化工裝置中工藝管道的伴熱設(shè)計探究

【摘要】伴熱設(shè)計對工藝管道輸運介質(zhì)保溫防凍意義重大，在化工裝置中應(yīng)用廣泛，本文就圍繞化工裝置中工藝管道的伴熱設(shè)計進行探究，著重介紹了伴熱介質(zhì)的種類、伴熱方式的選用原則、伴熱系統(tǒng)設(shè)計的注意事項以及常用伴熱系統(tǒng)的設(shè)計。筆者希望通過對工藝管道伴熱設(shè)計的簡要探究，抓住設(shè)計要點，對化工裝置中管道伴熱設(shè)計工作起一定的指導(dǎo)和參考作用。

【關(guān)鍵詞】工藝管道；伴熱介質(zhì)；伴熱方式；伴熱設(shè)計；注意事項

引言

在化工裝置中，工藝管道往往被用于輸送介質(zhì)氣體或液體，由于輸送環(huán)境溫度和介質(zhì)熔沸點的差異，在管道輸送過程中經(jīng)常會出現(xiàn)熱量耗散和介質(zhì)冷凝現(xiàn)象，為保證管道輸送的安全順暢，同時也是為了節(jié)約能源，工藝管道的伴熱設(shè)計贏得了設(shè)計者的青睞。伴熱，從定義上來說，就是在管道輸運中對管道介質(zhì)起保溫防凍作用，其利用伴熱介質(zhì)不僅能夠很大程度上減少能源的損失，還能有效防止管道的冷凝銹蝕。依據(jù)不同的要求，管道的伴熱系統(tǒng)設(shè)計可分為內(nèi)伴管伴熱系統(tǒng)、外伴管伴熱系統(tǒng)設(shè)計，單個系統(tǒng)的設(shè)計要綜合項目情況來進行，要全面了解伴熱介質(zhì)、伴熱方式以及設(shè)計注意事項，最后做出系統(tǒng)設(shè)計方案，下面將一一展開。

1、伴熱介質(zhì)的種類

伴熱介質(zhì)按種類分，可分為蒸汽、高溫水、點以及其他介質(zhì)，每種介質(zhì)適用于不同的伴熱情況?；どa(chǎn)中常用的伴熱介質(zhì)是水蒸汽，分為內(nèi)熱式和外熱式，較常用的是外熱式，壓強范圍為0.3MPa-1.0MPa的蒸汽熱源，相較于其它介質(zhì)而言，蒸汽介質(zhì)有著其獨特的優(yōu)點，其具有高熱輸出性，能夠產(chǎn)生大量的熱量，微小故障下不會對管道介質(zhì)有大的影響，并且可以實現(xiàn)化工產(chǎn)業(yè)蒸汽廢料的回收再利用，但是其同樣具有弊端，例如蒸汽系統(tǒng)的工程復(fù)雜度高不利于日常維護，蒸汽系統(tǒng)難以實現(xiàn)對低溫的控制，蒸汽的產(chǎn)生消耗大量能源，經(jīng)濟效益低。高溫水伴熱介質(zhì)的使用權(quán)重也不小，其不僅能夠節(jié)約能源，而且對溫度的控制要強于蒸汽，但是其維護成本同樣很大，消耗能源的量居于第二位。時代的發(fā)展催生出了電介質(zhì)，電介質(zhì)的出現(xiàn)不僅解決了高溫水和蒸汽耗能量大、溫度不易控制的問題，還增加了新的優(yōu)勢，是目前最理想的伴熱介質(zhì)，歷史的發(fā)展出現(xiàn)三種電介質(zhì)，分別是以氧化鎂為主要材質(zhì)的礦物絕緣加熱電纜、恒功率電熱帶以及自限溫電熱帶，因自限溫電熱帶在任意使用長度、分段控溫上的優(yōu)越性，應(yīng)用最廣泛，但是因高分子PTC材料對使用環(huán)境仍有一定的要求，無法適應(yīng)極端的環(huán)境，因此在某些特殊場合其不是最優(yōu)選擇，但在一般情況下是最佳的介質(zhì)。在一些特殊的裝置中還有選用其他介質(zhì)如丁酮甲苯混合溶劑蒸汽，因其熔點很低，因此其使用無需擔(dān)心冬季凍害的問題，且有機溶劑的腐蝕性小，規(guī)避了很多問題。

