板式換熱器的安全使用

                                     尤海龍
               (新疆屯河新源糖業(yè)有限責任公司,新疆新源835800)
    摘　要：板式換熱器在甜菜糖廠和其他行業(yè)中使用越來越廣泛,結合我公司1999年以來使用不同型號的板式擴展器的成功與失敗,向同仁介紹使用M15-MFML、MA30-SFM型板式加熱器、EC500±WTFL型板式蒸發(fā)器的經(jīng)驗。
    關鍵詞：甜菜糖廠;稀汁;板式換熱器;板式蒸發(fā)器;A值
    中圖分類號：TS243+·3　　　文獻標識碼：C　　　文章編號：1002-0551(2006)03-0045-04
    0　前言
    板式換熱器是一種新式高效的換熱設備,在許多工業(yè)中已經(jīng)使用很普遍,現(xiàn)已廣泛用于動力工程、航舶、冶金、石油、化工、食品和輕工業(yè)等許多行業(yè),近年來也推廣到制糖工業(yè)。上世紀70年代以來,在歐美、南非和印度的不少糖廠亦用它在清汁加熱、甜菜糖廠滲出法的稀汁加熱、稀汁入罐前的加熱,以及最終糖蜜的冷卻(入廢蜜罐之前),效果良好。在國內(nèi),20世紀90年代后已陸續(xù)在不少甘蔗糖廠應用,在甜菜糖廠中的使用則要推遲到上世紀90年代末。1999年,屯河新源糖業(yè)有限責任公司(以下簡稱屯新公司)在35000t/d技改中首次大范圍地使用了多種型號的板式熱器。充分利用了板式換熱器體積小、結構緊密、質量輕、特別適用于空間有限場合的特點。
    2·板式換熱器的構造及工作原理
    板式換熱器主要由一定數(shù)量的平板式換熱片(幾十片至數(shù)百片)、墊片、固定框架和壓緊裝置(壓緊螺桿和活動壓板)等組成。換熱片系由沖壓或輥壓成各種形狀,在其表面上壓出特殊設計的波紋,這種波紋不僅使其強度和剛性增加,而且形成流體的高速紊流。紊流有力地阻止了沉淀物在板面上形成,減少了積垢,大大提高了冷熱介質通過薄金屬板壁的換熱效率。換熱片的波紋形式很重要,他決定了換熱片的工作特性。主要的波紋形式有水平平直波紋、皺褶波紋形、瘤形凹凸板、鋸齒型波紋板、人字形波紋板(V字形)和雙人形波紋板(W字形),斜形的波紋又有不同的傾角。換熱板片波紋的設計和制造是板式換熱器的技術關鍵。換熱片的材質是優(yōu)質不銹鋼板或鈦板,其次是鋁及其合金。板片厚度0·5~1·2mm。板片角上開有流體通道孔,四周及角孔周圍壓有圈槽。裝配時首先用粘結劑將墊片粘牢在板片密封槽中,角孔周圍部分槽中根據(jù)流動需要放置墊片,一方面防止流體的泄漏,另一方面使板片之間形成一定的空隙。當金屬板組借壓緊螺桿由蓋板壓緊時,相鄰板間板角上的開孔形成連續(xù)的通道,將介質(參與熱交換過程的介質)從進口處引流到金屬板組中,并分配到金屬板間的狹窄槽道中。
    由于金屬板上配了墊片以及金屬板“A”和金屬板“B”的交替安裝,兩種介質交替進入金屬板內(nèi)的槽道,即熱介質進入奇數(shù)槽道,而冷介質進入偶數(shù)槽道。這樣,兩種介質被薄薄的金屬壁隔開。多數(shù)情況下,兩種介質的流動方向相反。介質通過換熱器時,熱介質將其部分熱量傳遞到薄金屬壁上,而薄金屬壁又將這部分熱量傳遞到另一側的冷介質上。熱介質的溫度下降,而冷介質的溫度則上升。最后,兩種介質流向金屬板另一端的相似通道,并排出換熱器。
