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上海快3开奖公告:對二甲苯裝置中高通量管強化傳熱技術

點擊:1765 日期:[ 2014-04-26 22:13:57 ]
                              對二甲苯裝置中高通量管強化傳熱技術                                           譚集艷                (中國石化集團洛陽石油化工工程公司,河南洛陽 471003)     摘要:介紹了對二甲苯裝置中引進的高通量管的特點和使用情況,分析了高通量管多孔表面核態沸騰強化傳熱機理及高通量管表面平行縱槽強化冷凝傳熱機理,從高通量管物理特性及傳熱介質條件兩方面探討了影響傳熱效果的各種因素,介紹了高通量管及其設備的制造技術和維護要求。     關鍵詞:高通量管;強化傳熱;制造;維護     中圖分類號:TQ051    文獻標志碼:A     對二甲苯裝置以催化重整裝置的脫戊烷塔底油為原料生產對二甲苯,同時副產苯、鄰二甲苯、混合二甲苯、輕烴、燃料氣及重芳烴。整個工藝流程中包括很多烴分離過程,因而需要大量的重沸設備,這些重沸器的總熱負荷巨大,如果全部采用光管重沸器,則需更多設備。對某些熱負荷很大的塔底重沸器,將導致設備直徑過大,給設備設計、制造和檢修等帶來困難,若增加設備數量,又將影響塔的操作穩定性。因此,在對二甲苯裝置的傳熱設計中,通常采用一種高效重沸設備———高通量管重沸器。但是,這種高通量管目前還是國外公司的專有技術。高通量管多孔表面沸騰傳熱機理復雜,受各種條件的限制,國內至今沒有一套公認的傳熱工藝計算方法和表面結構穩定可靠的產品,高通量管換熱器的設計和材料采購不得不求助于國外專業公司。筆者對高通量管強化傳熱技術作了系統介紹,以期加快高通量管國產化的進程。     1 高通量管特點     對二甲苯裝置中的高通量管包括單一的管內或管外多孔表面管,以及管內多孔表面與管外平行縱槽相結合的換熱管。多孔表面一側用于立式或臥式換熱器沸騰傳熱的強化,平行縱槽一側僅用于立式換熱器冷凝傳熱的強化。     高通量管的多孔表面是通過某些特殊的加工方法,在普通換熱管表面均勻地覆蓋一層具有眾多微孔和相互連通隧道的多孔金屬薄涂層,涂層厚度為0.13~0.5mm,其結構放大圖見圖1。在沸騰傳熱過程中,這些微孔和通道形成大量且長期穩定的汽化核心,能在很小的壁面過熱度(1℃左右)下產生劇烈的核態沸騰。其沸騰傳熱性能可以超過普通光管的10倍,而沸騰所需的壁面過熱度則可降至光管的1/7~1/8。此外,由于多孔結構較強的毛細作用和較高的再流通率,其表面還具有較強的阻垢能力。     當立式重沸器冷凝側的熱阻成為控制因素時,冷凝側管表面的平行淺縱槽(通常小于1mm)可使冷凝傳熱系數增加近5倍。與普通光管相比,高通量管的總體傳熱性能可提高2~5倍。在熱負荷為80.5MW、溫差為23.8℃的條件下,某對二甲苯裝置抽余液塔重沸器分別采用光管重沸器和高通量管重沸器的效果對比見表1??梢鑰闖?相對于普通光管,使用高通量管總傳熱系數提高了近2倍,換熱面積減少了65.5%。采用高通量管可降低設備投資,減少占地,節省配套管道、儀表投資和裝置的操作、管理費用。                        2 高通量管傳熱技術     2.1 強化傳熱機理     2.1.1 多孔表面強化沸騰傳熱機理     高通量管多孔表面強化沸騰傳熱機理十分復雜,目前尚無十分系統和統一的理論,多數人認為多孔表面管能夠極大地強化沸騰傳熱的原因主要在于低溫差下的穩定沸騰、液體蒸發-再吸入的快速循環以及更多擴展的表面積。     在沸騰傳熱過程中,液體的過熱是相變的必要條件之一。液體蒸發所需的過熱度與2σ/R成正比(σ為液體的表面張力,對特定介質而言為常數;R為蒸發汽泡的曲率半徑),R越大,所需的壁面過熱度就越小。普通光管的表面粗糙度較小,汽泡曲率半徑也很小,需在較高的過熱度下才能生成汽泡。而多孔表面的微孔和相互連通的遂道提供了大量的汽化核心,一個微孔中產生的汽泡可激發相鄰的微孔,且小汽泡相互連通,易于長大,因此極大降低了沸騰所需的過熱度,從而實現低溫差下的穩定沸騰。     多孔表面的微孔和通道提供了大量且長期穩定的汽化核心,多孔表面核態沸騰過程見圖2。由于周圍液膜的蒸發,汽泡逐漸長大并迅速脫離,汽泡脫離后,空隙或通道內壓力下降,體積收縮,外部液體則在壓差和毛細力的作用下被吸入空隙或通道內再汽化,汽泡再長大并脫離,使液體在空隙和通道內被吸入再蒸發的快速循環不斷進行,保持了結構中較高的再流通率,從而強化沸騰傳熱。     