2、伴熱方式的選用原則

工藝管道的伴熱方式選擇有兩類，一類是伴管伴熱，另一類則是夾套管伴熱。在進行伴熱方式的選擇時，一般綜合考慮輸送介質(zhì)的凝固點、介質(zhì)與環(huán)境的溫差以及介質(zhì)的特殊性質(zhì)，選用原則如下：第一，當(dāng)環(huán)境溫度與管道輸送介質(zhì)溫度相差無幾時，以50℃和100℃為界限，對于低于50℃的介質(zhì)凝固點，適合采取伴管伴熱，對于高于100℃的介質(zhì)凝固點，往往選擇內(nèi)管焊縫隱蔽型夾套管伴熱，而對于介于50到100℃之間的介質(zhì)凝固點，采用夾套管；第二，當(dāng)外部環(huán)境的溫度低于介質(zhì)氣體的露點溫度時，推薦選用伴管伴熱方式；第三，對于有毒性并需要選用夾套管伴熱的介質(zhì)，應(yīng)選擇內(nèi)管焊縫隱蔽型夾套管伴熱；第四，對于僅依靠重力作用進行介質(zhì)流動的管道，可選用夾套管伴熱方式或者帶膠泥的蒸汽伴管伴熱方式。

3、伴熱系統(tǒng)設(shè)計注意事項

為保證伴熱系統(tǒng)設(shè)計的安全經(jīng)濟，在進行伴熱系統(tǒng)設(shè)計時有幾大注意事項，第一是設(shè)計伴管特別是熱水或蒸汽伴管伴熱系統(tǒng)時，管道系統(tǒng)要盡量避免U形管道，因為U形管道會使熱水或蒸汽在彎曲處因阻力造成不必要的能量耗費；第二是，熱水或蒸汽在引出時要從頂端部分開始，并將引出位置設(shè)置在水平方向上由閥門控制；第三是，伴管伴熱系統(tǒng)中的每個伴管上均應(yīng)安裝疏水閥，切不可所有伴管共用一個疏水閥，以免造成安全隱患，各個伴管從低處流出的凝結(jié)水應(yīng)予以集中處理，伴管疏水閥的周圍不能設(shè)置旁路閥；第四是，有關(guān)伴管的管路鋪設(shè)問題，對于水平鋪設(shè)的主管，伴管應(yīng)和其保持在同一水平線上且位于主管兩側(cè)，對于豎直鋪設(shè)的主管，與其配套的伴管依數(shù)量等間距的鋪設(shè)在主管周圍；第五是，伴管連接處采用法蘭接頭或焊接方式連接；第六是，對于一些無法進行自然補償?shù)陌楣芤m當(dāng)?shù)卦鲈O(shè)熱補償器，對于能夠自然補償?shù)陌楣軓澋捞幵O(shè)置捆綁固定的固定點。

4、常用伴熱系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 內(nèi)伴管伴熱系統(tǒng)的設(shè)計。內(nèi)伴管伴熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性是，用于伴熱的伴管設(shè)計在輸送工藝管道的管內(nèi)。由此伴熱管產(chǎn)生的熱量則可以無損地用于彌補輸送管道輸送介質(zhì)過程中耗散的熱量，內(nèi)伴管伴熱系統(tǒng)的設(shè)計有四大要點，第一是，相比于外伴管伴熱系統(tǒng)，其傳熱效率高，間接地減少了能源的消耗，起到節(jié)約能源的功效，第二是，其因安裝在管道內(nèi)部，安裝工作量相應(yīng)就會增大很多，且管道內(nèi)部不易焊接，故彎管的數(shù)目也會相應(yīng)增多，第三是，其伴熱管管壁應(yīng)做加厚處理且要重點關(guān)注伴熱管因各種因素發(fā)生變形的問題，第四是，安裝在內(nèi)部的伴管有一個致命的弱點，那就是無法進行日常維護，因此除了在設(shè)計時保證質(zhì)量足夠滿足要求之外，別無它法來延長伴熱管的壽命。

