牛玉振

(開封空分集團有限公司設計研究院,河南開封 475002）

空分裝置用雙管板蒸汽加熱器的設計和制造①

牛玉振

(開封空分集團有限公司設計研究院,河南開封 475002）

詳細介紹了空分設備中雙管板蒸汽加熱器技術特點及應用。從結構設計、熱力計算、技術要領等方面闡明了雙管板蒸汽加熱器設計制造的諸多問題。

雙管板;蒸汽加熱器;設計;技術要領;結構

在空分設備中為了再生分子篩,需要用蒸汽將污氮加熱到 180℃左右,然后進入分子篩吸附器對分子篩進行再生。污氮在蒸汽加熱器中被蒸汽加熱到分子篩再生時所需要的溫度,而且決不允許有蒸汽滲入污氮側,要嚴禁兩種介質混合。經過多年的設計及制造實踐,證明了蒸汽加熱器采用雙管板結構是可靠的。目前在空分裝置中再生污氮的加熱均采用雙管板蒸汽加熱器,該設備為保證空分裝置正常運行起到了重要的作用。

1 雙管板蒸汽加熱器的特性

以下對雙管板蒸汽加熱器的特性加以闡述(如圖 1所示）。

這種換熱器主要用于管殼程介質不能相互滲透的場所。為保證管子與管板的連接強度和密封性能,可采用各種連接方法。在操作中由于介質腐蝕、溫度、壓力作用,特別是壓力、溫度的波動或突然變化 (如開車、停車、不正常操作）,往往使管子與管板連接處產生不同程度的泄漏。少量的泄漏在一般化工工藝中影響不大,是許可的,但有些條件是不允許管程和殼程的兩種流體混合。在這些情況下,可以考慮采用雙管板結構。其作用不是消除漏泄,而是防止殼程 (或管程）漏出的流體混進管程 (或殼程）。雙管板的造價要比單管板高些,每個管板的厚度根據(jù)各自所接觸的介質壓力和墊片直徑分別進行強度計算。

圖 1 雙管板蒸汽加熱器示意圖Fig.1 Shem atic fig.of doub le-tubesheet steam heater

雙管板結構型式主要在下列情況下采用:

(1）單獨流體腐蝕不強,兩種流體混合的產物有強腐蝕性; (2）一種為劇毒介質,如果滲入到另一程內,會引起劇毒的物質波及到大面積的場合;(3）兩種介質混合后,產生樹脂或高聚合物,混進的介質使化學反應停止或逆向; (4）兩種介質混合后燃燒或爆炸;(5）混進的介質污染產品。

圖 2 內外管板放大圖Fig.2 Magnified fig.of internal&external tubesheets

雙管板蒸汽加熱器制造時,一般采用重疊法數(shù)控機床鉆孔,控制管孔直徑、垂直度及管孔間距。為利于穿管,管板和折流板的鉆孔方向應與穿管方向一致。兩組雙管板分別按鉆孔方向預穿。將折流板疊置鉆孔,按鉆孔方向逐塊做順序號和正、反面的標記,以保證不會發(fā)生位移而產生錯孔現(xiàn)象。每塊折流板正、反面的管孔均要仔細倒角、清除毛刺,防止穿管時損傷管子。另外內管板與管子的連接采用脹接,管子與外管板的連接采用脹焊并用。所以管子與管板的連接是這種換熱器的質量優(yōu)劣的關鍵所在,這也是制造這類換熱器的核心技術?，F(xiàn)在國內只有少數(shù)廠家掌握這種換熱器的制造工藝。在設計雙管板換熱器時也必須考慮到溫度變化因素,當流體在沿著流動方向溫度變化時,管子、筒體會產生不同的膨脹和收縮,在筒體、管束上除了內壓產生的薄膜應力外,還產生附加的彎曲應力和剪切應力,這將影響管子與管板連接處的強度和密封性能。如果壁溫的變化是周期性的,管束還會產生疲勞破壞。

另外在結構上還要考慮漏出的介質從雙管板之間的收集。如果要密封泄漏的縫隙,可用壓力高于殼程或管程的一種惰性流體充滿隔罩,這種隔罩由外管板與內管板間的環(huán)室形成。通過環(huán)室可以檢查管殼程有無泄漏,環(huán)室內有惰性流體并維持一定壓力,即使管殼程有泄漏,裝置也可維持運行到檢修。

