陽極保護濃硫酸冷卻器的設計優化

莫春萍，洪 濤，田 靜，李治民，呂雅青，岳文博，鄭建國

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 概述

60 萬t/a 以上硫酸裝置干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器流體循環量大，溫差大。筆者以冶煉煙氣制酸裝置中干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器為例，對冷卻器進行工藝核算，闡述流體沖刷腐蝕、大流體誘發換熱管束振動、陰極合理布置（使電流均勻分布）問題，并提出相應的解決方法，保證設備滿足現場工況條件要求。

1 陽極保護濃硫酸冷卻器的工藝設計

陽極保護濃硫酸冷卻器合理的工藝及結構設計將直接影響整個干吸工段的生產效益和安全性，整體設計符合GB/T 151—2014《熱交換器》［1］。

1.1 設計參數

來自凈化工段經二級電除霧器處理的煙氣從干燥塔下部進入，與塔頂噴淋下來的w（H2SO4）93%的硫酸充分接觸，進行傳質、傳熱，具有強吸水性的硫酸將煙氣中的水分充分吸收后，煙氣經絲網除沫器、鼓風機進入吸收塔。干燥塔的陽極保護濃硫酸冷卻器位于干燥塔和酸泵之間，酸泵出口之后，屬于泵后流程。干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器主要結構形式為固定管板式換熱器，換熱面積為1 545 m2，殼體直徑DN 1 750 mm，設計條件見表1。

表1 干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器設計條件

根據表1設計條件可以看出，濃硫酸循環酸量大，溫差大，酸側出口溫度與循環水側出口溫度接近，導致傳熱推動力小，所需換熱面積大。針對這些因素，干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器設計過程中需要注意以下問題：進口處出現大流體的沖刷腐蝕，設備內部易于誘發流體振動，以及須進行合理陰極布置以保證電流均勻分布。

1.2 方案優化設計

干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器根據制酸方式不同，設計參數也不同，干燥塔的入塔硫酸溫度一般控制在≤45 ℃，出塔硫酸溫度控制在55 ～65 ℃，冷卻器的整體運行溫度偏低，出口酸溫接近出口循環水溫度，傳熱推動力下降。為此考慮采用雙管程形式改變冷卻水流速來提高傳熱系數，或者增加循環水量提高傳熱推動力和傳熱系數。兩種方式均不改變進出涼水塔總循環水量和傳熱溫差，干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器優化參數對比見表2。

表2 干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器優化參數對比

3 個方案設備尺寸變化不大，酸側流速和壓降基本相同，完全滿足陽極保護使用范圍，方案主要通過改變管程參數來優化換熱面積。對比發現：（1）在同樣安全余量下，提高循環水量后所需的換熱面積最小，性價比最高，單管程次之，雙管程所需換熱面積最大。（2）雙管程循環水側流速提高了1倍，總傳熱系數增加了8.8%，但由于雙管程一程為逆流傳熱，另一程為并流傳熱，導致△Tm降低12%，提高的換熱效率不足以彌補傳熱推動力的減小；同時因雙管程隔板結構導致殼體增大，降低了換熱效率，增加了設備成本，故方案不采用；（3）干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器整體運行溫度偏低，干吸工段總循環水量為5 360 m3/h，可以通過將循環水量增加210 m3/h，改變出口水溫來提高傳熱推動力，進而至少可減少換熱面積125 m2；同時對吸收酸進行核算，由于總循環水量一定，增加干燥酸冷卻器循環水量勢必導致吸收酸冷卻器循環水量減少，通過計算發現換熱面積僅增加10 m2，影響基本可以忽略，按照市場價格計算，設備總成本可降低32.2萬元，最終確定采用此方案。

1.3 進管束防沖刷結構

硫酸進入殼程時不僅對換熱管造成嚴重的沖刷腐蝕，還會導致換熱管束劇烈振動，引起換熱器泄漏。設計中考慮在殼程進口處設置特殊防沖刷結構，降低流體對換熱管的沖擊力，避免濃硫酸直接沖擊到換熱管外壁。硫酸經過防沖刷結構旁邊的流道均勻、緩慢地流過換熱管，降低可能出現的硫酸擾動對鈍化膜的影響以及大循環酸量對換熱管的磨損。

防沖刷結構所占空間較大，同時需考慮陰極、拉桿等占用的未布管區域，合理計算防沖刷結構及進出口流通面積，避免設置防沖刷結構后進口處流通面積不足，以及避免酸流速與壓降增加、換熱管不均勻加熱而產生熱應力等問題。根據GB/T 151—2014 中“防沖刷結構-局部布管”計算殼體進口面積和管束進口面積，DN700 接管進口處的ρv2接近標準界限值2 230 kg/（m · s2），改為喇叭口接管形式設計后進口ρv2為1 461 kg/（m · s2），喇叭口接管+防沖刷結構殼體進口ρv2為719 kg/（m ·s2），管束進口ρv2為926 kg/（m·s2），相對于沒有防沖刷結構的DN700 接管，分別減小39.12%、12.14%（見表3）。可以看出，喇叭口形式+防沖刷結構有利于減小殼體進口和管束進口的沖刷力。

表3 干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器優化參數對比kg/（m·s2）

防沖刷結構設計中還應考慮強度和剛度，尺寸比較大時應考慮增加厚度，防止防沖刷結構過薄造成本身撓度過大。干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器換熱管為三角形排列，窗口區不布管，防沖刷結構應牢固焊接，避免大沖擊力使防沖刷結構脫落，出現無規則亂竄而撞擊管束，造成防沖刷結構失效。

