波紋管換熱器在母液和淡液蒸餾系統(tǒng)的應(yīng)用

                                      王　飛,王鳳林,屈英琳

                           (北京廣廈環(huán)能科技有限公司,北京　100083)

    摘要:介紹了波紋管換熱器在堿廠蒸餾系統(tǒng)的應(yīng)用情況及其取得的經(jīng)濟(jì)效益,介紹了波紋管蒸氨 冷凝器的結(jié)構(gòu)改進(jìn),并對未來的推廣應(yīng)用進(jìn)行了展望。

    關(guān)鍵詞:波紋管換熱器;母液蒸餾;淡液蒸餾;鑄鐵管板;膠圈密封;PO防腐

    中圖分類號:TQ 114.15　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B　文章編號:1005-8370(2009)04-34-03

    目前我國能源利用效率較低、一次能源消費(fèi)以 煤為主,國家“十一五”計(jì)劃提出了明確的節(jié)能目標(biāo), 并把節(jié)能減排作為解決能源問題和實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù) 發(fā)展的重要途徑。純堿工業(yè)是我國創(chuàng)建最早的化學(xué) 工業(yè),經(jīng)過多年的不懈努力,在生產(chǎn)工藝水平和污染 控制等方面都有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展,但與國際先進(jìn)水 平相比在節(jié)能減排上還存在較大差距。

    波紋管換熱器是在管殼式換熱器的基礎(chǔ)上,將其中的主要傳熱元件———換熱管改變?yōu)殡p面均呈連續(xù)波紋狀的異形表面,實(shí)現(xiàn)了對于冷凝和無相變流體傳熱的雙面強(qiáng)化,從而提高了換熱器的總傳熱系數(shù),對流體的擾動(dòng)作用降低了結(jié)垢的可能性,同時(shí)波紋管的內(nèi)外凸凹形狀也起到了擴(kuò)大傳熱面積的作用,波紋管換熱器成為管殼式換熱器的理想換代產(chǎn)品。經(jīng)過多年的研究和推廣,波紋管換熱器已經(jīng)在 純堿行業(yè)煅燒爐氣冷凝、碳化塔外冷、結(jié)晶外冷、蒸 餾塔頂冷凝、冰機(jī)氨冷凝、母液換熱、壓縮機(jī)后冷等 工況中廣泛應(yīng)用,發(fā)揮了其高效、安全、可靠、節(jié)能、不易堵塞、不泄漏、運(yùn)行周期長的優(yōu)點(diǎn),為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益,在節(jié)能減排方面做出了巨大貢獻(xiàn)。

    1　在母液蒸餾系統(tǒng)中的應(yīng)用

    氨堿廠通常將含有固定氨的重堿濾過母液單獨(dú)進(jìn)行母液蒸餾,蒸餾出的氣體先經(jīng)過蒸氨冷凝器預(yù)熱母液,再通過氨冷卻器冷卻到工藝需要的溫度送 往吸氨工序,蒸氨冷凝器在蒸餾工序中起著非常重 要的作用。

    傳統(tǒng)的蒸氨冷凝器由多個(gè)鑄鐵制的冷卻箱組 成,直接放置在蒸氨塔頂,換熱管一般采用涂有防腐 漆的鑄鐵小管。其優(yōu)點(diǎn)是氣體流通截面積大,流動(dòng) 阻力小,操作平穩(wěn),運(yùn)行安全可靠;但鑄鐵冷卻箱的 重量大,傳熱性能差,冷卻水耗量大,設(shè)備、土建、安 裝投資很大。雖然經(jīng)過了用鈦管取代鑄鐵小管的改 進(jìn),但仍然存在設(shè)備笨重、投資大的問題。

    隨著生產(chǎn)能力的提高,傳統(tǒng)箱式蒸氨冷凝器已 不能滿足生產(chǎn)需要,自上世紀(jì)80年代末,一部分鑄 鐵冷卻箱逐漸被316L或鈦板式蒸氨冷凝器所取 代。板式冷凝器的優(yōu)點(diǎn)是傳熱效率高,體積小,蒸氨 冷凝器可以從蒸氨塔頂取出,減小了蒸氨塔的投資; 其缺點(diǎn)是氣體壓降較大,操作彈性小,母液側(cè)容易堵 塞,需要頻繁清洗,每次清洗后都需要更換全部密封 墊片,維護(hù)維修費(fèi)用很高。

