空氣冷卻器在聚酯裝置中的應(yīng)用及節(jié)能效果

郝 瑞 強(qiáng)

(揚(yáng)州普立特科技發(fā)展有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

空氣冷卻器在聚酯裝置中的應(yīng)用及節(jié)能效果

郝 瑞 強(qiáng)

(揚(yáng)州普立特科技發(fā)展有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

介紹了引風(fēng)式空氣冷卻器的工作原理及其特性，分析了空氣冷卻器應(yīng)用于585 t/d聚酯裝置酯化工藝水蒸氣冷卻的選型及性能要求，并與水冷器進(jìn)行節(jié)能效果對(duì)比。結(jié)果表明：空氣冷卻器主要由管束、構(gòu)架和風(fēng)機(jī)組成，管束外加裝翅片管以增加傳熱面積；經(jīng)選型及相關(guān)參數(shù)計(jì)算，采用翅片管排列為3組5排錯(cuò)排布置的空氣冷卻器，冷卻性能穩(wěn)定，可滿足裝置生產(chǎn)工藝要求；相比水冷器，空氣冷卻器節(jié)能效果顯著，每年可節(jié)約水費(fèi)38.9萬元、電費(fèi)57.0萬元。

聚酯裝置 酯化水蒸氣 空氣冷卻器 節(jié)能效果

目前，在聚酯行業(yè)中聚酯裝置處理工藝塔塔頂氣體一般采用列管式水冷冷凝器(簡(jiǎn)稱水冷器)冷卻，而水冷器耗水量大，且一般工業(yè)水對(duì)設(shè)備產(chǎn)生腐蝕、結(jié)垢等，既不經(jīng)濟(jì)又不能保證冷卻效果。采用引風(fēng)式空氣冷卻器(以下簡(jiǎn)稱空冷器)可以節(jié)約大量工業(yè)水、電，減少環(huán)境污染，降低基建費(fèi)用，特別在缺水或水質(zhì)很差地區(qū)，以空冷器代替水冷器，可以緩和水源不足的矛盾。作者以585 t/d聚酯熔體直紡裝置為例，介紹了空冷器在聚酯生產(chǎn)中的應(yīng)用及其節(jié)能效果。

1 空冷器工作原理

空冷器是以空氣作為冷卻劑，可用作冷卻器，也可用作冷凝器。空冷器主要由管束、構(gòu)架和風(fēng)機(jī)組成，如圖1所示。空冷器熱流體在管內(nèi)流動(dòng)，空氣在管束外吹過，由于換熱所需的通風(fēng)量很大，而風(fēng)壓不高，故多采用軸流式通風(fēng)機(jī)。

圖1 空冷器的外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Profile configuration for an air cooler1—蒸汽入口；2—管束；3，4，5—電機(jī)；6，7，8—風(fēng)機(jī)；9—放空口；10—凝液出口；11—構(gòu)架

管束的型式和材質(zhì)對(duì)空冷器的性能影響很大， 由于空氣側(cè)的傳熱系數(shù)很小，故常在管外加翅片，以增加傳熱面積和流體湍動(dòng)，減小熱阻。空冷器大都采用徑向翅片,翅片一般用熱導(dǎo)率高的材料(最常用的是鋁)制成，纏繞或鑲嵌到管上，見圖2。這種翅片管的優(yōu)點(diǎn)是：接觸熱阻少，結(jié)構(gòu)可靠，壽命長(zhǎng)；翅片表面光滑，基管與換熱介質(zhì)完全隔離，不易結(jié)垢，易于清洗，能長(zhǎng)期保持良好的傳熱性能。為強(qiáng)化空冷器的傳熱效果，可在進(jìn)口空氣中噴水增濕同時(shí)使用鑲嵌式裝配，這樣既降低了空氣溫度，又增大了傳熱系數(shù)[1]。

圖2 翅片管結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of finned tube1—翅片管；2—基管