4.2 熱水伴熱系統(tǒng)的設(shè)計。熱水伴熱系統(tǒng)是指伴熱介質(zhì)為高溫水的伴熱管，其屬于外伴管伴熱。此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是單管伴熱，在主管與伴熱管中間存在保溫空氣層，伴熱管通過空氣介質(zhì)將熱量間接傳給主管，來彌補主管耗散的熱量，一般來說，熱水伴熱系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成封閉式循環(huán)系統(tǒng)，熱水管的供壓維持在0.35-1.0MPa的壓強范圍內(nèi)，伴熱介質(zhì)的溫度在100-130℃之間，具體溫度依壓強而定。

4.3 蒸汽伴熱系統(tǒng)的設(shè)計。蒸汽伴熱系統(tǒng)和熱水伴熱系統(tǒng)同屬于外伴管伴熱系統(tǒng)，但比熱水伴熱系統(tǒng)使用頻度要大。因外伴管伴熱系統(tǒng)提供的熱量一部分用于補充主管損失的熱量，另一部分則耗散于外界環(huán)境中，再加上蒸汽輸送的溫度和目的地離蒸汽熱源的距離成反比，故蒸汽熱源提供的蒸汽溫度要高于所需溫度，且間隔一定的距離就要安置一個蒸汽分配站和疏水站。蒸汽伴熱系統(tǒng)適用于主管介質(zhì)凝固點較高、粘度較大、溫度較高、腐蝕性強、對溫度敏感的情況，其伴管的管子直徑和管子數(shù)目視項目要求、主管狀況而定。

4.4 電伴熱系統(tǒng)的設(shè)計。電伴熱系統(tǒng)的伴熱介質(zhì)經(jīng)歷了從礦物絕緣加熱電纜到恒功率電熱帶再到自限溫電熱帶的演變，最終自限溫電熱帶以其分段控溫、任意截斷長度、耗能少的優(yōu)勢戰(zhàn)勝了傳統(tǒng)的伴熱介質(zhì)被廣泛應(yīng)用。在選用電熱帶種類時要綜合各種條件，如經(jīng)濟性等，電熱帶的耐溫及溫度等級應(yīng)據(jù)管道溫度突發(fā)最高溫確定，電熱帶長度應(yīng)視管道單位長度的散熱量的不同而定，電熱帶的型號要依使用環(huán)境的性質(zhì)而定。

4.5 夾套管伴熱系統(tǒng)設(shè)計。夾套管是這樣結(jié)構(gòu)的管道：在輸送工藝管道外套一管子，組成內(nèi)管外管套式結(jié)構(gòu)，不同于內(nèi)伴管之處是內(nèi)管為輸送介質(zhì)管、外管為伴熱管，夾套管需要伴熱介質(zhì)與輸送介質(zhì)溫度相差不超過50℃，且伴熱介質(zhì)溫度比輸送介質(zhì)高，同內(nèi)伴管類似，夾套管伴管的熱效率相對較高。

5、結(jié)語

綜上所述，工藝管道的伴熱設(shè)計從經(jīng)濟安全的角度為化工裝置中介質(zhì)的運輸保駕護航，其對介質(zhì)的輸運貯存起著至關(guān)重要的作用，在進行主管的伴熱設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)工程項目的規(guī)劃要求并綜合考慮管道介質(zhì)特性、外界環(huán)境來選擇最適合的伴熱介質(zhì)和伴熱方式，然后利用設(shè)計經(jīng)驗，著重考慮伴管設(shè)計的注意事項完成伴熱設(shè)計。本次探究因時間有限，僅對設(shè)計中的一些要點進行說明，不能涵蓋所有，但是每個設(shè)計項目都需要具體問題具體分析，在不斷摸索中發(fā)現(xiàn)并解決問題。在當(dāng)今能源危機的背景下，能源節(jié)約更加被重視，伴熱設(shè)計節(jié)約能源與經(jīng)濟適用的特性將會被進一步優(yōu)化。

參考文獻：

[1]朱翠琴，淺析化工裝置中工藝管道的伴熱設(shè)計[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011，（06）.

[2]蘇海濱.蒸汽伴熱系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012，（12）.

[3]周小剛.石油化工裝置中工藝管道的伴熱設(shè)計探討[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（18）：25-26.

[4]田軼華，陳潔，蒙燕婕.淺談化工設(shè)備中夾套管的配管設(shè)計[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011（06）：36.