莫春萍，田 靜，李治民，陶曉宇，趙爾濱

（1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.中國石油天然氣股份有限公司吉化（揭陽）分公司，廣東 揭陽 522000）

陽極保護濃硫酸冷卻器自1989 年開始工業(yè)應用以來，由于運行安全可靠、使用壽命長、操作方便、可以回收低溫位熱能等優(yōu)點，已經完全替代原有的鑄鐵排管冷卻器，成為硫酸裝置中的關鍵設備。大型硫酸裝置中干吸酸冷卻器由于循環(huán)酸量大、熱量大，造成所需換熱面積相對較大，壓降較高。成品硫酸冷卻器工藝特點則正好相反，首先，為方便儲存，成品硫酸溫度一般需要冷卻至39 ℃左右，否則會出現(xiàn)酸溫過高而導致儲罐被腐蝕，其出口溫度與循環(huán)水側出口溫度接近，形成了溫度交叉，需要增加換熱管長度避開交叉點，才能滿足工藝要求；其次成品硫酸換熱溫差大，循環(huán)硫酸量很小，熱量小，導致酸側、水側流速都很低，難以形成湍流模式，在一定程度上增加了換熱面積。

為了有效提高陽極保護成品硫酸冷卻器的對流傳熱系數(shù)，在對比單殼程單管程、單殼程雙管程設計后，最終確定采用雙殼程雙管程結構。通過中間隔板將殼程分割為2 個半圓筒形，截面積縮小1/2，使殼程介質的流速提高一倍，雷諾數(shù)得到提高，管程介質與殼程介質由單殼程雙管程的一半并流、一半逆流變成純逆流，極大地改善了流體的湍流程度，減小了設備換熱面積，使陽極保護成品硫酸冷卻器具有結構緊湊、換熱效率高、成本低、所需投資少等優(yōu)勢。

1 陽極保護成品硫酸冷卻器的現(xiàn)狀

陽極保護成品硫酸冷卻器屬于大溫差、小流量的工況，冷卻器的選型一直都是難題。由于殼程循環(huán)硫酸量很小，傳熱系數(shù)較低，嚴重影響整臺設備的傳熱系數(shù)。為滿足小流量和低流速的要求而選用小直徑冷卻器時，會因換熱面積不足而達不到換熱要求；若增加換熱管管徑，會導致流速減慢而大幅度降低傳熱系數(shù)，小流量流體在設備內處于近乎靜止的狀態(tài)；若增加換熱管長度，冷卻器又會過于細長，因現(xiàn)場場地有限而無法放置。

采用雙殼程雙管程結構可以有效解決上述陽極保護成品硫酸冷卻器存在的問題，同時避開單殼程雙管程的溫度交叉，避免為提高殼側換熱效率而過多地使用折流板造成設備制造裝配難度大、成本增加的情況，為現(xiàn)場節(jié)約場地。

2 雙殼程冷卻器的結構特點

雙殼程冷卻器的主要結構形式與固定管板式基本相同，區(qū)別是在管束中心放置一塊縱向隔板，通過縱向隔板將殼程對稱地形式一分為二，折流板也被上下隔開，交錯分布于上下殼體（見圖1）。雙殼程冷卻器壓降比相同換熱面積的單殼程冷卻器要大，雙殼程只需要較小的流速就可以形成湍流，從而達到提高殼程流體對流傳熱系數(shù)的目的。

圖1 縱向隔板及殼程流體流動形式示意

雙殼程冷卻器能實現(xiàn)冷、熱流介質在純逆流條件下進行熱交換，其溫差校正系數(shù)接近1；在殼體直徑不變的前提下將殼程流道長度增大1倍，提高總傳熱系數(shù)。

雖然雙殼程冷卻器特殊的縱向隔板結構可以有效提高設備的換熱效率，但是也會相應增加設備的組裝及制造難度?？v向隔板對稱地放置在殼體中間，因此需要同兩側殼體間保持良好的密封，否則當密封失效或隔板變形時，將會引起兩側殼程之間的泄漏甚至短路，導致?lián)Q熱效果不達標。此外雙殼程冷卻器易出現(xiàn)流動死區(qū)以及結構改變引起的陰極電流分布不均、維鈍電流疊加等，這些問題均應在設計之初予以充分考慮。

3 雙殼程陽極保護成品硫酸冷卻器的優(yōu)勢

以某廠陽極保護成品硫酸冷卻器工藝為例，吸收塔分流出w（H2SO4）98%的硫酸送入成品硫酸冷卻器，酸溫從95 ℃降低至39 ℃，然后送入成品儲槽備用。陽極保護成品硫酸冷卻器的換熱管排列形式為正三角，折流板為弓形折流板。其設計條件列于表1，結構參數(shù)列于表2。

