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1、毕业设计（论 文）题 目：列管式换热器清洗存在的 问题及解决方案 摘 要 列管式换热器是化工生产中应用最广泛, 最典型的间壁式换热器, 主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。其优点是单位体积设备所提供的传热面积大, 传热效果好,结构简单, 操作弹性大, 可用多种材料制造。但换热器在使用过程中, 污垢沉积物会不可避免地出现在传热表面上, 现结垢现象, 污垢沉积物热阻较高,大大降低了传热速率; 同时由于结垢减小了流道面积, 介质流动阻力增大, 能耗增加。几年来, 兰州石化公司助剂厂大部分换热器存在上述因结垢而影响使用效果的问题。本论文通过总结通过对列管式换热器结垢产生的原因和影响因素分析、
2、比较几种常用的除垢方法, 选择较为合适的清洗方法。以兰州石化公司助剂厂年2万吨顺酐装置列式管换热器E-1307A/B为例：分析换热器易结垢原因，分析顺酐装置清洗E-1307A/B的方法、优点及存在的问题，利用数学模型进行换热器参数优化分析。关键词: 列管式换热器，结垢，清洗一 、绪论（一）选题目的和意义以石油为代表的不可再生资源，经过20世纪100年来的超强度使用，能源紧缺越显突出了，在能源危机的今天，设计一个合理用能或在经济条件下最大限度的回收有效能己成为目前设计和改造能量系统的准则。化学工业是耗能高的部门，换热器随着我国越来越多的人口由农业转向工业，对能源的需求量正迅速上升。能源价格不断上
3、涨，在产品总成本中能源费用部分越来越大。节约能源(相伴随的是减少环境污染)己成为整个社会日益关注的问题，在能耗很大的工业部门，节能工作一直是发展生产技术、提高竞争能力的重要组成部分。我国能源供应短缺，而且能源利用效率与发达国家相比有很大差距。采用先进的节能技术，实施清洁生产计划，改造现有工业装置，按可持续发展战略，实现经济与环境的同步发展，有广阔的技术市场需求，是永恒的科技研究课题。化学工业是耗能高的部门，它既要用能源作燃料和动力，又做材料。然而根据报道国内由原料能转变为最终有效利用能的转化率目前只有26%，换热设备的投资费用占总投资费用的29%-39%。换热设备是一种石油、化工行业中广泛使用
4、的换热工艺设备，节能潜力很大。目前其发展动向是提高设备的热效率，促进设备结构的紧凑型。旧厂改造的许多工作是围绕换热设备的优化来进行的。一方面，过程系统工程致力于换热网络的优化综合，另一方面，工程师们在寻找换热器强化传热技术的具体手段。所谓换热器强化传热技术就是使换热器在单位时间、单位传热面积传递的热量尽可能增多。长期以来，国内外对此进行了大量有益的研究。在石油炼制、石油化工生产中是保证加工过程正常运转的重要设备。换热设备在化工过程中起着至关重要的作用，据统计在现代石油化工生产中换热设备的投资费约占总设备投资费的30%至40%。而且，它的行为也严重关系着全厂的正常运行和操作费用。兰州石化公司年2
5、万吨顺酐生产装置为2005年的新建项目，于2006年7月建成投产。装置采用的工艺路线为混合碳四原料预处理、正丁烷法固定床气相催化氧化、溶剂吸收、批量精馏、结片成型的顺酐生产工艺路线。其中混合碳四原料预处理工艺来自兰州炼油化工设计院，正丁烷法固定床气相催化氧化工艺来自天津市化工设计院，溶剂吸收、批量精馏工艺为引进的美国HUNTSMAN公司工艺包。本装置的原料预处理工艺、溶剂吸收批量精馏工艺均为国内第一家，在工艺技术上处于国内先进水平。2.0万吨/年固态顺酐生产能力，操作时间8000小时/年，装置操作弹性50110%。切换冷却器（E-1307A/B）是顺酐装置氧化工段重要的设备之一。它不仅有回收热
