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換熱器工藝設計問題的探討點擊：1757 日期：[ 2014-04-26 21:53:36 ] |
| 換熱器工藝設計問題的探討 李 林 (浙江杭州龍山化工有限公司 310053) 0 前言 化工工藝一般都伴隨著加熱、冷卻、冷凝、蒸發等過程。換熱器是實現能量平衡的關鍵設備,系統的合理用能主要由換熱器來體現,故石油化工行業的節能趨勢必然要求換熱設備的設計達到最優化。 1 換熱器的放置形式 圖1為冷凝液膜垂直壁面向下作層流流動狀態時的受力分析。假設換熱壁面為平壁,冷凝液密度為ρ,熱導率和黏度μ為常數。在冷凝液膜內取一微元,分析受力情況,微元在x軸上取dx,微元在y軸上取δx-y,微元在z軸上取1個單位。 壁面的阻力為μ(duy/dy)dx·1,微元所受向下重力為ρg(δx-y)dx·1,其中:uy為離壁面y在x處的向下流體速度。在穩定情況下,壁面的阻力和微元所受向下重力達到平衡,則滿足下面等式: μ(duy/dy)dx·1=ρg(δx-y)dx·1 在壁面處,液體流速為0,即:當y=0時,uy=0,故常數項c=0。在距頂端x處,與壁面呈垂直的截面上流體的平均速度u: 由以上理論推導可得,由于膜狀冷凝,換熱管壁覆蓋著一層液膜,形成壁面和冷凝蒸汽之間的傳熱阻力,換熱器垂直(立式)放置液膜厚度為δx。水平(臥式)放置,由于大部分換熱管管徑較小,液膜沿管外壁流動距離短,又由于重力的作用,易形成液滴而落下,形式飛濺和起攪動作用力。傳熱面大部分未被冷凝液覆蓋,故傳熱阻力很小。所以在實際生產中伴有相變的換熱器設計,應盡量選用設備臥式放置。 杭州龍山化工有限公司由于舊裝置改造,受到四周運行設備限制,新增設備平面布置只可采用立式放置,需4臺波紋管換熱器共2 000 m2才能基本滿足150 kt/a聯堿裝置的冰機氨冷凝器熱交換能力。江蘇華昌化工股份有限公司2001年6月投產的臥式放置波紋管換熱器2臺,換熱面積共1 000 m2(代替10臺普通列管式換熱器,換熱面積共3 640 m2)就能滿足120 kt/a聯堿裝置的冰機氨冷凝器熱交換能力。兩者相比較,設備的放置形式為臥式,換熱器熱交換能力顯著提高。 2·氣體成分的影響 根據道耳頓氣體分壓定律,混合物總壓力P0為蒸氣分壓P1與不凝氣分壓P2之和。由于蒸氣壁面冷凝,在壁面處的蒸氣分壓P1迅速減小,壁面處的不凝氣分壓P2迅速增大,逐漸形成了一個不凝氣夾層包圍了壁面,使冷凝進程增加了需透過該不凝性氣體層的阻力,使冷凝傳熱系數迅速下降。 另一不利因素是由于蒸氣冷凝分壓降低,使壁面處溫度也隨之降低,并降低了蒸氣與壁面的溫差,不利于傳熱。據報道,水蒸氣中只有1%(質量分數)的空氣,也會使冷凝傳熱系數降低60%。對于合成氨的冰機氨冷系統,由于氨總管壓力的過低、設備泄漏等因素,都會使冰機吸入不凝性氣體,故合成氨的冰機氨冷凝器設計不但要臥式放置,傳熱面積余量也應適當放大。聯堿裝置的冰機系統建議要注意不凝性氣體含量的分析,適時排放。 3·流程的選擇 當需冷凝的蒸汽進入水平傳熱管時(走管程),若管子較長,最后凝液會充滿管截面,故冷凝傳熱系數也隨之變化。冷凝傳熱系數通常從管進口端的高值,變化到出口端的低值。從水平管的進口端到出口端,冷凝傳熱膜系數的變化可以到一個數量級,故一般對清潔需冷凝流體都要求走殼程。但對于污垢嚴重的流體,就沒有必要過分追求提高傳熱膜系數或者降低管壁熱阻,應該設法盡量減輕或者預防污垢的產生,并力求清理方便。如聯堿裝置的爐氣冷凝塔為爐氣走管程冷卻水走殼程。 4·加強循環水治理,提高傳熱效率 水側污垢熱阻r對總熱阻R影響很大,r的大小是評價循環冷卻水系統處理優劣的重要數據之一。水中有多種鹽類,如碳酸鹽、硫酸鹽、鹽酸鹽、硅酸鹽等。例如在循環水中不斷濃縮的碳酸鹽等,在換熱器溫度較高處的表面受熱分解: 上述均屬難溶性鹽,其溶解度隨溫度升高反而下降,會沉積在傳熱表面,常見的為CaCO3,CaSO4,Ca3(PO4)2,鎂鹽及硅酸鹽等。故對循環水處理裝置要做好補充水、冷卻塔空氣、化學藥劑、設備泄漏等方面管理工作,以提高換熱效率、節水、節電。 |
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