|
空心环缩放管管壳式换热器生产应用
郑潮方
（广东省石油化工建设工程质量监督站 广州 510300）
摘要：针对空心环缩放管管壳式换热器在广东两家厂家工业化应用所取得的良好效果，论述了 其技术特点及设计、制造的要点。
关键词：空心环缩放管 换热器 应用技术 设计制造
1 前言
1990年广东省石油化工专用设备公司根据华 南理工大学化工研究所研究的“空心环管网支撑 热交换器”的中试成果（专利号89218353）和广 东省硫酸行业专家提供的转化工艺参数，设计、制 造了我国第一台空心环缩放管管壳式换热器，在 广东乐昌市磷肥厂25kt/a硫铁矿制酸生产装置中 投运“。空心环管网支撑热交换器” 1995年被列入 “九五”国家级科技成果重大推广计划项目。1995 年、1996年广东省石油化工专用设备公司在广东 鹤山市磷肥厂硫铁矿制酸，两转两吸生产装置 40kt/a与60kt/a 硫酸两条生产线成套设计、制造了 空心环缩放管管壳式换热器，设备投用达到了预 期效果。经各方共同努力，成功地实践了产学研 一体化合作，迈出“空心环管网支撑热交换器”工 业化应用的第一步。
2 新型换热器生产化应用试验内容
广东乐昌市磷肥厂25kt/a硫酸生产装置，采用 两转两吸Ⅲ、Ⅰ—Ⅴ、Ⅳ、Ⅱ“3+2”工艺流程， 要求降低系统压降，满足生产要求。第一批生产 应用试验内容为：以2台空心环缩放管管壳式换热 器，更换原工况较差、堵塞严重的两台ⅢA、ⅣA 传统弓型折流板光滑管换热器；第二批生产应用 试验内容为：更换系统中余下4台传统弓型折流板 光滑管换热器。
广东鹤山市磷肥厂第一批生产应用试验内容 为：采用两转两吸Ⅲ、Ⅰ—Ⅴ、Ⅱ“3+2”工艺流 程的40kt/a硫酸生产装置，以成套4台空心环缩放 管管壳式换热器，取代6台传统弓型折流板光滑管 换热器；第二批应用试验内容为：继续采用成套4 台空心环缩放管管壳式换热器，用于新建的60kt/a 硫酸生产装置，满足系统生产要求，提高厂硫酸 生产能力。
3 应用效果
3.1 大辐减少了换热面积
采用空心环缩放管管壳式换热器，换热面积 大辐减少,占地面积减小，换热效果显著。 广东乐昌市磷肥厂25kt/a硫铁矿制酸生产装置用 空心环缩放管管壳式换热器取代原有传统的6台弓型 折流板换热器，传热面积由1835 m2降至1210 m2，减 少了34%，以该厂硫酸产量83t/d计，每日每吨酸 所需换热面积由22.1m2/t?d降为14.6 m2/?td。 在广东鹤山市磷肥厂硫铁矿制酸，两转两吸生 产装置40kt/a与60kt/a 硫酸两条生产线，均采用以 4台（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）空心环缩放管管壳式换热 器设计，代替传统的6台（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa+Ⅲb和Ⅴ a+Ⅴb）折流板换热器设计，在转化段SO2气浓度 为8.7%条件下，每日每吨酸所需换热面积仅为7.84 m2/t?d，比原传统弓型折流板换热器的15.7 m2/t?d 节省了一半。实际该两生产线每日每吨酸所需换热 面积仅为7.09 m2/t?d和8.46m2/t?d，均优于国内先进的11.99 m2/t?d和国际先进的9.89 m2/t?d[1]。4台 40kt/a硫酸空心环缩放管管壳式换热器，设备直径 小（约为1.5 m），占地面积仅为7 m2，与采用传统 的占地面积不少于13m2 [1]的6台弓型折流板换热器 相比，节省占地面积近半，这对于空间受限的鹤山 市磷肥厂此项技改应用优势明显。该厂要在原有生 产装置旁新增生产装置，只能利用现场狭窄剩余可 用地形设计，现有条件也只有选择应用空心环缩放 管管壳式换热器设计，才能达到目的。
