列管式换热器清洗存在的问题与解决方案

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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 23 / 26 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, 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

2、素分析、比较几种常用的除垢方法, 选择较为合适的清洗方法。以石化公司助剂厂年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。能源价格不断上涨

3、,在产品总成本中能源费用部分越来越大。节约能源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的换热工艺设备,节能潜力很大。

4、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。石化公司年2万吨顺酐生产装置为20XX的新建项目

5、,于20XX7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炼油化工,正丁烷法固定床气相催化氧化工艺来自XX市化工,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第一家,在工艺技术上处于国先进水平。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-

6、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

7、的高效能换热设备。这是因为,随着能源的短缺,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

8、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,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

9、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、螺旋槽管和缩放管。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流动沸腾传热。新近又开发出偏置折边翅片管和螺旋扁管,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

10、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、锯齿形翅片管和径向辐射肋管式翅片管等。近年来,Hamon-Lummus公司又新推出一种SRC翅片管,用于冷凝传热。外翅片管可以利用液体表面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。螺旋翅片管是美国新开发的一种高效强化管相变传热元件,用于沸腾传热。波纹螺纹管在湍流时可使对流传热系数增加一倍多。多头螺纹管也是一种高效强化传热管,具有较好的强化管沸腾传热的性能,传热膜系数为光管的1.62.2倍,在相同的

11、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

12、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。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,美国传热研究和管式换热器制造商协会曾组成一个联合委员会,改写TEMA规定的冷却

13、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、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%。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

14、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。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,己在大乘资氮集团、化学工业公司化肥

15、厂、农药厂等多家工业企业实际应用,取得了显著的效果。国在这方面也有所尝试。石化厂常减压装置和XX石化厂常减压装置换热系统采用国产纽带扰流子插件换热器,管膜传热系数提高23倍,而压降增加不大。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

16、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相溶的表面活性物质等。最近,国外又开发出一种称之为HitranMatri Elements的花环式插入物,它是一种金属丝制翅片管子插入件,能增强湍流,改善传热性能,它是英国CalGarinLtd公司的产品,并取得了专利权。列管式换热器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单,操作可靠,可用各种结构材料

17、主要是金属材料制造,能在高温、高压下使用,是目前应用最广的类型。 由壳体、传热管束、管板、折流板挡板和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形,部装有管束,管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体,一种在管流动,称为管程流体；另一种在管外流动,称为壳程流体。为提高管外流体的传热分系数,通常在壳体安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度,迫使流体按规定路程多次横向通过管束,增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑,管外流体湍动程度高,传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便,适用于易结垢的流体。流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次称为一个壳程。为提高管流体速

18、度,可在两端管箱设置隔板,将全部管子均分成若干组。这样流体每次只通过部分管子,因而在管束中往返多次,这称为多管程。同样,为提高管外流速,也可在壳体安装纵向挡板,迫使流体多次通过壳体空间,称为多壳程。多管程与多壳程可配合应用。 由于管外流体的温度不同,因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两温度相差很大,换热器将产生很大热应力,导致管子弯曲、断裂,或从管板上拉脱。因此,当管束与壳体温度差超过50时,需采取适当补偿措施,以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施,列管式换热器可分为以下几种主要类型：1列管式换热器 管束两端的管板与壳体联成一体,结构简单,但只适用于冷热流体温度差不大,且壳程不需机械

19、清洗时的换热操作。当温度差稍大而壳程压力又不太高时,可在壳体上安装有弹性的补偿圈,以减小热应力。2 浮头式换热器 管束一端的管板可自由浮动,完全消除了热应力;且整个管束可从壳体中抽出,便于机械清洗和检修。浮头式换热器的应用较广,但结构比较复杂,造价较高。3列管式换热器 每根换热管皆弯成U形,两端分别固定在同一管板上下两区,借助于管箱的隔板分成进出口两室。此种换热器完全消除了热应力,结构比浮头式简单,但管程不易清洗。化工生产中强腐蚀性流体的换热,需采用瓷、玻璃、聚四氟乙烯、石墨等非金属材料制作管壳式换热器。这类换热器的换热性能较差,只用于压力低、振动小、温度较低的场合。进行换热的冷热两流体,按以

