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螺旋板式换热器在冷却、冷凝和分离上的应用

来源:无锡中凡工业装备有限公司浏览量:载入中...发布时间:2021.12.01


螺旋板式换热器与列管式换热器相比,由于具有传热效率高、结构紧凑、消耗金属少、抗结垢和易清洗等优点,近年来,它在我国化工、石油、医学和化肥等部门的应用越来越广。

国外对螺旋板式换热器的研究、设计、制造和使用等方面有专门的报导。我国自六十年代后期以来,有关单位对它做了大量的工作,取得了许多可喜的成果。

螺旋板式换热器主要有三种基本结构型式:

I型是两通道均为螺旋流动,通常称为不可拆卸式。它的应用普遍,主要用于液-液间的热交换,也可用于体积不太大的气体、需冷凝的蒸汽与液体间的热交换。

II型是一通道为螺旋流动,另一通道为轴向流动。它主要适用于体积相差很大的两种流体间的热交换。

III型称为组合型,一通道先作轴向流动,后作螺旋流动,另一通道作螺旋流动。它特别适用于蒸汽冷凝。

还有一种III型的改进型,它可用法兰直接与塔相接,被称为塔顶冷凝器,也可称为IV型螺旋板式换热器。

在化工过程中,会碰到这样的流程:从解吸塔加热释放的某种不凝性气体带有大量的可凝蒸汽需要冷凝回收,不凝气体又要求冷却和除雾。完成这样的流程,一般要安排冷凝,冷却和除雾三个阶段。为了简化流程,减少设备,缩小装置体积,在对螺旋板式换热器结构和使用性能进行认真分析的基础上,选用了一台I型螺旋板式换热器来承担上述三阶段的任务。试验结果表明,在此工况下,使用一台I型螺旋板式换热器是合理的,取得了予期的结果。

使用的解吸塔在常压沸腾(沸点约104℃)时解吸二氧化碳气体,同时也蒸发出大量水蒸汽。这种混合气体离开解吸塔填料段时,温度为98℃左右。工艺流程要求,排出的二氧化碳气体在25℃左右,并尽量少带水雾。试验中,螺旋板式换热器的工作情况是:二氧化碳和水蒸汽的混合气体从螺旋体外圈切向进入,进行冷却、冷凝和分离。冷凝液由中心管底排除。不凝气体二氧化碳由中心管上方放空,经湿式气体流量计计量后排出试验系统。冷却水从另一通道的中心管底部进入,经螺旋体后由外圈排出。两种流体在螺旋体内呈全逆流流动。

试验中,气体的进出口温度和冷却水的进出口温度用实验室常用的1℃精度的酒精温度计测量。冷却水流量用LF15转子流量计测量。试验中测得的冷凝水量为23.3公斤/小时,螺旋板换热器混合气体侧的阻力降小于30毫米水柱。可以看出,上述使用的一台I型螺旋板式换热器,其排出的二氧化碳气体温度为25℃左右,通过观察,二氧化碳气体排出时所夹带的水汽也是很少的,达到了工艺设计要求。同时,其传热效率达15560千卡/平方米·小时,是比较高的。还可以看出,冷却水量虽然从300升/小时增加到1000升/小时,而由它带走的热量基本上没有提高,也就是说,传热系数K随冷却水速度W提高而增加的趋势是微弱的,其传热系数主要取决于混合气体侧的给热系数。另外,二氧化碳气体的出口温度随冷却水流速降低而增加的趋势也是很少的,它主要取决于冷却水进口温度。

在资料中都报导了使用IV型螺旋板式换热器作为塔顶冷凝器。我们认为,对于含有大量沸腾蒸汽需要冷凝的混合气体,选用这种型式的换热器是合理的。因为冷凝给热系数与冷凝蒸汽的流速无关。冷凝传热时,要求冷凝蒸汽与换热的热触面积大,气速小,这样有利于蒸汽的冷凝。

在我们的流程上,进入螺旋板式换热器的混合气体,已低于沸腾温度,它是由二氧化碳气体和其夹带的饱和水蒸汽组成。尽管换热器传递的热量以饱和水蒸汽的冷凝潜热为主,但就其传热过程来说,可以认为主要是气体的冷却过程。气体的冷却是对流传热过程,它的给热系数与流动状态有关。混合气体在螺旋通道内的旋转流动增加了它的端动状态,提高了气侧的给热系数。同时,气体在螺旋通道内的旋转流动,象离心式气水分离器一样,随时分离从二氧化碳气体中冷凝下来的水球,冷凝水又可在螺旋板式换热器的下部得到进一步的冷却。在这种工况下使用的螺旋板式换热器,要求有足够的流动通道长度,以便进行冷却、冷凝和分离,而I型螺旋板式换热器正具有这种特点。所以,我们认为选用I型螺旋板式换热器在我们的这种工况下使用是合理的。但选用I型螺旋板式换热器的操作阻力要比IV型的大。因此,对于真空操作或阻力降要求苛刻的流程就不一定适用。

螺旋板式换热器在流程上可有两种安装位置:

第一种是我们采用的。它与解吸塔分开安装,它们之间用管路连接。这种安装位置的优点是冷凝液可以全部收集,不会由于冷凝液回流到解吸塔而增加无用的能量消耗。其缺点是结构不紧凑。

第二种安装位置是螺旋板式换热器与解吸塔用法兰组装成一体。这种安装位置其冷凝液可以回流到解吸塔,也可以在换热器外部全部收集,前者换热器的结构比后者简单。无论是冷凝液回流到解吸塔还是在换热器外部收集,它们的优点是结构紧凑,缺点是因冷凝液回流到解吸塔增加了无用的能量消耗或使换热器的结构复杂、制造困难。在具体使用中采用何种安装位置,要根据情况,权衡利弊,合理选择。

螺旋板式换热器

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