2 空冷器相關(guān)計(jì)算及選型

2.1 空冷器的設(shè)計(jì)參數(shù)初步計(jì)算

(1)工藝塔頂氣體冷凝總量(mT)：

根據(jù)已知條件：工藝塔回流與采出質(zhì)量比為1:1，585t/dPET生產(chǎn)中PTA消耗系數(shù)(α)為0.86，PTA及H2O的相對(duì)分子質(zhì)量分別為166,18，1molPTA反應(yīng)后生成2molH2O，則可計(jì)算出mT約為9 100 kg/h，見式(1)：

mT=0.43αmPET

(1)

式中：mPET為PET切片的產(chǎn)量。

(2)吸熱及放熱量[2]

根據(jù)給定的條件不同，吸熱及放熱量的計(jì)算見式(2)或式(3)：

Q=CmT?T

(2)

Q=mTq

(3)

式中：Q為吸收或放出熱量 ；C為物質(zhì)比熱容；?T為物質(zhì)傳熱后的溫差；q為物質(zhì)發(fā)生相變后所需熱量，此處為水的汽化潛熱，取2 482 kJ/kg。

根據(jù)式(2)，將氣體冷卻至50 ℃的放熱量(Qc)為191.1×104kJ。

根據(jù)式(3)，將塔頂100 ℃氣體冷凝為100 ℃液態(tài)水的放熱量(Qh)為2 260×104kJ。

那么，將酯化蒸汽冷凝至50 ℃的酯化水，其總放熱量(QT)為2 451.1×104kJ，見式(4)：

QT=Qc+ Qh

(4)

(3)風(fēng)量

設(shè)定空冷器進(jìn)風(fēng)溫度為30 ℃，換熱后出風(fēng)溫度為45 ℃,則冷卻風(fēng)通過空冷器后的?T為15 ℃，根據(jù)吸熱及放熱能量平衡原則，酯化水的放熱量等于冷卻風(fēng)的吸熱量，已知冷卻風(fēng)的C為1.004 kJ/kg·℃，按式(2)計(jì)算可得冷卻風(fēng)質(zhì)量(mw)為1.627×106kg。

根據(jù)冷卻風(fēng)密度(ρw)為1.2 kg/m3，按式(5)計(jì)算可得冷卻風(fēng)體積(Vw)為1.36×106m3：

Vw=mw/ρw

(5)

由于風(fēng)冷器體積較大，為使換熱均勻故采用3臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行換熱，則每臺(tái)風(fēng)機(jī)的Vw為4.53×105m3/h，功率為22kW。

2.2 空冷器的初步選型

空冷器的設(shè)計(jì)計(jì)算與其他換熱器相比有很大的獨(dú)特性，除了被冷卻的熱流體的參數(shù)外，沒有給定其他的參數(shù)，需要在設(shè)計(jì)的初期階段作出選擇和確定，包括翅片管形式、大小、間距等。在選擇大量參數(shù)的情況下得出初步設(shè)計(jì)結(jié)果，然后根據(jù)初步設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行精確計(jì)算，并與初步設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比或修改，修改后再重新設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)2.1節(jié)中相關(guān)計(jì)算，采用風(fēng)機(jī)3臺(tái)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)迎風(fēng)

面積為24 m2，總迎風(fēng)面積則為72 m2，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的Vw為4.53×105m3/h，則初步設(shè)計(jì)空冷器的選型參數(shù)見表1。

表1 空冷器的初步選型相關(guān)參數(shù)Tab.1 Preliminarilydeterminedparametersforaircooler

從表1可知，翅片總數(shù)為384根；根據(jù)基管外徑為25×2 mm，可確定單翅片管傳熱面積為0.942 m2，則翅片管總傳熱面積約為362 m2。

2.3 空冷器的傳熱計(jì)算

根據(jù)2.1節(jié)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，初步設(shè)計(jì)空冷器的傳熱參數(shù)見表2。結(jié)合表1可知，初步設(shè)計(jì)時(shí)，可取空冷器的總傳熱面積之比為1.3。

表2 空冷器的傳熱參數(shù)Tab.2 Heat transfer parameters of air cooler

2.4 空冷器管束排列

通過空冷器的初步選型和傳熱計(jì)算，總傳熱面積之比在允許范圍內(nèi)，考慮到散熱過程的各種不利因素如非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、環(huán)境、氣候等影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)增加效率系數(shù)，故設(shè)計(jì)所需的面積超過了計(jì)算所得面積。故翅片管排列采用3組5排錯(cuò)排布置，見圖3。

