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热管在化工及石油化工中的应用
 
一、热管技术在合成氨工业生产中有以下几种应用类型:
 
1、 回收低温余热预热助燃空气,或生产低压蒸汽作为生产原料;
 
2、 回收高温余热产生中压蒸气作原料蒸汽的补充,或生产高压蒸汽作为生产的动力源;
 
3、 控制固定床催化反应器的化学反应温度,使其向最佳反应温度曲线无限逼近,从而提高CO变换反应器的CO变换率及合成氨塔内氨的合成率。
 
以上三种应用类型,在不同的生产规模及不同的原料工艺路线中应用的方式及设计思路均不同,必须针对不同的实际条件采用不同的结构设计才能才能收到良好的效果。以上、下行煤气余热回收为例:
 
上、下行煤气余热回收的热管蒸汽发生器,如图1、2所示,体积紧凑、占地面积,气体流动方向为从上到下,减少灰尘附着于管壁的可能性;热管的蒸发段全部采用轴向直翅片,一方面可以扩展传热表面,另一方面可消除热管背部的涡流区,不使灰尘在此停聚,减少流动阻力损耗。适用于小合成氨生产。
1.是某工段采用热管蒸汽发生器与原列管式余热锅炉的参数对比表。从中可以看出热管蒸汽发生器的优越性。
 
中合成氨因工艺的不同,煤造气炉的下行煤气(200℃左右)不经过废热锅炉而直接去洗气塔,造成低温余热的浪费,而且列管式废热锅炉容易损坏,设备利用率不高。根据这些情况,采用热管技术可有两种途径。
 
1. 两种蒸汽发生器参数对比
 
             
参 数        结构图形
 
 
项 目
 
 
结构形式
设备体积尺寸/m
设备总重/t
传热面积/m2
上吹气进口温度/
上吹气出口温度/
下吹气进口温度/
下吹气出口温度/
总回收热量/(KJ/tNH3)
焊缝漏或穿孔
火管式余热锅炉
φ1.5×5.8(高)
11
125
336
220
不进
不进
118
停工
热管式余热锅炉
4.5(高)2.2(长)0.4(宽)
4.8
48
384
133
329
133
357
不停工
说明
1、 热管蒸汽发生器出口温度取自1991323日海门化肥厂测试期间操作数据(4#系统)
2、 火管余热锅炉进口温度取自同期操作数据,出口温度系原设计数据
 
1、原有废热锅炉后加一台热管低温余热回收装置,将废热锅炉出口270℃的气体降至140℃,同时将下行煤气也经过热管装置。热管装置可以是气-气式的,即用回收的低温余热加热进入煤气炉的空气或过热低压水蒸汽;也可以是热管省煤器的形式,加热废热锅炉的给水。其流程如图3
2、为充分考虑设备利用率及余热回收率,可在每一台煤造气炉后加一台热管蒸汽发生器专供上、下行煤气余热回收,而将三台煤气炉的吹风气通过一个燃烧室燃烧后进入一台热管废热锅炉,可使设备的利用率达75%84%
 
二、热管技术在硫酸工业中的应用
 
由于硫酸生产是连续性生产,生产过程中的高温,矿尘磨损,高、低温腐蚀等因素常使设备受到侵害,致使整个生产停顿造成损失。热管设备的个别管件损坏不会影响整体设备效能,因之不需要停工检修,故热管技术在硫酸生产中具有广阔的应用远景。热管技术在硫酸生产中可以应用在以下几个工序中。
 
1、 沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收
2、 沸腾焙烧炉矿渣余热回收
3、 SO2炉气余热回收
4、 SO3气体冷却器
5、 热管SO2转化器
6、 热管开工预热器
 
以沸腾焙烧炉沸腾层内的余热回收为例。
 
硫酸生产中沸腾床内沸腾层的温度一般控制在800900℃之间。硫铁矿燃烧是一强放热反应,为了维持这一温度必须从床层中导走多余的热量。根据热量平衡计算,每生产1吨硫酸(100%浓度)从沸腾炉层导走的热量可达1.482MJ。将此热量折合成标准蒸汽约为0.55/H2SO4。一个年产10万吨硫酸的工厂从沸腾炉中回收的蒸汽量约为5.5万吨/年,以每吨60元计,可获利330万元/年。
 
