苯酐切换冷凝器国产化情况总结及展望.docx
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苯酐切换冷凝器国产化情况总结及展望
苯酐切换冷凝器国产化情况总结及展望
苯酐工业2010年第1期技进展
苯酐切换冷凝器国产化情况
总结及展望
■伍楚同湖南省送变电建设公司器材厂
苯酐切换冷凝器(热熔冷凝器)是苯酐生产
工艺流程中的关键设备之一,我国原使用的苯酐切
换冷凝器大部分为非定型产品,基本上是根据生产
要求,由苯酐生产厂自己设计图纸,交非专业生产
厂生产或苯酐生产厂自己制造.
我国原有苯酐切换冷凝器多采用的是圆形翅片
传热管.翅片与基管的结合采用套片,张力缠绕和
点焊等方法,其间有较大的附加接触热阻,影响了
使用效果.国外公司生产的大型电站空冷器和化学
工业用的冷凝器均大量采用了矩形翅片椭圆管,翅
片与基管结合采用焊接方法,提高了翅片管的传热
性能.
我国苯酐生产厂商约有8O多家,苯酐切换冷
凝器保有量约400多台,每年将更换4O台左右.
湖南省送变电建设公司器材厂1990年为济南化工
五厂研制生产3000~a苯酐的苯酐切换冷凝器获得
成功.1991年该产品获湖南省经委颁发的省级新
产品证书.在东莞盛和化工有限公司5万t/a与上
海焦化有限公司4万t/a的苯酐切换冷凝器已成功
运行.到目前为止,我厂已成功开发了为6万t/a
苯酐装置配套的苯酐切换冷凝器可以替代进口产
品,价格大约只有进口产品的1/3.截止目前,湖
南送变电建设公司器材厂生产的苯酐切换冷凝器已
在国内外40多个苯酐生产厂投人使用.
国产苯酐切换冷凝器在设计上充分消化吸收了
国外的先进技术并结合我国用户的具体情况进行了
创新和改进.传热管束的传热实验证明了椭圆翅片
管束传热系数比圆翅片管束高25%以上,单位体
积的传热量增加40%以上,且管束外侧流动阻力
下降30%.实际使用中的热熔和冷凝的性能指标
也大大优于原有产品.
一
主要技术参数和指标
1.技术参数(为实际工艺流程问题确定)
生产能力:
每台每年在设计条件下生产的苯酐
量(t/a).
工作压力:
含苯酐的反应混合气的壳程压力
0.055MPa,通过导热油的管程压力0.58MPa.
工作温度:
壳程22O℃,管程220℃.
保温蒸汽:
操作压力0.54MPa,操作温度
164℃.
2.技术指标
平均传热系数:
K=5.5W/m℃.
苯酐捕集效率:
T1=99.5%以上.
凝华强度:
每平方米换热面积所凝华的苯酐干
量M=0.375kg/m.
根据同行业厂家报告及行业协作组测试数据,
上述指标居国内先进水平,有的达到国际水平.
(原来国内水平是:
K=3.5w/m℃,-q=97%,M
=
0.25kg/m).
二,苯酐切换冷凝器的设计
1.总体设计
20多年前,单台苯酐切换冷凝器换热面积主
要为600m和800m,现在最大可达6000m.如
山东宏信化工股份有限公司,齐鲁石化有限公司淄
博增塑剂厂和伊朗MOVALLEDANSANAYECHEMI
公司2万t/a苯酐装置采用我厂生产的3200m苯
酐切换冷凝器,东莞盛和化工有限公司5万t/a,
上海焦化有限公司4万t/a苯酐装置采用我厂生产
?
29?
巷拄J畏苯酐工业2010年第1期
的4500m苯酐切换冷凝器.
翅片管束采用椭圆形管矩形翅片.根据椭圆管
的气体流型,分为大椭圆管及小椭圆管两种规格.
