空分裝置用雙管板蒸汽加熱器的設(shè)計(jì)和制造①

牛玉振

(開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院,河南開封 475002）

空分裝置用雙管板蒸汽加熱器的設(shè)計(jì)和制造①

牛玉振

(開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院,河南開封 475002）

詳細(xì)介紹了空分設(shè)備中雙管板蒸汽加熱器技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱力計(jì)算、技術(shù)要領(lǐng)等方面闡明了雙管板蒸汽加熱器設(shè)計(jì)制造的諸多問題。

雙管板;蒸汽加熱器;設(shè)計(jì);技術(shù)要領(lǐng);結(jié)構(gòu)

在空分設(shè)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(jìn)入分子篩吸附器對分子篩進(jìn)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(cè),要嚴(yán)禁兩種介質(zhì)混合。經(jīng)過多年的設(shè)計(jì)及制造實(shí)踐,證明了蒸汽加熱器采用雙管板結(jié)構(gòu)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(shè)備為保證空分裝置正常運(yùn)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(zhì)不能相互滲透的場所。為保證管子與管板的連接強(qiáng)度和密封性能,可采用各種連接方法。在操作中由于介質(zhì)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(chǎn)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(jié)構(gòu)。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(jìn)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(zhì)壓力和墊片直徑分別進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)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(jié)構(gòu)型式主要在下列情況下采用:

(1）單獨(dú)流體腐蝕不強(qiáng),兩種流體混合的產(chǎn)物有強(qiáng)腐蝕性; (2）一種為劇毒介質(zhì),如果滲入到另一程內(nèi),會引起劇毒的物質(zhì)波及到大面積的場合;(3）兩種介質(zhì)混合后,產(chǎn)生樹脂或高聚合物,混進(jìn)的介質(zhì)使化學(xué)反應(yīng)停止或逆向; (4）兩種介質(zhì)混合后燃燒或爆炸;(5）混進(jìn)的介質(zhì)污染產(chǎn)品。

圖 2 內(nèi)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(jī)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(yīng)與穿管方向一致。兩組雙管板分別按鉆孔方向預(yù)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(biāo)記,以保證不會發(fā)生位移而產(chǎn)生錯孔現(xiàn)象。每塊折流板正、反面的管孔均要仔細(xì)倒角、清除毛刺,防止穿管時損傷管子。另外內(nèi)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(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵所在,這也是制造這類換熱器的核心技術(shù)。現(xiàn)在國內(nèi)只有少數(shù)廠家掌握這種換熱器的制造工藝。在設(shè)計(jì)雙管板換熱器時也必須考慮到溫度變化因素,當(dāng)流體在沿著流動方向溫度變化時,管子、筒體會產(chǎn)生不同的膨脹和收縮,在筒體、管束上除了內(nèi)壓產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力外,還產(chǎn)生附加的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力,這將影響管子與管板連接處的強(qiáng)度和密封性能。如果壁溫的變化是周期性的,管束還會產(chǎn)生疲勞破壞。

另外在結(jié)構(gòu)上還要考慮漏出的介質(zhì)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(nèi)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(nèi)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(yùn)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(nèi)管板與換熱管,后焊接外側(cè)管板與換熱管。

(1）內(nèi)側(cè)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(guān)鍵技術(shù),一定要確保內(nèi)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(dāng)延長脹接內(nèi)管板的時間,嚴(yán)防內(nèi)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(jīng)驗(yàn)來對某一區(qū)域補(bǔ)脹。

(2）外側(cè)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(jìn)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(nèi)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(shè)計(jì)與性能分析

在設(shè)計(jì) 40 000 Nm3/h大型空分設(shè)備中的蒸汽加熱器時,采用雙管板型。設(shè)計(jì)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(jì)算模擬軟件進(jìn)行方案對比,由于該換熱器的設(shè)計(jì)有兩個關(guān)鍵點(diǎn):1.由于污氮壓力低,流速高對換熱有利,但將使阻力增大,進(jìn)而使上塔壓力高,能耗增大,必須嚴(yán)格控制污氮側(cè)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(jìn)口管 ST35, (相當(dāng)于 10號優(yōu)質(zhì)碳素鋼）,采用兩臺并聯(lián)。設(shè)備總長達(dá)到 6 m,重量達(dá) 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(zhì)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(jì)算可清楚地反映在換熱器內(nèi)介質(zhì)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(jì)算中一定要控制它的流動阻力。通過計(jì)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(jì)算結(jié)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(nèi)。傳熱與阻力是一對互相矛盾體,所以在設(shè)計(jì)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(jì)算中利用計(jì)算模擬軟件對各種方案進(jìn)行篩選,并考慮設(shè)備的變工況彈性操作和設(shè)計(jì)的理想值與實(shí)際運(yùn)行的差異,應(yīng)對模擬計(jì)算結(jié)果給予修正。

四萬空分裝置雙管板蒸汽加熱器運(yùn)行情況表明,設(shè)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(jié)構(gòu),完全滿足了大型空分裝置的需求,但其制造過程必須嚴(yán)格控制。近年來按照文中設(shè)計(jì)方法及制造工藝制造了數(shù)百臺雙管板蒸汽加熱器,其質(zhì)量可靠、穩(wěn)定,使用至今均運(yùn)行正常。

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

[2]尾花英朗 .熱交換器設(shè)計(jì)手冊 [M].1996.

[3]于 斐 .壓力容器的應(yīng)力腐蝕及控制 [J].管道技術(shù)與設(shè)備,2005(2）:34-35,40.

[4]牛玉振,于 旺,王曉芳 .蒸汽加熱器的設(shè)計(jì)[C]//2005年空分技術(shù)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(shè)備的設(shè)計(jì)工作,現(xiàn)任開封空分集團(tuán)有限公司空分設(shè)計(jì)研究院換熱室主任。