20、下原则选择流道：不洁净和易结垢流体宜走管程,因管清洗较方便；腐蚀性流体宜走管程,以免管束与壳体同时受腐蚀；压力高的流体宜走管程,以免壳体承受压力；饱和蒸汽宜走壳程,因蒸汽冷凝传热分系数与流速无关,且冷凝液容易排出；若两流体温度差较大,选用固定管板式换热器时,宜使传热分系数大的流体走壳程,以减小热应力。 当管壁两侧传热分系数相差很大时如粘度小的液体与气体间的换热,应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。如果管外传热分系数小,可采用外螺纹管低翅片管,以增大管外一侧的传热面积和流体湍动,减小热阻。如果管传热分系数小,可在管设置麻花铁,螺旋圈等添加物,以增强管扰动,强化换热,当然这时流体的流动阻力也将增大

21、。三列管式换热器结垢的原因及结垢的影响1.结垢的原因几年来, 公司所用大部分换热器存在上述因结垢而影响使用效果的问题, 由此而造成了一系的经济损失。据统计,我国每年由于换热器结垢而造成的损失高达100亿元以上。因此换热器的结垢防治是急需解决的问题。换热器运行质量的好坏和时间长短, 与日常维护、清洗保养是否及时、合适有非常密切的关系。对于容易结垢的流体, 可在规定的时间采用合适的方式进行除垢。最近几年, 我们为了清洗换热器污垢, 先后试用了几种常用的清洗结垢的方法, 确定了在各种场合较为合适的清洗方法。下面从换热器结垢产生原因、类型和影响因素及几种清洗方法的比较进行归纳。因为换热器大多是以水为载

22、热体的换热系统, 由于某些盐类在温度升高时从水中结晶析出, 附着于换热管表面, 形成水垢。在冷却水中加入聚磷酸盐类缓冲剂, 当水的pH 值较高时, 也可导致水垢析出。初期形成的水垢比较松软, 但随着垢层的生成, 传热条件恶化, 水垢中的结晶水逐渐失去, 垢层即变硬, 并牢固地附着于换热管表面上。此外, 如同水垢一样, 当换热器的工作条件适合溶液析出晶体时, 换热管表面上即可积附由物料结晶形成的垢层; 当流体所含的机械杂质有机物较多、而流体的流速又较小时, 部分机械杂质或有机物也会在换热器沉积, 形成疏松、多孔或胶状污垢。对于常用的换热器而言, 根据结垢机理,我们一般将结垢分为以下几类:1.类析

23、晶结垢: 如水冷却系统中, 由于水中过饱和的钙、镁盐类由于温度、pH 值等变化而从水中结晶沉积在换热器表面, 而形成了水垢;2.粒结垢: 流体中悬浮的固体颗粒在换热面上的积聚;3.化学反应结垢: 由于化学反应而造成的固体沉积;4.腐蚀结垢: 换热介质腐蚀换热面, 产生腐蚀产物沉积于受热面上而形成污垢;5.生物结垢: 对于常用的冷却水系统来讲, 工业水中往往含有微生物及其所需的营养, 这些微生物群体繁殖, 其群体及其排泄物同泥浆等在换热表面形成生物垢;6.凝固结垢: 在过冷的换热面上, 纯液体或多组分溶液的高溶解组分凝固沉积。以上的分类只是表明了某个过程对形成该类污垢是一个主要过程, 结垢往往是

