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1、钛材列管换热器的设计邵珲 3 张邦国(兰州节能环保工程有限责任公司 )摘要 根据钛材特殊的物化性能及机械性能 , 在满足工艺参数的情况下 , 优选设计方案 , 简化结构 , 使其易于加工并且节省材料 ; 尽量减少焊接工作量 , 并使焊接结构易于焊接保护 , 从而保证产品的焊接质量。关键词 换热器钛材优选方案焊接0前言列管换热器作为重要的换热设备之一 , 广泛应用于医药、化工、冶金等行业。通常 , 传统管壳式换热器结构都是由固定管板、上下管箱及壳体分程 , 管程介质经换热管和管箱流动 , 壳程介质因壳体内折流板折流 , 逆向迂回流动 , 两种介质在此过程中发生热交换而达到换热效果。兰州节能环保工
2、程有限公司曾承接了某电镍厂硫酸镍矿浆溶液换热器项目的设计制造合同。按照生产实际要求 , 所提供的工艺参数如下 :物料名称 : 硫酸镍矿浆溶液 (密度 113103kg m 3, 含硫酸 60g L )进液温度 : 40出液温度 : 140流量 : 10m 3 h热源 : 过热蒸汽 (018M Pa, 210 )本项目中加热母液呈酸性 , 且含有多种具有腐蚀性的矿物杂质。依据工况条件 , 加热母液流经通道的材料选定为钛材。若采用传统设计结构 , 无论硫酸镍矿浆溶液走管程或壳程 , 势必都将消耗大量钛材 , 增加焊接和无损检测工作量。考虑到钛材价格昂贵和焊接条件要求较高 , 设计时在满足使用要求的
3、前提下 , 应尽量地优选方案 , 以钢代钛 , 降低设备制造成本。1钛材的基本特性及特殊制造焊接要求111钛材的基本特性钛材有较好的热力学稳定性及独特的耐腐蚀性 , 其理化性能如表 1 所示。表 1 钛材理化性能 (牌号 TA 2)主要成分 杂质 % , 不大于T i C Fe N H O 其他元素单一 总和0110 0130 0105 01015 0125 011 014抗拉强度 Rb M Pa Rr012 M Pa 伸长率 D5 %440 620 320 20 35112钛材焊接的特殊要求钛是一种活性金属 , 在高温下极易氧化 , 其焊接环境必须在真空或惰性气体保护下进行。由于真空室尺寸有
4、限 , 通常不宜用于换热器设备的焊接。最常用的焊接方式是氩气保护焊 (要求氩气纯度不低于 99199% ) , 不能用药皮焊条或埋弧自动焊 , 更不能用气焊 , 一般情况下也不能与其他金属直接焊接。钛的熔点高、导热性差、热容量小、电阻系数大 , 因而焊接熔池积累的热量多、尺寸大、高温停留时间长、冷却速度慢 , 其结果使过热区出现明显的粗大晶3 邵珲 , 男 , 1972 年 8 月生 , 工程师。兰州市 , 730050。52化工装备技术第 25 卷 第 3 期 2004 年 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All righ
5、ts reserved.粒 , 这种粗大晶粒的存在导致过热区的塑性有所下降。钛在 350以上就可以吸收空气中的氧、氮、氢 , 同样会使焊缝及其附近区域的塑性下降 , 所以温度在 400以上的钛焊缝和热影响区均应置于氩气保护中。钛材焊接时不但熔池要保护 , 焊后冷却中的焊接接头正背面均应当保护。杂质元素对钛的塑性很敏感 , 焊件与焊丝表面的水分、油污、氧化物及其他有机污染物进入熔池会使熔池中的氢和一氧化碳增加 , 容易产生气孔 , 使接头塑性降低。因此 , 焊前对焊件坡口及其附近区域以及焊丝进行清理和清洗 , 对于钛材的焊接相当重要。另外 , 钛的弹性模量比较大 , 再加之以上特点 , 就能导致
6、大的焊接变形 , 且不易矫正 , 所以要严格控制线能量大小。钛材设备在制造过程中表面极易遭铁污染 , 应当尽量防止。铁会对钛产生电偶腐蚀 , 有时会产生阴极析氢 , 使钛材设备局部产生氢脆。2换热器结构及工作原理综合考虑各种因素 , 经多种方案比较 , 最终确定硫酸镍矿浆溶液走管程 , 蒸汽走壳程 , 换热管用 57 3 钛管 , 管程法兰用钛材 , 壳程材质均为碳钢。其结构如图 1 所示。图 1列管换热器结构本设计方案打破传统的管壳式换热器结构中换热管两端管口与管板固定焊接的方式 , 采用无管板固定方式。因传统固定管板焊接方式换热管两端焊接固定 , 介质由多管口流入 , 换热管受热变形量仅靠
7、自身挠度变化来调节 , 管口焊接接头受力情况复杂 , 焊接要求较高 , 而管板通常都需要钻铰及车削等大量的机械加工 , 换热管管口焊接后常常还需要贴胀 , 经过数次检漏。本设计方案介质由单口流入 , 省去了耗材极大的管板 , 使设备重量大大减轻 , 有效地降低了生产制造成本。换热管在长度方向上无任何约束条件 , 可以自由伸缩 , 焊接接头受力条件大为改善。所有钛材焊接接头均为接管法兰或直管对接焊缝 , 焊接时管内直接通入氩气 , 外焊道则用拖罩保护 , 使得焊接质量能够得到有效保证。各换热管通过 U 型弯头互相连通 , 介质单程往返流动 , 从最后一根换热管流出 , 这样 , 使介质线性流动距