    同時(shí)也有部分堿廠采用了螺旋板式蒸氨冷凝 器,該設(shè)備具有傳熱效率高、氣體壓降比板式低、傳 熱板可以分為幾個(gè)階梯與不同流體換熱等優(yōu)點(diǎn),但 缺點(diǎn)與板式冷凝器相同,且一旦損壞難以修復(fù)。 由于板式和螺旋板冷凝器具有上述不足,近幾 年中一些堿廠在蒸氨塔頂采用波紋管冷凝器,取得了良好的應(yīng)用效果。波紋管換熱器繼承了傳統(tǒng)管殼 式換熱器堅(jiān)固耐用、安全可靠、適用場合廣等優(yōu)點(diǎn), 同時(shí)又克服了傳熱系數(shù)低、易結(jié)垢、堵塞等缺點(diǎn),與 其它形式換熱器相比其綜合經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)處于領(lǐng)先 水平。下面就其應(yīng)用情況舉例說明。

    1.1　吉蘭泰堿廠的應(yīng)用情況

    1998年,吉蘭泰堿廠擴(kuò)能增產(chǎn)后,原來的鈦板 換熱器換熱面積不能滿足要求造成氣體壓降增大, 為解決此問題廠里增設(shè)了臨時(shí)管線使部分母液不經(jīng) 鈦板換熱器預(yù)熱而直接進(jìn)塔,致使母液預(yù)熱效果降 低,制約了生產(chǎn)負(fù)荷的提高。2000年技術(shù)改造時(shí), 廠里決定用波紋管換熱器來替代1臺板式換熱器 (原來共2臺板換)。為此,我們組織技術(shù)人員進(jìn)行 了充分調(diào)研,綜合分析了各種形式換熱器,經(jīng)過充分 論證后,確定了最終方案。該設(shè)備為臥式4管程結(jié) 構(gòu),蒸氨氣走殼程,母液走管程,換熱管材質(zhì)為 TA1、管板為TA2復(fù)合16MnR、筒體為16MnR防 腐,換熱管與管板采用強(qiáng)度焊連接。設(shè)備于2001年 4月應(yīng)用于1#蒸氨塔頂,經(jīng)過6個(gè)月的試用,工藝 指標(biāo)如下:塔頂與冷凝器出口氣相溫差為10.44℃ (同比2#蒸氨塔鈦板冷凝器的氣相溫差為7.27 ℃);母液的溫升為39.94℃(同比2#蒸氨塔鈦板冷 凝器的母液溫升為20.61℃)。

    投用后總結(jié)如下:

    1)提高了預(yù)熱母液溫度和預(yù)分解效果 技改前,由于板換阻力大,造成40%左右的母 液經(jīng)臨時(shí)管線直接進(jìn)入蒸氨塔使得進(jìn)塔母液溫度大 幅度降低(只有49.56℃),造成塔頂出氣溫度偏低, 限制了生產(chǎn)負(fù)荷的提升。波紋管冷凝器投用后取消 了臨時(shí)母液管線,預(yù)熱母液溫度可以達(dá)到70℃,增 大了母液預(yù)分解效果。

    2)提高了蒸氨塔生產(chǎn)能力

    蒸氨塔的負(fù)荷是由氣速決定的,在一定操作壓 力下蒸氨塔出氣溫度是通過塔底加入的蒸汽調(diào)節(jié)控 制的,在工藝設(shè)計(jì)已定的情況下若進(jìn)氣量達(dá)到最大 限度而塔溫度不能維持就只能減少蒸量,出現(xiàn)以氣 定產(chǎn)的局面。波紋管冷凝器投用后,母液溫度和塔 出氣溫度均得到了很大優(yōu)化,減少了蒸汽進(jìn)氣量,降 低了塔內(nèi)氣速,生產(chǎn)負(fù)荷較以前提高了5 %。