24、多种过程的共同作用结果。因此换热面上的实际污垢, 常常是多种污垢混合在一起的。2结垢影响因素影响结垢的因素有很多, 流体速度、流体流动状态、流体组分的组成和含量以及换热器的结构等都对污垢的形成有一定的影响, 从应用角度考虑,我们只有找出主要因素才能使结垢问题得到有效解决。对于特定流体而言, 影响换热器结垢的主要因素有以下几个方面:1.流体的流动速度: 在换热器中, 流速对污垢的影响应该同时考虑其对污垢沉积和污垢剥蚀的影响, 对于各类污垢, 由于流速增大引起剥蚀率的增大较污垢沉积的速率更为显著, 所以污垢增长率随着流速的增大而减小。但是在换热器的实际运行中, 流速的增加将增大能耗, 所以, 流速

25、也不是越高越好, 应就能耗和污垢两个方面来综合考虑。2.传热壁面的温度: 温度对于化学反应结垢和盐类析晶结垢有着重要的作用, 流体温度的增加一般会导致化学反应速度和结晶速度的增大, 从而对污垢的沉积量产生影响, 导致污垢增长率升高。3.换热面材料和表面质量: 对于常用的碳钢、不锈钢而言, 只是通过腐蚀产物的沉积而影响结垢; 而如果采用耐蚀性能良好的石墨或瓷等非金属材料, 则不易发生结垢。换热面材料的表面质量会影响污垢的形成和沉积, 表面粗糙度越大, 越有利于污垢的形成和沉积。四列管式换热器除垢措施目前国外清洗切换冷却器的方法主要有以下三种：1. 机械清洗 1喷射清洗：喷射清洗是一种强力清洗法,

26、它是利用喷射设备将介质以极高的冲击力喷入换热器的管侧和壳侧,起到除垢的目的。常用的介质是水、蒸汽或石英砂。对于仅仅依靠冲击力是不能去除而必须依靠热量才能使污垢松动,蒸汽喷射清洗是非常好的方法。 2管插入物清洗：这种方法只能除去管子里面的污垢,它依靠插入物在管的运动。与管子表面接触,达到去除污垢的效果。插入物的型式多种多样,可以是在挠性轴的端部装上刮刀或钻头也可以使用钢丝刷子来清洗较低硬度的污垢。对于换热器管污垢,以上两种换热器清洗方法,采用管插入物清洗效果比直接喷射清洗效果明显,但插入物清洗劳动强度相对较大。将两种方法结合使用,在用插入物清洗同时用高压水喷射,效果大大提高。其优点是见效快、易操

27、作、而且可降低清洗强度。但缺点是清洗设备需装拆,易对设备造成机械损伤。 2. 化学清洗在流体中加入除垢剂、酸、碱、酶等,以减少污垢与换热面的结合力,使其从受热面上脱离,这种方法就称为化学清洗法。化学清洗可以在现场完成,清洗强度较低；但清洗更完全,可以清洗机械清洗所能到达的地方,并可避免机械清洗对换热面造成一定的机械损伤；而且化学清洗可以不用拆开设备,对于不能拆开的管壳式换热设备具有机械清洗所不能比拟的优点。对于换热器壳侧清洗,经常采用化学清洗和喷射清洗。两者各有千秋。应该说清洗效果,化学清洗优于喷射清洗。但化学清洗的过程中,应根据污垢的特性,合理地选择缓蚀剂、清洗主剂和助剂,控制适宜的速度和温

28、度；同时应做好清洗废液的处理排放工作,避免对环境造成影响；而且化学清洗现场配制清洗剂较为费时,对清洗后设备酸度控制要求较高。喷射清洗操作较为简便,但效果明显。因此我们对于换热器壳侧清洗,在不同场合采用不同的清洗方法。对设备酸度要求不高或结垢较为严重的场合,采用化学清洗除垢。反之,则较多采用喷射清洗除垢。 3. 超声波除垢除了上述几种常用的清洗方法,现在出现了新的换热器清洗技术超声波除垢。它利用超声波的空化效应、活化效应、剪切效应和抑制效应除垢,超声波除垢技术在石油化工、制糖等一些行业得到了运用,并取得了很好的效果。这项新技术目前还有很多空白领域需要研究。超声波除垢技术的关键是针对不同物料、不同

