换热器工艺设计问题的探讨.pdf

小氮肥 第37卷 第5期 2009年5月 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 热导率和黏度 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 x y 微元在z轴上取1个单 位 图1 受力分析图 壁面的阻力为 d uy dy d x 1 微元所受向 下重力为 g x y d x 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 d uy dy d x 1 g x y d x 1 duy g x y dy uy g x y dy g y x y 2 2 c 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 u x 0uy x dy g x x 0 y x y 2 2 dy g x 2 3 平均质量流量ms ms xu 1 2 g x 3 3 当液膜厚度由 x增加到 x d x 液体质量 流量的增量dms dms 2 g x 2 d x 设蒸气的冷凝潜热为r 跨过液层的温差为 t 相变饱和温度 壁温 则蒸气冷凝放出热量 Q1 Q1 rdms r 2 g x 2 d x 导热通过冷凝液膜的热量Q2 其中 为导热 系数 Q2 dx 1 t x 由Q1 Q2得 r 2 g x 2 d x t x dx dx r 2 g x 3 t d x x x 0 r 2 g x 3 t d x x r 2 g x 4 4 t x 4 x t r 2 g 1 4 距离顶端x处的局部给热系数ax ax x 3 r 2 g 4 x t 1 4 设垂直壁面的总高度为H 则平均给热系数 41 小氮肥 第37卷 第5期 2009年5月 a a 1 H H 0ax dx 0 943 3 r 2 g H t 1 4 1 同理 对于水平管外蒸汽冷凝时给热系数 a0 其中d0为水平单管外径 a0 0 725 3 r 2 g d0 t 1 4 2 单管水平放置 卧式 和垂直放置 立式 时 的给热系数的比值为0 769 H d0 1 4 若管长为 2 000 mm 管径为 57 mm 其水平放置的给热系 数是立式放置的1 87倍 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 x 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 m 2 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 m 2 代替10台普通列管式换热器 换 热面积共3 640 m 2 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 Ca HCO3 2 CaCO3 结污垢 H2O CO2 当循环水通过冷却塔 溶解在水中CO2被气 提出 水的pH值升高 此时 在碱性条件下 Ca HCO3 2 2OH CaCO3 结污垢 2H2O CO3 2 若水中有磷酸盐时 2PO4 3 3Ca 2 Ca3 PO 4 2 结污垢 上述均属难溶性盐 其溶解度随温度