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大孔板波形管碟环式换热器在硫磺制酸装置中的应用点击：2010 日期：[ 2014-04-26 21:39:55 ] |
| 大孔板波形管碟环式换热器在120 kt/a硫磺制酸装置中的应用 张如庆1,吴敬山2,周锦东1 (1、盐城庆松硫能有限公司,江苏盐城 224300; 2、扬州庆松化工设备有限公司,江苏扬州 225115 摘 要：大孔板波形管碟环式换热器是流路换热器的进一步改进,主要特色在于采用开孔的碟、环式挡板代替圆缺型折流板,采用波形管代替普通光管,且在换热器管板的中心区域不布列管。这些措施显著降低了壳程阻力和滞流区,壳程的气体接管方位可任意选定。它在120 kt/a硫磺制酸装置转化工序中三年多的运行情况表明,该换热器具有传热系数高、一次投资少、阻力小、运行费用低等优点。 关键词：换热器;硫酸生产;大孔板;波形管;碟环式;应用 中图分类号：TQ111. 160. 515 文献标识码：B 文章编号：1009-1904(2007)02-0037-05 1 概述 换热器是一种在炼油、化工、制冷及能源等行业中广泛使用的主要工艺设备之一。在硫酸行业中,用于二氧化硫转化工序的管壳式换热器按其挡板形式可分为:双圆缺型换热器、碟环式换热器、空心环管壳式换热器以及折流杆式换热器。经国内公开文献检索,左学禹等人申请了多级供热螺旋波形管热交换器的专利[1],它是由筒体、前后端盖、前后端孔板、纵横隔板、螺旋波形管系、入水口及多个出水口、进汽口及多个排汽口、疏水出口及水位表等构成,其特征是以螺旋波形管做热交换元件,换热效率高。中国科学院低温技术实验中心的郭廷玮等人介绍了孔板换热器设计中的几个问题[2],文中提到了一种高效紧凑孔板换热器的设计方法,它主要用于中小型制冷机,各种类型液化器。广东石油化工高等专科学校的刘卫华研究了百叶窗形和波形管片式换热器的性能[3],文中介绍了对房间空调器所用百叶窗形和波形管片式换热器性能进行了实验研究。为了节约投资费用,同时也为降低设备运行成本,我们从设备的结构上入手,开发了高效低压降的换热设备———大孔板波形管碟环式换热器。 2 换热器设计参数 盐城庆松硫能有限公司120 kt/a硫磺制酸装置于2003年6月投产运行,转化工序采用“3+2”两次转化工艺流程,如图1所示。 图1中的Ⅱ换热器采用扬州庆松环境化学工程设计研究有限公司设计的大孔板波形管碟环式换热器。经过三年多的运行情况表明,大孔板波形管碟环式换热器具有传热系数高、体积小、结构紧凑、操作弹性大、阻力小、易于维修等特点。Ⅱ换热器主要设计条件如下: 其中,气体的设计参数均按标准状况计。 Ⅱ换热器进出口烟气温度的设计值和投产后的测试值(2005年2月20日)见表1。 3 Ⅱ换热器设计规格 大孔板波形管碟环式换热器是流路换热器的进一步改进[4],主要特色在于采用开孔的碟、环式挡板代替圆缺形折流板,采用波形管代替普通光管,且在管板中心区域不布置列管,可显著降低壳程阻力和滞流区,壳程的气体接管方位可任意选定。Ⅱ换热器结构及气体流动方向见图2。 3.1 壳程规格 根据工艺参数,Ⅱ换热器的壳程设计各部件选用的材料和结构如下: 3.2 管程规格 根据工艺参数,换热器管程设计的各部件参数如下: 20 g无缝钢管经高温渗铝后,其表面可形成致密、稳定、无孔、连续的氧化铝保护膜,表面硬度高达700HV,渗铝层中部硬度亦达到300~400HV[5、6]。从而在换热管与高温或含硫化合物直接接触时,避免了碳钢管被氧化或被气体腐蚀。 4 换热器的主要特点 大孔板波形管碟环式换热器是对传统换热器的换热管及部件作了重大的改进,与管壳式换热器相比,其优点主要体现在以下几个方面:提高总传热系数,因而可减少总传热面积;环板和碟板均开孔,阻力小;投资少,运行费用低。 4.1 总传热系数高 大孔板波形管碟环式换热器采用57mm×3. 5mm、20 g的无缝钢管在专用设备上轧制成波形管,渗铝后作为换热管,其外形如图3所示。 