氨碳分離中碳分塔冷卻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李 婷，張永帥

（新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新疆 奎屯 833200）

0 引言

換熱器是最常用的化工設(shè)備，在石油、化工和油田儲(chǔ)運(yùn)集輸系統(tǒng)上有著廣泛的應(yīng)用[1]，而換熱器又是節(jié)能措施中較為關(guān)鍵的設(shè)備，因此，對于提高能源利用效率，換熱器的合理設(shè)計(jì)、制造、選型和運(yùn)行都具有非常重要的意義[2]。

三聚氰胺，俗稱密胺、蛋白精，是一種三嗪類含氮化合物，通常以尿素為原料生產(chǎn)[3]。三聚氰胺尾氣的回收情況是影響三胺生產(chǎn)整體效益的關(guān)鍵之一[4]。三聚氰胺尾氣采用氨碳分離法進(jìn)行分離回收與其他處理方法相比，該技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保。

氨碳分離裝置主要由碳洗塔、氨分塔、碳分塔、水分塔等設(shè)備組成，整套裝置形成了循環(huán)利用。氨碳分離主要處理由三聚氰胺裝置送來的尾氣，將解吸分離后的二氧化碳送往尿素裝置，分離的氨氣送往氨氣儲(chǔ)罐。碳分塔底部出來的甲銨液經(jīng)碳分塔冷卻器回收熱量后，一部分進(jìn)入水分塔頂部，另一部分與水分塔頂部出來的解吸氣混合，解吸出來的氨和二氧化碳?xì)怏w由塔頂排出進(jìn)入氨分塔。碳分塔的主要目的是將碳洗塔送來的濃碳化氨水解吸并分離出二氧化碳，將其送往尿素裝置。在碳分塔內(nèi)碳化氨水與來自塔底的熱氣體和由塔頂向下流動(dòng)的洗滌液接觸，溶液中的甲銨和碳酸銨發(fā)生分解反應(yīng)：

分解出來的NH3溶解于水，并與水發(fā)生中和反應(yīng)生成NH4OH：

由于CO2溶解度低，容易從液相中分離出來進(jìn)入氣相。氣相由下而上運(yùn)動(dòng)與解吸廢液接觸傳熱傳質(zhì)，上升氣流中的氨被水洗滌吸收，使NH3濃度逐漸降低，CO2濃度升高，經(jīng)塔頂排出，送往尿素裝置作為原料被重新利用。

然而，由于甲銨液對碳分塔的腐蝕特別嚴(yán)重[5]。通過對碳分塔冷卻器工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)等，保證了生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，以期為碳分塔冷卻器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 碳分塔存在的問題

由于長時(shí)間使用碳分塔冷卻器，甲銨液腐蝕嚴(yán)重，清潔時(shí)需要通入的蒸汽變少，已不滿足實(shí)際需求，碳分塔冷卻器原設(shè)計(jì)在清潔時(shí)可通入1.4 MPa，17 t/h蒸汽（200 ℃），換熱量8.1 Gcal/h，傳熱系數(shù)超過1 500 kcal/(h·m2·℃)。后來冷卻器污垢增加，在2.0 MPa壓力下僅能通入13.5 t/h蒸汽（215 ℃），換熱量6.3 Gcal/h，換熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，導(dǎo)致CO2的轉(zhuǎn)化率偏低，能耗增加。所以對碳分塔冷卻器進(jìn)行改造以達(dá)到更好的換熱情況。

2 碳分塔冷卻計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1.1 設(shè)計(jì)方案計(jì)算

兩流體的溫度變化：甲銨液由100 ℃到50 ℃，水被加熱，從30 ℃到40 ℃。根據(jù)流體的溫度分布情況，管程流體和殼層流體溫差較大，所以初步選擇浮頭式換熱器。

因?yàn)樵诩卒@液在溫度越高的情況下越易結(jié)垢，為便于換熱管的清洗，應(yīng)使甲銨液走管程，循環(huán)水走殼程。選用與原尺寸相同的的傳熱管，碳鋼管，取管內(nèi)流速u=0.5(m/s)。

計(jì)算熱流量，見公式1。先按照純逆流計(jì)算，平均傳熱溫差為℃，假設(shè)，則估算的傳熱面積為153 m2，冷卻水用量為18.9（kg/s）。

2.1.2 工藝結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)，見公式（2）。

按單管程計(jì)算，所需的傳熱管長度，見公式（3）。

按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管長度過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，采用與原換熱器相同的管長3 m，則該冷卻器的管程數(shù)為6，傳熱管的總根數(shù)666根。

按單殼程，六管程結(jié)構(gòu)，查《化工原理》第四版上冊得校正系數(shù)φ=0.94，平均傳熱溫差見公式（4）。

由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.9，同時(shí)殼程流體流量較大，故選單殼程合適。