    3)降低了蒸氨汽耗

    波紋管冷凝器投用后,以150 m3/h蒸發(fā)量計(jì) 算,每小時(shí)可以節(jié)省0.3 MPa 160℃蒸汽5.92 t,1#蒸氨塔以每年投用110天計(jì)算,可節(jié)約30多萬 元。

    4)節(jié)省了酸洗和檢修費(fèi)用

    鈦板換熱器在正常運(yùn)行過程中需要定期進(jìn)行酸 洗,甚至拆卸板片,每次拆卸板片需要更換密封墊 片,檢修費(fèi)用較大。采用波紋管冷凝器后節(jié)約了上 述費(fèi)用的支出。

    波紋管換熱器在蒸氨冷凝工況的應(yīng)用取得了成 功。但不可否認(rèn)也存在一些問題:例如,氣體側(cè)壓降 較高(約為15 kPa左右);設(shè)備運(yùn)行1年后筒體與管 板的最后一道環(huán)向焊縫,因殼程側(cè)介質(zhì)中NH3對管 板基層16MnR的應(yīng)力腐蝕而發(fā)生焊縫開裂等現(xiàn) 象。鑒于此,2004年初,在2#蒸氨塔頂?shù)拟伆鍝Q熱 器改造為波紋管換熱器時(shí),在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材上進(jìn) 行了改進(jìn):在換熱面積不變的情況下,適當(dāng)加大換熱 器直徑,增加布管間距及折流板間距,從而使氣體阻 力降減小為6 kPa;復(fù)合管板的基層材料改用316L 材質(zhì),從而避免了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生,設(shè)備性能得到明 顯改善,至今使用情況良好。

    1.2　青島堿廠的應(yīng)用情況

    2003年初,青島堿廠技術(shù)改造時(shí)采用了波紋管 蒸氨冷凝器。該設(shè)備的蒸氨氣體是直接用海水冷卻 至工藝需要的溫度后送吸氨工序,蒸氨冷凝冷卻采 用了回流冷凝方式,設(shè)備為立式結(jié)構(gòu)直接放置在蒸 氨塔頂。為了降低設(shè)備造價(jià)并可以重復(fù)利用鈦換熱 管,經(jīng)過與青島堿廠技術(shù)人員共同協(xié)商,借鑒了鑄鐵 冷卻箱的優(yōu)勢,設(shè)備采用夾持式管板結(jié)構(gòu),材料為添 加了Cr、Ni等合金元素的HT250,換熱管為鈦波紋 管,筒體管箱為16MnR內(nèi)襯天然橡膠,折流板為含 油稀土尼龍板,換熱管與管板采用“O”型膠圈密封。

    由于該設(shè)備殼程側(cè)操作壓力高于管側(cè)的操作壓 力,對“O”型膠圈密封性能是一種考驗(yàn),經(jīng)過多次結(jié) 構(gòu)改進(jìn)及壓力試驗(yàn),最終使該結(jié)構(gòu)可以承受殼程側(cè) 和管程側(cè)為0.8 MPa的壓差,而該設(shè)備的實(shí)際工作 壓差為0.4 MPa,這樣可以保證設(shè)備的安全使用。 設(shè)備投用后,氣側(cè)壓降很小,換熱效果明顯提 高,即使在夏季最惡劣操作工況依然能滿足工藝要 求,原設(shè)計(jì)能力為4 300 m3/h的氣量,擴(kuò)能后氣量 達(dá)到4 900 m3/h時(shí)設(shè)備還能滿足要求。設(shè)備需要 檢修時(shí),管板、換熱管、密封膠圈更換很方便。

    “O”型膠圈密封結(jié)構(gòu)的波紋管蒸氨冷凝器在青 島堿廠的成功使用,使波紋管換熱器在堿行業(yè)有了更廣泛的應(yīng)用前景。

    1.3　山東?；膽?yīng)用情況

    山東?；儔A廠在2003年的蒸氨冷凝器改造 過程中采用了波紋管換熱器,該設(shè)備為臥式結(jié)構(gòu),用 海水冷卻蒸氨氣體。設(shè)備各零部件的選材基本與青 島堿廠的相同,不同之處在于:筒體采用了TA2/ 16MnR復(fù)合板,管箱為16MnR內(nèi)襯PO防腐材料, 折流板采用TA2板。為防止操作波動(dòng)引起的“O” 型膠圈脫出,在總結(jié)了青島堿廠設(shè)備經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 對膠圈密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),適當(dāng)加大了管間距,并 研制了裝卸“O”型膠圈的專用工具,為維護(hù)維修提 供了便利。