对于大型的苯酐切换冷凝器,一般采用大椭圆管比
较经济.其关键在于管的布置,为了避免气流走短
路,工艺上采用中心线交错排列.翅片与管的连接
采用电阻焊.总体设计见图1.翅片与翅片之间的
间距,从气体入口到气体出口是从大到小变化的.
管间距和排间距是不变化的.翅片与壳体之间的间
隙一定要很小,以防气流走短路.气体的入口无气
体分布管,出口有时可以加特殊的挡板,一般以邻
二甲苯为原料的苯酐切换冷凝器,其气体走向为上
进下出,导热油走向为下进上出.而以萘为原料的
苯酐切换冷凝器,其气体走向是下进上出,导热油
走向是上进下出.
以单位传热面积计气流速度要<7.5Nm/h?
m.一般按6.5Nm./h?
m.设计.如果超过,则会
因冲刷而带走苯酐.另外如果冷凝时间过长,结晶
苯酐量过多也会造成夹带现象.以单位传热面积
计,最大苯酐凝结量一般不超过1.5kg/m.气体
停留时间影响不大.
油路系统采用联苯醚为介质,这样可以避免普
通导热油长期使用结焦而堵塞管路.对于1.5万t/
a的冷油泵Q=440m/h,P出=5.5bar,热油泵Q
=
240m/h,P出=4.7bar.每台苯酐切换冷凝器
有4~5个管箱,换热面积大的采用双连通主油管,
换热面积小的采用单连通主油管.在整个壳体外壁
焊有保温伴管,顶部壳体始终用热油加热,底部和
壳体的保温油与内部翅片管串联并同步,以保证苯
酐不在壳体上沉积,避免产生顺酸盐或酞酸盐.
在邻二甲苯法的苯酐切换冷凝器中,因冷的气
体从下部排出,仅下部的人孔和出气管设有蒸汽保
温夹套;萘法苯酐切换冷凝器则相反,仅上部的人
孔和出气管有保温夹套.不管苯酐切换冷凝器的面
积大小如何,其外形仅仅改变宽度或长度的尺寸,
而高度基本不变,从而使沿列管高度的温度分布相
同,使凝华过程相似.
?
30-
图1翅片管束总体设计
2.苯酐切换冷凝器的计算
c气体(Nm3h.m];C最大=7?
5
Nm
h.m
C负荷:
=ck
m];C负荷,最大=1.5kg/m
Tz=TB+Ts+TR
Tn等
c气体——气体负荷参数[Nm'/h?
m]
C负荷——苯酐负荷参数[kg/m]
Vga8——总气体量[Nm3/h?
m]
G苯酐——总苯酐气体量[kg/h]
f——气体中苯酐含量[g/Nm]
F——苯酐切换冷凝器的额定面积[m]
T——切换周期[h]
T——每个苯酐切换冷凝器的冷凝运行时间[h]
T——热熔时间[h],最短为4O分钟
T——苯酐切换冷凝器预冷时间[h],最短为30
分钟
nses——苯酐切换冷凝器总数量
n——投入运行的苯酐切换冷凝器数量
苯酐切换冷凝器油路压力损失
表1(即压力降△P表)中给出的压力降是按
照所给出的油量和单位重量为950kg/m计算的.
实际压力降应按下式进行校正:
AP实际=△P表×(K1×K2
校正系数K1是根据以萘为原料运行的热熔冷
凝器考虑的.K1=0.97,K2为当加热管尺寸(直
径/壁厚)发生变化时的校正系数.
