陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器的設(shè)計(jì)優(yōu)化

莫春萍，洪 濤，田 靜，李治民，呂雅青，岳文博，鄭建國

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 概述

60 萬t/a 以上硫酸裝置干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器流體循環(huán)量大，溫差大。筆者以冶煉煙氣制酸裝置中干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器為例，對冷卻器進(jìn)行工藝核算，闡述流體沖刷腐蝕、大流體誘發(fā)換熱管束振動(dòng)、陰極合理布置（使電流均勻分布）問題，并提出相應(yīng)的解決方法，保證設(shè)備滿足現(xiàn)場工況條件要求。

1 陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器的工藝設(shè)計(jì)

陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器合理的工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將直接影響整個(gè)干吸工段的生產(chǎn)效益和安全性，整體設(shè)計(jì)符合GB/T 151—2014《熱交換器》［1］。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

來自凈化工段經(jīng)二級電除霧器處理的煙氣從干燥塔下部進(jìn)入，與塔頂噴淋下來的w（H2SO4）93%的硫酸充分接觸，進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱，具有強(qiáng)吸水性的硫酸將煙氣中的水分充分吸收后，煙氣經(jīng)絲網(wǎng)除沫器、鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入吸收塔。干燥塔的陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器位于干燥塔和酸泵之間，酸泵出口之后，屬于泵后流程。干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器主要結(jié)構(gòu)形式為固定管板式換熱器，換熱面積為1 545 m2，殼體直徑DN 1 750 mm，設(shè)計(jì)條件見表1。

表1 干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器設(shè)計(jì)條件

根據(jù)表1設(shè)計(jì)條件可以看出，濃硫酸循環(huán)酸量大，溫差大，酸側(cè)出口溫度與循環(huán)水側(cè)出口溫度接近，導(dǎo)致傳熱推動(dòng)力小，所需換熱面積大。針對這些因素，干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器設(shè)計(jì)過程中需要注意以下問題：進(jìn)口處出現(xiàn)大流體的沖刷腐蝕，設(shè)備內(nèi)部易于誘發(fā)流體振動(dòng)，以及須進(jìn)行合理陰極布置以保證電流均勻分布。

1.2 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器根據(jù)制酸方式不同，設(shè)計(jì)參數(shù)也不同，干燥塔的入塔硫酸溫度一般控制在≤45 ℃，出塔硫酸溫度控制在55 ～65 ℃，冷卻器的整體運(yùn)行溫度偏低，出口酸溫接近出口循環(huán)水溫度，傳熱推動(dòng)力下降。為此考慮采用雙管程形式改變冷卻水流速來提高傳熱系數(shù)，或者增加循環(huán)水量提高傳熱推動(dòng)力和傳熱系數(shù)。兩種方式均不改變進(jìn)出涼水塔總循環(huán)水量和傳熱溫差，干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器優(yōu)化參數(shù)對比見表2。

表2 干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器優(yōu)化參數(shù)對比

3 個(gè)方案設(shè)備尺寸變化不大，酸側(cè)流速和壓降基本相同，完全滿足陽極保護(hù)使用范圍，方案主要通過改變管程參數(shù)來優(yōu)化換熱面積。對比發(fā)現(xiàn)：（1）在同樣安全余量下，提高循環(huán)水量后所需的換熱面積最小，性價(jià)比最高，單管程次之，雙管程所需換熱面積最大。（2）雙管程循環(huán)水側(cè)流速提高了1倍，總傳熱系數(shù)增加了8.8%，但由于雙管程一程為逆流傳熱，另一程為并流傳熱，導(dǎo)致△Tm降低12%，提高的換熱效率不足以彌補(bǔ)傳熱推動(dòng)力的減??；同時(shí)因雙管程隔板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致殼體增大，降低了換熱效率，增加了設(shè)備成本，故方案不采用；（3）干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器整體運(yùn)行溫度偏低，干吸工段總循環(huán)水量為5 360 m3/h，可以通過將循環(huán)水量增加210 m3/h，改變出口水溫來提高傳熱推動(dòng)力，進(jìn)而至少可減少換熱面積125 m2；同時(shí)對吸收酸進(jìn)行核算，由于總循環(huán)水量一定，增加干燥酸冷卻器循環(huán)水量勢必導(dǎo)致吸收酸冷卻器循環(huán)水量減少，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)換熱面積僅增加10 m2，影響基本可以忽略，按照市場價(jià)格計(jì)算，設(shè)備總成本可降低32.2萬元，最終確定采用此方案。

1.3 進(jìn)管束防沖刷結(jié)構(gòu)