表1 陽極保護成品硫酸冷卻器設計條件

表2 陽極保護成品硫酸冷卻器結構參數(shù)對比

根據陽極保護成品硫酸冷卻器工藝參數(shù)，對單殼程雙管程、單殼程單管程、雙殼程雙管程3種結構形式進行計算。雙殼程雙管程的殼程流速最大，殼程阻力降最大，約為單殼程單管程的1.68倍，在設計要求范圍內，傳熱效率提高約22%，管程流速為單殼程單管程的2倍，雙殼程雙管程與單殼程單管程的△tm校正系數(shù)均趨近于1。

表2對比發(fā)現(xiàn)：（1）在同樣安全余量下，雙殼程雙管程的冷卻器所需換熱面積最小，性價比最高，單殼程單管程次之，單殼程雙管程所需面積最大；（2）由于單殼程雙管程冷卻器其中一程為逆流傳熱，另一程為并流傳熱以及折流板引起的錯流傳熱，導致了冷流體在某些區(qū)域被加熱，又在其他區(qū)域作為“熱載體”加熱了熱流體，這些區(qū)域將不再是有效的換熱面積，在管程溫度為41.5 ℃附近出現(xiàn)了交叉點，對流平均溫差校正系數(shù)低于0.7，為避開溫度交叉需要2臺以上設備串聯(lián)使用，故方案不予采用；（3）由于酸側流量小，單殼程單管程硫酸冷器的殼程、管程流速相對較低，因此在設計時設置了多塊折流板來增加擾流程度，這不僅增加了硫酸冷器制造難度，而且還提高了設備的成本投入。對比雙殼程雙管程結構，單殼程單管程傳熱系數(shù)低，所需換熱面積增大約15%，沒有明顯優(yōu)勢。不難看出，陽極保護成品硫酸冷卻器這種小流量低傳熱系數(shù)的工況，采用雙殼程雙管程結構最具優(yōu)勢。

4 雙殼程陽極保護成品硫酸冷卻器設計中需要解決的問題

雙殼程冷卻器有較高的綜合性能，它屬于純逆流換熱，傳熱效率高，但如果雙殼程中間隔板處密封不嚴，極易發(fā)生漏流現(xiàn)象，導致無法達到原設計要求，因此縱向隔板的密封就成了雙殼程換熱器設計與制造的關鍵步驟。除此之外，殼程介質的流動死區(qū)現(xiàn)象，也會造成換熱不充分。

因此在雙殼程陽極保護成品硫酸冷卻器設計中需要解決縱向隔板的密封問題、殼程流動死區(qū)以及雙殼程冷卻器結構帶來的陰極、參比電極布置和電流電位均勻分布問題。

4.1 縱向隔板的密封

殼程內壁與縱向隔板的密封是雙殼程設備設計制造的關鍵步驟。大部分廠家縱向隔板密封采用抗高溫性能及抗變形能力強并具有足夠彈性和柔韌性的密封帶。密封帶用壓條及螺栓沿隔板兩側固定。管束插入殼體時，將彈性密封帶向殼程入口一側彎曲，依靠密封帶自身的回彈和殼程進出口的壓差，將密封帶緊緊貼在殼壁上，以實現(xiàn)兩殼程間的密封。圖2為雙殼程密封帶結構示意圖。

圖2 雙殼程密封帶結構示意

密封帶形式不適用于硫酸這種強腐蝕性介質。硫酸會不斷沖刷殼體密封帶處的壁面，同時酸液雜質也會不斷地打磨壁面，導致發(fā)生“微動腐蝕磨損”，使生成的鈍化膜被反復破壞，最終導致殼體壁面減薄、磨穿，造成漏流甚至泄漏；另外在高溫工況下，由于密封材料的各連接件溫度不同，線膨脹系數(shù)亦不同，而線膨脹系數(shù)不同在安裝時很容易發(fā)生螺栓松動、壓緊面分離，導致密封墊片移動頻發(fā)而泄漏。因此，陽極保護成品硫酸冷卻器不宜采用密封帶形式。為避免漏流等問題，設備殼體與縱向隔板采用全焊透焊接結構。