29、装配类型和传热面积的大小,选择合适的超声波功率和频率大小。二、顺酐装置列管式换热器问题分析一顺酐流程简介1工艺原理1.氧化反应原理这部分的作用是将原料正丁烷进行蒸发汽化并与空气按一定比例均匀混合,混合气体在反应器的管程进行催化氧化反应,生成顺酐气体。高温的反应生成气体,即富含顺酐的气体经冷却后进入到回收部分的吸收塔。正丁烷氧化反应放出的热量大部分被反应器壳程循环的熔盐移出,并与锅炉水进行热交换,产生蒸汽以回收热量。其余的反应放热由反应生成气经气体冷却器及切换冷却器与其壳程循环的锅炉水进行热交换也用于产生蒸汽、回收热量。正丁烷氧化反应是气-固相催化氧化反应,催化剂是V-P-O钒磷氧化物系列催化剂

30、,本装置采用的是HUNTSMAN公司的Mars V催化剂。正丁烷氧化反应的特点是反应温度高、反应转化率较低、副反应多、需要补充助催化剂、反应放热量较大。反应方程式如下：由HUNTSMAN公司提供的总反应式：当正丁烷原料纯度97%以1.80mol%进料浓度占进料混合气的比率通过反应器时,大约有85%的正丁烷参加反应,其中有35%的正丁烷参与副反应,大部分转化为CO、CO2和H2O,同时有少量乙酸C2H4O2和丙烯酸C3H4O2生成。顺酐的初期收率约为97.9%wt,平均收率为92%wtHUNTSMAN Mars V催化剂。正丁烷原料中的异丁烷和其他烃类都几乎100%转化为CO、CO2和H2O。富

31、马酸的形成：为了防止和减轻热力设备的氧腐蚀,必须对锅炉给水进行除氧,热力除氧器是以加热的方式除去给水中溶解氧及其他气体的一种设备,其详细原理如下：以蒸汽通入除氧器,把需要除氧的水加热到相应压力下的饱和温度,即水的沸腾温度,使溶于水中的气体解吸出来,并随余汽排出除氧器,以达到除氧的目的。反应器顶部流出的反应生成气进入气体冷却器E-1306的管程,与壳程的锅炉水进行换热,产生的蒸汽进入到蒸汽包,蒸汽包下部的锅炉水靠重力作用流入到气体冷却器,形成一闭路循环系统。从气体冷却器流出的反应生成气,进入切换冷却器E-1307A/B继续冷却,管程流动的反应生成气与壳程流动的锅炉水进行热交换,壳程流动的锅炉水被

32、加热至215、4.30MPa进入到蒸汽包。壳程的锅炉水来自除氧器D-1895,用锅炉给水泵P-1895送入切换冷却器。为了保证切换冷却器出口的反应生成气温度在126133,给切换冷却器的锅炉水设置了旁路,这样进入汽包的一部分锅炉水可以不与反应生成气换热直接进入汽包。2.列管式换热器E-1307A/B的现状切换冷却器E-1307A/B是顺酐装置氧化工段重要的设备之一。它是一个列管式换热器,以下称E-1307A/B。管程是从E-1306气体冷却器流出的反应生成气,主要组成有顺酐气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气,随着催化剂后期便有组分乙酸C2H4O2、丙烯酸C3H4O2和焦油。壳程是来自除氧器的锅炉水

33、。切换冷却器E-1307A/B不仅有回收热量、将反应生成气的温度冷却到126133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。顺酐装置曾用过高压水枪清洗法、碱洗法。目前清洗E-1307A/B的方法是先水洗后水煮,再用高压水枪清洗化学清洗优于喷射清洗。但