    板式換熱器中將板片聯(lián)結成一個整體并形成板片間冷熱介質流動通道的關鍵部件是墊片和墊圈。墊片是板式換熱器的密封部件,每件板片的同一側面都牢固的粘著一組有彈性的墊片。將螺栓上緊后,被壓緊的墊片厚度等于板片波紋突起的厚度,此時板片與墊片的突出端位于同一平面上,互相緊貼。墊片厚度一定要準確。如墊片過厚,則板片波紋不能互相接觸,形成不了支撐,受壓時會變形;如墊片不夠厚,則上緊螺栓時會使板片波紋頂端緊貼后再壓入而形成小凹坑,易穿孔泄漏,造成板片報廢。墊片的材料和質量也決定了該臺換熱器所能承受的壓力和溫度。板式換熱器一般在壓力1·5Mpa和溫度150℃內(nèi)操作,性能可靠。目前國內(nèi)制造的板式換熱器采用丁晴橡膠墊圈時,允許使用溫度為150℃以下,使用壓力為0·6Mpa,對人字形板式換熱器允許使用壓力為1Mpa。墊片的溫度極限通常由墊片的材料來決定;對于氯丁(二烯)為71℃,硅酮為138℃,石棉為199℃。近年來,國外由于采用壓縮石棉墊片,最高操作溫度360℃,最高操作壓力2·8Mpa。
    3·板式換熱器的特點
    ①傳熱效率高,一般比管殼式加熱器高2~4倍。K值一般達到3500~5800KW/m2·k(3000~5000cal/m2·h·℃),因而在同一條件下所需傳熱面積小。
    ②結構緊湊,體積小,特別適用于老廠改造中技改等充分利用原有設備,克服空間局限的場合。質量輕,傳熱板薄,耗用金屬量少,每平方米加熱面積約消耗金屬10kg。僅為列管式加熱器的1/3~1/4。
    ③加熱物料在加熱器中停留時間短,內(nèi)部死角少,衛(wèi)生條件好。適用于熱敏性物料的加熱,例如牛乳、味精溶液等。
    ④操作靈活性大,應用范圍廣,可以根據(jù)需要增加或減少板片的數(shù)量以改變其加熱面積,或改變工作條件。設備規(guī)格的幅度很大,每片換熱片的尺寸,小的可到0·5m2,大的可達1·3m2,每臺設備的換熱面積可在1m2~1000m2之間,設備余量大。⑤可使用較低溫度的熱源,回收低溫熱源中的熱量,達到節(jié)約能源的目的。冷熱物料之間的傳熱溫差可減少到4~5℃。
    ⑥換熱器板片間通道內(nèi)流體運動激烈,且表面光滑,形成積垢較少,工作周期長,并便于使用化學方法清洗。可以大幅度減少小檢或停機時蒸發(fā)罐刷管煮堿所耗費的人力、物力、財務。
    ⑦換熱器板片較薄,承壓能力低;特別是對于波紋板片間形成接觸點,互為支撐型的換熱器,使用年代長,壓緊尺寸超出安裝要求尺寸后,易使接觸點壓成凹坑,最后形成穿孔,使板片報廢。
    ⑧板片之間的間距(縫隙寬度)較窄(一般換熱器4~6mm,“寬縫”的換熱器在8~12mm)液膜較薄,蒸發(fā)速度快。若為高溫蒸汽與液體物料作為冷熱介質進行換熱,在物料突然斷流情況下,容易生蒸干焦化現(xiàn)象,加速板片間的密封墊圈損壞;化物質會造成板片間冷物料通道堵死,影響設備使用,給生產(chǎn)造成損失。所以,員工對板式換熱設備結構和工作原理的理解是實際使用中的難點
    4·屯新公司板式換熱器的分析
    現(xiàn)有兩種類型的板式加熱器,一種是常用的與板之間有金屬接觸點的類型。它用于加熱或卻不含懸浮固體的液體,如糖漿、糖蜜、稀汁、清等。我公司用于加熱稀汁的M15-MFML型板加熱器,與老廠技改前標準管殼式蒸發(fā)管并聯(lián)使的EC500±WTFL型板式擴展器卻是這種類型EC500型擴展器是流體介質狀況最為復雜、單片總裝機面積最大、員工最難以理解和掌控的換熱類型。