陽極保護成品硫酸冷卻器外形尺寸較小，筒體直徑為650 mm，1/2殼體空間狹小，無法在筒體內壁與縱向隔板進行焊接。為保證不會漏流，設備殼體與縱向隔板采用全焊透焊接，一側管板與縱向隔板完成上下兩道焊接，弓形折流板用拉桿固定在管板上，然后穿換熱管；筒體完成縱焊縫和環(huán)焊縫的焊接，沿中心線方向剖開，用鋼卡固定保證半殼體剛性和圓度，放入管束后對接上半部殼體；其中半殼體開50°坡口，鈍邊高度為2 mm，組對間隙為2.5 mm，保證上下半邊殼體與縱向隔板的焊接，然后殼體與管板再焊接，因殼程介質為高溫硫酸，硫酸具有腐蝕性，管子與管板的連接采用強度焊加貼脹。縱向隔板厚度計算要考慮承受的壓差作用以及折流板對隔板的支持作用，同時縱向隔板的直線度要求應當參照國標對殼體直線度的要求。另外為了平衡兩程壓力，在縱向隔板上開設若干φ6 mm的淚孔。圖3為縱向隔板與筒體的焊接示意圖。

圖3 縱向隔板與筒體的焊接示意

4.2 殼程進出口區(qū)域的流動死區(qū)

流體總是流向阻力小的區(qū)域，如果按照圖1設置的進、出酸口，雙殼程硫酸冷卻器將存在2個問題：（1）殼程進、出酸口如果設置在設備正上方和正下方，那么折流板前后流動死區(qū)和回流區(qū)極為明顯，使有效換熱面積減小，設備局部過熱，嚴重時會造成整個系統(tǒng)溫度持續(xù)上升，使系統(tǒng)內的設備、管道處于高溫狀態(tài)，最終加劇腐蝕；（2）濃硫酸進入設備后大部分流體沒有擾流第一塊折流板而直接流向了第二塊折流板，而出口處濃硫酸擾流倒數(shù)第二塊折流板后大部分流體沒有擾流最后一塊折流板就直接流出了，這兩處區(qū)域沒有經過折流板的擾流，降低了換熱器管束的冷卻效果，導致高溫流體冷卻不均勻，在出口處溫度存在較大差異，明顯降低了換熱效率。

因此雙殼程冷卻器的進、出酸口與折流板設計時應當最大限度避免上述問題?？紤]將雙殼程硫酸冷卻器進、出酸口設計成偏離殼體中心線方向90°，并與折流板切口方向垂直的位置，這種設計可以直接改變流體流動方向，進入設備的流體必須通過折流板進行擾流，避免了折流板前的流動死區(qū)，同時有效減小了折流板后的死區(qū)和回流區(qū)，強化了傳熱，圖4為雙殼程成品硫酸冷卻器及管口方位示意圖。

4.3 陽極保護系統(tǒng)的設計

雙殼程冷卻器的隔板為有孔板，需要貫穿整個設備，這種開口結構一定程度上阻礙了陰極在濃硫酸中均勻分散，電流只能通過末端流道進行擴散，這種擴散方式會導致電流強度成倍衰減，殼體鈍化膜難以維持。因此，為了保證整個殼程維鈍電流的均勻分布，必須在上、下殼程各設置一根陰極，以保證電位在設備內盡可能地接近。同時還需要精準地控制和測量上、下殼程的金屬電位，考慮到兩殼程過渡區(qū)維鈍電流可能疊加，在下殼程和過渡區(qū)附近分別設置一根監(jiān)參電極，在上殼程設置一根控參電極，這樣可以全面了解整個設備內的電位分布。圖5為主陰極及參比電極布置示意圖。

圖5 主陰極及參比電極布置示意

5 雙殼程陽極保護成品硫酸冷卻器的經濟效益

雙殼程結構減少了設備所需的換熱面積，提高了設備材料利用率，使設備成本下降，單位換熱面積材料消耗量降低，增加了設備競爭優(yōu)勢，這種結構形式用于陽極保護成品酸冷卻器也不例外。

為了更好地說明雙殼程結構的優(yōu)勢，以表1、表2 陽極保護成品硫酸冷卻器工藝條件作為依據，對設計的單殼程雙管程、單殼程單管程、雙殼程雙管程3 種結構形式的硫酸冷卻器，分別從換熱面積、體積、質量、緊湊性、經濟性等方面進行對比分析，結果見表3。

表3 陽極保護成品硫酸冷卻器各結構形式的綜合性能對比

從表3可以看到，在同等工況條件下，雙殼程雙管程結構最緊湊、最經濟，可以較大幅度降低單位換熱面積材料消耗量，使設備成本下降，如果能夠用于大型陽極保護設備，那么節(jié)省投資將更為可觀。

6 結束語

陽極保護成品硫酸冷卻器采用雙殼程結構設計，能夠有效提高冷熱流體的流速，提高換熱效率，減少設備所需的換熱面積，提高單位換熱面積材料的利用率，為用戶降低了設備投資成本。