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传热单元的正确设计 |
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作者：Stefan Albus |
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有机传热流体在许多过程中是必不可少的。通常，处于低压甚至高温状态下，它们的应用并不困难。然而，优化传热单元的使用寿命，有一些地方需要注意。这种单元的设计可由专业化公司以及专门的传热流体制造厂商来支持。本文描述了一些“盲点”，这些地方甚至会被专业系统设计人员所忽视。
加热和冷却在化学反应控制中起着至关重要的作用。因此，在某种程度上，传热单元扮演着工业生产车间的“核心部分”，它们的可靠性对于安全生产绝对重要。然而，传热单元现在的操作与目前成本压力增加的大环境相违背，这些成本在以前起到支配化学和石化工业的作用。
众所周知，有机传热介质和水比起来，有更多的技术优点，在较高运行温度下可以逐渐分解（图1）。然而，今日的工艺工程师则希望在此单元中的传热流体至少可以稳定工作一年，而不必更换。事实上，这种工作寿命可以轻松地得到保证，只要正确选择传热流体，该根据标准正确设计传热单元。毕竟，对于传热单元的长期、无故障的工作程序在设计阶段就应介入。问题出现在设计之后，通常以超过平均停工时间次数的形式出现。
图1有机传热流体的分解
产品数据并不充足
即使选择了最为适合的传热流体，与项目预计设备操作温度表格中的简单值相比，也是很复杂的。应用温度超过400℃，传热流体有很大的选择空间。尤其是不可替代的芳香烃，如来自德国朗盛公司的狄菲尔换热剂，有很高的稳定性。（朗盛是一个新公司，包括绝大多数的拜耳化工与三分之一的聚合物业务。）这里，芳香族分子化合键的内在稳定性保证了很高的降解温度以及缓慢的降解反应过程（见下页表格）。除此之外，如果传热单元长时间处于经济、安全的状态下工作，这里有许多要点值得考虑。在决定选择一个传热介质之前，该生产所有的优、缺点需要仔细权衡。例如，有些流体有很高的热稳定性，但与此同时随着年头增加或是再处理特性的变化将产生一些不足。它们其中的一些将对密封和垫圈产生影响，一旦有所泄漏，也不会产生任何气味。
低压确保安全操作
传热单元设计本身要承担许多问题。通常来说，这些单元可以在相对较低压力下操作，这就意味着在单元本身存储着相对低的能量并包括较小的潜在危险。然而，有许多因素值得重视。作为有机化合物，传热流体支持燃烧，即使许多有机传热流体的自燃温度很高。在管线上覆盖绝缘材料时，该问题必须考虑。作为绝热产品的许多材料都有很大的表面积，这意味着在空气中的氧气和绝热层中逸出的有机流体在绝热层会发生缓慢的放热反应，并在很大程度上可能使绝热材料的温度超过了自燃温度，甚至产生火焰。
另一方面，这一问题可在设计阶段通过适当的测量得到解决，通常只考虑少量细节。例如，必须在任何时候，在管线的外部辨认出管线系统的泄漏。抗热钢芯石墨密封能够明显提高管线系统的安全性。
重要的是，务必记住虽然压力测试——例如水压实验——对于强度测试十分重要，但是，对于泄漏的检测却不能起到任何作用！理论上，这应该采用特别的方法例如氦测试进行检测，并最好是对整个管线，在预测的温度工作条件下，可以计算出管线的伸长度。例如，一根钢管，在温差是300K时每米伸长4mm（图2）。管线连接部分和管线本身的附加载荷必须在设计中考虑。实践证明，在管线中进行应力测试会在随后的操作中产生相当多的问题。
图2 对于传热单元的设计，必须考虑工作温度下的管线热膨胀。
该图为拜耳在中国漕泾的r生产设备设置。
另一方面，传热流体的缓慢热分解比其假定的要小得多，其完全依靠介质和储罐的温度，因此，原则上，只要没有被催化，其温度是可控的。例如，系统设置时会产生污染。这种情况下，一个完全的质量控制系统将被采用（图3）！