热管在沸腾焙烧炉中回收热量有两种形式:图4a)所示纵向插入式。热管蒸发段的下部直接插入沸腾层内,另一部分在沸腾层的炉膛扩大部分,热管沿炉膛周边布置。这种布置的优点是热管在沸腾层内受单侧矿尘纵向磨损较轻,热管不仅在沸腾层中吸热,而且沿整个炉膛高度以辐射形式吸热,降低炉气出口温度减轻炉气废热锅炉的负荷;热管由于纵向伸缩自由,不存在温差应力,同时单根热管的损坏不影响设备整体运行,保证生产的稳定性。图4b)所示径向插入式。热管在沸腾床中承受炉气及矿尘的横向冲刷,传热方式为强迫对流换热。与纵向插入式相比磨损较为严重,但热管长度短,制造简单,管外可以用翅片强化传热以减少热管数量,同样,单根热管的损坏也不影响整体运行。
 
三、热管技术在石油化工中应用
 
热管及热管换热器在石油化工中应用具有体积紧凑、压力降小、可以控制露点腐蚀、一端破坏不会引起两种换热流体互混等优点,不仅提高设备热效率而且可靠性大为增加,减少停车次数。目前主要应用在以下几个方面。
1、 热管裂解炉
2、 热管乙苯脱氢反应器
3、 环己醇脱氢化学反应器
4、 热管氧化反应器
5、 催化裂化再生取热器
6、 热管化学反应釜
7、 苯酐热熔冷凝箱
8、 加热炉余热回收设备
 
以热管裂解炉为例。
 
小型生产的热管裂解炉不仅吸取了管式炉结构简单、操作容易、能连续生产的优点,还使裂解温度均匀,停留时间缩短,烃的分压降低,而且可根据裂解过程前后反应所需温度不同,通过热管长短、翅片的多少方便灵活地调整温度,还可通过流体流过热管的截面大小来调整炉气的裂解停留时间。如图10所示为一小型裂解炉,热管工作温度为750900℃,管内工作液体为金属钠。单根管的传递功率可达40KW以上。高温燃烧气直接加热热管的蒸发段,通过介质传至热管上部,使上部管壁和翅片都处于均匀的温度。
 
如图11所示为原盘管裂解炉,其和热管裂解炉的优缺点比较如表2
传统的大型裂解炉都是热源加热外管壁,裂解物料在管内受热裂解。由于管外温度场沿炉体轴向的不均匀性是无法克服的,因而在管内被裂解的工艺流体由于管壁温度的不均匀,局部过热而产生裂解副反应, 
 
2:盘管裂解炉和热管裂解炉的对比
 
型式
加热源
温度场
沿程调温
沿程压力降
停留时间
换热面积
能耗
金属耗量
盘管
燃油或电
不均匀
不可调
19m2
φ65×5(mm)117m
热管
燃油或燃煤
均匀
可调
可调在合适范围
22m2
φ65×5(mm)44m长,加部分翅片
 
甚至流体结焦炭化。利用热管的热屏蔽特性可制成一种等温加热炉管,如图12a)所示。由两根同心的内外管组成一个复合管,在内外之间还有一薄壁同心管组成热管内部工作液体循环通道。图反应,甚至流体结焦炭化。利用热管的热屏蔽特性可制成一种等温加热炉管,如图12a)所示。由两根同心的内外管组成一个复合管,在内外之间还有一薄壁同心管组成热管内部工作液体循环通道。图12b)所示为沿管长的温度示意,t1为外管壁温度,t2为热管内循环工作介质温度,t3为内管壁温度,t4为管内工艺流体温度,且t1 > t2> t3> t4
 

 
                       高温热管用于600-1200度的高温换热。
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