    上述改進(jìn)同時(shí)也解決了氣側(cè)壓降較大的問題。 設(shè)備投用后效果良好。并隨后又訂購了2臺蒸氨冷 凝器作為改造其它蒸氨塔之用。我們在不斷探索中 逐步優(yōu)化了大型蒸氨冷凝器的設(shè)計(jì),對原設(shè)計(jì)中存 在的折流板無支撐、跨距大而引起換熱管與折流板 接觸處發(fā)生磨損,設(shè)計(jì)條件不完整影響計(jì)算準(zhǔn)確性 而導(dǎo)致進(jìn)入管束氣體流速太高沖刷換熱管等問題制 定了詳盡的預(yù)防措施,這些方面的改進(jìn)成為我們產(chǎn) 品在蒸氨冷凝工況中使用的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

    1.4　國外純堿廠的應(yīng)用情況

    隨著波紋管蒸氨冷凝器在國內(nèi)多家堿廠的成功 應(yīng)用,我們于2003~2004年先后在天辰工程公司設(shè) 計(jì)的伊朗塞姆楠純堿廠和成達(dá)工程公司設(shè)計(jì)的烏茲 別克斯坦昆格勒純堿廠的蒸吸工段中設(shè)計(jì)制造了波 紋管蒸氨冷凝器及波紋管氨氣冷卻器,使波紋管蒸 氨冷凝器走向國際市場。這2個(gè)堿廠的設(shè)計(jì)流程是 先用臥式蒸氨冷凝器預(yù)熱母液后再在立式的氨氣冷 卻器中用循環(huán)水將蒸氨氣體冷卻到工藝需要的溫 度,其中臥式的母液預(yù)熱器采用了鈦波紋管與鑄鐵 管板膠圈密封結(jié)構(gòu),而下段的氨氣冷卻器則采用了 316L換熱管與復(fù)合管板強(qiáng)度焊的連接方式。

考慮到設(shè)備應(yīng)用在國外,為盡可能減少設(shè)備的 維護(hù)維修工作量,在設(shè)計(jì)時(shí)采用適當(dāng)增加成本而完 全杜絕密封膠圈脫出的思路,在設(shè)備上分別采用了 兩種防止膠圈脫出結(jié)構(gòu),從使用情況來看,這些特殊 設(shè)計(jì)是達(dá)到了預(yù)期的效果。

    2　在淡液蒸餾系統(tǒng)中的應(yīng)用

    氨堿廠產(chǎn)生的含氨溶液除濾過母液外還包括爐氣冷凝液、尾氣凈化及其他回收含氨洗滌水,將這些 含氨溶液與母液分開單獨(dú)進(jìn)行淡液蒸餾,工藝流程 與母液蒸餾相似,傳統(tǒng)的蒸餾工藝把淡液蒸餾塔的 出氣與母液蒸餾塔的出氣匯合后進(jìn)入氨氣冷卻器一 并冷卻。兩種氣體中NH3、CO2、H2O的含量不同, 混合在一起時(shí)冷卻效果不好,隨著各廠的生產(chǎn)能力 的擴(kuò)大,系統(tǒng)的冷卻能力已不能滿足混合冷卻的要 求。現(xiàn)在設(shè)置單獨(dú)的淡液蒸餾冷凝器成為一種趨 勢。由于介質(zhì)的腐蝕性不強(qiáng),換熱管采用316L材 質(zhì)即可滿足要求。

    在此前我們所作的淡液蒸餾冷凝器中,一般情 況為氣體走管程側(cè),冷卻水走殼程側(cè)。在這類冷凝 器的設(shè)計(jì)中氣相流速是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,選擇不合理會 造成換熱管的嚴(yán)重沖蝕,影響設(shè)備使用壽命,另外設(shè) 備結(jié)構(gòu)上的合理設(shè)計(jì)也有助于減緩振動(dòng)和沖蝕情況 的發(fā)生,這些經(jīng)驗(yàn)在們提供的方案設(shè)計(jì)中都有集中 體現(xiàn)。

