第51卷第6期 2014年12月 化工设备与管道 Vb1.51 NO.6 Dec.2014 PROCESS EQUIPMENT&PIPING 单元设备· 大气混合冷凝器的优化设计 刘建英。魏仕英 (成都信息工程学院资源与环境学院,成都610225) 摘要:大气混合冷凝器是多效蒸发系统真空获得的关键设备,它对末效二次蒸汽的冷凝效果与生产强度 密切相关。基于水蒸气的完全冷凝条件、喷头的抽汽和雾化性能等理论,围绕强化汽液传热和降低流体阻 力,提出了大气混合冷凝器的优化设计方案。并以该方案对真空制盐四效蒸发系统的大气混合冷凝器进行了改造。 运行结果表明,冷凝器改造前后二次蒸汽管进入冷凝器的真空度由一0.086 MPa提高至一0.089 MPa,二次蒸汽管 的温度下降了6℃,即系统的有效温差增加了6℃,产量提高了11.1%,节能效益显著。同时对该真空系 统实际运行过程中存在的问题进行了分析,并提出了对策措施。 关键词:大气混合冷凝器;多效蒸发;真空;优化设计;雾化 中图分类号:TQ 051.6 1;TH 122 文献标识码:A 文章编号:1009—3281(2014)06—0020—005 在芒硝、烧碱、真空制盐等行业均采用多效蒸 发系统进行蒸发浓缩,能耗成本高达50%以上,节 1优化设计理论 在多效蒸发系统中,真空由末效的二次蒸汽冷 能降耗是企业发展的突破口。在蒸发浓缩过程中,真 空是传热的推动力,末效真空度的高低与相对生产强 度密切关系,随着末效真空度的提高,生产强度迅速 凝获得。因此对于大气混合冷凝器的优化设计重点应 放在冷却水与末效二次蒸汽之间的传热传质上。首先 应保证二次蒸汽完全冷凝;其次应尽可能降低大气混 合冷凝器中的流动阻力。 1.1 水蒸汽完全冷凝的条件 增大[i-2]。因此,维持较高的末效真空度一直是多效 蒸发系统节能的关键所在。现有真空系统大多通过大 气混合冷凝器配多级蒸汽喷射器和水喷射泵(或水环 式真空泵)来保证真空度 ]。其中,大气混合冷凝器 通过汽水之间直接传热传质将蒸汽冷凝而产生真空, 末效二次蒸汽完全被冷却水冷凝,因此有: G i’ GwG Atw 是形成真空的核心设备[4];蒸汽喷射器和水喷射泵主 要用于抽吸系统中的不凝气。因此,当蒸发量一定时, 大气混合冷凝器的运行效果是影响末效蒸发真空度 的关键设备。 式中G ——末效二次蒸汽量,kg/h; 末效二次蒸汽的热焓,kJ/kg,对于四效 蒸发系统可取2 616.75 kJ/kg【9]: c 水的比热; 由于大气混合冷凝器在多效蒸发系统的重要地 位和作用,对目前常用的大气混合冷凝器多为逆流式 混合冷凝器,其内部结构有板式 、管式[61、喷射式 , G ——冷却水量,kg/h ̄ △卜一冷却水进出水温度差。 令水汽比q=Gw/Gz,则完全冷凝的条件是: q>2 616.75/(4.18‘△ ) 并流式 ]。实际工程应用中,这种逆流式混合冷凝器 存在筛孔易结垢堵塞的缺点。筛孔堵塞后将产生很大 的流动阻力。以180 kt/a的真空制盐四效蒸发系统为 由于存在传热阻力,冷却水的最大温升取决于 汽水之间的传热阻力或者冷幅高△ ,在喷雾条件下, 例,大气混合冷凝器入口真空为-0.086 MPa,一级 蒸汽喷射器人口的真空为一0.090 MPa,即大气混合 冷凝器的阻力损失为4 000 Pa,对应的温差损失约为 冷幅高约为2℃,即tw =ts-2。由此得到水汽比与汽 水温差的关系曲线,见图1。 收稿日期:2014—04—18 作者简介:刘建英(1976一),女,重庆市忠县人,工学博士,讲师。 7℃。因此,大气混合式冷凝器的流动阻力使蒸发系 统损失了很大的有效温差,导致了生产强度的下降。 从事废气治理和节能技术研究。 2014年12月 刘建英,等.大气混合冷凝器的优化设计 图1 汽水比与汽水温差的关系 Fig.1 Relationship between steam—water ratio and temperature difference 如图1所示,汽水冷凝过程存在着完全与不完 全冷凝两个区域,冷凝过程属于哪个区域与水汽比、 汽水温差有关。当汽水温差一定时,可以通过增加冷 却水量完成二次蒸汽的完全冷凝以提高真空度;当冷 却水量一定时,可以提高汽水温差以保证二次蒸汽完 全冷凝。 1.2抽汽喷头的特性 热量传递具有三种形式:传导、对流和辐射, 对流是液体和气体热量传递的主要方式。所以大气混 合冷凝器中二次蒸汽和冷却水之间主要是靠压力差、 温度差和密度差所产生的对流进行热交换。因此汽 水之间通过压差对流原理进行热量和质量交换。图2 为抽汽型喷头抽吸水蒸气的流体力学模型。 图2抽汽喷头抽水蒸气的流体力学模型 Fig.2 Extraction nozzle pumping steam hydrodynamic model 若取雾流引射段的长度为上为雾流温度升到 f 一2℃的距离,喷嘴出口处的汽温与 对应,引射段 末端的汽温与 ℃对应的饱和水蒸汽压强对应。根 据压差对流原理,水蒸气向雾流边界层流动的速度为: 42g(p 一P )/p 按此式计算得到的速度系数与压比的关系曲线 见图3。 为了分析冷凝器内的流动状态,先分析雾化喷 头的抽汽能力。引入水蒸气的引射流密度的概念。