34、化学清洗的过程中,根据了污垢的特性, 合理地选择缓蚀剂、清洗主剂和助剂, 控制适宜的速度和温度; 同时应做好清洗废液的处理排放工作, 避免对环境造成影响; 而且化学清洗现场配制清洗剂较为费时, 对清洗后设备酸度控制要求较高。高压水枪清洗操作较为简便, 但清洗不彻底,效果不明显,影响其装置长周期运行,也影响本厂经济效益的增长。这是不可取的。因此我们对于E-1307A/B换热器管程清洗采用不同的清洗方法。列管式换热器E-1307A/B切换的条件反应器入口压力PIC-1341可以通过PV-1341A/B 和切换冷却器出口蝶阀控制,由于PV-1341A/B控制阀出现故障,现图1在反应器入口压力主要通过

35、调节切换冷却器入口碟阀的开度来控制,如下图1所示:增加风量,会提高反应器入口压力,可通过调节切换冷却器出口蝶阀的开度使入口压力恢复至正常值。如果反应器入口压力持续上升,而风量不变,这就说明E-1307堵,会提高反应器入口压力,可开大切换冷却器出口蝶阀降低入口压 力；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。3. E-1307A/B清洗的预期目标及影响因素E-1307A/B清洗的预期目标：清洗后的切换冷却器开始用时在较低的蝶阀开度不大于30下反应器入口压力在175KPa左右,在一个星期压力基本维持在较低的水平180KPa以下,使用周期24天以上,清洗时间5天以。在实际生产

36、中影响E-1307A/B使用周期的主要因素有：切换冷却器的清洗效果、氧化反应产物的组成。而在设备方面主要是鼓风机B-1201、汽包D-1308、熔盐泵P-1304A/B等设备的正常操作,以上这些操作间接影响到E-1307A/B正常运行。4.目前清洗E-1307A/B存在的问题顺酐装置曾用过高压水枪清洗法、碱洗法。目前车间清洗E-1307A/B的方法是先水洗后水煮,再用高压水枪清洗,具体步骤是：以E-1307A为例：1.从温水罐引入温水,在TK-2101罐先建立起50的液位。2.温水经P-2101泵从E-1307A顶部通入走管程,水将一部分渣子洗掉,清洗后的污水返回TK-2101罐,比较重的渣子

37、由于重力作用沉积TK-2101罐底部。温水就这样在E-1307A和TK-2101罐循环流动,时间为24h。3.水煮：先将E-1307A的顶底阀关闭,往E-1307A通入水。当E-1307A的液位到80时停止通水,把汽包的蒸汽出口阀门打开,把进E-1307A的蒸汽阀门打开。蒸汽从下往上流动,对E-1307A蒸煮,让硬化的污垢软化。8h后关闭蒸汽,打开顶底阀,将水放到TK-2101罐。4.高压水枪清洗高压水清洗机的高压泵产生高压水,通过喷嘴将高压水转换成高速水射流,对清洗对象进行打击、冲蚀、剥离。清洗时将软管插入管子,摁紧高压水枪,逐步将软管往下伸,直到听到清脆的扑哧声,就说明这根管子已经通畅了,

38、这时可以拔出管子,开始下根管子的清洗了。按照这个方法用人工一根根管子,一排一排的进行清理。具体的清洗流程如下图2所示： 图2优点：采取先水洗、水煮然后用高压水枪清洗所用的时间比单纯用高压水枪清洗所用的时间少得多,而且延长切换冷却器的使用周期,减少切换冷却器的清洗次数,节约生产成本和物力,减少了由于切换冷却器在切换过程中的工艺参数的波动和切换过程中非计划停工,有利于装置的平稳运行。存在的问题：问题一：清洗水覆盖的区域有限,清洗水的流量小,清洗水进入E-1307从环形的圆柱下面的小孔喷出,有些地方根本就喷不到,E-1307有4050的管子没有被水冲洗彻底。问题二：水煮效果不好。虽然水煮后大部分的渣