雙管板與換熱管的連接順序:先采用柔性液壓脹接內管板與換熱管,后焊接外側管板與換熱管。

(1）內側管板與換熱管的柔性脹接:見圖 3,這也是這類換熱器制造的關鍵技術,一定要確保內管板的可靠脹接,要一次脹接成功。采用二次不同脹緊力 (第二次略大于第一次）適當延長脹接內管板的時間,嚴防內管板的泄漏。不然檢漏時無法檢測到管板的泄漏位置,只能是靠經驗來對某一區(qū)域補脹。

(2）外側管板與換熱管焊接:按制造工藝對管子采用氬弧焊,對焊縫進行 100%磁粉檢測。

(3）由于換熱管采用 ST 35,管板為 16MN III,管板與換熱管硬度差小,這也增加了脹接的難度。

圖 3 內管板與管子的連接圖Fig.3 Connection fig.for internal-tubesheetand tube

2 雙管板蒸汽加熱器設計與性能分析

在設計 40 000 Nm3/h大型空分設備中的蒸汽加熱器時,采用雙管板型。設計參數(shù)如表 1。

表 1 原始參數(shù)表Tab.1 Source data list

用 HTFS TASC5.01管式換熱器計算模擬軟件進行方案對比,由于該換熱器的設計有兩個關鍵點:1.由于污氮壓力低,流速高對換熱有利,但將使阻力增大,進而使上塔壓力高,能耗增大,必須嚴格控制污氮側阻力,其控制值是△P＜3 kPa; 2.確保污氮加熱至 453 K,從而保證對分子篩的再生溫度。最終確定蒸汽加熱器的總傳熱面積為1226m2,筒體尺寸為Φ1454×16 mm,管板采用16MN III,換熱管采用Φ16×1.5×3600mm,單臺根數(shù)為 4001根,材料為進口管 ST35, (相當于 10號優(yōu)質碳素鋼）,采用兩臺并聯(lián)。設備總長達到 6 m,重量達 30 t。

圖 4 水蒸汽的溫焓圖Fig.4 Temperture&enthalpy ofwater steam

圖 5 污氮的溫焓圖Fig.5 Temperture&enthalpy ofweste nitrogen

各介質的 T-H-X圖見圖 4和圖 5。圖 4為水蒸汽的溫焓圖,圖 5為污氮的溫焓圖。

通過方案的計算可清楚地反映在換熱器內介質熱量傳遞的情況。在蒸汽加熱器中污氮的操作壓力為 1.1 Bar,所以計算中一定要控制它的流動阻力。通過計算阻力值見表 2、3。

表2 殼程阻力降分配值Tab.2 Shellside pressure drop distributions

表3 管程阻力降分配值Tab.3 Tubeside pressure drop distributions

從計算結果可以看出:蒸汽、污氮在換熱器的各部分阻力,其值都在控制的范圍之內。傳熱與阻力是一對互相矛盾體,所以在設計時要盡可能的使換熱器體積小而傳熱效果優(yōu)良,又能符合阻力的要求。通過在計算中利用計算模擬軟件對各種方案進行篩選,并考慮設備的變工況彈性操作和設計的理想值與實際運行的差異,應對模擬計算結果給予修正。

四萬空分裝置雙管板蒸汽加熱器運行情況表明,設備換熱性能良好,并有非常高的可靠性。蒸汽加熱器采用雙管板結構,完全滿足了大型空分裝置的需求,但其制造過程必須嚴格控制。近年來按照文中設計方法及制造工藝制造了數(shù)百臺雙管板蒸汽加熱器,其質量可靠、穩(wěn)定,使用至今均運行正常。

[1]楊世銘,陶文銓 .傳熱學 [M].4版 .北京:高等教育出版社,2006.

[2]尾花英朗 .熱交換器設計手冊 [M].1996.

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[4]牛玉振,于 旺,王曉芳 .蒸汽加熱器的設計[C]//2005年空分技術論文集 .

Design&Fabr ica tion of Doub le-Tubesheet Steam Hea ter Used in A ir Separa tion Plan t

N IU Yu-zhen
(Design&Research Institute of Kaifeng A ir Separation Group Co.,L td.,Kaifeng 475002,China）

The technology and app lication of double-tubesheet steam heater in air separation p lant are introuduced in details.A seriesof design andm anufacture problem swere c larified from the aspectsof the structural design,therm al calcu lation,technical essentials.

doub le-tubesheet;steam heater;design;techno logy essentials;structure

TQ051.5

B

1007-7804(2010）01-0014-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2010.01.004

2010-01-13

牛玉振,男,56歲,自 1982年來長期從事?lián)Q熱設備的設計工作,現(xiàn)任開封空分集團有限公司空分設計研究院換熱室主任。