定 义单位时间单位面积上的雾流对于水蒸汽的抽汽量 为引射流密度,用 表示。 G = s ) p )口 图3速度系数与汽水蒸气压比的关系 Fig.3 Relationship between speed factor and steam—water vapor pressure ratio 根据水温和蒸汽压力可以确定压差对流在喷嘴 出口的速度系数 .,再根据在引射段的终点水温与汽 温相差约2℃的原理,可以计算水蒸气温度分别为 42、46、50和54℃时的引射流密度,见图4。由图 4可知,当速度系数为1时,水蒸气流密度达最大值。 这就是冷凝器中汽水传质的最佳状态,称为临界冷凝 状态。根据水蒸汽的热力性质,当汽水温差为l0℃ 时获得临界状态。这与实际工程经验完全吻合。基于 流密度概念的引入,可以根据实验确定的喷头引射段 长度和扩张角,计算喷头对水蒸气的引射能力。 图4水蒸气流密度曲线 Fig.4 Steam flow density curve 1.3雾化喷头的性能 为获得最大的冷凝量G ,汽水之间要有足够大 的传质面积。相应地要求喷头的雾化效果好,流量 大,工作水压低,且不易堵塞。WPS型旋流雾化喷 头(CN89213025-3)具备上述特点,该类型喷头的 实际雾化效果见图5。 2014年12月 刘建英,等.大气混合冷凝器的优化设计 保证二次蒸汽完全冷凝。 (2)恢复水喷原工作状态,降低工作蒸喷的背压。 水喷的目的是降低蒸喷的背压。原系统根据设 计要求,蒸喷背压应在一0.07~一0.08 MPa,因此恢复 水喷原来的工作状态,可达一0.072 MPa以上,保证 蒸喷正常运行。 (3)在保证二次蒸汽的完全冷凝情况下,根据 系统的不凝气量调整蒸汽喷射器的喷嘴尺寸。 因此,大气混合冷凝器内的喷头布局应合理。 二次蒸汽管内布置抽汽喷头,冷却水以抽二次蒸汽为 主;大气混合冷凝器中应布置雾化喷头,以二次蒸汽 的冷凝为主。 3效益分析 3.1增产效益 真空制盐系统能够顺利进行传热的前提条件是 系统具备传热温差,也就是系统传热推动力。多效蒸 发系统的总温差等于首效加热蒸汽温度与末效二次 蒸汽温度之差,其中一部分是有效温差,另一个部分 是温度损失,包括由于溶液蒸汽压下降引起的料液沸 点升高,静压温差,闪发温差,过热温差,管道阻力 温度损失。对于一个四效真空制盐系统,温度损失占 了总温差的44.6%口 。当总温差一定时,温差损失增 大,有效温差相应减小。根据传热公式:Q=KAAt, 相同传热面积的传热速率下降,产量也相应地减少, 造成设备和能源的浪费。所以有效温差是表征生产强 度和热效率的重要参数。有效温差越大,系统的生产 强度和热利用率就越高,反之越低。本项目技改前后, 末效真空度提高了3 kPa,班产量由180 t增加至200 t, 产量增加11.1%。设盐的价格为400元/t,每天三班制, 每年生产300 d,则真空系统改造后的增产效益为: 400×r200—180)×3×300/10 000=720万元/a。由于产 量增加,每吨盐的煤耗指标下降,节能减排效果明显。 3.2节约工作蒸汽 本项目原系统由两级蒸汽喷射器串联,改造后 采用单级蒸汽喷射器。工作蒸汽耗量由原来的1.7讹 降低至0.8 kg/h,节约了52.9%。假设工作蒸汽的成 本为150元/l,每天三班制,每年生产300 d,则可 节约工作蒸汽耗量为:(1.7-0.8)×24×300=6 480 t/a, 节约成本6 480×150/10 000=97.2万元/a。 由此可见,180 k6a制盐系统真空提高后 产生的增产和节约工作蒸汽产生的效益可高达 720+97.2=817.2万元/a,经济效益十分可观。 4结束语 本文结合水蒸气的完全冷凝、喷头的抽汽和 雾化性能等理论,在大气混合冷凝器的设计中强化 末效蒸汽在临界状态冷凝,采用专利型雾化喷头产 生顺流真空、降低流阻和热阻等理念,并对某180 kt/a的真空制盐系统的大气混合冷凝器进行了改造。 改造后末效二次蒸汽管进入冷凝器的真空度由原系 统的一0.086 MPa提高至一0.089 MPa,系统的有效温 差增加了6℃,产量提高了l1.1%。因技改产生的增 产和节约蒸汽耗量,经济效益高达817.2万元/a。该 技改项目工艺成熟,设备简单,运行可靠,运行费用 低,具有极大的市场前景。 符号说明 d ——喷嘴出口直径; 引射段末端雾流直径; 三——引射段长度; 引射段雾流边界层表面积; 。[——喷嘴扩张角; 冷却水进水温度; f-二次蒸汽温度; 二次蒸汽饱和压强; p ——雾流边界层上水对应的饱和蒸汽压强; 对流速度; 对流速度系数。 参考文献 [1] 李春林.浅议真空制盐真空系统[J1.中国井矿盐,2013(3):1-3. 【2] 王如明,孟兴智,张苏飞.关于如何提高真空度的讨论[J】 .盐业与化工,2012(9):52—54. 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SA387Grl 1CL2和SA387Gr22CL2珠光体耐热钢的 [4】 才福胜.焊接[J].石油化工设备,2011,40(6):67—70. [5】 孙佑志,高亮.1.25Cr-0.5Mo-Si钢重整反应器的制造【J】.