苯酐工业2010年第1期1
表1额定尺寸下的压力降
额定尺寸2油程/柬4油程/束
换热面积mV(m/h)△P(mm水柱)V(m/h)△P(mm水柱)
8008O7.25Ol8.2
900907.550l6.8
1185908.95Ol9.0
13501009.350l7.8
15001158.755l8.4
17501258.66017.5
200014016.2
2300l5515.0
2550l7015.1
2850l9O15.51l038.O
330022015.1l3039.8
360023011.5l3540.2
450026023.2l5O46.0
3.结构设计
(1)总体结构
苯酐切换冷凝器总体结构大致由三部分组成:
一
是上部的上壳体,二是中部的翅片管箱组(一
般由四至五组翅片管箱组成),三是下壳体.上壳
体上侧面装有进气口,含有苯酐的反应气体由此进
入热熔冷凝器内.上壳体的上部有1—2个人孔以
便于检查设备情况,同时人孔上装有防爆片,在设
备发生异常情况下可以保证设备的安全.中部的翅
片管箱组通过外部管路连接成一个整体管路,周期
性地通人冷油或热油.翅片管箱由管板,带翅片的
u型管束和管箱头组成,每组翅片管箱上有一组进
油口和出油口.下壳体上设有人孔,出气口和放料
口.人孔是为了检查设备情况之用,出气口是苯酐
经捕集后的尾气出口,热熔后的液态苯酐经放料口
放人液态苯酐槽中,由于苯酐是一种在一定温度下
极易凝华和升华的物质,所以苯酐切换冷凝器的外
壳四周应布有保温伴热管以防止苯酐凝结.
苯酐切换冷凝器的工作原理是:
在冷凝周期,
热的苯酐气体通过通人冷油的翅片管箱组时,在翅
片及管上凝结,这就是捕集;在热熔周期,翅片管
箱组中通人热油,凝结在翅片及管上的苯酐熔化后
经下壳体上的放料口被放入液酐槽中.
在每组翅片管箱下有3~5根支撑管焊在壳体
上,翅片管箱中通入冷热交替的油时,翅片管箱热
胀冷缩时可以在支撑管上滑动.
(2)支撑结构
早先的苯酐切换冷凝器气体为下进上出,采用
圆形管支撑,易发生气体短路,改进后,气体为上
进下出,采用笼形管支撑,气体不会在支撑处短
路,且上部翅片管凝华的大量苯酐在热熔过程中对
下部翅片管有清洗作用.
苯酐切换冷凝器内有3~4个翅片支撑管,断
面外形为矩形,内有矩形通道.不论苯酐切换冷凝
器换热面积多大,设备总高基本不变.上部支撑起
固定翅片的作用,下部支撑主要起支撑翅片管重量
的作用.支撑内通冷油或通热油的切换周期要和翅
片管内通冷油或热油,以及苯酐切换冷凝器外壳上
冷却或加热用油管里通冷油或热油的周期同步,以
保证苯酐切换冷凝器各部分温度一致,防止热胀冷
缩不一致造成设备损坏.苯酐切换冷凝器的底部同
样设计有滑动支架,以防止冷热切换的内应力造成
设备外壳的损坏.
(3)内部结构
设计时必须很好地考虑翅片间距问题,当气体
刚一进人苯酐切换冷凝器时由于与翅片管有较大的
温差,苯酐凝华较多,大量附着在翅片间,气体不
易通过,因此片间距应较大.而出口部分则不存在
这个问题.采用4个管箱的苯酐切换冷凝器,从进
口到出口4个管箱的翅片间距一般为14mm,
?
3l?
技术进展苯酐工业2010年第1期
12mm,12ram和9mm.横向翅片距离很小,其间
隙供热胀冷缩及安装用即可,纵向翅片之间的间隙
为10mm.
翅片与椭圆管的连接是将翅片两侧冲出的翻边
与管壁接触部分用高频电阻焊接,这样可以大大提
高传热效率.
(4)传热油系统
在冷凝周期,冷油进出苯酐切换冷凝器的温差
为12~C;在热熔周期,热油进苯酐切换冷凝器温
度为200℃,其出口温度随时间而变化.热油用
60bar蒸汽加热,由于苯酐切换冷凝器为周期性操
作,加热负荷随时间变化,为避免蒸汽高峰消耗时
使管网蒸汽发生波动,影响其他用户,设计了所
谓"热井"系统.即采用一台大热油槽,其中热
油不断经油加热器被加热,加热使用恒定的60bar
蒸汽量.这相当于苯酐切换冷凝器系统热油的平均
热负荷,大热油槽中油温则周期性地在250~C~
220℃间变化.