由于波形管的管径截面(管径大小)在不断变化,管内外气体在流动过程中亦不断变化方向和速度,具有良好的促进界面湍流作用,增强了管内外流体的湍动程度,从而不断破坏湍流底层,减薄甚至消除湍流底层,有利于热量通过边界层的传递,从而提高了管内流体的给热系数。为了增加壳程流体的湍流程度,减少壳程气体流动滞流区,且与波形管相适应,我们选取了大孔径多孔板支撑结构,有效提高了壳程传热效率。 自2003年6月投产运行,在正常生产情况下,Ⅱ换热器副线阀基本处于开3/4的状态。我们对该换热器进行了多次测试,经现场测定,大孔板波形管碟环式换热器在SO3侧副线阀全开时,总传热系数仍可达到31. 32W /(m2·℃)。在SO3副线阀全关的情况下总传热系数为38. 83W /(m2·℃)。在副线阀全关的情况下,根据测试数据,我们对总传热系数进行了验算,结果如下。 由此可见,大孔板波形管碟环式换热器的性能基本上是稳定的。 4.2 阻力小 由于采用了大孔径多孔的碟环板支撑结构代替传统的带孔折流板支撑结构,大孔板波形管碟环式换热器壳程的空隙率可达90%以上,换热器阻力见表3。换热管在管板上按正三角形排列,见图4。 在管板中心区和外围环形区不布管,两处空缺面积分别占总截面的5. 0%和13. 8%。这样,可显著降低壳程阻力和滞流区,同时管隙不易堵塞,解决了圆缺形折流板壳程死区的缺陷。 Ⅱ换热器是目前国内硫酸行业阻力较小的换热器之一。从表3可以看出,在负荷的条件下正常运行(副线阀开3/4)时,Ⅱ换热器管程和壳程阻力较低,相应的运行费用也较低。 4.3 投资少,运行费用低 在相同的换热负荷下,由于大孔板波形管碟环式换热器具有较高的总传热系数,故所需换热面积较小,造价低。另外,对有些项目采用大孔板波形管碟环式换热器可简化流程,节省占地面积,降低换热器的保温材料及连接管道用量,缩短设备安装施工周期。 4.4 碟板和环板均开孔 大孔板波形管碟环式换热器的关键技术主要体现在波形管的轧制及大孔径多孔板的开孔技术上。换热器的折流板不开孔,气体流动时分布不均匀,且容易产生如图5阴影所示的死区。 大孔板波形管碟环式换热器,采用碟板和环板均开孔,其开孔的布置和大小如图6所示,气体流动方向如图2所示。这种结构的换热器气体流动时分布均匀,不容易产生死区,有效地提高了传热效率,降低了设备阻力。 5·结束语 大孔板波形管碟环式换热器的结构设计是先进的,它在盐城庆松硫能有限公司120 kt/a硫磺制酸装置中应用成功后,近年来湖南石门玉叶化肥股份有限公司、湖南衡阳化工有限公司、西部矿业股份有限公司、江苏句容长宁生物化工有限公司等单位亦先后安装使用了该类型换热器,从其运行效果来看,亦具有传热系数高、阻力小等优点,明显优于传统型换热器。 参考文献: [1] 左学禹,等.多级供热螺旋波形管热交换器[P/OL].中国:1391079. 2003-01-15. [2] 郭廷玮,朱庭英.孔板换热器设计中的几个问题[ J].低温工程, 1996, (5): 5~8. [3] 刘卫华.百叶窗形和波形管片式换热器性能实验研究[J].石油化工高等学校学报, 1996, (2): 50~53. [4] 刘少武,等.硫酸工作手册[M].南京:东南大学出版社, 2000:927~928. [5] 林祖涵,张宏伟.渗铝钢在硫酸装置中的应用[J].硫酸工业,2003, (5): 33~36. [6] 李迪芳.转化系统Ⅳa换热器腐蚀原因分析与处理措施[J].硫酸工业, 2003, (3): 30~32. 作者简介: 张如庆(1977-),男,江苏盐城人,工程师,扬州大学化学化工学院在读硕士,盐城庆松硫能有限公司生产处副处长,从事硫酸生产技术和管理工作; 吴敬山(1979-),男,江苏扬州人,助理工程师,扬州庆松化工设备有限公司副总经理助理,从事设备制造和管理工作。 |
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