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通过对传热系数的分析研究油厂有关传热的技术问题点击：1913 日期：[ 2014-04-26 22:21:28 ] |
| 通过对传热系数的分析研究油厂有关传热的技术问题 朱文鑫 相 海 (北京中农康元粮油技术发展有限公司 100083北京市德胜门外北沙滩1号) 摘要:对传热壁材质,参与换热的流体对流传热膜系数,流体流程,传热面垢层等影响传热系数的因素作了比较细致的分析,从而明确了在不同换热条件下影响传热系数的主要因素,总结出一些强化传热的途径和对换热器设计和选用具有指导意义的结论,提出了不同类型换热器传热系数相差很大,因而在同样换热负荷和换热条件下,用不同类型的换热器,所需的换热面积相差很大。 关键词:换热器;传热系数;换热面积;冷凝器配比 工业换热按工作原理和设备类型可分为多种方式,常见的有间壁式和混合式两种。间壁式换热的主要特点是参与换热的冷、热两流体(称为载热体)被一固体壁面所间隔,在换热过程中互不混合。混合式换热则是指参与换热的冷热两流体直接接触,在混合过程中完成热交换。间壁式换热是油厂应用最为广泛的换热方式,本文主要研究这种换热方式的一些技术问题。 1 传热系数的计算 在间壁式换热过程中,热量从参与换热的热流体穿过固体壁面传递给冷流体的过程可以分解成3个传热阶段:①热量从热流体传递到间壁的一侧;②到达间壁一侧的热量传到另一侧;③到达另一侧的热量传给冷流体。具体过程如图1所示。当热流体通过间壁将热量传给冷流体时,热流体一侧温度由T降到高温侧壁温TW,热量穿过壁面后温度又降至低温侧壁温tW,而在冷流体一侧温度再降至t。设α1和α2分别为热、冷两侧的对流传热膜系数,λ和δ分别为间壁的导热系数和壁厚。在稳定传热时,各阶段传热速率相等,即Q=Q1=Q2=Q3,这样,3个阶段的传热速率分别为:(1)热流体对壁面的对流传热速率: 2 强化传热的途径 由传热基本方程式Q=KmAm(T-t)可知,增大传热面积Am、提高传热温差(T-t)、增大传热系数Km都可强化传热。本文研究的是通过提高传热系数来强化传热的途径。 根据式(5)可总结出工程上强化传热的常用措施: (1)增加流体的湍流程度,以减薄层流内层厚度,从而提高对流传热膜系数。具体作法是:①增加流体流速。如列管换热器的管程可用增加程数,壳程设置折流板以提高流速。但流速提高,冷凝器阻力增大,壳程折流板还会引起杂质沉积结垢。所以提高流速是有局限性的。②改变流动条件。通过对传热壁面进行特殊处理,使流体在流动中不断改变流速和流向,以提高湍流程度。如板式换热器使用冲压波纹金属板作传热面,流体在波纹板间流动时不断变更流向和流速,湍流程度可明显提高。 (2)尽量采用有相变化的载热体,一般有相变流体的对流传热膜系数远大于无相变流体。 (3)换热器传热面选用不易结垢的材料和形式,并定期清洗垢层。 3 油厂换热设备的设计与选用中应注意的问题 3 1 传热面材质的选用 从理论上讲,为降低传热面导热热阻,应尽量选择导热系数大的金属材料作传热面,并在保证换热器结构强度和腐蚀余量的前题下,尽量减小传热壁的厚度。但实际上,大多数金属的导热系数都很大,簿壁金属传热面的导热热阻在总传热热阻中所占比例很小,可以忽略不计,所以在金属簿壁换热器设计中不必过多考虑材质对传热速率的影响。事实上,油厂常用的列管式换热器,在未结垢,且其他条件不变的情况下,列管用碳钢、不锈钢和铝合金材质,其总传热系数相差不大。至于碳钢列管易腐蚀结垢,严重降低传热效果的问题将在下文中加以讨论。 