工業(yè)萘精餾塔汽化器穩(wěn)定高效冷卻系統(tǒng)改造

任建平

（航天科工山西通信有限責(zé)任公司，山西 太原 030012）

1 問(wèn)題的提出

某一連續(xù)工業(yè)萘系統(tǒng)運(yùn)行近三年，從開(kāi)工到現(xiàn)在汽化器冷卻后溫度一直沒(méi)有降下來(lái)，循環(huán)水入口溫度在28℃左右，預(yù)計(jì)結(jié)垢嚴(yán)重，用酸洗兩次效果不理想。最近，工業(yè)萘精塔塔頂溫度一直偏高，切塔內(nèi)壓力也偏大，汽化器放散時(shí)不時(shí)噴萘，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員初步認(rèn)為是汽化器處理量不夠大，冷卻效果不好。現(xiàn)在存在的問(wèn)題是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，放散部分噴萘既損失浪費(fèi)了資源，又對(duì)環(huán)境造成大的污染。

2 理論分析

工業(yè)萘精餾塔汽化器是工業(yè)萘生產(chǎn)過(guò)程中一臺(tái)非常重要的設(shè)備，冷卻方式的選擇對(duì)工藝、能耗以及運(yùn)行管理方式影響極大，設(shè)計(jì)思想和理念是決定工業(yè)萘連續(xù)生產(chǎn)能否正常進(jìn)行的關(guān)鍵點(diǎn)，是設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要節(jié)點(diǎn)。從物料連續(xù)和能量傳遞流理論可以得出，設(shè)計(jì)冷卻方式的兩大關(guān)鍵參數(shù)為產(chǎn)量Q和熱量E，必須解決好物料平衡和熱量平衡的關(guān)系，否則放散過(guò)程將有壓力存在，將會(huì)有噴萘事件的發(fā)生，或造成工業(yè)萘連續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)量不穩(wěn)定［1］。

根據(jù)能量守恒定律：E萘氣－E冷卻＝E萘液，當(dāng)這一平衡保持時(shí)，放散將沒(méi)有壓力存在，即不會(huì)發(fā)生噴萘事故，工業(yè)萘結(jié)晶點(diǎn)溫度大于77.5 ℃，生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定；當(dāng)這一平衡失衡時(shí)，如果E萘氣能量偏大，放散將有壓力存在，即會(huì)發(fā)生噴萘事故；如果E萘氣能量偏小，E萘液能量偏小，工業(yè)萘結(jié)晶點(diǎn)溫度小于77.5 ℃，工業(yè)萘質(zhì)量將不能達(dá)標(biāo)。

產(chǎn)量Q決定了總能量的大小，原則上通過(guò)降低產(chǎn)量能在質(zhì)量上滿足需要，但是沒(méi)有一定數(shù)量的質(zhì)量從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度出發(fā)是沒(méi)有實(shí)際意義的，所以經(jīng)濟(jì)批量是工業(yè)化運(yùn)行的前提，多快好省是發(fā)展工業(yè)的基本準(zhǔn)則，產(chǎn)量是必然考核的首要技術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3 冷卻系統(tǒng)熱交換效果差的原因

從塔頂溫度一直偏高，切塔內(nèi)壓力偏大，汽化器放散噴萘等現(xiàn)象可以得出E萘氣值大，冷卻系統(tǒng)熱交換效果差，原因是交換面積不夠或結(jié)構(gòu)影響了交換效率，結(jié)果為E冷卻小，保證不了：E萘氣－E冷卻＝E萘液的平衡。系統(tǒng)失衡，基于介尺度范疇的系統(tǒng)不穩(wěn)定診斷模型的判定原則，可以認(rèn)定為原冷卻系統(tǒng)失效導(dǎo)致上述結(jié)果。

從原冷卻系統(tǒng)物理模型出發(fā)，由下頁(yè)圖1 汽化器熱交換原理圖，可以分析得到工作模式是在以熱傳導(dǎo)為主要模式下通過(guò)換熱方式實(shí)現(xiàn)的，由圖1 還可以看到冷媒入口處為換熱最充分的節(jié)點(diǎn)，一直到冷媒出口處溫度呈梯度變化，而且越來(lái)越大，冷媒出口為溫度值最大的節(jié)點(diǎn)。進(jìn)一步探討失效過(guò)程可以找到深層次原因是萘汽化溫度遠(yuǎn)高于170 ℃，冷卻液介質(zhì)為水，水的汽化溫度為100 ℃，因此冷卻器橫截面溫度梯度差現(xiàn)象明顯，阻斷了縱向方向的溫度交換，交換手段以汽化傳熱為主，實(shí)質(zhì)為熱對(duì)流方式，此時(shí)熱傳導(dǎo)方式、熱輻射方式基本不起作用，由圖2橫截面汽化及溫度梯度差示意圖，可以形象理解這一過(guò)程。