6、量、将反应生成气冷却到合适的温度的作用，同时一部分杂质沉积在E-1307A/B，减轻了吸收塔的负荷和堵塞。由于反应生成气中含有焦油并携带催化剂、助剂等杂质，E-1307A/B的管程容易被堵，反应器的入口压力PIC-1341也会越来越大。若切换冷却器出口蝶阀开度最大后仍不能降低压力，则需进行切换、清洗。E-1307A/B经水洗、水煮后再用高压水枪清洗效果不理想，清洗水覆盖的区域有限，清洗水清洗时间长，使用周期短。本文针对氧化岗位切换冷却器（E-1307A/B）清洗过程中遇到的问题，并根据实际情况提出相应的解决方案。（二） 国内外换热器新进展1.概述70年代的世界能源危机，有力地促进了传热强化技术
7、的发展。为了节能降耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程要求的高效能换热设备。这是因为，随着能源的短缺(从长远来看，这是世界的总趋势)，可利用热源的温度越来越低，换热允许温差将变得更小，当然，对换热技术的发展和换热器性能的要求也就更高。所以，这些年来，换热器的开发与研究成为人们关注的课题。其目标总括起来就是，在给定换热量的条件下减小换热器尺寸，提高现有换热器的性能，减小流动工质的温差，或者降低泵功率。最近，随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，并向低温差设计和低压力损失设计的方向发展。同时，在设计技术方面要求成本适宜，另一方面要求高精度。2.强化传热技术应用强化传热
8、技术可以实现下述目的。1.减小设计传热面积，以减小换热器的体积和质量。2.提高现有换热器的换热能力。3.使换热器能在较低温差下工作。4.减小换热器的阻力，以减少换热器的动力消耗。所谓提高换热器性能，就是提高其传热性能。研究改进传热性能，是指传热加强、强化或加剧。一般说来，这就意味着提高传热系数。狭义的强化传热系数是指提高流体和传热面之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理，即使边界层减薄和增加涡流使径向温度变小。前者采用各种间断翅片结构，后者采用泡核沸腾传热川。最近还兴起一种EH。技术，即电气流体力学技术，又称为电场强化冷凝传热技术，进一步强化了对流、冷凝和沸腾传热，特别适用于强化冷凝传热
9、，并适用于低传热性介质的冷凝，因而引起人们的普遍关注。3传热面形状的改变扩大传热面积不应靠加大设备的尺寸来实现，而应从设备的结构来考虑，提高换热器的紧凑性，用最少的材料费取得最大的传热量。管壳式换热器改变传热面形状的方法有多种，其中用于无相变强化传热的有:横槽管、螺旋槽管(5管)和缩放管。内翅片管与横槽管和螺旋槽管一样，不但可用于单相对流传热，也可有效地用于强化管内流动沸腾传热。新近又开发出偏置折边翅片管(一种间断翅片管)和螺旋扁管，后者也叫麻花管，这原是瑞士的Allares公司技术，后经布朗公司改进，是一种高效换热元件。用于有相变强化传热的强化沸腾传热管有：烧结多孔表面管、机械加工的多孔表面
10、管、电腐蚀加I的多孔表面管, T型翅片管、ECR39管和Tube-B型管。俄罗斯也开发出一种称之为“变形翅片管”的传热管，可用于空分装置的冷凝一蒸发器。用于强化冷凝传热的传热管有：纵槽管、低螺纹翅片管、锯齿形翅片管(ST管)和径向辐射肋管式翅片管(R管)等。近年来，Hamon-Lummus公司又新推出一种SRC翅片管(SRC Fin Tube)，用于冷凝传热。外翅片管可以利用液体表面张力减薄冷凝液膜厚度以强化传热，这一发现大大促进了新型翅片管的研究开发。人们用不同金属制造不同形状的翅片管，翅片密度在50-2900个翅片m-1，与光管相比，给热系数可提高112倍。内螺旋翅片管(NL管)是美国新开