39、子被清理掉,但每次清理后还有大约50根管子堵住,没清理干净,还需大量的人力用高压水枪清洗。问题三：清理时间长至少7天,清理不彻底,使用周期短平均19天。5.整改措施E-1307A/B清洗过程水煮效果不好、清理时间长主要原因是焦油、催化剂等黏稠物粘在管壁上很难清除,水煮时的温度不够,水煮时间不够。尽管投入大量的人力,清理还是不彻底。大部分的管子没有被清洗到,主要原因是清洗水的流量太小,喷水的圆环结构存在缺陷。6.设备方面重点关注鼓风机B-1201、汽包D-1308、熔盐泵P-1304A/B、E-1306的的运行情况,正常操作充分考虑装置在任何状况下的操作情况,避免人为因素给操作带来不便。因为氧化

40、岗位非计划停工会造成反应生成气杂质含量增加,E-1307A/B管程的介质流动不畅而使焦油、催化剂等黏稠物粘在管壁。杂质的增多还会堵塞溶剂岗位的过滤器。7.工艺方面针对问题一,提出了这样的解决方案：采用清洗水低进高出的方法,即TK-2101罐中的清洗水经P-2101从E-1307底部进入,待水积满E-1307壳程后水从顶部流出,流回到到TK-2101罐,如此循环。针对问题二和问题三,提出了这样的解决方案：从低压蒸汽管网引入一条蒸汽管线,蒸汽通入TK-2101罐,将清洗水的温度提高到9095。具体的步骤是：1.从低压蒸汽管网引入蒸汽通入TK-2101罐,在低压蒸汽管线在加一个控制阀TV-1399,

41、通过调节控制阀TV-1399的开度,即低压蒸汽的流量FI-1398来调节TIC-1399的温度,将E-1307壳程入口清洗水温度TIC-1399控制在9095。2.TK-2101罐中的清洗水经P-2101A/B从E-1307底部流入,从顶部流回TK-2101罐,如此循环。循环清洗时间为24h。清洗后将剩余的水经顶底阀排入TK-2101罐。3.沿用以前的高压水枪清洗法,即在用插入物清洗的同时用高压水枪喷射清洗。同时还可以做一个改进：在插入物上加细的钢丝刷子来清洗较低硬度的污垢以提高清洗速度。流程改进如图2-3所示：需要加的控制阀和仪表有:在低压蒸汽线上加一个气动控制阀TV-1399、三个DN50

42、的截止阀公称压力2.5MPa、适用温度420、一个质量流量计FI-1398,TK-2101罐入口处加一个DN50的截止阀公称压力2.5MPa、适用温度420、在P-2101A/B出口加一个质量流量计FI-2101。所加控制阀和仪表位置如图3所示。需要添加的管线有：从低压蒸汽管网引入一条到TK-2101罐低压蒸汽管线、TK-2101罐顶到E-1307A/B的清洗水管线、改通P-2101A/B到E-1307A/B底部的管线。需要拆除的有：E-1307A/B的清洗水圆环。用改进后的清洗方法清洗的预期目标：清洗时间在5天,使用周期24天以上。8.改进后的清洗方法的优缺点优点：清洗效果好,减轻了后续的高

43、压水枪清洗的工作难度和工作量,节约了时间和人力。缺点：增加了低压蒸汽的消耗；清洗后的渣子沉降在TK-2101罐,容易堵住出口,使P-2101A/B打不上量。三、列管式换热器的优化分析一概述1.过程单元工程过程设计是过程系统分析与过程综合交替过程的整体,包括三个主要步骤,即过程综合、分析与优化,其相互关系见图3所示。在现代过程设计中,一个重要概念就是,寻找过程的最优设计方案。70年代末以来大容量计算机的问世以及化工过程模拟与优化软件的出现,为过程设计提供了现代工具,使过程设计有了实现优化的可能性。优化设计就是在最优化数学理论和现代计算技术的基础上,运用计算机寻求设计的最优方案,它是计算机辅助设计