    3　在聯(lián)堿法蒸餾系統(tǒng)中的應(yīng)用

    聯(lián)堿法是由母液循環(huán)生產(chǎn),要求母液平衡,生產(chǎn) 過程中每合成雙噸產(chǎn)品需要339.62 kg水,而每噸 純堿由粗重堿帶出系統(tǒng)外的水分為301~389 kg, 它是經(jīng)煅燒爐氣冷凝器形成含NH3、Na2CO3、 (NH4)2CO3的凝縮液離開循環(huán)系統(tǒng)的,所以在真空 過濾機(jī)的總加水量不能超過上述兩項(xiàng)水量之和,以 保證母液的水平衡。聯(lián)堿法中的淡液蒸餾回收煅燒 工段的淡液和一些含氨雜水來保證母液的水平衡, 蒸出的氨送母液Ⅱ噴射吸氨器,其流程與氨堿法淡 液蒸餾流程基本一致。

隨著聯(lián)堿的快速發(fā)展,其淡液蒸餾冷凝器的強(qiáng) 化也逐漸被重視起來。2006年,我們?yōu)闃飞胶桶罴?nbsp;團(tuán)30萬t/a聯(lián)堿項(xiàng)目設(shè)計(jì)制造了1臺淡液蒸餾冷 凝器,設(shè)備直接放置在蒸餾塔頂,回流冷凝。設(shè)備采 用321換熱管,304/16MnR復(fù)合管板,設(shè)備投運(yùn)至 今運(yùn)行良好,未發(fā)生腐蝕情況,使用壽命有待于時(shí)間 來檢驗(yàn)。

    同年,又為平煤集團(tuán)20萬t/a聯(lián)堿項(xiàng)目設(shè)計(jì)制 造了淡液蒸餾冷凝器,結(jié)構(gòu)形式與和邦一致,換熱管 材質(zhì)為316L,目前正在進(jìn)行二期擴(kuò)建工程,已確定 采用波紋管冷凝器。

    4　結(jié)　語

    波紋管換熱器的強(qiáng)化傳熱、節(jié)省投資、節(jié)能降耗 等效果已被普遍認(rèn)可,因而在堿行業(yè)被廣泛采用。 從積累的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場運(yùn)行反饋情況來看, 波紋管換熱器在蒸餾系統(tǒng)的使用還存在若干設(shè)計(jì)制 造問題需要注意,諸如,采用波紋管換熱器時(shí)立式回 流冷凝的氣側(cè)流速應(yīng)防止液泛,臥式冷凝器進(jìn)出氣 口較大需設(shè)置合理的換熱管無支撐跨距以防止換熱 管磨損,氣體在進(jìn)口管、進(jìn)入殼體以及進(jìn)入管束的流速應(yīng)合理選取從而有效防止管束振動(dòng),上述問題也 是波紋管換熱器在蒸氨系統(tǒng)安全使用的關(guān)鍵問題。不僅需要在設(shè)計(jì)、制造中應(yīng)謹(jǐn)慎考慮,前期方案設(shè)計(jì)時(shí)也要在充分溝通的基礎(chǔ)上確定最優(yōu)方案。

    總之,由于波紋管換熱器在強(qiáng)化傳熱、防結(jié)垢、防泄漏等方面的優(yōu)良性能,使其在一定程度上解決了換熱領(lǐng)域長期存在的技術(shù)難題。以純堿工業(yè)為例,除上述在蒸餾系統(tǒng)的應(yīng)用外,在液氨蒸發(fā)外冷器、冰機(jī)氨冷凝器、新型變換氣制堿塔外冷器、煅燒爐氣冷凝器等關(guān)鍵設(shè)備中的使用,有效提高能源利用率,減少廢氣、污水的排放,在低品位熱源回收利用上發(fā)揮了作用,也體現(xiàn)出了波紋管換熱器在節(jié)能減排方面的明顯優(yōu)勢,具有廣泛的應(yīng)用前景。