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对二甲苯装置中高通量管强化传热技术点击：2423 日期：[ 2014-04-26 22:13:57 ] |
| 对二甲苯装置中高通量管强化传热技术 谭集艳 (中国石化集团洛阳石油化工工程公司,河南洛阳 471003) 摘要:介绍了对二甲苯装置中引进的高通量管的特点和使用情况,分析了高通量管多孔表面核态沸腾强化传热机理及高通量管表面平行纵槽强化冷凝传热机理,从高通量管物理特性及传热介质条件两方面探讨了影响传热效果的各种因素,介绍了高通量管及其设备的制造技术和维护要求。 关键词:高通量管;强化传热;制造;维护 中图分类号:ＴＱ051 文献标志码:Ａ 对二甲苯装置以催化重整装置的脱戊烷塔底油为原料生产对二甲苯,同时副产苯、邻二甲苯、混合二甲苯、轻烃、燃料气及重芳烃。整个工艺流程中包括很多烃分离过程,因而需要大量的重沸设备,这些重沸器的总热负荷巨大,如果全部采用光管重沸器,则需更多设备。对某些热负荷很大的塔底重沸器,将导致设备直径过大,给设备设计、制造和检修等带来困难,若增加设备数量,又将影响塔的操作稳定性。因此,在对二甲苯装置的传热设计中,通常采用一种高效重沸设备———高通量管重沸器。但是,这种高通量管目前还是国外公司的专有技术。高通量管多孔表面沸腾传热机理复杂,受各种条件的限制,国内至今没有一套公认的传热工艺计算方法和表面结构稳定可靠的产品,高通量管换热器的设计和材料采购不得不求助于国外专业公司。笔者对高通量管强化传热技术作了系统介绍,以期加快高通量管国产化的进程。 1 高通量管特点 对二甲苯装置中的高通量管包括单一的管内或管外多孔表面管,以及管内多孔表面与管外平行纵槽相结合的换热管。多孔表面一侧用于立式或卧式换热器沸腾传热的强化,平行纵槽一侧仅用于立式换热器冷凝传热的强化。 高通量管的多孔表面是通过某些特殊的加工方法,在普通换热管表面均匀地覆盖一层具有众多微孔和相互连通隧道的多孔金属薄涂层,涂层厚度为0.13～0.5ｍｍ,其结构放大图见图1。在沸腾传热过程中,这些微孔和通道形成大量且长期稳定的汽化核心,能在很小的壁面过热度(1℃左右)下产生剧烈的核态沸腾。其沸腾传热性能可以超过普通光管的10倍,而沸腾所需的壁面过热度则可降至光管的1/7～1/8。此外,由于多孔结构较强的毛细作用和较高的再流通率,其表面还具有较强的阻垢能力。 当立式重沸器冷凝侧的热阻成为控制因素时,冷凝侧管表面的平行浅纵槽(通常小于1ｍｍ)可使冷凝传热系数增加近5倍。与普通光管相比,高通量管的总体传热性能可提高2～5倍。在热负荷为80.5ＭＷ、温差为23.8℃的条件下,某对二甲苯装置抽余液塔重沸器分别采用光管重沸器和高通量管重沸器的效果对比见表1。可以看出,相对于普通光管,使用高通量管总传热系数提高了近2倍,换热面积减少了65.5%。采用高通量管可降低设备投资,减少占地,节省配套管道、仪表投资和装置的操作、管理费用。 2 高通量管传热技术 2.1 强化传热机理 2.1.1 多孔表面强化沸腾传热机理 高通量管多孔表面强化沸腾传热机理十分复杂,目前尚无十分系统和统一的理论,多数人认为多孔表面管能够极大地强化沸腾传热的原因主要在于低温差下的稳定沸腾、液体蒸发-再吸入的快速循环以及更多扩展的表面积。 在沸腾传热过程中,液体的过热是相变的必要条件之一。液体蒸发所需的过热度与2σ/Ｒ成正比(σ为液体的表面张力,对特定介质而言为常数;Ｒ为蒸发汽泡的曲率半径),Ｒ越大,所需的壁面过热度就越小。普通光管的表面粗糙度较小,汽泡曲率半径也很小,需在较高的过热度下才能生成汽泡。而多孔表面的微孔和相互连通的遂道提供了大量的汽化核心,一个微孔中产生的汽泡可激发相邻的微孔,且小汽泡相互连通,易于长大,因此极大降低了沸腾所需的过热度,从而实现低温差下的稳定沸腾。 多孔表面的微孔和通道提供了大量且长期稳定的汽化核心,多孔表面核态沸腾过程见图2。由于周围液膜的蒸发,汽泡逐渐长大并迅速脱离,汽泡脱离后,空隙或通道内压力下降,体积收缩,外部液体则在压差和毛细力的作用下被吸入空隙或通道内再汽化,汽泡再长大并脱离,使液体在空隙和通道内被吸入再蒸发的快速循环不断进行,保持了结构中较高的再流通率,从而强化沸腾传热。 由图1还可以看到,多孔表面众多空隙形成的微观不规则表面可极大增加光管的传热面积,这是多孔表面能够强化沸腾传热的另一个重要原因。 