空分装置用双管板蒸汽加热器的设计和制造①

牛玉振

(开封空分集团有限公司设计研究院,河南开封 475002）

空分装置用双管板蒸汽加热器的设计和制造①

牛玉振

(开封空分集团有限公司设计研究院,河南开封 475002）

详细介绍了空分设备中双管板蒸汽加热器技术特点及应用。从结构设计、热力计算、技术要领等方面阐明了双管板蒸汽加热器设计制造的诸多问题。

双管板;蒸汽加热器;设计;技术要领;结构

在空分设备中为了再生分子筛,需要用蒸汽将污氮加热到 180℃左右,然后进入分子筛吸附器对分子筛进行再生。污氮在蒸汽加热器中被蒸汽加热到分子筛再生时所需要的温度,而且决不允许有蒸汽渗入污氮侧,要严禁两种介质混合。经过多年的设计及制造实践,证明了蒸汽加热器采用双管板结构是可靠的。目前在空分装置中再生污氮的加热均采用双管板蒸汽加热器,该设备为保证空分装置正常运行起到了重要的作用。

1 双管板蒸汽加热器的特性

以下对双管板蒸汽加热器的特性加以阐述(如图 1所示）。

这种换热器主要用于管壳程介质不能相互渗透的场所。为保证管子与管板的连接强度和密封性能,可采用各种连接方法。在操作中由于介质腐蚀、温度、压力作用,特别是压力、温度的波动或突然变化 (如开车、停车、不正常操作）,往往使管子与管板连接处产生不同程度的泄漏。少量的泄漏在一般化工工艺中影响不大,是许可的,但有些条件是不允许管程和壳程的两种流体混合。在这些情况下,可以考虑采用双管板结构。其作用不是消除漏泄,而是防止壳程 (或管程）漏出的流体混进管程 (或壳程）。双管板的造价要比单管板高些,每个管板的厚度根据各自所接触的介质压力和垫片直径分别进行强度计算。

图 1 双管板蒸汽加热器示意图Fig.1 Shem atic fig.of doub le-tubesheet steam heater

双管板结构型式主要在下列情况下采用:

(1）单独流体腐蚀不强,两种流体混合的产物有强腐蚀性; (2）一种为剧毒介质,如果渗入到另一程内,会引起剧毒的物质波及到大面积的场合;(3）两种介质混合后,产生树脂或高聚合物,混进的介质使化学反应停止或逆向; (4）两种介质混合后燃烧或爆炸;(5）混进的介质污染产品。

图 2 内外管板放大图Fig.2 Magnified fig.of internal&external tubesheets

双管板蒸汽加热器制造时,一般采用重叠法数控机床钻孔,控制管孔直径、垂直度及管孔间距。为利于穿管,管板和折流板的钻孔方向应与穿管方向一致。两组双管板分别按钻孔方向预穿。将折流板叠置钻孔,按钻孔方向逐块做顺序号和正、反面的标记,以保证不会发生位移而产生错孔现象。每块折流板正、反面的管孔均要仔细倒角、清除毛刺,防止穿管时损伤管子。另外内管板与管子的连接采用胀接,管子与外管板的连接采用胀焊并用。所以管子与管板的连接是这种换热器的质量优劣的关键所在,这也是制造这类换热器的核心技术。现在国内只有少数厂家掌握这种换热器的制造工艺。在设计双管板换热器时也必须考虑到温度变化因素,当流体在沿着流动方向温度变化时,管子、筒体会产生不同的膨胀和收缩,在筒体、管束上除了内压产生的薄膜应力外,还产生附加的弯曲应力和剪切应力,这将影响管子与管板连接处的强度和密封性能。如果壁温的变化是周期性的,管束还会产生疲劳破坏。

另外在结构上还要考虑漏出的介质从双管板之间的收集。如果要密封泄漏的缝隙,可用压力高于壳程或管程的一种惰性流体充满隔罩,这种隔罩由外管板与内管板间的环室形成。通过环室可以检查管壳程有无泄漏,环室内有惰性流体并维持一定压力,即使管壳程有泄漏,装置也可维持运行到检修。