11、发的一种高效强化管内相变传热元件，用于沸腾传热。内波纹螺纹管在湍流时可使对流传热系数增加一倍多。多头内螺纹管(ISF管)也是一种高效强化传热管，具有较好的强化管内沸腾传热的性能，传热膜系数为光管的1.62.2倍，在相同的传热面积下，能够完成相当于光管158%190%的传热负荷。ISF管的强化传热作用主要是内表面和二次流的增加所致。可用于干式蒸发器，与目前制冷行业通用的星形内肋管蒸发器相比，质量可以减轻近50%。截面管也是近年来国外研究开发的强化传热元件，实验证明，此类管件与光圆管相比，具有显著的强化传热效果。4提高总传热系数 K提高总传热系数K是当今传热强化研究的重点。传热设备在运行过程中，热
12、传递表面常有污垢积存，对传热产生附加热阻，导致传热速率降低，估计其总传热系数下降的幅度在29%以上，由此引起设备寿命周期费用显著增大，造成巨大的经济损失。由于过去对污垢形成的机理研究甚少，垢层厚度及其导热系数很难准确估计，但在估算总传热系数K时又必须考虑垢层热阻，设计人员通常采用垢层热阻的经验值作为估算K值的依据，有时为使换热器胜任工艺条件，往往还加上一个安全系数，因而在设计计算后选用的传热面积中有较大部分用来应付污垢，使实际应用的换热器比其清洁无垢时所需传热面积增加较多，不仅导致设备购置费用显著增大，而且因流体速度与无垢情形相比大为降低，使热传递表面更易结垢，容易形成降低传热效率的恶性循环。
13、针对污垢这一严重影响传热效率的问题，科技人员从防止结垢和及时清除垢层两方面着手，进行了一系列卓有成效的研究，提出了许多有效的处理措施。据文献介绍，美国传热研究有限公司(HTRI)和管式换热器制造商协会(TEMA)曾组成一个联合委员会，改写TEMA规定的冷却水污垢标准。在介质中加入阻垢剂类微量物质，可以保证设备在更长时间内高效运行，同时减小垢下腐蚀，延长设备使用寿命。对换热管进行表面处理可以防止或减缓结垢，在严重结垢和壁温恒定条件下进行的光管、内翅片管和螺旋槽管的抗垢性能比较研究表明，在相同操作条件下内翅片管和螺旋槽管的传热系数仍比光管高10%90%，其中螺旋槽管的污垢热阻比光管低19%50%。
14、清除污垢的方法有机械方法、化学方法和物理方法。利用美国DIALOG系统数据库对有关传热表面清洗的1314件世界专利进行的统计分析结果表明，机械方法占污垢清除方法的大部分，化学方法约占24%，物理方法只占2%左右。用得较多的机械方法有往复式机械法、旋转式机械法、振动清洗、喷丸清洗、射流清洗、固体颗粒流态化清洗等除垢方法:常用的化学方法有碱洗、酸洗、氨洗、专用溶剂清洗、燃烧除垢等；变形除垢法等物理方法则用得较少。对于具体的传热设备、应根据设备的结构和材质、污垢种类、流体性质、使用条件等因素来选择合适的除垢方法。 湘潭大学俞秀民教授等根据热传递表面污垢与传热流体边界层不仅紧密毗邻，而且两者均是主要热
15、阻的特点，提出了将强化对流传热与减免污垢结合起来，利用传热流体的自身动力实现传热表面在线自动防垢除垢和强化传热边界层中滞流内层之热传递过程相结合的技术开发新思路，并据此研究出液固流态化法、扭孔带转动法、螺旋弹簧振动法等自洁高效传热技术，己在湖南大乘资氮集团有限公司、南京化学工业公司化肥厂、湖南农药厂等多家工业企业实际应用，取得了显著的效果。国内在这方面也有所尝试。青岛石化厂常减压装置和天津石化厂常减压装置换热系统采用国产纽带扰流子内插件换热器，管内膜传热系数提高23倍，而压降增加不大。上海石化总厂乙烯厂常减压蒸馏装置换热器采用国产交叉锯齿形带内插件，在压降不增加情况下，总传热系数较光管提高了50%。减小对流传热的热阻常通过加大流速或人工紊流的方法，增强流体湍动程度，减小传热边界层中滞流内层的厚度，以提高对流传热系数，减小对流传热的热阻。对此，国内外学者提出了很多行之有效的方法，增加列管式换热器的管程数和壳程中挡板数；改进管子排列方式；优化介质流速；设法造成压力的脉动；将板式换热器的板面压制成凹凸不平的波面;利用扰动促进物;采用扩面强化传热管一如螺旋槽纹管、横槽纹管、螺纹管等；采用高效组合传热系统一如热管、热虹吸管等；提供热传递的激励以实现主动强化一如使用附加电场、磁场、超声波或机械动力等来扰动和破坏边界层;在某些高粘度流体中加入减粘剂，或在介质中加入与其互不