压 力容器,2001,18(3):50—53. J]. [6] 王祖芳,杨海林.临氢设备用14CrlMoR钢板性能研究【压力容器,1998,15(3):15-20. 的连接,从焊缝内部质量而言,所有检测一次合格。 设备修理结束后,重新开车,目前已安全稳定运行4 Onsite Repair of Destruction Occurred in Top of Gasifier HAN Bing,YE Dongmei (SINOPEC Naming Chemical Co.,Chemical Machinery Plant,Naming 210048,China) Abstract:In this article,the destruction,which was resulted from the damage of inner insulator,occurred in coal gasifier was described.Based on the results of NDT,metallurgical examination and hardness test,the scope of destruction was determined.Then the repair plan,in which top flange is changed with larger diameter scope,was made and implemented, and the gasifier was recovered for normal operation. Key words:gasiier;destruction;examifnation;repair (上接第23页) Optimum Design of Atmospheric Mixing Condenser LIU Jianying,WEI Shiying (College ofResources andEnvironment,Chengdu University ofinformation Technology,Chengdu 610225,China) Abstract:Atmospheric mixing condenser is the key equipment in multi·effect evaporation system for obtaining vacuum condition. Its condensation effect for secondary steam at final stage is closely related to production eficifency.Based on the theories of fully condensing conditions,and extraction and misting properties of nozzle,and with respect to enhancing vapor—liquid heat transfer and reducing fluid resistnce,tahe optimization design plan of atmospheric mixing condenser was proposed,which has been applied to atmospheric mixing condenser’S transformation in a four-stage evaporation vacuum salt system.The practical results showed that vacuum degree of the secondary steam at the entrance of condenser is increased from一0.086 MPa to一0.089 MPa.and the corresponding temperature decreased by 6℃.It means that the effective temperature difference in he tsystem is increased by 6℃.which results in signiifcant increase in production by more than 1 1.1%and great energy eficiency.Meanwhilfe,in this article,the problems during the actual operation ofthe vacuum system were analyzed,and then the corresponding countermeasures were proposed. Ke words:atmospheric mixing condenser;multi—effect evaporation;vacuum;optimization design;atomization