热交换器 heat-exchange equipment；heat exchanger
又称换热器和换热设备。使两种流体间进行热量交换而实现加热或冷却等目的的设备。
一般是用固体间壁(传热面)将不同温度的流体隔开。也有的使两种流体在器内直接接触而进行热量交换。
根据作用原理可分为间壁式换热器、蓄热式换热器和混合式换热器。
根据使用目的可分为冷却器、加热器、冷凝器和汽化器。
根据结构材料可分为金属材料换热器和非金属材料换热器。
根据传热面的形状和结构可分为管式换热器和板式换热器。
在目前的石油和化工生产中,管壳式换热器应用得较为广泛。为了满足工业生产不断发展和扩大的需要,研究开发传热效率高、结构可靠的新型管壳式换热器具有十分重要的意义。自1981年以来,笔者相继开发出了SMK 型、SMK2 Ⅱ型和SMGK型系列管壳式换热器,本文主要介绍SMGK型换热器的开发及其应用情况。
1 SMGK型换热器的结构设计特点
SMGK型换热器的结构如图1 所示。这是在合成氨厂作为变换热交换器使用的SMGK 型换热器,它主要由静态混合元件、换热管束、折流杆构成的折流圈、壳体和带导流板的夹套组成。变换气走壳程、半水煤气走夹套和管内。
SMGK型换热器的主要结构特点有以下几方面:
a. GK型静态混合元件强化了管内传热,提高了管内传热膜系数(安装GK 型元件的换热管的传热系数是空管的两倍左右) ;
b. 采用了折流杆这种新型的支撑管子结构,改善了壳程流体的流动状况[1 ] ;
c. 采用带导流板的传热夹套,提高了夹套内的传热膜系数;
d. 壳程流体的进出口采用外夹套形式,在壳体上开了一些周向分布的孔,以减轻流体对管子的冲刷和腐蚀,延长了管子的使用寿命。
2 SMGK型换热器在合成氨厂的应用
中牟县化肥厂的合成氨能力是年产4 万t ,其变换工段的热交换器是传统的列管式换热器,管内走半水煤气,管间走变换气。在使用过程中,这种换热器由于半水煤气中的H2S、CO2 与水蒸气作用形成弱酸,弱酸对管束产生腐蚀,加上半水煤气进口气体对管束产生的冲刷磨损,使靠近管板的管束腐蚀严重,设备寿命减短,其寿命长的仅为一年。同时,半水煤气中的油污和水的硬度产生的结垢还易造成管子的堵塞。
中牟县化肥厂1993 年对变换热交换器进行了改造,改成了中心管式换热器,半水煤气的进出口接管也稍有改变,改造后的设备腐蚀状况有所缓解,但没有完全解决腐蚀问题。1995 年5 月,该厂采用SMGK型换热器作为变换换热器后,解决了管子腐蚀和堵塞的问题。SGMK 型换热器在设计和使用过程中,还有针对性地采取了一些措施:
a. 在工艺上,采用430 ℃变换气走壳程,来加热半水煤气,使半水煤气在夹套内的温度由130 ℃升高到160 ℃左右,然后进入管束,在管束内由160 ℃升到310 ℃,来满足生产的需要。采用这种工艺,可使半水煤气进入换热管束的温度在弱酸的露点之上,减轻了半水煤气对管子进口处的腐蚀;
b. 在选材上,在半水煤气进入换热管束的进口端加一段不锈钢管,进一步防止半水煤气与水蒸气产生的弱酸腐蚀管子,提高管子的使用寿命;c. 为了减轻换热管的堵塞,在半水煤气进入换热管之前滤去其中的煤焦油和杂质,减轻换热管的堵塞和腐蚀。
SMGK型换热器作为变换热交换器在中牟县化肥厂投运以来,各项指标均达到了生产要求,运行平稳正常, 满足了生产的要求。笔者将SMGK型换热器与普通管壳式换热器的使用情况进行了对比。
与普通管壳式换热器相比,SMGK型换热器在使用过程中,具有一些显著的优点:
a. 高效性。SMGK 型换热器的总传热系数K 提高了50 %以上,在生产能力相同甚至扩大的情况下,传热面积减少。
b. 节能。由于总传热系数提高,传热面积减少,换热管长缩短,阻力下降,总流体阻力ΔP 下降20 %,传热综合性能指标K/ΔP 提高了180 %。
c. 节汽效果显著。采用SMGK 型换热器后,半水煤气的温度可以达到350 ℃,能满足生产的需求,添加的蒸汽就可以减少,据分析每吨合成氨节气在400 kg 以上,半年累计节汽约7 万t 。
d. 操作稳定和操作弹性大。在系统气量变化达40 %以上时,换热器管壳的进出口温度在仪表上看不出变化。
e. 管子耐腐蚀和防堵性能好,使用周期长,维修费用低。
f . 设备寿命长。SMGK 型换热器的使用寿命是普通管壳式换热器的3 倍以上,在中牟化肥厂,SMGK型换热器自1995 年投运以来,至今仍在使用。
g. 用材省、造价低。SMGK型换热器可以节省价格比较高的换热管材料,设备造价可降低一半或更多,设备投资减少。
3 结束语
SMGK型换热器由于采用了静态混合器技术、折流杆技术和带螺旋导流板的夹套结构,在合成氨厂作为变换热交换器使用时又采用了合理的工艺方案,该设备在使用后,运行良好,不仅克服了普通换热器存在的问题,而且还表现出高效、节能、经济、节材、操作稳定和使用寿命长的优点,带来了很可观的直接和间接经济效益。SMGK 型换热器是一种新型高效的换热设备,具有广泛的应用前景。
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