硫酸轉化工段高溫大直徑換熱器設計思路研究

莫春萍 王萬林 李治民 鄭建國（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司,甘肅 蘭州 730060）

能源是二十一世紀下人類發(fā)展與進行必要社會經濟活動的重要物質基礎，因此，新世紀下人類科學技術的創(chuàng)新與發(fā)展和先進能源技術的應用密不可分。近幾年來，隨著我國工業(yè)化和城市化的不斷推進，整個社會對于能源的需求也達到了新的高度。換熱器作為一種能量轉化設備,在石油、化工、冶金等一系列領域中有著重要的應用。以工業(yè)生產中的硫酸轉化工段為例，這一階段使用的換熱器多為大直徑管殼式換熱器，冷、熱流體分別位于換熱管內和殼側，整個熱傳遞工作基于換熱管實現，隨著工序的進行，熱流體溫度逐漸降低，熱量傳遞給冷流體使其溫度升高，進而滿足生產用能的能源需求。在能源供給問題不斷突出的背景下，如何對現有的換熱器進行優(yōu)化設計，從而減少管耗能耗、提升能源使用效率，值得相關企業(yè)與生產人員進一步探究。

1 硫酸轉化工段高溫大直徑換熱器的結構設計思路

大直徑管殼式換熱器整個結構由換熱管束、管箱、管板、折流板等一系列部件組成，整體結構并不復雜，且可由多種結構材料制造，具有較優(yōu)秀的可靠性，考慮到在硫酸制造過程中所使用的換熱器需要在高溫、高壓等惡劣條件下運行，故這類換熱器在硫酸轉化工段已得到普遍應用。下文對大直徑換熱器的換熱管和折流板兩種換熱器核心構件的結構設計進行簡要分析。

1.1 換熱管束的結構設計

理論分析表明，換熱管束構成的傳熱介面中，管子尺寸、介面形狀等一系列因素都會對傳熱效率產生不同程度的影響。當換熱管束直徑較小時，單位體積的換熱面積會由于內部結構更為緊湊而略有上升，導致傳熱系數和傳熱效率有一定提升，但隨著換熱器在惡劣條件下長期運行，過小的換熱管束直徑會使得換熱管在設備運行過程中易出現結垢，且緊湊的內部結構也不利于檢修人員對換熱器殼側進行清洗，使得換熱器換熱效率逐漸下降?？紤]到硫酸轉化工段中的流經換熱管的流體含有較多雜質，故在適當條件下，整個換熱管束的直徑應當略高于使用值，從而在盡可能提升傳熱效率的基礎上降低換熱器后期維護和保養(yǎng)的成本。如果實際生產中對換熱器換熱面積要求較大，且場地原因使得采取加長換熱管長度缺乏可行性時，則需要采取加大殼體直徑并布置多根換熱管的方式實現換熱管束分程，讓流體通過各程管束實現換熱面積的擴大。

而在對換熱管束的中心距離以及排列方式進行設計時，則需要對換熱器的結構、管板的強度、后期維護及保養(yǎng)等一系列工作統籌兼顧，如果兩換熱管束的中心距離過小，過近的焊縫會由于管子工作中產生的熱效應而開裂，如果距離過大，那連接方式就不得不采用脹接連接，所產生的擠壓力不僅會使得管子和管板接觸不良，還會使得管板因長期使用導致變形。實際生產過程中，換熱管在管板上的排列方式可參考如圖1所示的幾種標準排列方式，且換熱管的中心距應介于熱管外徑的1.25倍至1.7倍之間。

