工業萘精餾塔汽化器穩定高效冷卻系統改造

任建平

（航天科工山西通信有限責任公司，山西 太原 030012）

1 問題的提出

某一連續工業萘系統運行近三年，從開工到現在汽化器冷卻后溫度一直沒有降下來，循環水入口溫度在28℃左右，預計結垢嚴重，用酸洗兩次效果不理想。最近，工業萘精塔塔頂溫度一直偏高，切塔內壓力也偏大，汽化器放散時不時噴萘，現場技術人員初步認為是汽化器處理量不夠大，冷卻效果不好。現在存在的問題是產品質量不穩定，放散部分噴萘既損失浪費了資源，又對環境造成大的污染。

2 理論分析

工業萘精餾塔汽化器是工業萘生產過程中一臺非常重要的設備，冷卻方式的選擇對工藝、能耗以及運行管理方式影響極大，設計思想和理念是決定工業萘連續生產能否正常進行的關鍵點，是設計過程中的重要節點。從物料連續和能量傳遞流理論可以得出，設計冷卻方式的兩大關鍵參數為產量Q和熱量E，必須解決好物料平衡和熱量平衡的關系，否則放散過程將有壓力存在，將會有噴萘事件的發生，或造成工業萘連續生產質量不穩定、產量不穩定［1］。

根據能量守恒定律：E萘氣－E冷卻＝E萘液，當這一平衡保持時，放散將沒有壓力存在，即不會發生噴萘事故，工業萘結晶點溫度大于77.5 ℃，生產連續穩定；當這一平衡失衡時，如果E萘氣能量偏大，放散將有壓力存在，即會發生噴萘事故；如果E萘氣能量偏小，E萘液能量偏小，工業萘結晶點溫度小于77.5 ℃，工業萘質量將不能達標。

產量Q決定了總能量的大小，原則上通過降低產量能在質量上滿足需要，但是沒有一定數量的質量從經濟學角度出發是沒有實際意義的，所以經濟批量是工業化運行的前提，多快好省是發展工業的基本準則，產量是必然考核的首要技術設計指標。

3 冷卻系統熱交換效果差的原因

從塔頂溫度一直偏高，切塔內壓力偏大，汽化器放散噴萘等現象可以得出E萘氣值大，冷卻系統熱交換效果差，原因是交換面積不夠或結構影響了交換效率，結果為E冷卻小，保證不了：E萘氣－E冷卻＝E萘液的平衡。系統失衡，基于介尺度范疇的系統不穩定診斷模型的判定原則，可以認定為原冷卻系統失效導致上述結果。

從原冷卻系統物理模型出發，由下頁圖1 汽化器熱交換原理圖，可以分析得到工作模式是在以熱傳導為主要模式下通過換熱方式實現的，由圖1 還可以看到冷媒入口處為換熱最充分的節點，一直到冷媒出口處溫度呈梯度變化，而且越來越大，冷媒出口為溫度值最大的節點。進一步探討失效過程可以找到深層次原因是萘汽化溫度遠高于170 ℃，冷卻液介質為水，水的汽化溫度為100 ℃，因此冷卻器橫截面溫度梯度差現象明顯，阻斷了縱向方向的溫度交換，交換手段以汽化傳熱為主，實質為熱對流方式，此時熱傳導方式、熱輻射方式基本不起作用，由圖2橫截面汽化及溫度梯度差示意圖，可以形象理解這一過程。

圖1 汽化器熱交換原理圖

圖2 橫截面汽化及溫度梯度差示意圖

實際中冷卻器設計的主要熱傳遞方式考慮的是熱傳導方式，所以導致熱傳導效應差，主要表現在工業萘汽化器冷卻后溫度不穩定，冷卻器內壁結垢明顯，放散噴萘等現象發生。所以冷卻器熱傳導方式與冷媒不配套是導致汽化器冷卻部分失效的根本原因或問題所在。由于系統熱傳遞方式發生變化，使得原換熱系統出現不穩定性或失效。

4 工業萘精餾塔汽化器冷卻系統改造

1）冷媒的選擇：冷媒作為熱的載體，必須保證在運行過程中狀態穩定，不能汽化或化學反應，更不能有結垢現象出現，保證了在運行過程中熱傳導的穩定性，避免了對流梯度截面現象的發生，保證熱傳導為主傳熱方式，實現了傳熱的有效性，保證了傳導熱效率。基于上述理論分析，采用變壓器油作為冷媒，在280 ℃下物理性能穩定，各種狀態一致性好。經過大量的工業性試驗，即使在350 ℃～400 ℃下工作穩定性也非常可靠，長期穩定性好。變壓器油作為冷媒在－35 ℃室外流動性也非常好，這樣就保證了冷卻系統的長期穩定性。

2）汽化器冷熱交換有效面積的確定：通過驗算，汽化器冷熱交換能量在Q產量下，E冷卻能量是E萘氣能量的1.45倍。

3）冷媒冷卻面積S的確定：通過驗算，在現有冷媒風冷熱交換管冷卻面積下的能量ES是所需能量E冷卻能量的1.2倍。

4）汽化器冷卻系統原理如圖3所示。

圖3 汽化器冷卻系統原理圖

由圖3汽化器冷卻系統原理圖可以清楚看到工業萘蒸汽在汽化器中的物流和能量流過程，如圖所示物流方向為萘蒸汽通過多束換熱管，垂直直達萘液氣出口，能量通過管壁與冷媒的逐級換熱，使得萘蒸汽隨著高度逐級降低，呈有序梯度變化；冷媒物流方向為冷媒由B出口到節流閥，進入折流板通道，通過換熱，溫度逐級升高，溫度梯度由低向高呈梯度變化，在D 出口處溫度最高；冷媒回流到A 入口處通過冷媒風冷交換熱過程，使得溫度下降，到達B出口前達到冷媒冷卻初始溫度，準備進行新的冷卻循環過程。

5 實際運行結論

通過實際運行。該汽化器冷卻系統調節方便，無需外加動力自動運行。可以按季節變化在產量Q不變情況下，改變調節冷熱交換控制閥門，外界環境冷時閥門旋調小，外界環境熱時閥門旋調大。還可以用調節回流的方式調節產品產量和產品質量，在滿足產品質量的前提下可以將回流開啟到最小，經過改造后的實際運行情況追蹤記錄，冷卻器結垢和噴萘事件從沒有發生，產品質量穩定，產量也達到設計要求，運行平穩，尤其是無外加動力運行方式，節省了大量動力消耗，減少了維護和運行成本，給企業帶來了可觀的經濟和社會效益。

［1］郭建珠，連清旺，田國政.專用銑床平臺加工工件穩定性診斷模型的建立［J］.機械管理與開發，2015（5）：11－13.