板壳式换热器在大型氮肥装置上的应用

中图分类号:TQ051.5;TQ440.51　　文献标识码:B　　文章编号:1004-8901(2007)02-0046-02
　　山东华鲁恒升化工股份有限公司的大型化肥装置是以煤为原料,由国内自行设计和制造的30万t/a合成氨的氮肥装置,设备国产化率高达93.8%。这套装置于2005年12月28日正式投料试车成功,证实了我国大型氮肥工业已具备自主知识产权的先进成套能力。
　　板壳式换热器兼有管壳式换热器和板片式换热器的优点,是一种新型高效换热器,尚未有在大型化肥装置上的使用经验。我公司将其在首套国产化大型氮肥装置上进行了应用。氨压缩机最终水冷器和氨冷冻机冷凝器是我公司国产化技术改造项目中氨系统的2台重要换热设备,换热面积分别为1620m2和1380m2,为减少设备投资和占地,选用了高效节能、结构紧凑、技术含量高的板壳式换热器,由国内自行设计制造。
　　笔者拟以氨压缩机最终水冷器为例,介绍板壳式换热器在国产化大型化肥装置氨系统上的生产应用情况。　
　　结构特点
　　氨压缩机最终水冷器设计参数见表1,设备结构见图1。该设备由低合金钢圆筒形外壳体和不锈钢方形板束组成,板束可以从壳体拆出,以便将来维修或更换。被冷却介质(氨)和冷却介质(循环水)分别在板束与外壳体形成的板程、壳程空间内呈错流、逆流换热。为了补偿由于板程、壳程之间介质高效换热带来的外壳体与板束之间的膨胀差,在板束右端设置了膨胀节。
                    
                    
    板束为全焊式结构,整板步进式模压成形的0.7mm厚的LT型波纹板片在专用TIG自动焊机上组焊成板管,见图2,再将板管组焊成板束。板壳式换热器采用波纹板片作为传热元件,物料从两波纹板之间的缝隙通过。板束四周焊有支撑板以增强板片的刚性。 
                   
    监造与安装　
    设备监造板壳式换热器制造难度大,焊接技术要求高,检验检测程序复杂,投用风险高。为了确保氨压缩机最终水冷器设备交货质量和投用后长周期运行,公司派遣技术代表到制造单位对板片成形质量、板管组焊、板束组焊以及中间气密、氨渗漏检查、换热器组装和设备最终耐压试验等质量控制点进行了现场监造[1]。　
    设备安装
    (1)板壳式换热器安装时应避免设备因受到冲击而损坏。吊装就位后,应立即通过人孔进入设备,按要求松开膨胀节上的运输固定装置,使膨胀节恢复补偿作用。
    (2)固定支座上的紧固件应拧紧,活动支座上的第1个螺母拧紧后应倒退1圈,然后用第2个螺母锁紧,以使设备的活动端能在预埋基础的滑板上自由滑动。
    (3)在设备制造厂进行耐压试验时,应注意板束是否按照压差设计,试验过程中应严格控制压差。
    (4)板壳式换热器出厂前,板程、壳程是充有氮气保护的。由于工程中各台设备的到货时间不能都按安装进度计划的要求,氨压缩机最终水冷器安装后不能马上配管、投用,故须对板程、壳程补充氮气,以使设备保持微正压:板程压力0.2MPa,壳程压力0.1MPa。　
    设备开停车
    由于氨压缩机最终水冷器板束按照压差设计,在开停车及正常操作中,应严格按设计要求做到板程压力不高于壳程压力0.5MPa。开停车时,缓慢开关阀门,保证均衡升降压,平稳升降温,以避免物料冲击板束,防止因骤冷、骤热导致板片异常变形。
    设备停车检修进行蒸汽吹扫时,要求板程、壳程同时进行蒸汽吹扫。吹扫时应缓慢升温,蒸汽吹扫压力小于0.8MPa,温度小于180℃,且保证板程压力始终不高于壳程压力0.5MPa。　
    运行效果
    氨压缩机最终水冷器在国产化大化肥装置中投用后,经历了装置运行初期的频繁开停车,至今连续运行,使用效果良好,部分生产数据见表2。用作氨压缩机最终水冷器的板壳式换热器具有如下优点。
    (1)传热效率高　LT型波纹板片具有“静搅拌”作用,冷热介质分别在“板管”内和“板管”间不断改变流动方向,产生旋转和扭转,在很低的雷诺数下就能形成湍流,从而使流体内各部分的质点不断迅速转移位置。由于冷热介质之间以板片为媒体进行的热交换非常迅速,使介质来不及结垢,加之板片很薄,仅0.7mm,因而能得到较高的薄膜传热效率,是管壳式换热器的2倍～3倍。
    (2)避免气液两相分离　氨压缩机最终水冷器壳程存在气氨、液氨两相流,板壳式换热器的“静搅拌”作用,克服了管壳式换热器由于介质折流“翻转”造成的气、液两相分离。
    (3)结构紧凑　与管壳式换热器相比,在完成同样换热任务的情况下,板壳式换热器具有质量轻、体积小、占地面积少、节约钢材等优点。氨压缩机最终水冷器采用的板壳式换热器换热面积取1620m2即可。
    如果按照管壳式换热器设计,则换热面积需要4018.4m2,使用同样体积的管壳式换热器需要2～3台。因此使用板壳式换热器可节约大量投资和设备安装空间,并减少了操作费用。
    (4)压力降小　虽然板壳式换热器对于给定的流道面积来说其当量直径较小,但“板管”内和“板管”间均为直通,壳程无折流板,由表2可以看出,氨压缩机最终水冷器壳程压力降仅为0.016～0.028MPa。由于板程出口没有设置压力表,暂时得不到具体的板程压力降数据,但目前从循环水操作状况看,板程压力降也较小。
    (5)可靠性高　传统的板式换热器以橡胶垫片密封,通常承压在2.0MPa以下,耐温在200℃以下,容易发生泄漏。板壳式换热器板束各连接处均采用焊接结构,避免了可拆式板式换热器需要很长的橡胶密封圈的缺点,且设有起增强板束刚性作用的支撑板,板束装在由低合金钢制成的圆筒形外壳体内,可以在高温高压下使用,提高了板壳式换热器的安全可靠性。
    综上所述,板壳式换热器是既具有板片式换热器传热效率高、结构紧凑、质量轻的优点,又继承了管壳式换热器承高压、耐高温、密封性能好、安全可靠优点的新型高效换热器。
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