圖1: 換熱管的標準排列方式

1.2 折流板的結構設計

為了加快硫酸轉化工段中殼程流體的流速，需要對殼體內的折流板進行結構設計，常用的折流板包括弓形折流板、圓環(huán)一盤式折流板等等?？紤]到硫酸轉化工段的生產條件，采用單弓形折流板與換熱管相垂直放置在殼體內，使得殼程流體能夠多次橫向通過管束，從而增大了流體的湍流度和平均對流換熱系數。選定折流板結構后，還需要對折流板在殼程內的排列方式進行設計，一般弓形折流板在殼程內的排列方式包括上下排列和左右排列兩種，上下排列可使得流體傳輸過程中因多次通過折流板而產生劇烈擾動，適用于對換熱器的傳熱效率要求較高的硫酸生產工序。而左右排列則適用于殼程流體有相變時，多用于硫酸轉化工段臥式的冷凝器或蒸發(fā)器中。此外，由相關計算可知單弓形折流板的缺口高度應當基于殼體內直徑計算得出，且結合折流板的排列方式作適當改進。以左右方向排列方式為例，單弓形折流板的缺口高度可取殼體內直徑的0.4。值得一提的是，現在部分硫酸轉換工段開始將螺旋折流板應用于換熱器的結構中，其原理是利用加工為螺旋狀折流板的扇形板實現流體的螺旋狀斜向流動，從而減小了流體流經換熱器過程中的壓力損失與污垢沉積，提升了換熱器的運行效率。

2 硫酸轉化工段高溫大直徑換熱器優(yōu)化設計思路

2.1 管板厚度的優(yōu)化設計

表1給出了某換熱器的正常操作工況下的應力分析后的應力強度分類，結合殼程液壓試驗工況下應力強度分布的云圖，我們不難看出，在管板厚度位于正常情況時，總應力這項可滿足相關要求，但換熱器的膨脹節(jié)下部區(qū)域以及管板和殼體連接的中部,即圖2所示的圓圈處已達到320MPa和390MPa，超出了膜+彎曲應力這項307.7MPa允許應力范圍。實際上，在換熱器的正常操作工況中，結構較大應力多是由管板和殼體間不均勻分布的溫度載荷所引起的，在管板厚度處于較高水平時，殼體和膨脹節(jié)的在荷載下的變形程度將會擴大，最終引起這些部位處于比較高的應變及應力水平。故在設計過程中，通過適當減小管板厚度，不僅能夠從材料方面實現成本控制，還能夠降低結構所受的應力，幫助企業(yè)創(chuàng)造更大的經濟效益。

表1：正常操作工況下應力強度的分類表（單位:MPa）

圖2: 液壓試驗工況下的應力危險處

圖3: 原設計中管板和殼體連接的示意圖

2.2 管板一殼體連接結構的優(yōu)化設計

傳統設計過程中，換熱器的管板和殼體連接處往往采用小圓角進行過渡，應力分析表明，這部分過渡區(qū)間內容易因幾何形狀變化產生應力集中。如圖3所示，某換熱器管板同殼體連接的上下區(qū)域各存在半徑為5cm的圓角，故優(yōu)化設計過程中，可考慮將圖3中的圓角半徑從5cm擴大至10cm，以降低該處的應力集中，并在適當減小管板厚度的基礎上，設計一個臺階用來放置法蘭墊片，從而提高整臺換熱器的使用壽命。

2.3 下管板的優(yōu)化設計

換熱器設計過程中，下管板所承受的載荷有管、殼程的壓差，以及整個管束及上管箱的重力載荷通過換熱管傳遞到下管板。以60T的上部重量為例，當下管板承受壓力均勻分布時，采取如圖所示的計算公式。（式中K為設備直徑與換熱管直徑的比值，q為載荷的設計值，δ為管板厚度，a為設備直徑）

通過所得值與生產實際情況的分析，發(fā)現若是僅按照管、殼程的設計溫度進行壓力分布測試，則容易使得管板金屬壁溫過高。故為了避免這類現象發(fā)生，可在計算過程中將管板受力視為彎曲應力，其許用應力與其比值取1.2作為修正系數，避免溫度過高的現象產生。

3 結語

在硫酸工業(yè)中的轉化工段，換熱器所處的工作環(huán)境大多是高溫、高壓等惡劣環(huán)境，故換熱器的設計工作相較于其它工序中的設備設計工作也面臨著更高的挑戰(zhàn)。整個設計工作不僅需要對材料和設備結構型式進行簡要甄別，還需要在分析設備的受力情況的基礎上，對包括換熱管束、折流板等重要核心部件進行可靠性分析和結構設計，并采取一系列優(yōu)化工作來提升換熱器的使用壽命。

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