3.2 大辐减少了压降
空心环缩放管管壳式换热器在广东乐昌市磷 肥厂25kt/a硫铁矿制酸生产装置工业化试验总压 降，由使用原有传统的 6台弓型折流板换热器的 15.05kPa降低到6.3kPa，总压降减少58%；减轻 了系统风机负荷过重的压力，解决了系统过载问 题，日产量由83吨扩大到90吨。
在广东鹤山市磷肥厂硫铁矿制酸，两转两吸 生产装置40kt/a与60kt/a 硫酸两条生产线的投运 结果，实测总压降为7.68kPa和6.01kPa，与传统 换热器初投总压降15 kPa相比，均大幅度减少了 总压降。据测40kt/a硫酸系统在72小时平均日产 酸152.1吨（超设计能力120吨26.7%），主风机出 口风压仅16.8 kPa；60kt/a硫酸系统在72小时平均 日产酸210.9吨（原设计能力200吨），主风机出 口风压仅14.2kPa。
实践证明该设备与传统换热器比系统风机压 降可减少20￣30%，并能长期维持低压运行，从而 使系统风机电耗大幅度下降，降低操作费用，减 少硫酸生产成本。
3.3 改善了设备抗腐防积垢状况
从广东乐昌市磷肥厂25kt/a硫酸生产装置，第 一批试验改造，以2台空心环缩放管管壳式换热 器，取代原工况最差堵塞严重的ⅢA、ⅣA两台传 统弓型折流板换热器的运行情况来看，设备运行 一年后打开检查，发现新型换热器抗腐防积垢效果很好，没有传统换热器运行开检普遍存在的酸 泥堆积、结垢的现象。该厂运行六年后,仅有其中 一台换热器需要更换，其余设备运行了十余年，直 至厂扩建为100kt/a硫酸生产。比通常换热器设备 3￣5年的使用寿命，延长了2倍以上。此抗腐防积 垢效果在广东鹤山市磷肥厂同样得到证实，第一 批投用的换热设备，运行8年后更换2台，之后因 扩大生产更换了4台，有两台换热设备一直运行至 今，运行长达8至11年。换热设备更换前，均可 保持满足生产工艺需要。
传统弓型折流板光滑管式与空心环缩放管式 换热器应用效果对比如表1所示。
3.4 提高了经济效益
由于空心环缩放管管壳式换热器的先进性， 可为企业节省设备投资和运行费用，创造良好的 经济效益。
3.4.1广东乐昌市磷肥厂25kt/a硫酸生产装置 实测经济指标：
换热器传热面积由原1835m2 减少为1210m2， 换热器重量由原63.9吨，减轻为54.9吨，节省钢 材9吨，价值约6.3万元；
系统风机风压减低30%，每年可节电52.5万 度，价值约21 万元；
硫酸日产量由83吨增至90吨，每年可增产硫 酸2100吨，增收利润约10万元；
换热器体积减少1/3，每次更换保温材料可节 省材料费和人工费1/4￣1/3，约1万元；
一般使用传统换热器每3￣5年要更换一次。使 用空心环缩放管管壳式换热器，改善换热器积灰 堵塞、防止SO2与进口酸雾腐蚀，能延长换热器寿 命2￣6年。为原寿命的2倍甚至更大。按延长4年 计算每年可节省设备投资约6.4￣11.4万元。
3.4.2 广东鹤山市磷肥厂40kt/a、60kt/a硫酸生 产装置实测经济指标：
节省钢材52和76吨，分别降低设备造价36. 2 和56万元；
气体阻力降低7.2kPa,系统风机每年节电100 万度，节约60 万元；
以四台替代六台换热器，节省该厂宝贵的占 地面积，节省地皮、保温等基建费25万元； 由于换热器压降低，操作弹性大，实际投产稳 定超产30吨/日，一年创增产利润188万元。 可延长换热器寿命4￣8年，按原使用寿命4年 计算，折每年可节省设备投资约20￣26.7万元。 3.4.3空心环缩放管管壳式换热器应用经济效 益如表2所示。