另外还设计了一台小热油罐,在热熔周期中热
油由小油罐经泵送至苯酐切换冷凝器.在泵的入口
有三通阀及混合器,大热油槽来的热油进入三通阀
与小热油槽的热油相混合,以保证出热油泵油温为
200℃,以此调节大热油槽来的油量.小热油罐顶
有N2,以保持罐中的一定压力,并使罐中热油自
动流人大槽,保持两者液面稳定.
在开始由冷油切换到热油时,先切换进苯酐切
换冷凝器的油阀,使200cC热油进入翅片管,而出
苯酐切换冷凝器的油阀流向暂时不变,油仍流人冷
油罐中,直至出油温度升到一定值才切换出苯酐切
换冷凝器油阀,使油返回热油罐,此时冷油罐液面
上升到最高值,热油罐液面下降到最低值,油罐的
容积要使得最高液位时顶部仍有N的气封空问,
最低液位时油泵仍可操作.其存油量与苯酐切换冷
凝器的热负荷有关(包括设备本身热容量及翅片
管上苯酐量),往往设备的热容量更大(例如设备
重30吨/台,而翅片上苯酐重5吨/台).在由热油
切换成冷油时,情况类似,故小热油罐与冷油罐容
积差不多.
如上所述,当苯酐切换冷凝器油阀开始切换,
?
32?
热油流回小热油罐后,罐内热油温度开始由200~C
迅速下降,随之大热油槽内250~C的热油自动流入
热油泵前三通阀以保持进苯酐切换冷凝器热油温度
为200~C,从而大槽液面下降,小热油罐内温度较
低的油自动流入大热油槽.因油加热器的蒸汽流量
是恒定的,故大热油槽内油温逐渐由250℃下降,
随着苯酐切换冷凝器的温度升高,苯酐切换冷凝器
出油温度在经过最低点(140~(2,约5分钟)后开
始逐渐升高(此时翅片管上苯酐也开始熔化),大
热油槽内温度经过最低点(220~12,约15分钟)
后也开始逐渐回升,待苯酐切换冷凝器出温与进温
相等(约200℃)且小热油罐内油温达200℃时,
大热油槽内热油不再流人三通阀,此时大热油槽内
温度恢复250~C,热熔周期结束.热熔周期为60
分钟.
4.苯酐切换冷凝器的效率
(1)效率
苯酐的损失量与苯酐切换冷凝器的出气温度有
关,其损失量随着出气温度的提高而陡增.如当出
气温度为60~C时,损失量为0.1g苯酐/Nm;当出
气温度为80%时,损失量为0.8g苯酐/Nm.这个
损失是由物理性质决定的,不可避免.
为防止机械夹带,提高效率,气体进苯酐切换
冷凝器后先冷至132℃饱和温度,然后气相浓度随
温度的降低沿饱和曲线降低.
(2)凝华周期
邻二甲苯法生产苯酐一般采用4台苯酐切换冷
凝器,其中3台凝华.如果总共采用3台苯酐切换
冷凝器,2台凝华,虽然投资减少,但每台需承担
50%的总负荷,偶尔有1台需检修时,则仅有
50%的负荷操作,反应器就要停产.而如果采用4
台苯酐切换冷凝器,有1台停车,则仍可维持
66.7%负荷,在进气浓渡稍降的条件下仍可保持反
应器的运行.所以目前国内的装置都是采用4台苯
酐切换冷凝器.
用计算机控制操作.其凝华,热熔,再冷的时
问安排如下:
苯酐工业2010年第1期
凝华:
3小时180分一三台
热熔:
0.75小时45分
再冷:
0.25小时15分
4小时240分一四台
从阻力的角度来看,采用4台苯酐切换冷凝器
也比较合理,因为催化剂是低阻力的催化剂而苯酐
切换冷凝器处的阻力相当于催化剂阻力的25%一
30%.