44、的重要组成部分和核心技术之一。优化的目标函数通常是经济指标和能耗指标。工艺要求再沸器过程综合初值决策变量分析热量、物量衡算设备尺寸计算优化参数优化结构图3 再沸器优化设计示意过程设备的优化可分为参数优化和结构优化。参数优化是指：在一已确定的系统流程中对其中的操作参数进行优选,以满足某项指标达到最优。如果改变过程系统中的设备类型或其相互间的联结,以优化过程系统,则称为结构优化。对过程设备进行系统分析容包括：1.过程系统的物料恒算和热量恒算；2.确定设备的尺寸及费用；3.对过程系统进行技术经济评价。过程综合,指按照规定的系统特性,寻求所需的系统结构及其各子系统的性能,并使系统按照规定的目标进行最优

45、组合。换热器优化设计的主要容有：1.从可供选择的各种换热器形式中,选择较适宜的形式；2.比较各种可用的换热表面,从中确定出最佳性能的换热表面；3.分析各种设计参数对换热器各方面性能的影响,寻求最佳设计。二研究方法把研究的对象看作一个整体,同时把研究过程也看作一个整体,自始至终贯穿着一种思想一一最优化,即把系统中可调的部分调节到获得可能的最优性能。过程系统工程主要是采用数学模拟的方法进行研究,即建立过程系统的数学模型,描述出系统中的每一部分及总体性能,并给以评价。通常,数学模型是代数方程或微分方程,是实际过程系统在本质上的抽象。对数学模型进行求解的过程,称作数学模拟。进行过程单元的模拟,需要选择

46、求解单元模型的计算方法,即在给定单元的输入变量、控制变量及模型变量时,求出单元的输出变量。采用数学模型在计算机上进行试验比在实际过程单元上做实验要经济、灵活得多,可以减少中间放大试验,能够获得难以在试验条件下得到的性能信息,可以充分利用已有的理论成果来研究复杂过程单元的性能。过程单元模型是借助有关概念、变量、规则、逻辑关系、数学表达式、图形和表格等对单元的总体描述。按建立模型的方法,可分为机理模型和经验模型。数学模型的建立过程称作模型化。模型化的最基本的要,数学模型与所研究的过程单元原型具有客观的一致性。根据过程单元的特征与所研究工作的需要,来选择恰当的模型类型。以机理模型为例,模型化中的基本

47、要素是:过程机理的正确描述,准确的热力学、物性数据,以及有效的计算方法。现在已有商品化的过程单元软件或过程系统模拟软件,使用该软件可以开发出用户所需要的过程单元数学模型或过程系统数学模型,必要时可以修正或增补特定的过程单元模型或过程系统模型以及有关的热力学数据等,以提高模型的准确性。三稳态模拟数学模型是流程模拟的基本依据,模拟结果的可靠性与准确程度和数学模型有极大关系。数学模型的类型主要由过程的本质决定,但也与数学模型建立中对所研究过程的本质如何进行分析和处理有关。数学模型的数学表达形式主要由模型的类型决定。稳态模拟所要研究的问题基本上有三类,即:标准型问题、设计型问题与最优化问题。标准型问题

48、中,给定输入流股向量与设备参数向量可求出输出流股向量。这一类问题适用于研究现有装置在不同操作条件下的操作性能。单元模块设备参数向量输入流股向量输出流股向量图4 标准型问题设计型问题中,给定一部分输入流股向量与设备参数向量,给定输出流股中产品的特性要求,调整另一部分的输入流股条件与设备参数使输出产品达到规定的特性指标,调整输入流股条件与设备参数的功能可由控制模块来实现。设备参数向量单元模块输入流股向量输出流股向量控制模块 要求的输出向量特性可调输入向量图5 设计型问题最优化问题与设计型问题相类似,不断调整有关的控制变量,即有关的可调的输入流股条件与设备参数,使目标函数在规定的约束条件下达到最优,

49、调整控制变量的功能由最优化程序实现,当涉及到经济指标时,在最优化问题的描述中还应包括经济模型。给定输入给定的参数过程模拟模型经济模拟模型物理模型经济参数优化程序控制变量性能指标约束条件约束条件图6 最优化问题四化工过程模拟对数学模型的要求计算机辅助化工设计软件主要包括:物性数据库,稳态过程模拟软件,动态过程模拟软件。经济分析与评价软件、绘图各种工程图,如流程、设备、施工管道图等软件等。在过程模拟软件中,核心容之一是单元操作模块及全系统物料衡算与热量衡算的计算模块。虽然国外化学工程设计绝大部分容都依靠计算机辅助设计,但仍有少部分有关容缺乏模块软件的支持。计算机在节能方面的应用主要是:过程流程模拟