4 空心环缩放管管壳式换热器应用技术分析 空心环缩放管管壳式换热器是以空心环管网 支撑、异型缩放管、壳程环状进出气夹套为主要 构件的组合，其改变了传统折流板光滑管换热器 的结构、主要的气流传热流向和方式、改善了设 备抗腐防积垢状况，获得了良好的传热和低阻长 效运行的效果。传统折流板光滑管换热器及空心 环缩放管管壳式换热器结构图及气体传导方式如 图1所示。
4.1 空心环管网支撑
空心环管网支撑是空心环缩放管管壳式换热 器改变传统换热器管外气流传热方式（变横向冲 刷为轴向流动传热），是减少换热系统阻力的直接 原因。
传统换热器以弓型折流板作换热管束支撑， 并通过折流板强制气体流向的改变，形成横向冲 刷换热管进行热交换。从传热机理上分析，这种 传统换热设备结构及其传热方式，由于强制气流 流向反复改变，涡流阻力损失大，这部分只增大 了流体湍流中心与壳程局部的湍流强度，而对传 热边界层的流体湍流没有多少促进作用，整个壳 程传热面上湍流强度分布很不均匀，折流板弧形 滞留区流动死角大，易积灰，给热系数低，传热 效果差。
采用空心环管网支撑结构一改传统换热器管 外气流靠横向冲刷传热方式，实行轴向流动传热。 由于空心环管网支撑壳体内空隙率高达 80%，流体阻力非常小。流体阻力绝大部分因轴向冲刷缩 放管，促进形成传热管界面流体湍流，减薄传热 滞留层、提高传热膜系数，而转为传热做功。此 外，采用空心环管网支撑结构，避免了传统折流 板易结酸泥的弊病。
4.2 异型缩放管作传热元件
异型缩放管作传热元件是空心环缩放管管壳 式换热器获取高传热系数，达到高传热效果，减 少换热面积的重要元件。
空心环缩放管管壳式换热器弃传统光滑管而 采用双面强化传热的缩放管作为传热元件。该异 型缩放管在轴向气流的作用下，流体热阻最大流 层底层厚度不断发生变化，传热滞流底层产生界 面湍流，对管内外两侧气体均提高了促进界面湍 流的强度，降低了热阻，强化对流传热的作用，以 较低的流体输送功获取较高的传热系数。换热器 总传热系数可高达30W/m2.k[1]，大幅减少换热面 积。使用缩放管气流湍流示意如图2所示。
由于缩放管管型不易落灰积垢，可长期保证传 热效果，相当适合作SO2、SO3气体换热传热元件。 采用强化传热的缩放管节约了钢材和保温材 料，设备投资降低。设备占地面积小，尤其对老 厂有限的生产用地利用，增产扩建技术改造具有 很好实用效果。
4.3 壳程环状进出气夹套设计
壳程环状进出气夹套设计,减缓进出口管束气 流冲刷，有减轻入口管子湿壁现象[2]，延长设备使 用寿命的作用。
一方面壳程环状进出气夹套设计，与传统换 热器比，增加了进气口面积，减缓了入口气速，减缓进出口局部管束气流冲刷，延长了设备寿命。 另一方面，传统的硫酸换热器入口气速很 高，使管外传热膜系数远比管内（光滑管）的传 热膜系数高，入口段管壁金属温度接近管外冷气 温度（约60℃），低于常压下水蒸气温度100℃ 许多，硫酸雾沫易在入口段管壁金属留滞，产生 湿壁现象，易在此形成酸泥附着堆积，入口段产 生堵塞、气阻上升的现象出现是较为普遍的现 象。空心环缩放管管壳式换热器，壳程环状进出 气夹套，增加了进气口面积，减缓了入口气速， 缩小了管外传热膜系数与缩放管管内的传热膜系 数差距，使气体入口段管壁的金属温度居内外气 体温度之中值，如管外入口气温为60℃，管内出 口气温为180℃，两者中值为120℃，高于常压 下水蒸气温度100℃，从而减轻了入口管子的湿 壁现象，硫酸雾沫易被气流带走，不易附着在管 壁上形成酸泥。从而使设备使用寿命得以延长。 在广东乐昌市磷肥厂和鹤山市磷肥厂，均有使 用两种不同类型换热器，对使用空心环缩放管 型管壳式换热器，减轻入口金属管湿壁现象、抗 腐蚀、长时间保持气阻稳定作用的直接体会。
5 施工图设计与加工制造
