氨碳分離中碳分塔冷卻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李 婷，張永帥

（新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新疆 奎屯 833200）

0 引言

換熱器是最常用的化工設(shè)備，在石油、化工和油田儲(chǔ)運(yùn)集輸系統(tǒng)上有著廣泛的應(yīng)用[1]，而換熱器又是節(jié)能措施中較為關(guān)鍵的設(shè)備，因此，對(duì)于提高能源利用效率，換熱器的合理設(shè)計(jì)、制造、選型和運(yùn)行都具有非常重要的意義[2]。

三聚氰胺，俗稱密胺、蛋白精，是一種三嗪類含氮化合物，通常以尿素為原料生產(chǎn)[3]。三聚氰胺尾氣的回收情況是影響三胺生產(chǎn)整體效益的關(guān)鍵之一[4]。三聚氰胺尾氣采用氨碳分離法進(jìn)行分離回收與其他處理方法相比，該技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保。

氨碳分離裝置主要由碳洗塔、氨分塔、碳分塔、水分塔等設(shè)備組成，整套裝置形成了循環(huán)利用。氨碳分離主要處理由三聚氰胺裝置送來(lái)的尾氣，將解吸分離后的二氧化碳送往尿素裝置，分離的氨氣送往氨氣儲(chǔ)罐。碳分塔底部出來(lái)的甲銨液經(jīng)碳分塔冷卻器回收熱量后，一部分進(jìn)入水分塔頂部，另一部分與水分塔頂部出來(lái)的解吸氣混合，解吸出來(lái)的氨和二氧化碳?xì)怏w由塔頂排出進(jìn)入氨分塔。碳分塔的主要目的是將碳洗塔送來(lái)的濃碳化氨水解吸并分離出二氧化碳，將其送往尿素裝置。在碳分塔內(nèi)碳化氨水與來(lái)自塔底的熱氣體和由塔頂向下流動(dòng)的洗滌液接觸，溶液中的甲銨和碳酸銨發(fā)生分解反應(yīng)：

分解出來(lái)的NH3溶解于水，并與水發(fā)生中和反應(yīng)生成NH4OH：

由于CO2溶解度低，容易從液相中分離出來(lái)進(jìn)入氣相。氣相由下而上運(yùn)動(dòng)與解吸廢液接觸傳熱傳質(zhì)，上升氣流中的氨被水洗滌吸收，使NH3濃度逐漸降低，CO2濃度升高，經(jīng)塔頂排出，送往尿素裝置作為原料被重新利用。

然而，由于甲銨液對(duì)碳分塔的腐蝕特別嚴(yán)重[5]。通過(guò)對(duì)碳分塔冷卻器工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)等，保證了生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，以期為碳分塔冷卻器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 碳分塔存在的問(wèn)題

由于長(zhǎng)時(shí)間使用碳分塔冷卻器，甲銨液腐蝕嚴(yán)重，清潔時(shí)需要通入的蒸汽變少，已不滿足實(shí)際需求，碳分塔冷卻器原設(shè)計(jì)在清潔時(shí)可通入1.4 MPa，17 t/h蒸汽（200 ℃），換熱量8.1 Gcal/h，傳熱系數(shù)超過(guò)1 500 kcal/(h·m2·℃)。后來(lái)冷卻器污垢增加，在2.0 MPa壓力下僅能通入13.5 t/h蒸汽（215 ℃），換熱量6.3 Gcal/h，換熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，導(dǎo)致CO2的轉(zhuǎn)化率偏低，能耗增加。所以對(duì)碳分塔冷卻器進(jìn)行改造以達(dá)到更好的換熱情況。

2 碳分塔冷卻計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1.1 設(shè)計(jì)方案計(jì)算

兩流體的溫度變化：甲銨液由100 ℃到50 ℃，水被加熱，從30 ℃到40 ℃。根據(jù)流體的溫度分布情況，管程流體和殼層流體溫差較大，所以初步選擇浮頭式換熱器。

因?yàn)樵诩卒@液在溫度越高的情況下越易結(jié)垢，為便于換熱管的清洗，應(yīng)使甲銨液走管程，循環(huán)水走殼程。選用與原尺寸相同的的傳熱管，碳鋼管，取管內(nèi)流速u=0.5(m/s)。

計(jì)算熱流量，見公式1。先按照純逆流計(jì)算，平均傳熱溫差為℃，假設(shè)，則估算的傳熱面積為153 m2，冷卻水用量為18.9（kg/s）。

2.1.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)，見公式（2）。

按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度，見公式（3）。

按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，采用與原換熱器相同的管長(zhǎng)3 m，則該冷卻器的管程數(shù)為6，傳熱管的總根數(shù)666根。

