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）

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,以保證不會發生位移而產生錯孔現象。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劣的關鍵所在,這也是制造這類換熱器的核心技術。現在國內只有少數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室形成。通過環室可以檢查管殼程有無泄漏,環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。設計參數如表 1。

表 1 原始參數表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,單臺根數為 4001根,材料為進口管 ST35, (相當于 10號優質碳素鋼）,采用兩臺并聯。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百臺雙管板蒸汽加熱器,其質量可靠、穩定,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年來長期從事換熱設備的設計工作,現任開封空分集團有限公司空分設計研究院換熱室主任。