设计制造除常规设计和惯常制造方法外，空 心环缩放管管壳式换热器有以下特点。 5.1缩放管设计为以传统ˉ51×3.5的20#优质 碳素钢管轧制成变径异型管，节长 L 设计为 28mm，要求加工后最大管径保持为ˉ51mm，壁 厚均匀，变径连接圆滑过渡。实际制造过程通过 轧辊的刀具设计、进刀量、进刀次数调试可达到 设计要求，缩放管成型后经剖开测量，壁厚均匀， 且减薄量可忽略不计，经检测均小于0.1mm。钢 管原材料化学成分含碳量取较低限，钢材硬度不 会太高，有利于二次加工轧制成缩放管。
5.2空心环管网设计用扁铁将空心环点焊联结成网，空心环外径与缩放管最大外径间距留大于 1mm 的间距，保证制造穿管组装要求，对规格为 ˉ51×3.5换热缩放管，空心环管网管长度设计为 略大于缩放管节长，比节长L长2 mm，使空心环 管网在壳程轴向任意位置设置支撑，均能保证与 缩放管最大外径处有接触支撑点。空心环管网制 作可利用管板作模具，保证点焊短管管网的管间 距，从而保证穿管工序的安装质量。 空心环管网与缩放管装配如图3所示。
5.3在Ⅲ、Ⅳ换热气入口增加保护壳体的耐酸 不锈钢衬板。壳程环状进出气夹套设计，让壳体进 出气开口避开正对管口，气体先进夹套缓冲后通 过壳体上的矩形大缺口减缓气速进入壳体，减缓 了入口传热管湿壁现象。由于入口气速高，正对管 口处的壳体处仍会受到冷气硫酸雾沫侵蚀，因此 对入口温度较低的Ⅲ、Ⅳ换热器，在夹套入口正对 的壳体处，设计一耐酸不锈钢衬板，能起到抗腐蚀 保护设备壳体损坏，延长使用寿命的作用。
6 结语
空心环缩放管管壳式换热器在广东首先得到 工业化应用，1996年广东省科委在广东鹤山市磷 肥厂组织现场技术鉴定，由中国硫酸工业协会、南 京化学工业公司研究院以及四川化工设计院等单 位专家组成的鉴定委员会对空心环管壳式换热器 作技术评定，一致认为该项技术达到国际领先水 平[3]。广东两厂家对空心环缩放管硫酸换热器的生产应用，是该项换热先进技术在我国硫酸行业 的首次应用，是产学研相结合，将高校的先进研 究理论实验成果，在工业化应用的成功实例，至 今该套装置仍有部分设备在生产线上正常运行。 首次应用之后十几年，这种先进的硫酸气—气换 热管壳式换热技术，在全国硫酸行业得到了不断 推广，高效节能型换热器目前已在全国20多个省 份，300多家硫酸生产企业，近700台换热器上应 用，包括硫铁矿制酸，硫磺制酸及冶炼烟气制酸 多种制酸工况，年产20kt、40kt、60kt、100kt、300kt、 400kt直到600kt多种生产规模, 单台换热面积最小 115 m2, 现最大4100 m2[4]。其作为一种低阻、强 化传热的新型气-气换热设备，打破了传统硫酸换 热结构形式，被全国硫酸行业所接受，成为了换 代产品。同时其创新的传热构思推动了硫酸换热 技术应用的进步，开扩了人们对换热设备的改良 思路。现在换热器支撑、传热管型等主要构件上，出现不少新的改良探索和应用，如：多孔板支撑、 旋流网板管间支撑；急扩加速流缩放管、螺旋（S） 缩放管等。
空心环缩放管管壳式换热器应用，给企业带 来延长设备使用寿命、节省设备投资、节约钢 材、节省运行费用的显著效果，相信随着这种新 技术在我国硫酸业的广泛应用，给更多的企业带 来显著的节能降耗经济效益及更大的社会效益。
参考资料：
[1] 邓先和，叶树滋，新型换热器在硫酸转化系统中的应用， 《硫酸工业》，1996 年第6 期
[2] 叶树滋，两转两吸流程中换热器腐蚀原因剖析，《硫酸 工业》，1982 年第6 期
[3] 空心环管壳式换热器工业应用研究科学技术成果鉴定证 书（粤科鉴字[1996]第186号）
[4] 邓先和 陈详明 张志孝，空心环管壳式换热器工业化应 用回顾，《有色冶炼》，2001 年6 月第3 期
|