    另一種后來發(fā)展起來的稱為“自由流動”或“隙”型,即板與板之間間隙寬,可用于帶懸浮物的體,如滲出汁,預灰汁、飽充汁和含結晶體的糖(如糖膏)等。我公司用于滲出汁加熱的MA30SFM型板式換熱器即是這種類型。

               
    5·M15-MFML的應用
    屯新公司1999年處理能力由1500噸/日技改為3500噸/日,設計過程中,新疆輕工設計研究總院根據(jù)屯新公司當時廠房狹小的實際情況,權衡增加土建投資和新增高效換熱設備的經(jīng)濟性后,大量運用了板式換熱器,將技改前的四效低真空蒸發(fā)改為五效低真空蒸發(fā)。稀汁加熱系統(tǒng)由原來的90m2列管式加熱器改為5臺40·3m2/單臺的M15-MFML型板式加熱器,5臺加熱器串聯(lián)進汁、5級加熱。該稀汁加熱系統(tǒng)在1999/00榨期中成功地將硫漂稀汁溫度由90℃提高至進罐溫度127℃。
    2000/01榨期,屯新公司日處理甜菜能力由3500噸/日上升至4500噸/日,稀汁流量達到200m3/h。由于在技改中物料管道要遷就新老設備,使管道曲折,造成流體阻力大,稀汁泵壓力過高,稀汁箱經(jīng)常溢流;一效蒸發(fā)罐液位難于控制易干罐,稀汁只好從稀汁三級加熱器出口處走短路進一效罐,進罐稀汁溫度不夠,大大增加了熱電站乏汽用量,反而體現(xiàn)不出板式加熱器的優(yōu)勢,造成資源的浪費;而且M15-MFML型板式加熱器的固定蓋板上與管道匹配的開孔直徑為DN150;200m3/的稀汁全部要串聯(lián)通過5臺(67片/每臺)板片間的66個0·5cm寬的“縫隙”,由于通道面積不夠限制了進汁量,造成了內(nèi)部巨大的壓力降。如果增大原來DN250的稀汁總管道,由于固定蓋板上的開孔直徑為DN150,所以不會取得明顯效果。如果更換更大揚程的稀汁泵,效果不會理想,還有可能超出稀汁加熱器的工作壓力,造成墊片沖出或損壞而停機。為解決這一問題,我們改變稀汁5級加熱器的聯(lián)接方式,改五級串聯(lián)為四級串聯(lián),其中二、三級分別由兩臺板式加熱器兩兩相并聯(lián),再增加兩臺原3500噸/日技改時淘汰下來的舊90m2列管式加熱器作為第四級加熱作為補充。
    對稀汁加熱系統(tǒng)進行技改后,未再出現(xiàn)稀汁走短路現(xiàn)象,稀汁進罐溫度穩(wěn)定在127℃。均衡生產(chǎn)得到改善,加工量得到了提高。
    6·MA30-SFM的應用
    進入11月份,氣溫開始下降,糖廠滲出汁達不到預灰工藝要求的40~45°(實際平均在25℃左右清凈效率低。在以前是采用列管式加熱器(F=160m2,12管程)對加熱器進行提溫,但是由于滲出汁是粗糖汁(滲出器提汁篦子孔徑是∮=3mm),未經(jīng)過濾,糖水中夾雜有大量碎粕;造成使用伊始,列管式加熱器就被堵塞而停用,打開加熱器疏通后投用又堵塞。耗費了大量的人力而沒有實際效果。為解決這一工藝問題,并從充分利用低品質熱源、降低制糖車間冷疑用水量的角度考慮,決定在3500噸/天技改中使用新型高效的MA30-SFM板式加熱器對滲出汁進行提溫。
