氟化氫冷凝器的選型及設計

姚乾

摘 要：本文就氟化氫冷凝器的結構設計、強度計算等問題作了介紹，僅供設計人員參考.

關鍵詞：冷凝器 結構設計; 雙管板

1.概述

在氟化氫精制過程中要把粗氟化氫混合氣體冷凝得到更純的氟化氫液體，氟化氫冷凝器是氟化氫生產中必不可少的一種設備，它的使用情況好壞直接影響著生產的連續穩定、產品質量和生產成本。然而從實際使用情況看，換熱器的損壞頻率非常大，嚴重影響了企業的生產。通過車間反應的情況看，各工段的換熱器使用周期長短不一，好一點的可以使用一兩年，差一點的使用到3個月左右時就開始泄漏，三級冷凝工況條件較好，使用周期一般在四五年以上。每次泄漏不但要產生一筆不菲的維修費用，而且影響了生產的連續，帶來極大的經濟損失。打開換熱器，可以看到，在換熱器的列管外壁上，附著不同程度的泥垢，有鐵銹，泥沙等，厚度甚至達到4mm厚。在生產過程中，設備運行一段時間后，管頭可能會有輕微泄漏。氟化氫氣體會與泄漏處的循環水形成腐蝕性較強的氫氟酸，如果不能及時發現，整臺設備可能報廢.對多數酸具有優良耐蝕性的鉭、鈦、鋯卻都不耐氫氟酸，不銹鋼也不耐氫氟酸.鎳合金對氫氟酸較好的耐腐蝕性，鎳合金雖然耐飾性好，但價格昂貴，因此很少使用。

2. 設備選型

針對以上問題，筆者考慮采用雙管板結構，它能有效防止兩種物料混合從而杜絕上述事故的產生，又能大大減少設備制造成本。雙管板換熱器主要用于當換熱器兩程之間物料相混合后，會產生嚴重后果的情況。使用雙管板換熱器的場合一般分為以下幾種：

（1）有腐蝕及有毒的場合，管側與殼側的流體不接觸時不會產生腐蝕或中毒現象，但當管程和殼程的兩種流體相混后會引起嚴重腐蝕或中毒。

（2）防爆場合當管、殼程兩種流體相混（接觸）后，會引起燃燒及爆炸。

3）對設備造成污垢的場合當管、殼程兩種流體相混后，會形成如樹脂狀物質或聚合物

（4）有不良化學反應的場合在管、殼程兩種流體接觸后，使一種化學反應受到限制或不產生反應;或者產生不良反應，污染產品，使產品質量下降。

3.結構設計

固定管板式雙管板換熱器，這種換熱器的傳熱效果較好，它可以使殼程及管程中，兩種介質的流動方向全部為逆流，其傳熱系數較高，它與U型管換熱器相比的缺點是：多一個泄漏點，多了兩塊管板。它做冷卻器或加熱器時，最好把水或水蒸氣放到殼程，這樣積液程可以不做殼體。同時也避免殼程水壓試驗后，烘干的麻煩。

3.1 選材

設計時應注意管板與管子須有一定硬度差，一般管板比管子硬度高HB20～30，管板采用Q345R，換熱管可采用10#管。

3.2管板的設計計算按以下規定進行：

設備的總體結構設計與其他材料的管殼式換熱器基本相同，但由于雙管板換熱器的殼程和管程之間由兩塊管板組成，由此而形成三個程。即殼程、管程和殼程管板與管程管板之間形成積液程，詳見下圖。雙管板較單管板計算有所不同，本文將重點介紹管板的計算，管板厚度時應考慮三個程的工況，按不同情況進行計算。下列計算按固定管板式換熱器考慮。

管程管板的強度計算

a） 將內外兩塊管板視作一塊整體管板，根據整體管板與管程側、殼程側圓筒的連接方式和設計條件，按單管板計算得到要求的雙管板總厚度δ_0;計算還應包括換熱管、殼體等相關元件的設計校核。

b） 對內外管板分別進行計算，確定各自的計算厚度，且不小于換熱器標準規定的最小厚度，內外管板可以具有不同的厚度：

1）內管板：根據該管板與其兩側圓筒的連接方式和設計條件計算得到內管板厚度δ2，其管板隔離墻的設計壓力即作為內管板的管程設計壓力;

2）外管板：根據該管板與其兩側圓筒的連接方式和設計條件計算得到內管板厚度δ1，其管板隔離墻的設計壓力即作為外管板的殼程設計壓力;

計算還應包括換熱管、殼體等相關元件的設計校核，隔離腔的設計壓力按隔離腔內的工作壓力（常壓或腔內介質壓力）確定。

c） 兩塊管板的厚度之和應滿足：δ1+δ2≥δ0。

3.3 殼程管板與管程管板之間間隙長度的計算

氟化氫屬于高度危害介質，設計雙管板結構時考慮用連接式雙管板，連接式雙板的圓筒連接元件應符合以下規定：

a）連接式雙管板的內外管板間距g應滿足式（2-1），的要求，且不小于150mm。

………………………………2-1

其中Δr按式（2-2）計算：

……………………………2-2

連接式雙管板的圓筒連接元件厚度可根據結構需要取不小于換熱器圓筒的最小厚度。

其中：g：管板間距，mm;

d：換熱管的外徑，mm;

Δr：內外管板之間徑向熱膨脹差，mm;

Et：換熱管材料在其平均金屬溫度下的彈性模量，MPa;

RetL：換熱管材料在平均金屬溫度下的屈服強度，MPa;

Dt：管板布管區當量直徑，mm;

a1：外管板在其平均金屬溫度下的線膨脹系數，mm/（mm.℃）;

a2：內管板在其平均金屬溫度下的線膨脹系數，mm/（mm.℃）;

ΔT1：外管板平均金屬溫度與制造環境溫度差，℃;

ΔT2：內管板平均金屬溫度與制造環境溫度差，℃;

3.4換熱管與管板的連接：

殼程管板由于無法焊接，均采用強度脹，管程管板一般采用強度焊加貼脹，若條件苛刻可采用強度焊、強度脹。

3.5 積液程的結構：

對于無毒，泄漏不需收集，殼程與管程管板之間可不用短節。由于氟化氫屬于高度危害介質，泄漏需收集，不能直接排放到大氣。采用短節將殼程與管程管板連接在一起，上圖。如果殼程與管程之間管板溫差很大，為了降低殼程與管程管板與換熱管連接處的應力，可盡量降低短節的壁厚，以能承受水壓試驗為限，同時增加一個膨賬節。

雙管板換熱器的其他部件計算與常規換熱器相同在此就不一一闡述。

4.結論：

氟化氫冷凝生產過程中的換熱器的腐蝕原因非常多，要減少腐蝕，除了通過改進工藝控制無水酸濃度，避免稀酸對換熱管的腐蝕;提高整個生產裝置的開工率，技術改造、完善工藝，改善循環水水質，減少結垢，降低循環水中氯離子含量，更為重要的是通過正確的設備結構，從而減輕換熱器的腐蝕，提高換熱器效率，延長使用壽命，降低生產成本，保障生產的連續，均衡，穩定。本項目的四臺設備連續運行已超過半年的時間，沒有發現任何泄漏，這說明選材、設計和制造能夠滿足工程應用的要求。