雙殼程陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器的設(shè)計(jì)

莫春萍，田 靜，李治民，陶曉宇，趙爾濱

（1.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；2.中國石油天然氣股份有限公司吉化（揭陽）分公司，廣東 揭陽 522000）

陽極保護(hù)濃硫酸冷卻器自1989 年開始工業(yè)應(yīng)用以來，由于運(yùn)行安全可靠、使用壽命長、操作方便、可以回收低溫位熱能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)完全替代原有的鑄鐵排管冷卻器，成為硫酸裝置中的關(guān)鍵設(shè)備。大型硫酸裝置中干吸酸冷卻器由于循環(huán)酸量大、熱量大，造成所需換熱面積相對較大，壓降較高。成品硫酸冷卻器工藝特點(diǎn)則正好相反，首先，為方便儲(chǔ)存，成品硫酸溫度一般需要冷卻至39 ℃左右，否則會(huì)出現(xiàn)酸溫過高而導(dǎo)致儲(chǔ)罐被腐蝕，其出口溫度與循環(huán)水側(cè)出口溫度接近，形成了溫度交叉，需要增加換熱管長度避開交叉點(diǎn)，才能滿足工藝要求；其次成品硫酸換熱溫差大，循環(huán)硫酸量很小，熱量小，導(dǎo)致酸側(cè)、水側(cè)流速都很低，難以形成湍流模式，在一定程度上增加了換熱面積。

為了有效提高陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器的對流傳熱系數(shù)，在對比單殼程單管程、單殼程雙管程設(shè)計(jì)后，最終確定采用雙殼程雙管程結(jié)構(gòu)。通過中間隔板將殼程分割為2 個(gè)半圓筒形，截面積縮小1/2，使殼程介質(zhì)的流速提高一倍，雷諾數(shù)得到提高，管程介質(zhì)與殼程介質(zhì)由單殼程雙管程的一半并流、一半逆流變成純逆流，極大地改善了流體的湍流程度，減小了設(shè)備換熱面積，使陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、成本低、所需投資少等優(yōu)勢。

1 陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器的現(xiàn)狀

陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器屬于大溫差、小流量的工況，冷卻器的選型一直都是難題。由于殼程循環(huán)硫酸量很小，傳熱系數(shù)較低，嚴(yán)重影響整臺(tái)設(shè)備的傳熱系數(shù)。為滿足小流量和低流速的要求而選用小直徑冷卻器時(shí)，會(huì)因換熱面積不足而達(dá)不到換熱要求；若增加換熱管管徑，會(huì)導(dǎo)致流速減慢而大幅度降低傳熱系數(shù)，小流量流體在設(shè)備內(nèi)處于近乎靜止的狀態(tài)；若增加換熱管長度，冷卻器又會(huì)過于細(xì)長，因現(xiàn)場場地有限而無法放置。

采用雙殼程雙管程結(jié)構(gòu)可以有效解決上述陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器存在的問題，同時(shí)避開單殼程雙管程的溫度交叉，避免為提高殼側(cè)換熱效率而過多地使用折流板造成設(shè)備制造裝配難度大、成本增加的情況，為現(xiàn)場節(jié)約場地。

2 雙殼程冷卻器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

雙殼程冷卻器的主要結(jié)構(gòu)形式與固定管板式基本相同，區(qū)別是在管束中心放置一塊縱向隔板，通過縱向隔板將殼程對稱地形式一分為二，折流板也被上下隔開，交錯(cuò)分布于上下殼體（見圖1）。雙殼程冷卻器壓降比相同換熱面積的單殼程冷卻器要大，雙殼程只需要較小的流速就可以形成湍流，從而達(dá)到提高殼程流體對流傳熱系數(shù)的目的。

圖1 縱向隔板及殼程流體流動(dòng)形式示意

雙殼程冷卻器能實(shí)現(xiàn)冷、熱流介質(zhì)在純逆流條件下進(jìn)行熱交換，其溫差校正系數(shù)接近1；在殼體直徑不變的前提下將殼程流道長度增大1倍，提高總傳熱系數(shù)。

雖然雙殼程冷卻器特殊的縱向隔板結(jié)構(gòu)可以有效提高設(shè)備的換熱效率，但是也會(huì)相應(yīng)增加設(shè)備的組裝及制造難度?？v向隔板對稱地放置在殼體中間，因此需要同兩側(cè)殼體間保持良好的密封，否則當(dāng)密封失效或隔板變形時(shí)，將會(huì)引起兩側(cè)殼程之間的泄漏甚至短路，導(dǎo)致?lián)Q熱效果不達(dá)標(biāo)。此外雙殼程冷卻器易出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)以及結(jié)構(gòu)改變引起的陰極電流分布不均、維鈍電流疊加等，這些問題均應(yīng)在設(shè)計(jì)之初予以充分考慮。

3 雙殼程陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器的優(yōu)勢

以某廠陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器工藝為例，吸收塔分流出w（H2SO4）98%的硫酸送入成品硫酸冷卻器，酸溫從95 ℃降低至39 ℃，然后送入成品儲(chǔ)槽備用。陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器的換熱管排列形式為正三角，折流板為弓形折流板。其設(shè)計(jì)條件列于表1，結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表2。