圖1 汽化器熱交換原理圖

圖2 橫截面汽化及溫度梯度差示意圖

實(shí)際中冷卻器設(shè)計(jì)的主要熱傳遞方式考慮的是熱傳導(dǎo)方式，所以導(dǎo)致熱傳導(dǎo)效應(yīng)差，主要表現(xiàn)在工業(yè)萘汽化器冷卻后溫度不穩(wěn)定，冷卻器內(nèi)壁結(jié)垢明顯，放散噴萘等現(xiàn)象發(fā)生。所以冷卻器熱傳導(dǎo)方式與冷媒不配套是導(dǎo)致汽化器冷卻部分失效的根本原因或問(wèn)題所在。由于系統(tǒng)熱傳遞方式發(fā)生變化，使得原換熱系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定性或失效。

4 工業(yè)萘精餾塔汽化器冷卻系統(tǒng)改造

1）冷媒的選擇：冷媒作為熱的載體，必須保證在運(yùn)行過(guò)程中狀態(tài)穩(wěn)定，不能汽化或化學(xué)反應(yīng)，更不能有結(jié)垢現(xiàn)象出現(xiàn)，保證了在運(yùn)行過(guò)程中熱傳導(dǎo)的穩(wěn)定性，避免了對(duì)流梯度截面現(xiàn)象的發(fā)生，保證熱傳導(dǎo)為主傳熱方式，實(shí)現(xiàn)了傳熱的有效性，保證了傳導(dǎo)熱效率?；谏鲜隼碚摲治?，采用變壓器油作為冷媒，在280 ℃下物理性能穩(wěn)定，各種狀態(tài)一致性好。經(jīng)過(guò)大量的工業(yè)性試驗(yàn)，即使在350 ℃～400 ℃下工作穩(wěn)定性也非常可靠，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。變壓器油作為冷媒在－35 ℃室外流動(dòng)性也非常好，這樣就保證了冷卻系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2）汽化器冷熱交換有效面積的確定：通過(guò)驗(yàn)算，汽化器冷熱交換能量在Q產(chǎn)量下，E冷卻能量是E萘氣能量的1.45倍。

3）冷媒冷卻面積S的確定：通過(guò)驗(yàn)算，在現(xiàn)有冷媒風(fēng)冷熱交換管冷卻面積下的能量ES是所需能量E冷卻能量的1.2倍。

4）汽化器冷卻系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 汽化器冷卻系統(tǒng)原理圖

由圖3汽化器冷卻系統(tǒng)原理圖可以清楚看到工業(yè)萘蒸汽在汽化器中的物流和能量流過(guò)程，如圖所示物流方向?yàn)檩琳羝ㄟ^(guò)多束換熱管，垂直直達(dá)萘液氣出口，能量通過(guò)管壁與冷媒的逐級(jí)換熱，使得萘蒸汽隨著高度逐級(jí)降低，呈有序梯度變化；冷媒物流方向?yàn)槔涿接葿出口到節(jié)流閥，進(jìn)入折流板通道，通過(guò)換熱，溫度逐級(jí)升高，溫度梯度由低向高呈梯度變化，在D 出口處溫度最高；冷媒回流到A 入口處通過(guò)冷媒風(fēng)冷交換熱過(guò)程，使得溫度下降，到達(dá)B出口前達(dá)到冷媒冷卻初始溫度，準(zhǔn)備進(jìn)行新的冷卻循環(huán)過(guò)程。

5 實(shí)際運(yùn)行結(jié)論

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行。該汽化器冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)方便，無(wú)需外加動(dòng)力自動(dòng)運(yùn)行?？梢园醇竟?jié)變化在產(chǎn)量Q不變情況下，改變調(diào)節(jié)冷熱交換控制閥門，外界環(huán)境冷時(shí)閥門旋調(diào)小，外界環(huán)境熱時(shí)閥門旋調(diào)大。還可以用調(diào)節(jié)回流的方式調(diào)節(jié)產(chǎn)品產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下可以將回流開(kāi)啟到最小，經(jīng)過(guò)改造后的實(shí)際運(yùn)行情況追蹤記錄，冷卻器結(jié)垢和噴萘事件從沒(méi)有發(fā)生，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)量也達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行平穩(wěn)，尤其是無(wú)外加動(dòng)力運(yùn)行方式，節(jié)省了大量動(dòng)力消耗，減少了維護(hù)和運(yùn)行成本，給企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

［1］郭建珠，連清旺，田國(guó)政.專用銑床平臺(tái)加工工件穩(wěn)定性診斷模型的建立［J］.機(jī)械管理與開(kāi)發(fā)，2015（5）：11－13.