由圖1還可以看到,多孔表面眾多空隙形成的微觀不規則表面可極大增加光管的傳熱面積,這是多孔表面能夠強化沸騰傳熱的另一個重要原因。     2.1.2 表面平行縱槽強化冷凝傳熱機理     表面平行縱槽強化冷凝傳熱的機理在于,①平行縱槽使換熱面積增大。②在換熱管表面突出部分,液體流動加速,使冷凝液膜厚度減薄,進而達到強化冷凝傳熱的效果。     2.2 高通量管傳熱性能影響因素     (1)管子特性 對于特定的介質,管子材質的熱物理性能及表面性狀(對多孔表面,包括多孔層的厚度、空隙率、孔徑、金屬顆粒粒度以及空隙均勻度等;對表面平行縱槽,包括縱槽的密度和形狀)對強化效果影響很大。一般而言,多孔層導熱性能越好,強化效果越好。而介質不同,多孔結構最優化要求也不同。對導熱性能較好、表面張力較大的介質,通常要求管子表面結構粗糙一些;對導熱性較差、表面張力較小的輕烴類介質,則要求多孔層的結構細密一些。介質空隙率越高、均勻度越好,傳熱性能也越好。     (2)介質條件 對于特定物理條件下的高通量管,介質不同,傳熱性能也不相同。而對于同樣的沸騰介質,熱通量和溫差不同,其強化傳熱的效果也存在差異。介質的沸騰狀態(池沸騰或流動沸騰)也會極大地影響管子的傳熱性能。介質的導熱性能越好,表面張力越大,強化傳熱效果越好;熱通量越大,溫差越小,高通量管的強化優勢相對越明顯。     3 高通量換熱器制造技術和維護     3.1 制造技術     高通量管表面平行縱槽的加工方法很簡單,根據需要采用機械滾軋或機械加工即可完成。     高通量管多孔表面的制作工藝較為復雜,且表面結構不易控制。對二甲苯裝置中的高通量管多孔表面是采用火焰噴涂法或金屬粉末燒結法制造的,用這兩種方法制成的多孔表面沸騰傳熱強化效果最好,應用也最廣。     火焰噴涂法是利用特殊的噴槍將復合金屬粉末通過火焰噴涂在普通換熱管表面,高溫下金屬粉末發生化學反應,與基材表面形成金相結合,然后再將按一定比例混合的金屬粉末和添加劑噴涂在管表面,最后用火焰將添加劑燒毀,換熱管表面即形成牢固的、具有眾多微孔和相互連通隧道的織造結構。     金屬粉末燒結法是在普通換熱管表面涂一層粘結劑,將金屬粉末均勻地粘在基管表面。粘結劑風干后將換熱管置于加熱爐內,在氮氣和氫氣的?;は錄尤戎兩鶚舯礱媲饔諶諢?從而與基體金屬產生強力的金相結合。然后在高溫下恒溫一段時間,使粘結劑分解揮發,換熱管表面即形成與火焰噴涂法制作的多孔管極為相似的表面多孔織造結構。     根據使用場合的不同,基材和涂層材料可進行多種匹配,涂層可以涂在管外也可以涂在管內。制作工藝不同,多孔表面的性狀也有所不同,進而對傳熱效率產生不同的影響。多孔表面管的制作工藝及表面結構參數都是技術秘密,公開資料報道的表面結構參數通常是,空隙率為30%~65%、平均孔徑1~150μm、平均粒度0.01mm~300目、涂層平均厚度為0.13~0.5mm。     對管外多孔表面高通量管換熱器,其折流板的管孔加工要求與普通光管換熱器相比有所不同。由于多孔涂層有一定的厚度,因此折流板的管孔應比標準管孔大。而插入管板的部分不加涂層,為光管,所以管板管孔的加工要求與普通換熱器的相同。     3.2 維護     除換熱管外,高通量管換熱器的制造與傳統換熱器制造基本相同,所不同的只是對多孔表面高通量管有防銹和防磁化的特殊維護要求。     管子在加工過程中有時可能出現磁化現象,如果發現這種現象,應及時進行退磁處理。     對多孔表面高通量管,一旦管子表面被銹蝕,將 嚴重影響其傳熱性能,所以在管子的運輸和存放期間,表面應涂敷專用的防銹劑,用塑料布嚴密包裹、裝箱并存放在室內。管子需要熱處理時,事先應用溶劑清除防銹劑,熱處理后應重新涂上防銹劑。對換熱器進行水壓試驗時,應在試驗用水中加入銹抑制劑,推薦加入質量分數為0.2%~0.4%的亞硝酸鈉或相當的銹抑制劑。水壓試驗后應立即烘干多孔表面一側,如果不是很快投用,應及時用氮氣置換其中的氧氣,在氧體積分數小于1%后加一定的正壓力氮封。在停工期間,同樣也應及時用這種方法封存設備。     4 結語     除對二甲苯裝置外,在其它熱負荷大、傳熱溫差小或溫位低以及清潔介質的場合,高通量管也有很好的應用前景。在舊裝置改造中,當原有重沸器或沸騰-冷凝器的熱負荷需要提高而設備尺寸又受到局限,或沸騰介質的溫差小(或溫位較低)用普通光管無法實現換熱時,高通量管無疑是一個很好的選擇。對于新建裝置,采用高通量管不僅可降低工程投資和裝置能耗,而且可節約操作和管理成本。(張編)
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