圖3 空冷器的管束排列示意Fig.3 Tube arrangement of air cooler1,3—蒸汽入口； 2—放空口； 4—凝液出口；5—管束；6—管箱

3 空冷器的應(yīng)用效果

在585 t/d PET裝置上，空冷器投入運(yùn)行后，經(jīng)檢驗(yàn)，其冷卻性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足裝置生產(chǎn)工藝要求。

空冷器與水冷卻器相比較，假設(shè)循環(huán)水進(jìn)水及出水溫度分別為33 ℃和39 ℃，根據(jù)式(2)可計(jì)算得到冷卻同樣的工藝塔塔頂蒸汽，采用水冷器所需循環(huán)水量為973 t/h。

循環(huán)水消耗主要包括冷卻水飄逸(占比0.3%)、冷卻水蒸發(fā)(占比0.83%)、冷卻水排污(占比0.3%)，因此，每小時(shí)消耗循環(huán)水總量為13.9 t，按一年內(nèi)裝置運(yùn)行時(shí)間333 d，工業(yè)用水按3.5元/t計(jì)算，則每年可節(jié)約水費(fèi)38.9萬元。

如用循環(huán)水冷卻需配置流量500 m3/h、揚(yáng)程為40 m、功率75 kW的水泵2臺(tái)，與3臺(tái)18.5 kW的風(fēng)機(jī)電量比較，每年可節(jié)約電費(fèi)57萬元。

空氣流經(jīng)管束的風(fēng)束均勻，能夠充分利用換熱面積，壓頭損失也小，并且可以充分利用自然通風(fēng)效應(yīng)，多帶走35%～50%的熱量，所以實(shí)際消耗功率還要低于理論計(jì)算值。

另外，循環(huán)水需要加藥物處理，在換熱器中的流動(dòng)阻力較大，使得水冷的成本較高；而空氣無需經(jīng)過處理，而且不需要循環(huán)使用，因而不需采取任何清垢和清洗的措施，運(yùn)行成本較低，維護(hù)費(fèi)用一般為水冷系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用的10%～20%。

4 結(jié)論

a.在585 t/d PET熔紡裝置上，采用空冷器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水冷器，通過選型計(jì)算，選擇翅片管排列為3組5排錯(cuò)排布置的空冷器，冷卻性能穩(wěn)定可靠，可滿足PET裝置生產(chǎn)工藝要求。

b.與傳統(tǒng)的水冷器相比，空冷器節(jié)能效果顯著。在585 t/d PET熔紡裝置上，采用空冷器替代水冷器，每年可節(jié)約水費(fèi)38.9萬元，節(jié)約電費(fèi)57.0萬元。

[1] 劉紀(jì)福編.翅片管換熱器的原理與設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2013:144-162.

[2] 姚玉英.化工原理[M].天津:天津大學(xué)出版社,1999:220-232.

Application and energy-saving effect of air cooler in polyester plant

Hao Ruiqiang

(YangzhouPolytexChemicalEngineeringCo.,Ltd.,Yangzhou225000)

The working principle and characteristics of a fan-type air cooler were introduced.The determined parameters and performance requirement of an air cooler were analyzed for cooling esterification steam as applied in a 585 t/d polyester plant.And the air cooler was compared with a water cooler in energy-saving effect.The results showed that an air cooler generally comprised tube bundle,frame and fan; finned tubes were fixed outside tube bundle to increase the heat transfer area; the air cooler offered the steady cooling effect satisfying the process demand of polyester plant while applying the staggered arrangement of finned tubes in 3 groups and 5 rows based on the parameters calculation and determination; and the air cooler contributed much more significant energy-saving effect than water cooler,decreasing the water cost by 389 thousand yuan or so and the electricity cost by 570 thousand yuan or so annually.

polyester plant; esterification steam; air cooler; energy-saving effect

2015-10-23； 修改稿收到日期：2016- 02- 01。

郝瑞強(qiáng)(1981—)，男，助理工程師，主要從事聚酯工程設(shè)計(jì)。E-mail：hao@polytex.cc。

TQ340.63+5.8

B

1001- 0041(2016)02- 0064- 03