50、、人工智能、参数计算。根据模拟任务的不同,在工程设计或应用的不同阶段,对各单元的数学模型有不同的要求,按模拟要求的准确与详尽程度可分为三个层次,即：第一层次只计算物料平衡；第二层次要了解单元设备的操作性能,进行物料恒算与热量恒算；第三层次要求详尽计算,要求提供各单元设备比较准确的操作性能、设备尺寸及其他信息。石油化工流程模拟技术是应用计算机辅助手段对化工过程进行物料、热量恒算,装置设备尺寸和费用计算等。它是计算机技术在石油化工生产中应用的一个重要手段,它可以对一石油化工系统的工况进行分析研究,在计算机上逐次改变各种条件的输入信息,并得到表明相应变化了的工况分析结果。而这些结果如果是在实际装置上

51、经改变操作条件逐一实践,其花费的人力、物力将是巨大的。因此,流程模拟在石油化工节能方面起到了重要的作用。利用模拟方法,可以将新设计的或现有的工艺过程能量系统模型化,通过调整各种参数来了解过程的相应变化,并求出最佳运转条件。五总结总之, 结垢对换热器的危害很大, 需要积极地预防和定期地清除。影响结垢的因素很多, 只有找出主要因素才能使问题简化, 对于不同类型的结垢, 应采取针对性的采取清除措施, 有效地治理换热器的结垢问题, 以提高换热器传热效率及运行寿命。而对于顺酐装置而言为了装置的长周期运行,增加企业利润,为此必须提高换热器的有效利用率。1氧化岗位的非计划停工会造成反应生成气杂质含量增加,E

52、-1307A/B管程的介质流动不畅而使焦油、催化剂等黏稠物粘在管壁和造成溶剂工段过滤器的堵塞。因此为了保持E-1307A/B的平稳运行应该保持操作的稳定性,重点关注鼓风机B-1201、汽包D-1308、熔盐泵P-1304A/B、E-1306的的运行情况,正常操作充分考虑装置在任何状况下的操作情况,避免人为因素给操作带来不便。2采用改进后的流程清洗能缩短清洗时间、延长E-1307A/B的使用周期,还可以节省人力和物力,降低工人的劳动强度。这种方法也存在一定的缺陷：这种方法增加了低压蒸汽的损耗,还需定期进行TK-2101罐的除渣工作。在今后的生产中要不断对这些进行改进,最大可能地提高装置的经济效益

53、。参考文献1 刚,徐京民2万吨/年顺酐装置岗位操作法M石油化工公司,20052 王宝护高压清洗机喷嘴的计算.通用机械M2005 4 郭泉, 王国玲换热器的结垢问题J.化工,20015,峰,修伦超声波技术在制盐工业中的应用前景J海湖盐与化工,20046汪红立式换热器管程非循环液固流态化技术M兰化科技,1998第16卷,第4期7俞秀民,吴金香压力容器M20069 夏清,常贵化工原理M200710林宗虎强化传热及其工程应用：机械工业M198711纬国外换热器的新进展石油化工设备M199912 永生等石油化工设备M200413 丁颖,永生压力容器M2005致 首先,要感在本次论文完成过程中,给予我大力支持和帮助的老师,您知识渊博,对待学术严谨认真,对待学生热情无私,在此深表感！其次,我由衷的感在我求学过程关心、教育和帮助过我的每一位老师,以及这次论文完成过程中帮助我的同学,预祝他们以后工作顺利,身体健康！再次,我要向给我生命；养育我成长；教育和支持我的父母发自肺腑的说声！在此祝父母生活愉快,寿比南山。