表1 陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器設(shè)計(jì)條件

表2 陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

根據(jù)陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器工藝參數(shù)，對單殼程雙管程、單殼程單管程、雙殼程雙管程3種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行計(jì)算。雙殼程雙管程的殼程流速最大，殼程阻力降最大，約為單殼程單管程的1.68倍，在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，傳熱效率提高約22%，管程流速為單殼程單管程的2倍，雙殼程雙管程與單殼程單管程的△tm校正系數(shù)均趨近于1。

表2對比發(fā)現(xiàn)：（1）在同樣安全余量下，雙殼程雙管程的冷卻器所需換熱面積最小，性價(jià)比最高，單殼程單管程次之，單殼程雙管程所需面積最大；（2）由于單殼程雙管程冷卻器其中一程為逆流傳熱，另一程為并流傳熱以及折流板引起的錯(cuò)流傳熱，導(dǎo)致了冷流體在某些區(qū)域被加熱，又在其他區(qū)域作為“熱載體”加熱了熱流體，這些區(qū)域?qū)⒉辉偈怯行У膿Q熱面積，在管程溫度為41.5 ℃附近出現(xiàn)了交叉點(diǎn)，對流平均溫差校正系數(shù)低于0.7，為避開溫度交叉需要2臺(tái)以上設(shè)備串聯(lián)使用，故方案不予采用；（3）由于酸側(cè)流量小，單殼程單管程硫酸冷器的殼程、管程流速相對較低，因此在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了多塊折流板來增加擾流程度，這不僅增加了硫酸冷器制造難度，而且還提高了設(shè)備的成本投入。對比雙殼程雙管程結(jié)構(gòu)，單殼程單管程傳熱系數(shù)低，所需換熱面積增大約15%，沒有明顯優(yōu)勢。不難看出，陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器這種小流量低傳熱系數(shù)的工況，采用雙殼程雙管程結(jié)構(gòu)最具優(yōu)勢。

4 雙殼程陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器設(shè)計(jì)中需要解決的問題

雙殼程冷卻器有較高的綜合性能，它屬于純逆流換熱，傳熱效率高，但如果雙殼程中間隔板處密封不嚴(yán)，極易發(fā)生漏流現(xiàn)象，導(dǎo)致無法達(dá)到原設(shè)計(jì)要求，因此縱向隔板的密封就成了雙殼程換熱器設(shè)計(jì)與制造的關(guān)鍵步驟。除此之外，殼程介質(zhì)的流動(dòng)死區(qū)現(xiàn)象，也會(huì)造成換熱不充分。

因此在雙殼程陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器設(shè)計(jì)中需要解決縱向隔板的密封問題、殼程流動(dòng)死區(qū)以及雙殼程冷卻器結(jié)構(gòu)帶來的陰極、參比電極布置和電流電位均勻分布問題。

4.1 縱向隔板的密封

殼程內(nèi)壁與縱向隔板的密封是雙殼程設(shè)備設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵步驟。大部分廠家縱向隔板密封采用抗高溫性能及抗變形能力強(qiáng)并具有足夠彈性和柔韌性的密封帶。密封帶用壓條及螺栓沿隔板兩側(cè)固定。管束插入殼體時(shí)，將彈性密封帶向殼程入口一側(cè)彎曲，依靠密封帶自身的回彈和殼程進(jìn)出口的壓差，將密封帶緊緊貼在殼壁上，以實(shí)現(xiàn)兩殼程間的密封。圖2為雙殼程密封帶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 雙殼程密封帶結(jié)構(gòu)示意

密封帶形式不適用于硫酸這種強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)。硫酸會(huì)不斷沖刷殼體密封帶處的壁面，同時(shí)酸液雜質(zhì)也會(huì)不斷地打磨壁面，導(dǎo)致發(fā)生“微動(dòng)腐蝕磨損”，使生成的鈍化膜被反復(fù)破壞，最終導(dǎo)致殼體壁面減薄、磨穿，造成漏流甚至泄漏；另外在高溫工況下，由于密封材料的各連接件溫度不同，線膨脹系數(shù)亦不同，而線膨脹系數(shù)不同在安裝時(shí)很容易發(fā)生螺栓松動(dòng)、壓緊面分離，導(dǎo)致密封墊片移動(dòng)頻發(fā)而泄漏。因此，陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器不宜采用密封帶形式。為避免漏流等問題，設(shè)備殼體與縱向隔板采用全焊透焊接結(jié)構(gòu)。

陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器外形尺寸較小，筒體直徑為650 mm，1/2殼體空間狹小，無法在筒體內(nèi)壁與縱向隔板進(jìn)行焊接。為保證不會(huì)漏流，設(shè)備殼體與縱向隔板采用全焊透焊接，一側(cè)管板與縱向隔板完成上下兩道焊接，弓形折流板用拉桿固定在管板上，然后穿換熱管；筒體完成縱焊縫和環(huán)焊縫的焊接，沿中心線方向剖開，用鋼卡固定保證半殼體剛性和圓度，放入管束后對接上半部殼體；其中半殼體開50°坡口，鈍邊高度為2 mm，組對間隙為2.5 mm，保證上下半邊殼體與縱向隔板的焊接，然后殼體與管板再焊接，因殼程介質(zhì)為高溫硫酸，硫酸具有腐蝕性，管子與管板的連接采用強(qiáng)度焊加貼脹?？v向隔板厚度計(jì)算要考慮承受的壓差作用以及折流板對隔板的支持作用，同時(shí)縱向隔板的直線度要求應(yīng)當(dāng)參照國標(biāo)對殼體直線度的要求。另外為了平衡兩程壓力，在縱向隔板上開設(shè)若干φ6 mm的淚孔。圖3為縱向隔板與筒體的焊接示意圖。

圖3 縱向隔板與筒體的焊接示意

4.2 殼程進(jìn)出口區(qū)域的流動(dòng)死區(qū)

流體總是流向阻力小的區(qū)域，如果按照圖1設(shè)置的進(jìn)、出酸口，雙殼程硫酸冷卻器將存在2個(gè)問題：（1）殼程進(jìn)、出酸口如果設(shè)置在設(shè)備正上方和正下方，那么折流板前后流動(dòng)死區(qū)和回流區(qū)極為明顯，使有效換熱面積減小，設(shè)備局部過熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)溫度持續(xù)上升，使系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備、管道處于高溫狀態(tài)，最終加劇腐蝕；（2）濃硫酸進(jìn)入設(shè)備后大部分流體沒有擾流第一塊折流板而直接流向了第二塊折流板，而出口處濃硫酸擾流倒數(shù)第二塊折流板后大部分流體沒有擾流最后一塊折流板就直接流出了，這兩處區(qū)域沒有經(jīng)過折流板的擾流，降低了換熱器管束的冷卻效果，導(dǎo)致高溫流體冷卻不均勻，在出口處溫度存在較大差異，明顯降低了換熱效率。

因此雙殼程冷卻器的進(jìn)、出酸口與折流板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)最大限度避免上述問題?？紤]將雙殼程硫酸冷卻器進(jìn)、出酸口設(shè)計(jì)成偏離殼體中心線方向90°，并與折流板切口方向垂直的位置，這種設(shè)計(jì)可以直接改變流體流動(dòng)方向，進(jìn)入設(shè)備的流體必須通過折流板進(jìn)行擾流，避免了折流板前的流動(dòng)死區(qū)，同時(shí)有效減小了折流板后的死區(qū)和回流區(qū)，強(qiáng)化了傳熱，圖4為雙殼程成品硫酸冷卻器及管口方位示意圖。

4.3 陽極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

雙殼程冷卻器的隔板為有孔板，需要貫穿整個(gè)設(shè)備，這種開口結(jié)構(gòu)一定程度上阻礙了陰極在濃硫酸中均勻分散，電流只能通過末端流道進(jìn)行擴(kuò)散，這種擴(kuò)散方式會(huì)導(dǎo)致電流強(qiáng)度成倍衰減，殼體鈍化膜難以維持。因此，為了保證整個(gè)殼程維鈍電流的均勻分布，必須在上、下殼程各設(shè)置一根陰極，以保證電位在設(shè)備內(nèi)盡可能地接近。同時(shí)還需要精準(zhǔn)地控制和測量上、下殼程的金屬電位，考慮到兩殼程過渡區(qū)維鈍電流可能疊加，在下殼程和過渡區(qū)附近分別設(shè)置一根監(jiān)參電極，在上殼程設(shè)置一根控參電極，這樣可以全面了解整個(gè)設(shè)備內(nèi)的電位分布。圖5為主陰極及參比電極布置示意圖。

圖5 主陰極及參比電極布置示意

5 雙殼程陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器的經(jīng)濟(jì)效益

雙殼程結(jié)構(gòu)減少了設(shè)備所需的換熱面積，提高了設(shè)備材料利用率，使設(shè)備成本下降，單位換熱面積材料消耗量降低，增加了設(shè)備競爭優(yōu)勢，這種結(jié)構(gòu)形式用于陽極保護(hù)成品酸冷卻器也不例外。

為了更好地說明雙殼程結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，以表1、表2 陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器工藝條件作為依據(jù)，對設(shè)計(jì)的單殼程雙管程、單殼程單管程、雙殼程雙管程3 種結(jié)構(gòu)形式的硫酸冷卻器，分別從換熱面積、體積、質(zhì)量、緊湊性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表3。

表3 陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器各結(jié)構(gòu)形式的綜合性能對比

從表3可以看到，在同等工況條件下，雙殼程雙管程結(jié)構(gòu)最緊湊、最經(jīng)濟(jì)，可以較大幅度降低單位換熱面積材料消耗量，使設(shè)備成本下降，如果能夠用于大型陽極保護(hù)設(shè)備，那么節(jié)省投資將更為可觀。

6 結(jié)束語

陽極保護(hù)成品硫酸冷卻器采用雙殼程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠有效提高冷熱流體的流速，提高換熱效率，減少設(shè)備所需的換熱面積，提高單位換熱面積材料的利用率，為用戶降低了設(shè)備投資成本。