傳熱管排列：采用組合排列方法，即每程內(nèi)按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列，取管心距為公式（5）。

橫過管束中心線的管數(shù)見公式（6）。

管束的分程方法，每程各有傳熱管111根，其介質(zhì)流通的順序按圖1中第1個(gè)圖所示，流量設(shè)計(jì)均勻，溫度均衡，加工方便。

采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率為0.78，則殼體內(nèi)徑見公式（7）。

圓整取D=1000mm，采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為250 mm，取折流板的間距300 mm，折流板數(shù)9根，厚度取12 mm折流板圓缺面水平裝配。直徑為16 mm的拉桿8個(gè)。殼程入口處，應(yīng)設(shè)置防沖擋板。

2.1.3 換熱器核算

按管外面積計(jì)算，略去管壁熱阻側(cè)，查《化工原理》上冊可知，管外污垢熱阻，管內(nèi)污垢熱阻，忽略鋼管壁熱阻，傳熱系數(shù)K0見公式（8）。

所需換熱面積見公式（9）。

面積裕度為14%，該換熱器符合生產(chǎn)需求。

塑料吸管雖然并不是全球塑料污染危機(jī)中的核心，但如果人類社會(huì)能夠從解決這個(gè)小問題做起，我們距離生態(tài)和諧的目標(biāo)就又近了一步。

2.1.4 換熱器內(nèi)流體的阻力損失

管程流體阻力見公式（10）。

殼層阻力損失見公式（11）。

由于該冷卻器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適宜。

2.2 設(shè)計(jì)排列方式

設(shè)計(jì)的碳分塔冷卻器與原冷卻器并聯(lián)使用，熱流體為并聯(lián)使用，冷流體為串聯(lián)使用，見圖2。

第1臺(tái)換熱器熱流量見公式（12）。

第2臺(tái)換熱器熱流量見公式（13）。

總熱流量見公式（14）。

2.3 強(qiáng)度計(jì)算

焊接方式：選為雙面焊對接接頭，100%無損探傷，故焊接系數(shù)φ=1。

低合金鋼板16 MnR，許用應(yīng)力[σ]=163 Mpa，取焊縫系數(shù)φ=1，C1=0，腐蝕裕度C2=2 mm，計(jì)算厚度6.5 mm，設(shè)計(jì)厚度 8.5 mm，名義厚度 11 mm，有效厚度9 mm。

因腐蝕的筒體最小厚度為9 mm，故本次設(shè)計(jì)的厚度合理。

水壓實(shí)驗(yàn)壓力見公式（15）。

則校核水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)圓筒的薄膜壓力σT見公式（16）。

見公式（17）比較，水壓實(shí)驗(yàn)滿足要求。

本次設(shè)計(jì)從換熱面積、阻力損失、壁厚、水壓實(shí)驗(yàn)等的核算來看，此次設(shè)計(jì)的冷卻器適用。本文冷卻器的設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)果見表1。

表1 冷卻器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計(jì)算結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)測試與優(yōu)化前后結(jié)果

此次碳分塔冷卻器的設(shè)計(jì)前后主要數(shù)值比較見表2，在冷卻器的設(shè)計(jì)中，主要依據(jù)從初步計(jì)算中的換熱面積、換熱長度，再進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算，符合本廠的實(shí)際要求，在設(shè)計(jì)前冷卻器的污垢增加，重新設(shè)計(jì)增加新的換熱器后，換熱量達(dá)到5815.74 kj/s，換熱量提升，CO2轉(zhuǎn)化率提高2.3%，尿素日產(chǎn)量提升2.59%，噸尿素蒸汽消耗減少10.24%，工藝穩(wěn)定，保證系統(tǒng)水平的平衡，綜合能耗指標(biāo)明顯下降。

4 結(jié)語

換熱器的熱工計(jì)算是換熱器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，只有經(jīng)過對換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的不斷調(diào)整，反復(fù)計(jì)算，才能使換熱器的性能更高，設(shè)計(jì)更加合理。本次設(shè)計(jì)主要針對工廠實(shí)際需求多增加并聯(lián)使用浮頭式換熱器，通過校驗(yàn)，查驗(yàn)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，符合設(shè)計(jì)要求，按照常規(guī)的方法和步驟，取實(shí)際的殼體內(nèi)徑為1 000 mm，傳熱管的長度為3 m，總根數(shù)666根，單殼程六管程。

本次設(shè)計(jì)雖然很大程度解決了換熱效果，但是對腐蝕的具體原因還掌握不清，在后期的工藝推進(jìn)中可更側(cè)重對換熱器腐蝕預(yù)防工作改進(jìn)。