8、离大大加长 , 与壳程内蒸汽充分发生热交换 , 通过控制蒸汽流量或加热母液循环量来达到工艺要求。确定的设计参数如表 2 所示。表 2 设计参数管程 壳程 管程 壳程最高工作压力M Pa 112 018最高工作温度 140 210设计压力M Pa 112 110设计温度 150 220水压试验压力M Pa 2121 1137气密性试验压力M Pa 112 110为便于设备的清洗维修 , U 型弯头与换热管两端的连接形式均采用法兰组焊件。由于管道内表面致密的氧化膜及溶液自身的冲刷作用 , 本身不易结垢 , 即便结垢 , 通过拆卸法兰也能方便地清洗。同时为进一步降低成本 , 减少钛材的消耗量 , 采
9、用活套法兰来代替普通平焊法兰 (如图 2 所示 ) , 其中凹凸面法兰为钛材 ,两端夹紧法兰为碳钢 , 这样使钛材消耗量大大减少。图 2活套法兰结构(下转第 4 页 )62 钛材列管换热器的设计 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.变而变化 , 见表 2。由表 2 可见 , 随着耙叶角度的增大 , 热效率大体呈上升趋势。这是由于在耙叶角度改变时 , 由于耙叶数目不变 , 因而料环数目不会改变 , 小的耙叶角度与大的耙叶角度相比 , 盘上料环的宽度较小 , 加热盘盘面暴露的空间相对较大 ,
10、那么加热盘的有效传热面积较小 , 热损失大 , 因而热效率随 A的增大而下降。3结束语通过理论分析和实验研究 , 将盘式连续干燥器中耙叶安装角度调整在 45 55之间 , 干燥速率最大 , 而热效率随着安装角度的增大呈现下降趋势。在实际生产中 , 综合考虑被干燥物料特性以及热效率等因素 , 安装角取为 45 55较为合适。符号说明B 耙间距 , mc相邻两耙叶中点沿耙臂方向距离 , mcp比热 , J (kg K)cp,w 水的比热 , J (kg K)h料环高度 , m$H ev湿分的汽化潜热 , J kgH v加热蒸汽的焓值 , J kgH w 冷凝水的焓值 , J kgL 刮板长度 ,
11、mn1耙臂数n2主轴转速 , 1 sU 两取样点间的实际干燥速率 , kg (m 2s)r耙刃中点距轴心距离 , mQbed物料的堆积密度 , kg m 3t物料在盘上的停留时间 , sti物料在 i 与 i+ 1 两取样点间的停留时间 , sT m 物料的平均温度 , KT in加热介质在加热盘进口处的温度 , KT w 加热盘盘面温度 , KX i 取样点 i 处物料干基湿含量 , kg 水 kg 绝干料X in物料的进口湿含量 , kg 水 kg 绝干料X out物料的出口湿含量 , kg 水 kg 绝干料W 1料环宽度 , mZ 料环高度 , mU覆盖系数A耙叶安装角度 , ( )B
12、颗粒在耙刃中点处运动方向与耙刃的夹角 ,( )H 物料的休止角 , ( )Hr耙刃中点与耙臂在轴心处的夹角 , ( )X 物料颗粒在耙叶底刃中点处的周向角速度 ,rad sG热效率Q 供给干燥器的总热量 , J sQ 1用于除去湿分的热量 , J sQ 2干物料升温所吸收的热量 , J sM dry干燥器的产率 , kg 干料 sM w 加热蒸汽的质量流量 , kg sM v热水的质量流量 , kg s参考文献1 Krauss- M affei A k tiengesellschaft. Shovel blade sus2pension device fo r disc driers. GB
13、2082304 A , 1982, 32 Krauss - M affei A G. V o rrich tung fur die sch iep2paufhangung eines schaufelbiattes zur fo rderung einsgutes. D E 3026486 A 1, 1982, 43 Fo rthuber D W. Continuous vaccum p late dryer. ChemEng P rocess, 1983: 71 764 刘鸿雁 . 盘式连续干燥器中耙叶角度及形状对干燥速率影响的研究 : 硕士论文 . 天津 : 河北工业大学 , 1995.5
14、 司孟华 . 盘式连续干燥器内物料在干燥盘上运动规律的理论分析及实验研究 : 硕士论文 . 天津 : 河北工业大学 , 1990.6 Sch luender E U. V acuum contact drying of free flow ingm echanically agitated particulate m aterial. Chem EngP rocess, 1984 (18) : 93 111(收稿日期 : 2004203230)(上接第 26 页 )3结束语在传统管壳式换热器的基础上 , 遵循其基本的设计原则 , 综合考虑钛材的理化性能及其对焊接条件的特殊要求 , 通过优选方案 , 最终确定了本设计结构。目前 , 该换热器已成功地应用于生产。实践表明 , 该设备运行状况良好 ,完全满足生产工艺要求。(收稿日期 : 2003210226)4 盘式连续干燥器中耙叶安装角度的改变对干燥速率影响的研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
