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大型氟塑料-石墨板式換熱器研制與應用
作者: 來源: 時間:2016年09月26日 字體:[  復制 打印 網址
  技術應用大型氟塑料石墨板式換熱器研制與應用劉剛(天華化工機械及自動化研究設計院,甘肅蘭州730060)及應用價值等方面的內容作了詳細介紹。),男,河北秦皇島人,高級工程師,學士,現從事化工防腐蝕設備研究工作。
  石油化工行業中大量采用的能夠耐強酸、強堿及其鹽類腐蝕的換熱器有2類,一類是合金材料制造的管殼式或板式金屬換熱器,另一類是非金屬材料制造的各類換熱器,前者價格昂貴,后者換熱效率極低。而氟塑料石墨板式換熱器克服了上述產品的這些缺點,是用于石化行業強腐蝕換熱工況中的一種綜合性能更好的新型換熱設備,其換熱面積越大,應用市場越大。
  中石化齊魯分公司萬噸微球裝置中以強腐蝕性物料鋁溶膠作為催化劑制備中的粘接劑,循環使用的鋁溶膠在進入反應器前需通過換熱器維持規定的反應溫度,這一過程對換熱設備的腐蝕十分嚴重。該裝置原設計采用國產列管式石墨換熱器,最多使用3個月就出現腐蝕穿孔,裝置的頻繁停車嚴重影響了催化劑生產裝置的安全穩定運行,且極大增加了維修費用。為了解決鋁溶膠換熱問題,天華化工機械及自動化研究設計院(以下簡稱天華院)開發研制了大型氟塑料石墨板式換熱器。
  1研制內容1.1板片結構氟塑料石墨板式換熱器板片是由非金屬復合材料壓制而成,在保證板片能夠進行換熱的前提下,更重要的是要保證板片具有足夠高的強度,并能夠壓制成所需要的形狀。考慮到非金屬復合材料的特點(如與金屬材料相比,其脆性大、抗壓強度低),將板片結構設計成既不同于金屬板式換熱器板片,又與金屬板片有相同之處。單板換熱面積為0.34 ~0.6m2板片的設計就借鑒了0.25m2板片設計的成功經驗,并對其不足之處進行了改進。
  25m2板片的2. 1提高到2.8,即大型板片長度更長,但寬度基本保持不變,其結果是介質在換熱器中流過的路線更長,在換熱器內停留的時間更長,換熱更為充分完全,提高了換熱器總傳熱系數。但這樣會增加板片加工成型的難度,特別是當非金屬材料的跨度較大時更是如此。
  筆者目前研究的板片長寬比已達到2.8或者更高。
  目前非金屬材料制造的板式換熱器普遍采用的是人字形波紋板,其最大的特點是,板片相互倒裝疊加形成網狀支點和流道,提高了板片剛度且使流體在網狀流道內產生三維變化,在較低的雷諾數下達到紊流狀態,提高了傳熱效率。考慮到模具加工的難易程度,筆者選擇了單人字形波紋板片結構。板片外形尺寸1400mmX500mmX10mm,波紋厚4mm,波紋高度5mm,波紋間距30mm,波紋夾角120°,角孔直徑100mm,有效換熱面積0.波紋形式為梯形斷面人字形。
  所示氟塑料石墨板片單板面積依次為25m2、0.34m2和0.6m2,其中0.6m2的板片是目前國產單板面積最大的氟塑料石墨板片。
  34~0.6m2的板片采用拼塊式模具。該種模具便于加工制造,但壓制過程中有些部位容易變形,模具的變形將影響板片的尺寸。
  模具成型板片的長邊框是壓制板片時變形最大的部位,加工此處模具時設置了止推臺面,這個辦法比用大直徑螺栓或銷釘來克服變形的方法要好。
  1.3板片成型工藝制作大型板片仍采用模具內熱壓制的成型方法,采用循環水內冷模具,模具內表面涂有機硅脫模劑,板片成型后用專用脫模機構完成脫模工作。
  板片成型工藝流程為:模具清理預熱一涂脫模劑一布料一合模一升溫保溫一壓制保壓一冷卻一卸壓脫模一清理模具一板片整形。板片成型溫度190*C,成型壓力為30MPa成型保溫時間超過20min,保壓5min,脫模溫度低于100C. 4密封結構密封結構不是采用國外單純的面密封結構,而是采用線面結合的密封結構,此結構密封面積小,同等密封壓緊力下可在密封面上產生更大的單位面積壓緊力,即在密封件上壓強更大。實踐證明該密封方式效果良好。采用該密封結構的換熱器整機使用壓力可達0.7MPa液壓試驗壓力達1.0MPa. 25m2板片密封系統密封溝槽較淺(1.5mm)位置又不盡合理,當制作板片中操作者放料不均勻或成型溫度控制不好時,整機壓緊力一旦超過許可值,就會出現板片密封溝槽開裂導致換熱器整機泄漏。針對這些實際問題,采用了斷面為梯型(上底5mm,下底10mm,高6mm)的橡膠密封墊,在壓緊力的作用下,密封墊呈線面型結構,可減少板片密封溝槽開裂,使大型板片的密封結構更合理、更實用、更有效,該結構在實際中得到了成功應用。
  1.5換熱器整機組裝換熱器整機組裝見。必須注意的是,與小型換熱器相比,應考慮大型換熱器板片成型后及在高溫使用中存在的收縮問題,否則將影響板片密封,引起換熱器泄漏。