    MA30-SFM型板式換熱器是一種特制的具有中間隔板的“寬隙”型板式換熱器,板片間的寬度較大,達到12mm。板片之間的空間較M15-MFML型和EC500±WTFL型板式換熱器大很多,可用于含有纖維類雜質的液體;熱源也可使用低壓或具有較高真空度的、比容很大的蒸汽。這種板片的波紋深度大,用特殊設計的波紋形狀來加強板片的剛性,板片之間的接觸點較少。這種板片較難制造,價格也較高。為增加滲出汁在板片間的流速,增大傳熱效率,增加了中間隔板(與換熱板片的大小差不多,用15mm厚的碳鋼板制成,在需要流體轉折的角上不開孔,而在有介質流通的角上開孔并襯有墊片)使之形成4程流動(兩上兩下)。這樣就有效的減少了碎粕在板片上的沉積。根據(jù)甜菜糖廠滲出汁的特點,Alfa-Laval公司給MA30-SFM型板式換熱器設計了反沖洗程序,即利用5bar的壓縮空氣驅動氣缸閥,每分鐘滲出汁進汁方向倒換一次。1998/1999榨期投用后,碎粕堵塞加熱器的現(xiàn)象沒有了。
    之后又對工藝流程進行了一系列技改,該設備運行正常,發(fā)揮了較大的作用,滲出汁溫度由原來的25℃左右提高到35~40℃之間,效果較明顯。需注意的是雖然板間距為12mm,但反沖程序要堅持使用。要盡量均衡生產(chǎn),防止?jié)B出汁壓力突升將墊片沖出。
    7·EC500±WTFL的應用
    在3500噸/天技改中,為節(jié)省設備投資,充分利用原有蒸發(fā)罐,在對蒸發(fā)罐不移位,不投入土建投資的情況下,為原二效、四效蒸發(fā)罐分別配制了EC500±WFTL型板式蒸發(fā)器,形成了現(xiàn)在的蒸發(fā)系統(tǒng)加熱面積分配形式。
                 
    EC500±WTFL型板式蒸發(fā)器是一種雙板壁板式換熱器,雙板壁板式換熱器的工作原理同一般的板式換熱器一樣,所不同的是,兩種介質之間的一塊板片被一對完全相同的且頂部重疊的角孔周邊用激光焊接在一起的板片所替代。其被焊接后的一對對板片在裝配后形成的通道同一般板片組成的通道一樣也由通常的橡膠墊密封。各種原因引起的泄漏,都能很容易地在換熱器外部發(fā)現(xiàn),防止介質混流。例如:(a)·雙板壁中的一塊板有穿孔將形成外泄漏,就是從雙板壁中間泄漏到大氣中。(b)橡膠密封墊的失效引起的外泄漏,直接從密封墊邊緣或密封墊的槽孔泄漏到大氣中。(c)焊接處引起的外泄漏從密封墊的槽孔或焊接失效一側的雙板壁中泄漏。
    8·板式擴展器的化學清洗程序
    板式換熱器因其內(nèi)部物料湍流強烈且板片表面很光滑,生成積垢較小,故亦稱為“自潔式換熱器”。如果在運行期間定期加大物料流量或使物料反向流動,可以將其內(nèi)部的一些沖擊物沖去,延長換熱器的工作周期。板式換熱器的材料能抵御多種化學藥劑的作用,而且它的內(nèi)部容積較小,很便于用化學劑清洗。所用的化學藥劑由積垢的種類和成分而定。屯新公司的板式擴展器從使用初開始曾試用不同濃度,不同藥劑的化學清洗,最后確定了一種配方和方法,可能對兄弟糖廠有一些參考作用。