按單殼程，六管程結(jié)構(gòu)，查《化工原理》第四版上冊(cè)得校正系數(shù)φ=0.94，平均傳熱溫差見公式（4）。

由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.9，同時(shí)殼程流體流量較大，故選單殼程合適。

傳熱管排列：采用組合排列方法，即每程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列，取管心距為公式（5）。

橫過(guò)管束中心線的管數(shù)見公式（6）。

管束的分程方法，每程各有傳熱管111根，其介質(zhì)流通的順序按圖1中第1個(gè)圖所示，流量設(shè)計(jì)均勻，溫度均衡，加工方便。

采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率為0.78，則殼體內(nèi)徑見公式（7）。

圓整取D=1000mm，采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為250 mm，取折流板的間距300 mm，折流板數(shù)9根，厚度取12 mm折流板圓缺面水平裝配。直徑為16 mm的拉桿8個(gè)。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。

2.1.3 換熱器核算

按管外面積計(jì)算，略去管壁熱阻側(cè)，查《化工原理》上冊(cè)可知，管外污垢熱阻，管內(nèi)污垢熱阻，忽略鋼管壁熱阻，傳熱系數(shù)K0見公式（8）。

所需換熱面積見公式（9）。

面積裕度為14%，該換熱器符合生產(chǎn)需求。

塑料吸管雖然并不是全球塑料污染危機(jī)中的核心，但如果人類社會(huì)能夠從解決這個(gè)小問(wèn)題做起，我們距離生態(tài)和諧的目標(biāo)就又近了一步。

2.1.4 換熱器內(nèi)流體的阻力損失

管程流體阻力見公式（10）。

殼層阻力損失見公式（11）。

由于該冷卻器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。

2.2 設(shè)計(jì)排列方式

設(shè)計(jì)的碳分塔冷卻器與原冷卻器并聯(lián)使用，熱流體為并聯(lián)使用，冷流體為串聯(lián)使用，見圖2。

第1臺(tái)換熱器熱流量見公式（12）。

第2臺(tái)換熱器熱流量見公式（13）。

總熱流量見公式（14）。

2.3 強(qiáng)度計(jì)算

焊接方式：選為雙面焊對(duì)接接頭，100%無(wú)損探傷，故焊接系數(shù)φ=1。

低合金鋼板16 MnR，許用應(yīng)力[σ]=163 Mpa，取焊縫系數(shù)φ=1，C1=0，腐蝕裕度C2=2 mm，計(jì)算厚度6.5 mm，設(shè)計(jì)厚度 8.5 mm，名義厚度 11 mm，有效厚度9 mm。

因腐蝕的筒體最小厚度為9 mm，故本次設(shè)計(jì)的厚度合理。

水壓實(shí)驗(yàn)壓力見公式（15）。

則校核水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)圓筒的薄膜壓力σT見公式（16）。

見公式（17）比較，水壓實(shí)驗(yàn)滿足要求。

本次設(shè)計(jì)從換熱面積、阻力損失、壁厚、水壓實(shí)驗(yàn)等的核算來(lái)看，此次設(shè)計(jì)的冷卻器適用。本文冷卻器的設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)果見表1。

表1 冷卻器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與優(yōu)化前后結(jié)果

此次碳分塔冷卻器的設(shè)計(jì)前后主要數(shù)值比較見表2，在冷卻器的設(shè)計(jì)中，主要依據(jù)從初步計(jì)算中的換熱面積、換熱長(zhǎng)度，再進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算，符合本廠的實(shí)際要求，在設(shè)計(jì)前冷卻器的污垢增加，重新設(shè)計(jì)增加新的換熱器后，換熱量達(dá)到5815.74 kj/s，換熱量提升，CO2轉(zhuǎn)化率提高2.3%，尿素日產(chǎn)量提升2.59%，噸尿素蒸汽消耗減少10.24%，工藝穩(wěn)定，保證系統(tǒng)水平的平衡，綜合能耗指標(biāo)明顯下降。

4 結(jié)語(yǔ)

換熱器的熱工計(jì)算是換熱器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，只有經(jīng)過(guò)對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的不斷調(diào)整，反復(fù)計(jì)算，才能使換熱器的性能更高，設(shè)計(jì)更加合理。本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)工廠實(shí)際需求多增加并聯(lián)使用浮頭式換熱器，通過(guò)校驗(yàn)，查驗(yàn)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，符合設(shè)計(jì)要求，按照常規(guī)的方法和步驟，取實(shí)際的殼體內(nèi)徑為1 000 mm，傳熱管的長(zhǎng)度為3 m，總根數(shù)666根，單殼程六管程。

本次設(shè)計(jì)雖然很大程度解決了換熱效果，但是對(duì)腐蝕的具體原因還掌握不清，在后期的工藝推進(jìn)中可更側(cè)重對(duì)換熱器腐蝕預(yù)防工作改進(jìn)。