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换热器工艺设计问题的探讨
李 林
(浙江杭州龙山化工有限公司 310053)
0 前言
化工工艺一般都伴随着加热、冷却、冷凝、蒸发等过程。换热器是实现能量平衡的关键设备,系统的合理用能主要由换热器来体现,故石油化工行业的节能趋势必然要求换热设备的设计达到最优化。
1 换热器的放置形式
图1为冷凝液膜垂直壁面向下作层流流动状态时的受力分析。假设换热壁面为平壁,冷凝液密度为ρ,热导率和黏度μ为常数。在冷凝液膜内取一微元,分析受力情况,微元在x轴上取dx,微元在y轴上取δx-y,微元在z轴上取1个单位。
壁面的阻力为μ(duy/dy)dx·1,微元所受向下重力为ρg(δx-y)dx·1,其中:uy为离壁面y在x处的向下流体速度。在稳定情况下,壁面的阻力和微元所受向下重力达到平衡,则满足下面等式:
μ(duy/dy)dx·1=ρg(δx-y)dx·1
在壁面处,液体流速为0,即:当y=0时,uy=0,故常数项c=0。在距顶端x处,与壁面呈垂直的截面上流体的平均速度u:
由以上理论推导可得,由于膜状冷凝,换热管壁覆盖着一层液膜,形成壁面和冷凝蒸汽之间的传热阻力,换热器垂直(立式)放置液膜厚度为δx。水平(卧式)放置,由于大部分换热管管径较小,液膜沿管外壁流动距离短,又由于重力的作用,易形成液滴而落下,形式飞溅和起搅动作用力。传热面大部分未被冷凝液覆盖,故传热阻力很小。所以在实际生产中伴有相变的换热器设计,应尽量选用设备卧式放置。
杭州龙山化工有限公司由于旧装置改造,受到四周运行设备限制,新增设备平面布置只可采用立式放置,需4台波纹管换热器共2 000 m2才能基本满足150 kt/a联碱装置的冰机氨冷凝器热交换能力。江苏华昌化工股份有限公司2001年6月投产的卧式放置波纹管换热器2台,换热面积共1 000 m2(代替10台普通列管式换热器,换热面积共3 640 m2)就能满足120 kt/a联碱装置的冰机氨冷凝器热交换能力。两者相比较,设备的放置形式为卧式,换热器热交换能力显著提高。
2·气体成分的影响
根据道耳顿气体分压定律,混合物总压力P0为蒸气分压P1与不凝气分压P2之和。由于蒸气壁面冷凝,在壁面处的蒸气分压P1迅速减小,壁面处的不凝气分压P2迅速增大,逐渐形成了一个不凝气夹层包围了壁面,使冷凝进程增加了需透过该不凝性气体层的阻力,使冷凝传热系数迅速下降。
另一不利因素是由于蒸气冷凝分压降低,使壁面处温度也随之降低,并降低了蒸气与壁面的温差,不利于传热。据报道,水蒸气中只有1%(质量分数)的空气,也会使冷凝传热系数降低60%。对于合成氨的冰机氨冷系统,由于氨总管压力的过低、设备泄漏等因素,都会使冰机吸入不凝性气体,故合成氨的冰机氨冷凝器设计不但要卧式放置,传热面积余量也应适当放大。联碱装置的冰机系统建议要注意不凝性气体含量的分析,适时排放。
3·流程的选择
当需冷凝的蒸汽进入水平传热管时(走管程),若管子较长,最后凝液会充满管截面,故冷凝传热系数也随之变化。冷凝传热系数通常从管进口端的高值,变化到出口端的低值。从水平管的进口端到出口端,冷凝传热膜系数的变化可以到一个数量级,故一般对清洁需冷凝流体都要求走壳程。但对于污垢严重的流体,就没有必要过分追求提高传热膜系数或者降低管壁热阻,应该设法尽量减轻或者预防污垢的产生,并力求清理方便。如联碱装置的炉气冷凝塔为炉气走管程冷却水走壳程。
4·加强循环水治理,提高传热效率
水侧污垢热阻r对总热阻R影响很大,r的大小是评价循环冷却水系统处理优劣的重要数据之一。水中有多种盐类,如碳酸盐、硫酸盐、盐酸盐、硅酸盐等。例如在循环水中不断浓缩的碳酸盐等,在换热器温度较高处的表面受热分解:
上述均属难溶性盐,其溶解度随温度升高反而下降,会沉积在传热表面,常见的为CaCO3,CaSO4,Ca3(PO4)2,镁盐及硅酸盐等。故对循环水处理装置要做好补充水、冷却塔空气、化学药剂、设备泄漏等方面管理工作,以提高换热效率、节水、节电。
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