在只有2台苯酐切换冷凝器,一台凝华,一台
热熔的情况下,'系统阻力会随着苯酐切换冷凝器阻
力的周期性变化而波动,后者又引起空气流量的波
动.系统对此十分敏感,故很不利.采用4台苯酐
切换冷凝器,则随苯酐切换冷凝器阻力调节进气
阀,系统的阻力变化比较平稳.
设计时取苯酐切换冷凝器的阻力500mmH:
0,
实际操作为350mmH,0左右.
5.苯酐切换冷凝器进气阀
进气阀为三杆阀,气动活塞操作,阀头上有三
根杆,其中二根短杆,一根长杆,阀位可自动调
节,以保持系统阻力恒定并可以精细地控制苯酐切
换冷凝器.苯酐切换冷凝器出气口和由出口到水洗
塔的整个管道都没有设计阀门,但需加热,由于苯
酐切换冷凝器的捕集效率大于99.5%,且出气管
到总管的体积大于苯酐切换冷凝器热熔时的体积膨
胀量,因此没有出气阀门热熔时也不会有苯酐带
出.由尾气水洗液顺酸:
酞酸=20:
1,也可说明
苯酐切换冷凝器的效率及选择性很好,这一比值也
是苯酐切换冷凝器的重要衡量指标.国内苯酐生产
厂把30%浓度水洗液浓缩到45%仍未有酞酸析出,
说明顺酸:
酞酸>20:
1.
三,设计上的改进
1.伴热管
以前设计的苯酐切换冷凝器壳体上的伴热管采
用圆管直接焊接到壳体上的方法,缺点是如果焊接
电流过大容易造成管子焊穿,形成虚焊,而且整管
技l,,彗畏
焊好以后,试压时很难找到漏点具体位置给补焊造
成困难.圆管焊接到壳体上是线接触式,传热效果
也较差.后来改为用角钢扣焊在壳体上,这样虽然
增大了换热接触面积,但是由于角钢型材本身结构
的限制,容易造成直角处焊缝开裂,另外由于角钢
流通的截面积较大,造成管路系统油流量加大,增
加了能耗.现在的设计采用的是特别压制的弧形板
作为伴热管,加大了弧形板的宽度并减小弧形板的
高度,既可以增大直接接触的换热面积,又可以减
少流通截面面积,而且没有直角减少了应力集中,
不会造成焊缝开裂现象.
2.U型管
原来设计的苯酐切换冷凝器由于椭圆管长度的
限制及椭圆管纵向弯曲的难题来得到有效解决,U
型弯管部分通常采用圆管弯制,然后把接口部分压
制成椭圆形,直管再插入到U型管中焊接,这样
既增加了焊接的工作量,而且焊接缺陷会造成苯酐
切换冷凝器内漏,影响设备的正常运行.经过与厂
家合作,目前已生产出加长的椭圆管,解决了椭圆
管纵向弯曲的难题,现在设计的U型弯管采用一
根长椭圆管直接弯制成U型管.
3.翅片
原来设计的苯酐切换冷凝器采用的是100mm
×80mm的光翅片,由于翅片表面光滑,苯酐气体
流经翅片时阻力较小,苯酐捕集效果还是会受到一
些影响,又由于翅片较大,翅片端部的传热效果也
比较差.经过不断地试验和改进,现在设计的翅片
为80mm×70mm,翅片端部开成错齿形状,这样
提高了翅片端部的传热效果,增加了苯酐气体的湍
流,提高了苯酐的捕集效率.
四,结束语
科学技术的不断进步,新材料,新工艺的不断
出现,为苯酐切换冷凝器设计的创新提供了新的基
础,今后要对苯酐切换冷凝器的设计和工艺进行不
断地改进,以创造更大的社会效益和经济效益.
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