3 2 不是任意提高某侧的传热膜系数都能有效提高传热效果 在不计导热热阻和垢层热阻的情况下 由式(6)可见,当α1 α2时,Km≈α2,在这种情况下,只有设法提高α2才能有效提高Km,而提高α1几乎没有意义。当α1 α2时,Km≈α1,在这种情况下,只有设法提高α1才能有效提高Km,而提高α2几乎没有意义。换句话说,在参与换热的两流体对流传热膜系数相差很大的情况下,只有设法提高相对很小的膜系数才能有效提高Km,而提高相对很大的膜系数对Km几乎没有影响。 前已述及,有相变化流体侧的传热膜系数一般比无相变化流体侧的传热膜系数大得多,而不凝性气体(如空气)侧的传热膜系数又远小于液体侧或可凝性气体(如水蒸汽)侧的传热膜系数。这些具体情况和上面总结的结论,对换热器的设计和选用有很好的指导作用。如浸出车间冷凝器是用水冷凝溶剂(水)蒸汽的,水侧膜系数相对很小,而蒸汽侧膜系数相对很大,所以在冷凝器设计时应考虑设法提高水侧传热膜系数,而不必为提高溶剂蒸汽侧膜系数投入过多。笔者曾解剖某油厂蒸脱机冷凝器,壳程走混合汽,设计时为提高蒸汽侧膜系数,在壳程内设置了密集的折流板,由于蒸脱机出来的混合汽含有粕沫,导致壳程内大量积垢,严重影响冷凝效果。我们在改造时,考虑到增加混合汽侧膜系数意义不大,因而拆除了折流板,从而消除了积垢的隐患,重新使用后效果明显改善。 油厂中以下列管换热器不必设法增加壳程膜系数(如设置折流板等):①溶剂蒸汽(或溶剂和水的混合汽)走壳程的冷凝器;②蒸汽或导热油走壳程的空气加热器;③导热油走壳程的蒸汽过热器等。 其他类型的换热器,也可参照以上情况处理。 长管蒸发器也不必设置壳程折流板。长管内外两侧流体均有相变,膜系数都很大,热阻很小,可忽略不计。长管蒸发器的主要热阻来源于污垢,因管程易结油脂氧化膜、磷脂固化物、粕沫沉积物等垢层,稍加使用就会产生很大的热阻。所以为提高长管蒸发器的蒸发效果,应选用不易结垢的材料作列管,同时做好混合油除杂、除磷处理,并定期清除垢层,而不应把注意力放在提高两侧流体膜系数上。 3 3 合理选择载热体流程可有效消减热膨胀的影响 对于平壁稳定传热,结合式(1)、(2)、(3)及传热基本方程式,将式中传热面积均用Am代替,可求出壁面温度,即: 由于一般金属壁换热器的壁面热阻都很小,因此壁面两侧的温差很小。再由式(7)可知,分热阻大的温差大,分热阻小的温差小。综上分析可知,传热壁两侧温度相近,且接近于膜系数大的一侧流体的温度。根据这个结论,合理选择载热体走向,可有效消减热膨胀对换热器结构的影响。 如用160℃的饱和水蒸汽在列管式换热器中加热平均温度为30℃的冷油,若蒸汽选走壳程,因为冷油侧和外壳外空气侧的膜系数都很小,而蒸汽侧的膜系数则很大,因此列管壁温度和外壳壁温度都接近于蒸汽温度(160℃),两者温差很小,热膨胀的影响可忽略不计,可选用不带膨胀节的固定管板式列管换热器;反之若油走壳程,蒸汽走管程,则列管壁温度接近蒸汽温度(160℃),而外壳壁温度则接近冷油温度(30℃),两者相差约130℃,在换热器设计或选用时热膨胀的影响不容忽视。 3 4 应重视阻止传热壁结垢和清除垢层 不管什么类型的间壁式换热器,在使用一段时间后,传热壁两侧都会集结一层污垢。垢层的导热系数一般都很小,即使是很薄的一层也会形成较大的热阻,导致传热系数明显下降。我们曾对某油厂浸出车间蒸脱机用的碳钢列管式冷凝器进行过实测,当年7月刚投入使用时的传热系数为582W/(m2·℃),3个月后就减小到192W/(m2·℃),减小近2/3。当地另外一家油厂浸出车间2003年6月28日投产,3个月后,浸出系统正压增大,溶剂消耗明显增加,我们于当年12月20日对该厂进行全面检查,发现使用的碳钢列管冷凝器严重结垢,经测定,6台冷凝器的传热系数如表1所示。 