹性管束缠绕结构换热器    如图2所示(图中尺寸为某一型号,不影响结构示意),弹性管束螺纹缠绕换热器是由多组、多层缠绕结构的换热管组成,换热管可以是光管也可以是表面经处理的螺纹管,在相同容积的壳体内部能够布的换热管更多,单位容积的换热面积更大;由于换热管呈轴向缠绕结构,换热管束的轴向膨胀与收缩为无约束的自由状态,换热器管程与壳程不存在温度与温差应力;弹性管束螺纹缠绕换热器材质及焊接材料全部采用奥氏体不锈钢,也可以根据应用介质的特性设计使用钛合金、铜合金、双相不锈钢等材质;设备整体采用全焊接结构,设备本身没有密封点。    弹性管束缠绕结构换热器与传统列管式换热器相比具有以下特点。    (1)换热系数高换热器独特的螺旋缠绕结构,如果采用螺纹换热管,流体湍流状态非常明显,雷诺数大大提高了2~3倍,换热系数最高可达14 000W/m2·℃是传统列管式换热器无法比拟的。                             (2)体积小,热损失小换热器换热系数高,提高了换热过程中单位面积的换热效率,使用很小的换热面积就能够满足需求。体积小使比表面积大大减少,热损失有效降低。    从结构图还可以明显地看出弹性管束螺旋缠绕换热器体积小,安装方便,减少占地,节约安装费用,缩短安装工期的优势。    (3)弹性管束设计,弹性强,应力补偿能力强,更安全弹性管束螺旋缠绕换热器全部采用耐腐蚀材质,能够承受一般化学介质的腐蚀。从安全角度看,弹性管束设计有效地对各种热应力进行补偿,避免了因热胀冷缩对换热器的损坏,保证换热设备的运行安全可靠;整个设备除接口外全部采用焊接结构,严格的加工制造及检验手段确保焊缝的可靠性,免除了垫片密封的渗漏风险,大大提高了设备的运行安全可靠性。    (4)结垢倾向低,使用寿命长独特的螺旋缠绕结构设计具备弹性管束的性能,能消除换热过程中的各种破坏应力,独特的100°连接,以及5.5m/s高流速设计使换热器内部的流动呈高速湍流状态,因此换热管表面结垢倾向更低,能够全寿命地保持设计换热性能。    四、弹性管束螺纹缠绕换热器应用业绩    济南正昊化纤新材料公司10万t/aPTA装置(精对苯二甲酸)循环溶剂(醋酸)精馏分离塔顶冷凝流程及氧化反应器开车流程中(如图3、图4所示),共用到四台换热器:TE—502为塔底混合溶液加热器、TE—501为风冷式塔顶冷凝器、TE—503为列管式循环水塔顶冷凝器,TE—101为氧化反应器开车加热器。                                 1)精馏分离塔顶冷凝流程中,精馏塔顶的组分为水和共沸剂NBA(醋酸正丁酯),为气态,出口温度95℃,经TE—503与TE—501两级冷却后组分温度达到50℃(设计值)并完全冷凝为液态,再经过分离槽TD—502进行水和NBA的分离操作。由于TE—501为风冷式翅片管换热器,所以该设备的冷凝效率与现场的运行环境有非常大的关系,在春季多风灰尘大的情况下,外翅片式的换热管表面极易沾满灰尘,影响换热效果;另外在夏季温度高于30℃时,冷却效果就不行了,冷凝温度达不到设计的50℃,一般在55℃左右,如果气温再高或灰尘再大的时候,冷凝温度就到近60℃,这时有近15%的N B A冷却不下来,严重影响了共沸剂N B A的回收。由于TE—501为风冷式换热器,设备复杂,造价高,且是使用自然空气为冷却介质的,改造这台设备技术复杂,经济性不强,因此只能从TE—503这台普通列管式换热器入手。    2)在氧化反应器开车流程中,TE—101为开车加热器,氧化单元开车时用于将溶剂循环泵TP—102输送来的料液(主要为醋酸与对二甲苯)加热到92℃,进入反应器引发氧化反应,正常运行时该设备停用,管线走旁路;就是由于该设备为间歇操作,导致设备的壳体密封受频繁温度影响,膨胀不一致,密封垫片经常失效,平时不易发现,在使用时泄漏,由于醋酸有强烈的腐蚀性及极强的刺激性,致使每次检修极为困难,这个问题几乎在每次开车时都会发生,严重影响开车操作。    3)经技术交流与选型,将TE—503换热器淘汰,使用两台型号为JAD26480弹性管束螺纹缠绕换热器并联操作(主要考虑冷凝气管程的流通面积),循环水走壳程,其余设备没有变动;将开车加热器TE—101替换为型号为JADX17217的一台弹性管束螺纹缠绕换热器,不仅在换热功能上满足要求,而且弹性管束螺纹缠绕换热器为全焊接结构形式,没有密封点,从根本上解决了问题。    4)设备改造至今已有近四年的时间,设备运行良好,性能方面达到了并且超出了预期的效果:塔顶冷凝流程中,由于弹性管束螺纹缠绕换热器的效率比普通列管换热器高,而且壳程流速高,换热管表面有波纹,流动呈高速湍流状态,循环水侧不易结垢,在原设定循环水流量下,冷凝液的温度就可以到45℃,在最热的季节,也能满足50℃的设计要求;开车加热器不但解决了开车使用时泄漏的问题,而且使用实践表明,加热蒸汽的使用量也有所降低,能节约大约10%的蒸汽使用量。    五、结语    改造使用的弹性管束螺纹缠绕换热器采用换热管及壳体316L材质,设计压力为1.6MPa,完全满足上述工艺要求,由于其独特的布管方式及螺纹表面,使得该类型换热器的换热系数大大高于普通列管式换热器,而且体积更小、重量更轻,同一工况设备造价更低;该换热器属于高效节能设备,可以在石油化工、化工、冶金及水处理等行业大力推广使用。    参考文献    [1]钱颂文.管式换热器强化传热技术[M].北京:化学工业出版社,2003.    [2]洪国宝.化工设备设计全书——换热器设计[M].上海:上海科学技术出版社,1983.
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