濃縮系統換熱器傳熱速率低的原因分析及改造

余 波，谷海明，魏林松

（云南磷化集團?？诹讟I有限公司，云南 昆明 650113）

0 引言

云南磷化集團海口磷業有限公司有1套100 kt/a濕法磷酸凈化裝置，其中濃縮工序為強制循環、間接傳熱、真空蒸發、雙效濃縮的系統。濃縮工序長周期穩定運行是濕法磷酸凈化裝置安全生產的保障，然而實際生產中發現濃縮系統換熱器列管內壁易附著活性炭而使得傳熱系數降低、蒸汽加入量不足，降低了生產負荷。針對此問題進行原因分析及技術改造。

1 濃縮系統設備情況

1.1 相關設備參數

濃縮系統換熱器、軸流泵、軸流泵電機的相關參數分別見表1、表2、表3。

表1 換熱器相關參數

表2 軸流泵相關參數

表3 軸流泵電機相關參數

1.2 換熱器傳熱速率低的原因分析

根據傳熱速率方程式Q=KAΔT（式中Q為傳熱速率，W；K為傳熱系數，W/（m2·K）；A為傳熱面積，m2；ΔT為傳熱溫度差，K）可以看出，欲提高傳熱速率，可通過增加換熱器傳熱面積、增加傳熱溫度差、提高傳熱系數3條路徑。換熱器作為價值較高的重要設備，增加換熱面積將導致生產費用大幅度增加，且改造過程耗時長，影響裝置運行率；傳熱溫度差由工藝條件決定，無法改變；只能通過提升傳熱系數來提高傳熱速率。

傳熱系數關系式如下：

式中α1、α2——冷熱流體側對流傳熱膜系數，W/（m2·K）；

R——垢層熱阻，m2·K/W；

δ——壁面厚度，m；

λ——壁面材料熱導率，W/（m·K）。

由式（1）可以看出，傳熱系數與冷熱流體側對流傳熱膜系數、垢層熱阻、壁面厚度及壁面材料熱導率都有關系。其中壁面厚度及壁面材料熱導率在換熱器生產完成后就無法改變，因此欲提高傳熱系數，可提高冷熱流體側對流傳熱膜系數、降低垢層熱阻。提高流體流速可增加湍流程度，既可減少層流邊界層厚度，也可防止活性炭沉積在管壁，減小垢層熱阻［1］?？梢妼τ谝粋€使用中的石墨列管換熱器，流體的循環量及流速是影響其傳熱系數的關鍵因素。

從以上分析及表1、2可以看出，濃縮系統軸流泵所提供的流體循環量、換熱器管內流速未達到設計值是造成換熱器傳熱速率低的重要原因。

2 改造方案

2.1 方案初定

改造初步方案如表4所示。

表4 改造初步方案

根據表4分析，結合實際生產情況，選擇以增大電機端帶輪直徑的方法來提升泵轉速進行技術改造。

2.2 電機端帶輪直徑計算

1）泵轉速計算

根據葉片泵相似定律，當葉輪不做改變時，泵轉速與流量成正比關系［2］：

式中qV1——泵設計流量，m3/h；

qV2——泵實際流量，m3/h；

n1——泵改造后轉速，r/min；

n2——泵原轉速，r/min。

將表2參數代入式（2），得

2）傳動比計算

傳動比計算公式見式（3）［3］：

式中i——改造后傳動比；

n電機——電機轉速，即電機端帶輪轉速，r/min。

計算i=990/612=1.62。

3）電機端帶輪直徑計算

電機端帶輪直徑計算公式見式（4）［3］：

式中dp2——泵端帶輪直徑，mm；

dp1——改造后電機端帶輪直徑，mm。

計算dp1=dp2/i=782/1.62 mm=483 mm。

2.3 改造方案確定

由以上計算及表1、2、3可知，只要將電機端帶輪直徑由415 mm增大至483 mm，即可將泵轉速提升至612 r/min，泵的流量就能達到2 800 m3/h，流體流速也能達到2.38 m/s的設計值。電機、泵端帶輪、V帶利舊，帶輪的槽型無須更改。

3 方案驗證

由于帶輪傳動有其必須滿足的條件，所以改造后需驗證帶速和小帶輪包角是否滿足要求；同時泵流量增大會導致功率增加，原電機是否滿足要求也需驗證。

3.1 帶速驗證

帶速計算公式［3］如式（5）所示：

式中v——帶速，m/s；

dd1——電機端帶輪基準直徑，450 mm。

普通V帶帶速上限取25 m/s，則5 m/s＜v＜25 m/s，帶速符合要求。

3.2 小帶輪包角驗證

小帶輪包角計算公式如式（6）所示：

式中dd2——大帶輪基準直徑，750 mm；

a——軸間距，1 075 mm。

3.3 電機功率

電機功率計算公式［4］如式（7）所示：

式中qV——泵流量，m3/h；

ρ——流體密度，1 350 kg/m3；

H——泵揚程，m；

η——泵效率，60%。

給出20%安全系數，電機功率P=85.8×1.2kW=103kW＜110kW，原電機功率滿足要求。

3.4 小結

通過以上計算可得：改造后帶輪及電機均能滿足要求。

4 具體改造

新采購1個電機端帶輪，泵端帶輪、電機、V帶利舊，利用裝置1 d停車時間，更換電機端帶輪，調整電機安裝位置，使V帶張緊，找正即可。

5 改造后效果

改造前后濃縮系統指標對比見表5。

表5 改造前后濃縮系統指標對比

自2018年改造后，進入換熱器列管的流體流量及流速都達到了設計要求，換熱器的傳熱速率得到提升，蒸汽加入量恢復正常，噸磷酸消耗蒸汽量下降明顯，濃縮運行率也同步提升，達到了降耗增效的目的。