由表1可见,使用不到6个月的碳钢列管冷凝器,传热效果已明显下降。用除垢剂对冷凝器进行全面清理,生产情况即恢复正常。 形成污垢的原因主要有以下几种:①传热壁腐蚀产物,如铁锈等;②载热体因氧化、固化所产生的固体物质,如油脂氧化膜、磷脂析出后的固化物等;③载热体夹带的杂质,如冷却水中夹带的泥沙、蒸脱机出来的混合汽中夹带的粕沫等;④未软化的冷却水受热后所析出的钙、镁盐垢层等;⑤载热体因温度降低所形成的结晶,如油脂冷冻脱蜡、脱脂过程中附着在换热器传热壁上的蜡晶和脂晶等。 换热器在使用中应尽可能减少垢层的形成,具体可从以下几个方面入手:①传热壁尽量使用耐腐蚀材料,如不锈钢、铝合金等;②传热壁表面应尽可能光洁,并适当提高载热体流速,以阻止杂质沉积;③对冷却水进行软化处理或控制冷却水加热温度,以防止析出钙、镁盐等水垢;④设法清除载热体中所夹带的固体杂质,如选用不含泥沙的冷却水或将含泥沙的冷却水进行除杂处理,加强对进蒸发器的混合油除杂和对蒸脱机混合汽捕粕处理等;⑤对易结垢的换热器(如碳钢列管换热器)定期清除污垢等。 需要说明的是浸出车间不宜使用碳钢冷凝器,因为:①在有溶剂汽存在的情况下,碳钢管壁腐蚀很快;②碳钢管腐蚀后,表面粗糙,泥沙、粕沫、钙、镁盐结晶都很容易沉积,因而结垢很快;③碳钢管不耐腐蚀,结垢后用除垢剂清洗垢层时,很容易引起管壁损伤。 3 5 单纯强调浸出车间冷凝器配比没有意义 浸出车间冷凝器配比是指该车间每日投料量(t)与所配备的冷凝器总传热面积(m2)的比。不同类型的换热器传热系数相差很大,实际所需的冷凝器配比也相差很大。不结合冷凝器类型和具体使用情况,单纯强调浸出车间冷凝器配比没有实际意义。为进一步说明这个问题。我们对某地几家油厂使用的不同类型的冷凝器进行了测定,结果见表2。 需要指出的是:若传热系数为132 3W/(m2·℃),则理论计算的冷凝器配比为1∶2 5左右(计算过程从略)。考虑到混合油蒸发、湿粕蒸脱等产生溶剂蒸汽(或混合蒸汽)过程的进料流量有较大的不稳定性,从而导致冷凝器负荷的不稳定,为保证生产的可靠性,引入较大的安全系数,实际配比设定为1∶8,这是比较符合生产实际的。 从表2可见,不同类型的冷凝器传热系数相差甚大,冷凝器配比也相差很大。8m2的碳钢列管冷凝器只相当1 5m2不锈钢板式冷凝器的冷凝效果。所以在设计或选用冷凝器时,一定要考虑到冷凝器类型的影响,不可单纯强调冷凝器配比。一个300t/d的浸出车间,若用碳钢列管冷凝器,总冷凝面积应配2400m2左右,而用不锈钢板式冷凝器,450m2就够了。 4 结 论 影响传热系数的因素很多,强化传热有多种途径,油厂换热器的使用情况又复杂多变。在换热器设计和选用过程中,只有结合实际使用情况,针对影响传热的主要因素采取措施,才能有效地强化传热效果。浸出车间使用多大的冷凝器配比,是油厂应该关注的重要问题,不同类型的冷凝器应选择不同的冷凝器配比,若使用碳钢列管冷凝器需要1∶8的配比,而改用不锈钢板式冷凝器则只需1∶1 5,两者相差很大,不结合冷凝器类型和具体使用情况,单纯强调冷凝器配比没有实际意义。 参考文献: [1] 何东平 油脂制取及加工技术[M] 武汉:湖北科学技术出版社,1998 [2] 陈津群 化工过程及设备[M] 北京:中国财政经济出版社,1999 [3] [美]Y.H.Hui主编,徐生庚,裘爱泳主译 贝雷:油脂化学与工艺学[M] 第五版 北京:中国轻工业出版社,2001 |
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