  6換熱器組裝流程形式根據小型氟塑料石墨板式換熱器Z形和U形兩種流程組合形式的現場使用情況對比,大中型換熱器的流程形式擬全部采用U形結構。該流程形式的接管都在換熱器固定板上,換熱器安裝維修比采用Z形流程形式方便,打開換熱器不用拆卸進出口管線。大型氟塑料石墨板式換熱器見。
  2技術關鍵1復合材料性能及板片研制這項工作包括基本組成成分、物料配比的篩選、物料混合方式及其對板片力學性能影響的研究。對不同熱成型及壓制方法制得的板片進行力學性能測試,最終確定制作板材的最佳成型溫度、成型時間、冷卻方式和脫模方式。該專題的主要技術難點是如何提高材料的導熱系數,解決板片脫模問題和板片3技術特點①由氟塑料、石墨等非金屬材料復合制成的人字形波紋板片作傳熱元件。②采用線面結合的密封結構。③用固定端板及螺栓結構作緊固件。④用壓緊彈簧、活動端板結構作調節件,以緩解板片之間因收縮與膨脹引起的應力破壞。
  天華院研制生產的大型氟塑料石墨板式換熱器與國外同類產品性能比較見表1. 2005年8月,中國石化股份公司科技開發部組織的技術鑒定會鑒定得出結論,大型氟塑料石墨板式換熱器研制技術成果達到國際先進水平。
  4應用情況4.1應用效果大型氟塑料石墨板式換熱器于2003年10月在齊魯分公司萬噸微球裝置中作為鋁溶膠換熱設備表1國內外氟塑料石墨板式換熱器性能對比性能天華院產品瑞典AlfaLaval產品拉伸屈服強度/MPa彎曲強度/MPa壓縮強度/MPa最大允許溫度/°c最大設計壓力/MPa單板最大換熱面積/m2密封結構線面密封面密封投用,至今設備已穩定運行2a多,不僅換熱效果良好、耐腐蝕性強,而且結構緊湊、占地面積小、易于安裝維修。設備技術指標達到設計要求,滿足了生產需要。
  4.2應用效益經濟效益延長了生產周期,使鋁溶膠生產擺脫了每3個月就需更換列管式石墨換熱器的狀況,而且增加產值900萬元/a、利潤400萬元/a節約資金70萬元/a.社會效益大型氟塑料石墨板式換熱器的研制成功,標志著我國非金屬防腐蝕技術又有了新的進步。該產品在重腐蝕環境的長效安全運行,表明該產品的推廣將有利于減少因腐蝕導致的可利用資源的損耗,有利于控制因設備腐蝕損壞或制造缺陷引發的介質泄漏而導致的環境污染。
  4.3應用前景大型氟塑料石墨板式換熱器已完成了產業化研制過程,目前已經開發出了大、中、小3種規格干氣密封在氣分機泵上的應用鄭曉鷗(中油遼河油田營口加氣站,遼寧盤錦124010)和其他機械密封。簡述了干氣密封的結構、機理以及在氣分聚丙烯裝置機泵上應用的技術關鍵。
  自1976年首例螺旋槽氣體端面密封成功應用于天然氣管道壓縮機至今,干氣密封作為一種低泄漏、低磨損和長壽命的新型非接觸型機械密封,以其在密封特性等方面的明顯優勢,被廣泛應用于石油天然氣、化工和航空等行業。隨著干氣密封技術的不斷成熟,干氣密封的應用正由透平、壓縮機和鼓風機等大功率、高轉速流體機械逐步拓展到機泵類普通流體機械密封上。我公司氣分聚丙烯裝置機泵內介質為輕烴類氣體其主要密封形式為機械密封(即濕式密封),但是存在密封端面泄漏機率大、運行壽命短、穩定性差且檢修頻繁等問題,因此,其機械密封結構形式急待改進。
  1干氣密封簡介1.1密封結構干氣密封的結構與普通泵用機械密封基本相同,也由靜環、動環、彈簧和輔助密封圈等組成,見。在兩密封端面間相互運動時存在一層極薄的氣膜,該氣膜為阻塞氣,可以是氮氣、凈化風等干凈氣體其作用與濕式機械密封用的封油作用相同。
  干氣密封基本結構干氣密封的動環(硬質環)斷面上開有各種不同形狀的微米級動壓槽,主要有螺旋槽型、圓弧槽型、T型槽型和直線槽型等,見。
  1.2密封機理螺旋槽型具有良好的流體動壓效應,能夠在很6m2)的換熱板片,可以根據用戶的不同要求組裝出大、中、小型氟塑料石墨板式換熱器。
  目前,國內金屬板式換熱器每年市場需求面積達14萬m2(不包括鄉鎮企業需要的金屬板式換熱器),其中有近1/5的設備在化工、石油等行業中的強腐蝕換熱工況中使用,大都采用耐強腐蝕的鈦、鎳、哈氏合金板片,換熱器價格很高。若這些設備有一半用氟塑料石墨板式換熱器來代替,以每臺20m2計算,則每年全國至少有700臺用戶市場。
  5結語在化工、石油、制藥和輕工等行業大量采用的換熱器中,被換熱介質中多含有強酸、強堿及其鹽類,會對換熱設備會造成嚴重的腐蝕,甚止還會造成有毒物質外泄、人身傷亡事故和環境污染等一系列問題。所以要求換熱設備不但有良好的換熱性能,而且要有足夠的耐腐蝕性。大型氟塑料石墨板式換熱器具有換熱效果好、耐腐蝕性強、結構緊湊、占地面積小和易于安裝維修等特點,其應用市場非常廣泛。
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