氟化氫冷凝器的選型及設(shè)計(jì)

姚乾

摘 要：本文就氟化氫冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算等問題作了介紹，僅供設(shè)計(jì)人員參考.

關(guān)鍵詞：冷凝器 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 雙管板

1.概述

在氟化氫精制過程中要把粗氟化氫混合氣體冷凝得到更純的氟化氫液體，氟化氫冷凝器是氟化氫生產(chǎn)中必不可少的一種設(shè)備，它的使用情況好壞直接影響著生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本。然而從實(shí)際使用情況看，換熱器的損壞頻率非常大，嚴(yán)重影響了企業(yè)的生產(chǎn)。通過車間反應(yīng)的情況看，各工段的換熱器使用周期長(zhǎng)短不一，好一點(diǎn)的可以使用一兩年，差一點(diǎn)的使用到3個(gè)月左右時(shí)就開始泄漏，三級(jí)冷凝工況條件較好，使用周期一般在四五年以上。每次泄漏不但要產(chǎn)生一筆不菲的維修費(fèi)用，而且影響了生產(chǎn)的連續(xù)，帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。打開換熱器，可以看到，在換熱器的列管外壁上，附著不同程度的泥垢，有鐵銹，泥沙等，厚度甚至達(dá)到4mm厚。在生產(chǎn)過程中，設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，管頭可能會(huì)有輕微泄漏。氟化氫氣體會(huì)與泄漏處的循環(huán)水形成腐蝕性較強(qiáng)的氫氟酸，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，整臺(tái)設(shè)備可能報(bào)廢.對(duì)多數(shù)酸具有優(yōu)良耐蝕性的鉭、鈦、鋯卻都不耐氫氟酸，不銹鋼也不耐氫氟酸.鎳合金對(duì)氫氟酸較好的耐腐蝕性，鎳合金雖然耐飾性好，但價(jià)格昂貴，因此很少使用。

2. 設(shè)備選型

針對(duì)以上問題，筆者考慮采用雙管板結(jié)構(gòu)，它能有效防止兩種物料混合從而杜絕上述事故的產(chǎn)生，又能大大減少設(shè)備制造成本。雙管板換熱器主要用于當(dāng)換熱器兩程之間物料相混合后，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果的情況。使用雙管板換熱器的場(chǎng)合一般分為以下幾種：

（1）有腐蝕及有毒的場(chǎng)合，管側(cè)與殼側(cè)的流體不接觸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生腐蝕或中毒現(xiàn)象，但當(dāng)管程和殼程的兩種流體相混后會(huì)引起嚴(yán)重腐蝕或中毒。

（2）防爆場(chǎng)合當(dāng)管、殼程兩種流體相混（接觸）后，會(huì)引起燃燒及爆炸。

3）對(duì)設(shè)備造成污垢的場(chǎng)合當(dāng)管、殼程兩種流體相混后，會(huì)形成如樹脂狀物質(zhì)或聚合物

（4）有不良化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)合在管、殼程兩種流體接觸后，使一種化學(xué)反應(yīng)受到限制或不產(chǎn)生反應(yīng);或者產(chǎn)生不良反應(yīng)，污染產(chǎn)品，使產(chǎn)品質(zhì)量下降。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定管板式雙管板換熱器，這種換熱器的傳熱效果較好，它可以使殼程及管程中，兩種介質(zhì)的流動(dòng)方向全部為逆流，其傳熱系數(shù)較高，它與U型管換熱器相比的缺點(diǎn)是：多一個(gè)泄漏點(diǎn)，多了兩塊管板。它做冷卻器或加熱器時(shí)，最好把水或水蒸氣放到殼程，這樣積液程可以不做殼體。同時(shí)也避免殼程水壓試驗(yàn)后，烘干的麻煩。

3.1 選材

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意管板與管子須有一定硬度差，一般管板比管子硬度高HB20～30，管板采用Q345R，換熱管可采用10#管。

3.2管板的設(shè)計(jì)計(jì)算按以下規(guī)定進(jìn)行：

設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其他材料的管殼式換熱器基本相同，但由于雙管板換熱器的殼程和管程之間由兩塊管板組成，由此而形成三個(gè)程。即殼程、管程和殼程管板與管程管板之間形成積液程，詳見下圖。雙管板較單管板計(jì)算有所不同，本文將重點(diǎn)介紹管板的計(jì)算，管板厚度時(shí)應(yīng)考慮三個(gè)程的工況，按不同情況進(jìn)行計(jì)算。下列計(jì)算按固定管板式換熱器考慮。