    2000年3月7日對四效擴展器用7%濃度左右的NaOH在80℃煮堿四小時,但煮堿結束后,發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器內(nèi)仍有大量垢片存在。3月10日對四效擴展器煮酸處理,采用15%左右濃度磷酸在60℃至70℃煮酸4小時,完成之后用清水沖洗,但打開物料進口北側法蘭仍發(fā)現(xiàn)有大量垢存在,為進一步核實,將四效擴展器拆開,發(fā)現(xiàn)板片上有大量垢渣,板片表面有一層較為堅固深灰黃色垢層,取下部分垢樣用2%HNO3處理,只有輕微反應,估計殘留垢層主要是硅酸鹽,決定采用如下流程清洗:先用12%~14%NaOH加3%~5%Na2CO3在90℃以上煮堿循環(huán)12小時;用80℃熱水沖洗殘堿約1小時,再用12%~15%磷酸在60~70℃循環(huán)3~4小時,為確保清洗效果,在酸洗時加入20mg/kg濃度的KEBODSFC阻垢劑。清洗完成后所有垢已基本除去,板片表面呈金屬原色,用熱水沖洗板式蒸發(fā)器內(nèi)殘酸后,四效擴展器清洗完成。
    利用酸洗箱內(nèi)剩余的磷酸對5臺稀汁加熱器(板式加熱器、M15-MFML)進行3小時酸洗循環(huán),仍保持溫度在60~70℃。循環(huán)清洗3小時后,板片表面潔凈。
    對二效板式擴展器清洗,仍用12%~14%NaOH+3%~5%Na2CO3在90℃以上循環(huán)清洗12小時,然后用15%磷酸清洗3~4小時,清洗完成后板表面積垢均已基本清除。在酸洗時保持溫度60~70℃,仍加入約20mg/kg的KEBODSFC阻垢劑,清洗完成后要求用熱水(約80℃)沖洗至中性為止。
    板式蒸發(fā)器清洗時,應保證每個物料通道流量不小于150L/(h·每通道);堿洗后,循環(huán)物料流量不少于300L/(h·每通道)。在現(xiàn)場清洗時使用泵為14·4m3/h,40m揚程不銹鋼耐腐蝕泵,煮堿時用兩臺泵并聯(lián)操作,總流量約30m3/h;煮酸時采用單臺泵循環(huán),流量約15m3/h。
    板式換熱器的清洗要注意,在任何情況下,不得使用鹽酸清洗不銹鋼金屬板。制備清洗液時,水中氯含量超過300mg/kg時,不能使用。因為它會降低不銹鋼包括耐蝕耐高溫鎳基合金、耐熱鎳鉻合金、因康鎳合金以及SMO的抗腐蝕能力。氯離子能消弱這些鋼種的保護層作用,使其變得更易于腐蝕。這只是個時間和濃度的問題。所以不銹鋼設備,包括蒸發(fā)罐的不銹鋼加熱管都不能使用鹽酸進行清洗。
    9·總結
    板式換熱器使用方便,占地小,不需刷管,傳熱效率高,它的使用會越來越廣泛。上述屯新公司所使用的三種不同類型的板式換熱器都各有特點,基本涵蓋了甜菜糖廠所使用板式換熱器的所有類型,其各自的特點、使用中發(fā)生的問題以及如何處理也都盡可能詳細的進行了闡述。最后總結幾點經(jīng)驗,和大家商榷:
    ①板式換熱器不宜常拆卸,防止A值和墊片發(fā)生變化。
    ②在生產(chǎn)操作中,板式換熱器不宜頻繁停機?；蛘咧煌Ｆ?不停物料。
    ③滲出汁加熱器不需化學清洗除垢,只需注意每年榨期結束時排凈糖水即可。稀汁加熱器一般也不需化學清洗除垢,因為我們曾拆開檢查,沒有發(fā)現(xiàn)垢層,板面很光潔。
    ④板式換熱器糖水循環(huán)泵的互鎖很重要,泵的選型也要參考專家的意見,才能體現(xiàn)板式蒸發(fā)器的特點。如果出現(xiàn)泄漏,應保持觀察,直到設備溫度上升至工作溫度,如果,只有再壓緊才能抑制泄漏,金屬板組壓緊后的厚度與“A值”之差只允許小于“A值”的1%,但不得超過最大擰緊扭矩。如果都超出以上條件,建議不要再盲目壓緊,應考慮更換所有板片膠條,達到正常A值。