硫酸進(jìn)入殼程時(shí)不僅對換熱管造成嚴(yán)重的沖刷腐蝕，還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱管束劇烈振動(dòng)，引起換熱器泄漏。設(shè)計(jì)中考慮在殼程進(jìn)口處設(shè)置特殊防沖刷結(jié)構(gòu)，降低流體對換熱管的沖擊力，避免濃硫酸直接沖擊到換熱管外壁。硫酸經(jīng)過防沖刷結(jié)構(gòu)旁邊的流道均勻、緩慢地流過換熱管，降低可能出現(xiàn)的硫酸擾動(dòng)對鈍化膜的影響以及大循環(huán)酸量對換熱管的磨損。

防沖刷結(jié)構(gòu)所占空間較大，同時(shí)需考慮陰極、拉桿等占用的未布管區(qū)域，合理計(jì)算防沖刷結(jié)構(gòu)及進(jìn)出口流通面積，避免設(shè)置防沖刷結(jié)構(gòu)后進(jìn)口處流通面積不足，以及避免酸流速與壓降增加、換熱管不均勻加熱而產(chǎn)生熱應(yīng)力等問題。根據(jù)GB/T 151—2014 中“防沖刷結(jié)構(gòu)-局部布管”計(jì)算殼體進(jìn)口面積和管束進(jìn)口面積，DN700 接管進(jìn)口處的ρv2接近標(biāo)準(zhǔn)界限值2 230 kg/（m · s2），改為喇叭口接管形式設(shè)計(jì)后進(jìn)口ρv2為1 461 kg/（m · s2），喇叭口接管+防沖刷結(jié)構(gòu)殼體進(jìn)口ρv2為719 kg/（m ·s2），管束進(jìn)口ρv2為926 kg/（m·s2），相對于沒有防沖刷結(jié)構(gòu)的DN700 接管，分別減小39.12%、12.14%（見表3）?？梢钥闯觯瓤谛问?防沖刷結(jié)構(gòu)有利于減小殼體進(jìn)口和管束進(jìn)口的沖刷力。

表3 干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器優(yōu)化參數(shù)對比kg/（m·s2）

防沖刷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮強(qiáng)度和剛度，尺寸比較大時(shí)應(yīng)考慮增加厚度，防止防沖刷結(jié)構(gòu)過薄造成本身撓度過大。干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器換熱管為三角形排列，窗口區(qū)不布管，防沖刷結(jié)構(gòu)應(yīng)牢固焊接，避免大沖擊力使防沖刷結(jié)構(gòu)脫落，出現(xiàn)無規(guī)則亂竄而撞擊管束，造成防沖刷結(jié)構(gòu)失效。

1.4 防止流體誘發(fā)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)

隨著流體的流動(dòng)，換熱器內(nèi)的換熱管、折流板等組件產(chǎn)生微小振動(dòng)。當(dāng)大流體進(jìn)入設(shè)備時(shí)，誘發(fā)振動(dòng)的頻率與組件的固有頻率一致或接近，組件振幅增大而導(dǎo)致管束破壞。換熱管是換熱器的核心部件，是換熱器中撓性最大的部件，也是誘發(fā)振動(dòng)后被破壞最嚴(yán)重的部件，換熱管的損壞將直接影響換熱器的使用和壽命。因此，在干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器的設(shè)計(jì)中一定要避免流體誘發(fā)振動(dòng)。

干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器直徑較大，管束支撐、管束振動(dòng)為該設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器的管程介質(zhì)為冷卻水，殼程為w（H2SO4）93%的硫酸。管程中的循環(huán)水對管束振動(dòng)影響很小，整個(gè)管束主要以傳質(zhì)和傳熱為主，流體誘發(fā)振動(dòng)主要發(fā)生在殼程中，破壞情況如下：（1）折流板對換熱管的損傷。為了便于穿管，折流板開孔略大于換熱管直徑0.40 ～0.45 mm，當(dāng)折流板較薄時(shí)，換熱管撞擊產(chǎn)生特有形狀的磨損，換熱管振動(dòng)會(huì)在管壁與折流板孔邊緣之間產(chǎn)生較大的接觸力，這種力量對換熱管有一種割鋸作用，會(huì)使換熱管壁在極短時(shí)間內(nèi)開裂。（2）接頭泄漏。換熱管振動(dòng)時(shí)，管頭與管板連接處受力較大，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致脹接或焊接點(diǎn)的損壞，造成管板接頭處介質(zhì)泄漏。（3）應(yīng)力疲勞。換熱管的振幅較大時(shí)，換熱管反復(fù)彎折的扭彎應(yīng)力較高，長期連續(xù)振動(dòng)會(huì)使換熱管斷裂，同時(shí)硫酸的腐蝕作用也會(huì)加速這種損傷。（4）當(dāng)換熱管的振幅達(dá)到足以使換熱管發(fā)生撞擊時(shí)，將破壞換熱管表面已經(jīng)產(chǎn)生的鈍化膜，致使鈍化膜不能有效形成和保持維鈍狀態(tài)，加速設(shè)備的損壞。