双管板与换热管的连接顺序:先采用柔性液压胀接内管板与换热管,后焊接外侧管板与换热管。

(1）内侧管板与换热管的柔性胀接:见图 3,这也是这类换热器制造的关键技术,一定要确保内管板的可靠胀接,要一次胀接成功。采用二次不同胀紧力 (第二次略大于第一次）适当延长胀接内管板的时间,严防内管板的泄漏。不然检漏时无法检测到管板的泄漏位置,只能是靠经验来对某一区域补胀。

(2）外侧管板与换热管焊接:按制造工艺对管子采用氩弧焊,对焊缝进行 100%磁粉检测。

(3）由于换热管采用 ST 35,管板为 16MN III,管板与换热管硬度差小,这也增加了胀接的难度。

图 3 内管板与管子的连接图Fig.3 Connection fig.for internal-tubesheetand tube

2 双管板蒸汽加热器设计与性能分析

在设计 40 000 Nm3/h大型空分设备中的蒸汽加热器时,采用双管板型。设计参数如表 1。

表 1 原始参数表Tab.1 Source data list

用 HTFS TASC5.01管式换热器计算模拟软件进行方案对比,由于该换热器的设计有两个关键点:1.由于污氮压力低,流速高对换热有利,但将使阻力增大,进而使上塔压力高,能耗增大,必须严格控制污氮侧阻力,其控制值是△P＜3 kPa; 2.确保污氮加热至 453 K,从而保证对分子筛的再生温度。最终确定蒸汽加热器的总传热面积为1226m2,筒体尺寸为Φ1454×16 mm,管板采用16MN III,换热管采用Φ16×1.5×3600mm,单台根数为 4001根,材料为进口管 ST35, (相当于 10号优质碳素钢）,采用两台并联。设备总长达到 6 m,重量达 30 t。

图 4 水蒸汽的温焓图Fig.4 Temperture&enthalpy ofwater steam

图 5 污氮的温焓图Fig.5 Temperture&enthalpy ofweste nitrogen

各介质的 T-H-X图见图 4和图 5。图 4为水蒸汽的温焓图,图 5为污氮的温焓图。

通过方案的计算可清楚地反映在换热器内介质热量传递的情况。在蒸汽加热器中污氮的操作压力为 1.1 Bar,所以计算中一定要控制它的流动阻力。通过计算阻力值见表 2、3。

表2 壳程阻力降分配值Tab.2 Shellside pressure drop distributions

表3 管程阻力降分配值Tab.3 Tubeside pressure drop distributions

从计算结果可以看出:蒸汽、污氮在换热器的各部分阻力,其值都在控制的范围之内。传热与阻力是一对互相矛盾体,所以在设计时要尽可能的使换热器体积小而传热效果优良,又能符合阻力的要求。通过在计算中利用计算模拟软件对各种方案进行筛选,并考虑设备的变工况弹性操作和设计的理想值与实际运行的差异,应对模拟计算结果给予修正。

四万空分装置双管板蒸汽加热器运行情况表明,设备换热性能良好,并有非常高的可靠性。蒸汽加热器采用双管板结构,完全满足了大型空分装置的需求,但其制造过程必须严格控制。近年来按照文中设计方法及制造工艺制造了数百台双管板蒸汽加热器,其质量可靠、稳定,使用至今均运行正常。

[1]杨世铭,陶文铨 .传热学 [M].4版 .北京:高等教育出版社,2006.

[2]尾花英朗 .热交换器设计手册 [M].1996.

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[4]牛玉振,于 旺,王晓芳 .蒸汽加热器的设计[C]//2005年空分技术论文集 .

Design&Fabr ica tion of Doub le-Tubesheet Steam Hea ter Used in A ir Separa tion Plan t

N IU Yu-zhen
(Design&Research Institute of Kaifeng A ir Separation Group Co.,L td.,Kaifeng 475002,China）

The technology and app lication of double-tubesheet steam heater in air separation p lant are introuduced in details.A seriesof design andm anufacture problem swere c larified from the aspectsof the structural design,therm al calcu lation,technical essentials.

doub le-tubesheet;steam heater;design;techno logy essentials;structure

TQ051.5

B

1007-7804(2010）01-0014-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2010.01.004

2010-01-13

牛玉振,男,56岁,自 1982年来长期从事换热设备的设计工作,现任开封空分集团有限公司空分设计研究院换热室主任。