2.1.2 表面平行纵槽强化冷凝传热机理 表面平行纵槽强化冷凝传热的机理在于,①平行纵槽使换热面积增大。②在换热管表面突出部分,液体流动加速,使冷凝液膜厚度减薄,进而达到强化冷凝传热的效果。 2.2 高通量管传热性能影响因素 (1)管子特性 对于特定的介质,管子材质的热物理性能及表面性状(对多孔表面,包括多孔层的厚度、空隙率、孔径、金属颗粒粒度以及空隙均匀度等;对表面平行纵槽,包括纵槽的密度和形状)对强化效果影响很大。一般而言,多孔层导热性能越好,强化效果越好。而介质不同,多孔结构最优化要求也不同。对导热性能较好、表面张力较大的介质,通常要求管子表面结构粗糙一些;对导热性较差、表面张力较小的轻烃类介质,则要求多孔层的结构细密一些。介质空隙率越高、均匀度越好,传热性能也越好。 (2)介质条件 对于特定物理条件下的高通量管,介质不同,传热性能也不相同。而对于同样的沸腾介质,热通量和温差不同,其强化传热的效果也存在差异。介质的沸腾状态(池沸腾或流动沸腾)也会极大地影响管子的传热性能。介质的导热性能越好,表面张力越大,强化传热效果越好;热通量越大,温差越小,高通量管的强化优势相对越明显。 3 高通量换热器制造技术和维护 3.1 制造技术 高通量管表面平行纵槽的加工方法很简单,根据需要采用机械滚轧或机械加工即可完成。 高通量管多孔表面的制作工艺较为复杂,且表面结构不易控制。对二甲苯装置中的高通量管多孔表面是采用火焰喷涂法或金属粉末烧结法制造的,用这两种方法制成的多孔表面沸腾传热强化效果最好,应用也最广。 火焰喷涂法是利用特殊的喷枪将复合金属粉末通过火焰喷涂在普通换热管表面,高温下金属粉末发生化学反应,与基材表面形成金相结合,然后再将按一定比例混合的金属粉末和添加剂喷涂在管表面,最后用火焰将添加剂烧毁,换热管表面即形成牢固的、具有众多微孔和相互连通隧道的织造结构。 金属粉末烧结法是在普通换热管表面涂一层粘结剂,将金属粉末均匀地粘在基管表面。粘结剂风干后将换热管置于加热炉内,在氮气和氢气的保护下加热至金属表面趋于融化,从而与基体金属产生强力的金相结合。然后在高温下恒温一段时间,使粘结剂分解挥发,换热管表面即形成与火焰喷涂法制作的多孔管极为相似的表面多孔织造结构。 根据使用场合的不同,基材和涂层材料可进行多种匹配,涂层可以涂在管外也可以涂在管内。制作工艺不同,多孔表面的性状也有所不同,进而对传热效率产生不同的影响。多孔表面管的制作工艺及表面结构参数都是技术秘密,公开资料报道的表面结构参数通常是,空隙率为30%～65%、平均孔径1～150μｍ、平均粒度0.01ｍｍ～300目、涂层平均厚度为0.13～0.5ｍｍ。 对管外多孔表面高通量管换热器,其折流板的管孔加工要求与普通光管换热器相比有所不同。由于多孔涂层有一定的厚度,因此折流板的管孔应比标准管孔大。而插入管板的部分不加涂层,为光管,所以管板管孔的加工要求与普通换热器的相同。 3.2 维护 除换热管外,高通量管换热器的制造与传统换热器制造基本相同,所不同的只是对多孔表面高通量管有防锈和防磁化的特殊维护要求。 管子在加工过程中有时可能出现磁化现象,如果发现这种现象,应及时进行退磁处理。 对多孔表面高通量管,一旦管子表面被锈蚀,将 严重影响其传热性能,所以在管子的运输和存放期间,表面应涂敷专用的防锈剂,用塑料布严密包裹、装箱并存放在室内。管子需要热处理时,事先应用溶剂清除防锈剂,热处理后应重新涂上防锈剂。对换热器进行水压试验时,应在试验用水中加入锈抑制剂,推荐加入质量分数为0.2%～0.4%的亚硝酸钠或相当的锈抑制剂。水压试验后应立即烘干多孔表面一侧,如果不是很快投用,应及时用氮气置换其中的氧气,在氧体积分数小于1%后加一定的正压力氮封。在停工期间,同样也应及时用这种方法封存设备。 4 结语 除对二甲苯装置外,在其它热负荷大、传热温差小或温位低以及清洁介质的场合,高通量管也有很好的应用前景。在旧装置改造中,当原有重沸器或沸腾-冷凝器的热负荷需要提高而设备尺寸又受到局限,或沸腾介质的温差小(或温位较低)用普通光管无法实现换热时,高通量管无疑是一个很好的选择。对于新建装置,采用高通量管不仅可降低工程投资和装置能耗,而且可节约操作和管理成本。(张编) |
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