图3 经验无价：建造传热单元，质量控制是必须的。管线中的污染可加快传热流体的分解。
焊接修补工作十分困难。此图展示了专用阀门加热套区焊缝问题。
因此，在正常环境下，温度每增加10℃，传热流体的分解率成倍增加。从逻辑上讲，传热流体单元的有效温度通常控制在尽可能低的范围。温度减少10℃就会有效果。从另一方面讲，这种对温度的依赖意味着没注意到设备的传热介质的温度升高到设计值之上，因此导致了分解产物的大量积累。当然，对于该过程的处理步骤有很多种。低沸点分解产物相对简单。虽然它们可以导致系统中的压力波动，这些产物会在解吸作用和剥层中排出。高沸点产物的污染十分复杂。虽然它可在旁路过滤器中消除，但是可以产生沉积物以及阻碍系统，破坏传热系统过程。所以要限制上述分解产物的形成，避免传热流体的“早产物”。对起始温度和出口温度保持一致的观测十分困难。这里决定性因素是加热杆的薄膜温度和套管内部的汽锅温度！在实际生产中有几种原因，对于平行加热盘管系统上的数十开尔文温差以及可感知的局部过热现象的发生是由于对于状况的忽视，即使起始温度的测量数值是“很好”（图4）。毕竟，发生在液体边界层传热杆或传热管上的热传递层的厚度要小于0.4mm。如果局部过热现象发生在该部位——介质将产生戏剧性的分解，甚至是碳化现象。正如我们所知道的，碳是很好的绝缘体，这将意味着这种沉积现象同样能由于加热元件的过热带来的大量的损怀。
图4 警告：取决于锅炉盘管内部的流体情况，特别高的温度发生在管线系统分支处
——甚至在简单平行加热圈——也比流入温度高。传热流体相对分解得快。
即使复杂的流体计算，特别是对于复杂管线或加热杆的几何形状有其局限性，不能够经常采用这种方法处理局部过热。这就是经验与专业为何如此重要！通常，应避免形成低流层并预留足够的安全边界。
重要：关注粘度
另外一点经常被忽略的是传热流体的粘度。如果采用传统传热泵，应考虑液体介质的粘度，总保持低于5～10mm2/s。即使设备在运行状态下，该条件也应可以满足，牢记这一数据十分重要。当设备低温启动时，这一点不必考虑。因此，在启动阶段采用辅助加热系统十分必要。选择泵时要注意：温度达到300℃及以上时，应采用全密封电动泵或磁耦合泵。虽然较之传统泵，它们的价格十分昂贵，但是与轴向密封泵相比在提升温度段，全密封电动泵或磁耦合泵的漏损率很低，并由于可以减少设备的故障时间，因此有更高的经济性。
但是过高的粘度不仅对泵有影响，而且会明显影响换热过程并随之增加加热元素的过热风险。起始阶段的频繁、无意识的过热现象会明显加快“自然”分解反应，并导致对系统有损害的沉积物的形成，减少过滤装置的使用寿命。同样值得注意的是，这种连接方法下，当工作温度超过280℃时，随着高沸腾分解产物的形成，有机传热流体的粘度会随之明显增加。如果考虑空气的温度，60～100℃的范围足够。这将导致有机酸的形成，长时间会腐蚀管线。可以通过常规监测中和指数来识别这种现象。
对于上述原因，DIN4754（德国传热单元标准）和新欧洲操作安全规则都规定了对传热流体需要每年监测。优秀的换热介质生产商通常提供广泛的分析服务，以他们丰富的经验提供这种服务，换热单元的特别问题（例如：加热系统的渗透）可以被迅速解决。
质量保证的其它方面包括提供设备元件的公司。没有必要假设所有这些公司熟悉特别问题包括操作加热单元，也没有必要考虑他们是否了解材料属性或相应的测试设备。然而，有经验的工程师能够将各种供应商提供的产品接口分清，因此可在问题发生以前将其解决。一个案例是德国Herford专业工程公司的HTT能量系统设备有这种专有技术。以及其他各种高效传热流体厂商，如德国朗盛。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/19/2005) |
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