1.4 防止流體誘發振動的結構

隨著流體的流動，換熱器內的換熱管、折流板等組件產生微小振動。當大流體進入設備時，誘發振動的頻率與組件的固有頻率一致或接近，組件振幅增大而導致管束破壞。換熱管是換熱器的核心部件，是換熱器中撓性最大的部件，也是誘發振動后被破壞最嚴重的部件，換熱管的損壞將直接影響換熱器的使用和壽命。因此，在干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器的設計中一定要避免流體誘發振動。

干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器直徑較大，管束支撐、管束振動為該設備結構設計的關鍵問題。干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器的管程介質為冷卻水，殼程為w（H2SO4）93%的硫酸。管程中的循環水對管束振動影響很小，整個管束主要以傳質和傳熱為主，流體誘發振動主要發生在殼程中，破壞情況如下：（1）折流板對換熱管的損傷。為了便于穿管，折流板開孔略大于換熱管直徑0.40 ～0.45 mm，當折流板較薄時，換熱管撞擊產生特有形狀的磨損，換熱管振動會在管壁與折流板孔邊緣之間產生較大的接觸力，這種力量對換熱管有一種割鋸作用，會使換熱管壁在極短時間內開裂。（2）接頭泄漏。換熱管振動時，管頭與管板連接處受力較大，嚴重時將導致脹接或焊接點的損壞，造成管板接頭處介質泄漏。（3）應力疲勞。換熱管的振幅較大時，換熱管反復彎折的扭彎應力較高，長期連續振動會使換熱管斷裂，同時硫酸的腐蝕作用也會加速這種損傷。（4）當換熱管的振幅達到足以使換熱管發生撞擊時，將破壞換熱管表面已經產生的鈍化膜，致使鈍化膜不能有效形成和保持維鈍狀態，加速設備的損壞。

干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器循環酸量大，殼程進管束區及橫流速度高，壓降大，如果忽略設備局部位置流速很容易造成酸速超過極限流速誘發管束振動，同時破壞陽極保護鈍化膜。因此，在設計初始需要反復計算設備進口處、管束區、窗口區及橫流速度，保證殼程流速滿足陽極保護使用條件，同時通過調整無支撐跨距改變換熱管束的振動趨勢，干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器優化方案調整前后的振動特性參數見表4。

表4 調整前后設備進口、管束、出口處振動特性參數

從表4振動特性參數可以看到，調整前的管束固有頻率、紊流抖振振幅、渦旋脫落振幅較大，整個換熱管長度區均有振動，這主要是由于流體循環量大，進出口處流速高，卡曼渦旋、湍流抖振的頻率隨之增大，接近管束的固有頻率而誘發共振。減小殼程濃硫酸橫流速度雖然會降低卡曼漩渦、湍流抖振頻率，但同時也會降低換熱器的傳熱效率；因此，通過在換熱管二階振型的節點處增設支撐板，改變固有頻率，避免振動發生。

干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器通過減少弓形缺口區的換熱管數量、增大換熱管間距、改變管束排列角度、設置防沖刷結構來控制進口區流動速度、降低無支撐跨距等，將振動特性參數調整至安全范圍內，保證設備內所有位置酸速均小于陽極保護極限流速，確保局部酸速安全可靠。

1.5 陰極布置結構

解決陰極布置問題是大型陽極保護濃硫酸冷卻器設計的關鍵點。陰極布置決定陽極電位分布的均勻性，也就是要確定有效保護半徑內電位和電流的分布和衰減規律，保證維鈍電位能夠維持在鈍化區間。

干燥塔陽極保護濃硫酸冷卻器換熱面積為1 545 m2，相同陽極電流密度下所需陰極面積較大，需要使用多根陰極；設備總長為11 m，為保證電流電位分布均勻，同時便于停車檢修抽取陰極，可采用多組陰極插入方式［2］；布置按照換熱管截面以單陰極電流分布的圓周區域當量直徑劃分單陰極陽極保護范圍，同時根據設備直徑、換熱面積確定最終陰極數量及陰極位置，保證單陰極電場衰減邊緣區換熱管處于多陰極電場疊加區，保證邊緣區換熱管的維鈍效果。陰極表面采用一次成型的熱擠壓加工工藝進行四氟乙烯絕緣套管，增大了絕緣層與陰極的貼合度，四氟乙烯套管上按照電流在陰極長度方向上衰減的趨勢，由疏到密進行開孔，保證發散電流大小能夠使陽極保護電位穩定在鈍化區，并使陽極表面電位值盡量接近，有效解決大型陽極保護濃硫酸冷卻器由于陰極材料電阻和硫酸溶液電阻引起的電位衰減所造成的不銹鋼陽極表面鈍化差異。

2 結束語

大型陽極保護濃硫酸冷卻器在優化計算中應著重考慮并采取有效措施應對大流體造成運行設備局部沖刷腐蝕及誘導振動情況，保證合理布置陰極使電流均勻分布。目前60 萬t/a 以上硫酸裝置的上百臺在役大型陽極保護濃硫酸冷卻器已正常運行，均能滿足現場使用工況，對今后大型陽極保護濃硫酸冷卻器的進一步優化設計具有指導意義。