管程管板的強(qiáng)度計(jì)算

a） 將內(nèi)外兩塊管板視作一塊整體管板，根據(jù)整體管板與管程側(cè)、殼程側(cè)圓筒的連接方式和設(shè)計(jì)條件，按單管板計(jì)算得到要求的雙管板總厚度δ_0;計(jì)算還應(yīng)包括換熱管、殼體等相關(guān)元件的設(shè)計(jì)校核。

b） 對(duì)內(nèi)外管板分別進(jìn)行計(jì)算，確定各自的計(jì)算厚度，且不小于換熱器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小厚度，內(nèi)外管板可以具有不同的厚度：

1）內(nèi)管板：根據(jù)該管板與其兩側(cè)圓筒的連接方式和設(shè)計(jì)條件計(jì)算得到內(nèi)管板厚度δ2，其管板隔離墻的設(shè)計(jì)壓力即作為內(nèi)管板的管程設(shè)計(jì)壓力;

2）外管板：根據(jù)該管板與其兩側(cè)圓筒的連接方式和設(shè)計(jì)條件計(jì)算得到內(nèi)管板厚度δ1，其管板隔離墻的設(shè)計(jì)壓力即作為外管板的殼程設(shè)計(jì)壓力;

計(jì)算還應(yīng)包括換熱管、殼體等相關(guān)元件的設(shè)計(jì)校核，隔離腔的設(shè)計(jì)壓力按隔離腔內(nèi)的工作壓力（常壓或腔內(nèi)介質(zhì)壓力）確定。

c） 兩塊管板的厚度之和應(yīng)滿足：δ1+δ2≥δ0。

3.3 殼程管板與管程管板之間間隙長(zhǎng)度的計(jì)算

氟化氫屬于高度危害介質(zhì)，設(shè)計(jì)雙管板結(jié)構(gòu)時(shí)考慮用連接式雙管板，連接式雙板的圓筒連接元件應(yīng)符合以下規(guī)定：

a）連接式雙管板的內(nèi)外管板間距g應(yīng)滿足式（2-1），的要求，且不小于150mm。

………………………………2-1

其中Δr按式（2-2）計(jì)算：

……………………………2-2

連接式雙管板的圓筒連接元件厚度可根據(jù)結(jié)構(gòu)需要取不小于換熱器圓筒的最小厚度。

其中：g：管板間距，mm;

d：換熱管的外徑，mm;

Δr：內(nèi)外管板之間徑向熱膨脹差，mm;

Et：換熱管材料在其平均金屬溫度下的彈性模量，MPa;

RetL：換熱管材料在平均金屬溫度下的屈服強(qiáng)度，MPa;

Dt：管板布管區(qū)當(dāng)量直徑，mm;

a1：外管板在其平均金屬溫度下的線膨脹系數(shù)，mm/（mm.℃）;

a2：內(nèi)管板在其平均金屬溫度下的線膨脹系數(shù)，mm/（mm.℃）;

ΔT1：外管板平均金屬溫度與制造環(huán)境溫度差，℃;

ΔT2：內(nèi)管板平均金屬溫度與制造環(huán)境溫度差，℃;

3.4換熱管與管板的連接：

殼程管板由于無法焊接，均采用強(qiáng)度脹，管程管板一般采用強(qiáng)度焊加貼脹，若條件苛刻可采用強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹。

3.5 積液程的結(jié)構(gòu)：

對(duì)于無毒，泄漏不需收集，殼程與管程管板之間可不用短節(jié)。由于氟化氫屬于高度危害介質(zhì)，泄漏需收集，不能直接排放到大氣。采用短節(jié)將殼程與管程管板連接在一起，上圖。如果殼程與管程之間管板溫差很大，為了降低殼程與管程管板與換熱管連接處的應(yīng)力，可盡量降低短節(jié)的壁厚，以能承受水壓試驗(yàn)為限，同時(shí)增加一個(gè)膨賬節(jié)。

雙管板換熱器的其他部件計(jì)算與常規(guī)換熱器相同在此就不一一闡述。

4.結(jié)論：

氟化氫冷凝生產(chǎn)過程中的換熱器的腐蝕原因非常多，要減少腐蝕，除了通過改進(jìn)工藝控制無水酸濃度，避免稀酸對(duì)換熱管的腐蝕;提高整個(gè)生產(chǎn)裝置的開工率，技術(shù)改造、完善工藝，改善循環(huán)水水質(zhì)，減少結(jié)垢，降低循環(huán)水中氯離子含量，更為重要的是通過正確的設(shè)備結(jié)構(gòu)，從而減輕換熱器的腐蝕，提高換熱器效率，延長(zhǎng)使用壽命，降低生產(chǎn)成本，保障生產(chǎn)的連續(xù)，均衡，穩(wěn)定。本項(xiàng)目的四臺(tái)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行已超過半年的時(shí)間，沒有發(fā)現(xiàn)任何泄漏，這說明選材、設(shè)計(jì)和制造能夠滿足工程應(yīng)用的要求。