干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器循環(huán)酸量大，殼程進(jìn)管束區(qū)及橫流速度高，壓降大，如果忽略設(shè)備局部位置流速很容易造成酸速超過極限流速誘發(fā)管束振動(dòng)，同時(shí)破壞陽極保護(hù)鈍化膜。因此，在設(shè)計(jì)初始需要反復(fù)計(jì)算設(shè)備進(jìn)口處、管束區(qū)、窗口區(qū)及橫流速度，保證殼程流速滿足陽極保護(hù)使用條件，同時(shí)通過調(diào)整無支撐跨距改變換熱管束的振動(dòng)趨勢，干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器優(yōu)化方案調(diào)整前后的振動(dòng)特性參數(shù)見表4。

表4 調(diào)整前后設(shè)備進(jìn)口、管束、出口處振動(dòng)特性參數(shù)

從表4振動(dòng)特性參數(shù)可以看到，調(diào)整前的管束固有頻率、紊流抖振振幅、渦旋脫落振幅較大，整個(gè)換熱管長度區(qū)均有振動(dòng)，這主要是由于流體循環(huán)量大，進(jìn)出口處流速高，卡曼渦旋、湍流抖振的頻率隨之增大，接近管束的固有頻率而誘發(fā)共振。減小殼程濃硫酸橫流速度雖然會(huì)降低卡曼漩渦、湍流抖振頻率，但同時(shí)也會(huì)降低換熱器的傳熱效率；因此，通過在換熱管二階振型的節(jié)點(diǎn)處增設(shè)支撐板，改變固有頻率，避免振動(dòng)發(fā)生。

干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器通過減少弓形缺口區(qū)的換熱管數(shù)量、增大換熱管間距、改變管束排列角度、設(shè)置防沖刷結(jié)構(gòu)來控制進(jìn)口區(qū)流動(dòng)速度、降低無支撐跨距等，將振動(dòng)特性參數(shù)調(diào)整至安全范圍內(nèi)，保證設(shè)備內(nèi)所有位置酸速均小于陽極保護(hù)極限流速，確保局部酸速安全可靠。

1.5 陰極布置結(jié)構(gòu)

解決陰極布置問題是大型陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。陰極布置決定陽極電位分布的均勻性，也就是要確定有效保護(hù)半徑內(nèi)電位和電流的分布和衰減規(guī)律，保證維鈍電位能夠維持在鈍化區(qū)間。

干燥塔陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器換熱面積為1 545 m2，相同陽極電流密度下所需陰極面積較大，需要使用多根陰極；設(shè)備總長為11 m，為保證電流電位分布均勻，同時(shí)便于停車檢修抽取陰極，可采用多組陰極插入方式［2］；布置按照換熱管截面以單陰極電流分布的圓周區(qū)域當(dāng)量直徑劃分單陰極陽極保護(hù)范圍，同時(shí)根據(jù)設(shè)備直徑、換熱面積確定最終陰極數(shù)量及陰極位置，保證單陰極電場衰減邊緣區(qū)換熱管處于多陰極電場疊加區(qū)，保證邊緣區(qū)換熱管的維鈍效果。陰極表面采用一次成型的熱擠壓加工工藝進(jìn)行四氟乙烯絕緣套管，增大了絕緣層與陰極的貼合度，四氟乙烯套管上按照電流在陰極長度方向上衰減的趨勢，由疏到密進(jìn)行開孔，保證發(fā)散電流大小能夠使陽極保護(hù)電位穩(wěn)定在鈍化區(qū)，并使陽極表面電位值盡量接近，有效解決大型陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器由于陰極材料電阻和硫酸溶液電阻引起的電位衰減所造成的不銹鋼陽極表面鈍化差異。

2 結(jié)束語

大型陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器在優(yōu)化計(jì)算中應(yīng)著重考慮并采取有效措施應(yīng)對大流體造成運(yùn)行設(shè)備局部沖刷腐蝕及誘導(dǎo)振動(dòng)情況，保證合理布置陰極使電流均勻分布。目前60 萬t/a 以上硫酸裝置的上百臺在役大型陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器已正常運(yùn)行，均能滿足現(xiàn)場使用工況，對今后大型陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。