双对称管壳式硫酸冷却器的制造方法
【专利摘要】双对称管壳式硫酸冷却器涉及高温浓硫酸冷却过程中热量回收的换热设备。包括两个完全对称且完全相同的管壳式换热段，结构上包括酸进口管箱、换热段A、酸连接管箱、换热段B、酸出口管箱、连接水管或者汽包。将两个换热段壳程与蒸汽汽包连接，就成为蒸汽发生器；将两个换热段壳程用一根管道连接起来，就成了水加热器。在线测量酸进出口温度和连接管箱中的酸温度值，同时测量饱和水蒸汽温度值或者水进出口温度和连接管中的水温度值，通过这些温度值计算出酸冷器的特性比。一旦泄漏，该特性比的实际数值会显著变化，以此监测泄漏的发生。
【专利说明】双对称管壳式硫酸冷却器
【技术领域】:
[0001]本发明涉及化工装置中换热设备的技术范畴，尤其是涉及高温浓硫酸冷却过程中热量回收的换热器。
【背景技术】:
[0002]硫酸是由三氧化硫和水结合而成的，由于该反应是非常剧烈的放热反应，在硫酸制造过程中是采用温度在80°C左右的浓硫酸来吸收气体中三氧化硫，吸收过程产生的热量由于循环酸温度较低没有利用价值，通常只能用循环冷却水来冷却而将该热量排向大气。
[0003]要将该热量回收利用产生蒸汽或者加热锅炉给水、达到废热回收利用的目的，就需要提高循环酸的温度。目前的硫酸装置低温位热回收技术已经将该循环酸温度提高到了200°C以上，可以产生压力高达1.0MPa的饱和蒸汽，或者将全部或部分热量用于加热锅炉给水。
[0004]可是硫酸是强腐蚀性液体，温度越高腐蚀性越大、酸浓越低腐蚀性越大。由于此类硫酸冷却器的水侧压力大于酸侧压力，一旦泄漏则是水漏进酸中。硫酸与水的稀释反应又是强放热反应、稀释热很大，一旦泄漏则使酸温升高的同时酸浓下降，腐蚀性就急剧增大，造成泄漏快速扩大。
[0005]目前利用硫酸余热的蒸汽发生器采用的是U型管束、串酸冷却器是单管程的管壳式换热器，不能通过中间酸温和出口酸温间的相互异常变化及时检测泄漏的发生。如果不能及时发现，此类酸冷器会严重损坏甚至整台设备报废。
【发明内容】
:
[0006]本发明的目的在于解决水侧压力高的硫酸冷却器不能及时检测、可靠判断泄漏的问题，达到安全生产、保护设备、方便维修的目的。
[0007]硫酸冷却器总是要用到泄漏发生、修补后还将继续使用，周而复始直至严重的泄漏使其报废。泄漏开始时，是水漏进酸中，酸浓会降低，但是酸浓度在线测量比较复杂、影响因素较多、测量误差较大，用酸浓的降低来及时判断酸冷器泄漏，误判概率大。水漏进酸中，酸温就会升高，酸温的在线测量简单、便宜、影响因素少、可以精确测量，用酸温的异常变化来及时判断酸冷器的泄漏比较可靠。
[0008]本发明所采用的技术方案是:
[0009]采用两个完全对称且完全相同的管壳式换热段，相当于将U型管束在长度上一分为二、或者将单管程的管壳式换热器切成两段，酸走管程、水走壳程，用一个酸连接管箱将两个换热段的酸侧连接起来、用一个连接水管或一个蒸汽汽包将两个换热段的水侧连接起来。结构上包括酸进口管箱、换热段A、酸连接管箱、换热段B、酸出口管箱、连接水管或者汽包。这两个完全对称且完全相同的管壳式换热段，不仅可以互换而且可以掉头，因为在通常情况下，腐蚀最严重的往往是在酸温最高的换热段A的进口附近，将换热段掉头——酸进口变为酸出口、酸出口变为酸进口一就可延长酸冷器的使用寿命。在准备备品备件时，两个换热段只需要制作一个相同的第3个换热段作为备件即可，既节省了该酸冷器的维护费用，且单个换热段的质量轻了，安装更换也更加方便。
[0010]将双对称管壳式硫酸冷却器两个换热段壳程与一个蒸汽汽包的上升管和下降管连接，水在壳侧进行蒸发汽化，该双对称管壳式硫酸冷却器就成了一个水蒸汽发生器；将双对称管壳式硫酸冷却器两个换热段壳程用一根管道连接起来，水在壳侧被加热升温，该双对称管壳式硫酸冷却器就成了一个水加热器。
[0011]在线测量酸进出口温度和连接管箱中的酸温这3个酸温度值，同时在线测量饱和水蒸汽温度值或者水进出口温度和连接水管中的水温这3个水温度值。通过这些温度值可以计算出该双对称管壳 式硫酸冷却器各换热段的换热量及换热特性数。
[0012]按照热量衡算，对于换热段A的传热量为:
[0013]Qa = KaAATdia(I)
[0014]而该段酸冷却移热的换热量为:
[0015]Qa = mCpA Δ Ta(2)
[0016]两个换热量相等，即⑴式等于⑵式，因此有:
[0017]mCpA/(KaA) = Δ Tda/ Δ Ta(3)
[0018]令换热段A的特性数Fa = mCpA/ (KaA)，得:
[0019]Fa=ATdiaMta(4)
[0020]同理，对于换热段B,有:
[0021]Fb= ATmB/Λ Tb(5)
[0022]令:
[0023]R = Fa/Fb(6)
[0024]则:
[0025]R= Λ?^ΛΤβ/Λ?^ΛΤα(7)
[0026]式中:Qa——换热段A的换热量；
[0027]Ka——换热段A的总传热系数；
[0028]A——换热段A的传热面积；
[0029]Δ Tdia——换热段A的传热平均温差；
[0030]m——酸流量；
[0031 ] Cpa——换热段A的酸的平均热容；
[0032]Δ Ta——换热段A的酸进出口温差；
[0033]Fa——换热段A的特性数，为换热段A的传热平均温差与酸进出口温差之比值；
[0034]Δ Tnfi——换热段B的传热平均温差；
[0035]Δ Tb——换热段B的酸进出口温差；
[0036]Fb——换热段B的特性数，为换热段B的传热平均温差与酸进出口温差之比值；
[0037]R—酸冷器特性比，两换热段特性数之比值。
[0038]正常运行时，酸冷器的特性比接近I。当装置操作参数发生变化时，该酸冷器的特性比也会发生变化，其变化幅度取决于是哪个参数引起的变化以及该参数的变化速率，但是随着操作参数的调整结束，硫酸冷却器的换热又会达到一个新的平衡，这时该酸冷器的特性比又重新回到I附近。[0039]一旦硫酸冷却器发生泄漏，由测量的温度数值计算得到的该特性比的实际数值会发生显著变化，并且随着泄漏的扩大越来越偏离正常值，可以以此实时监测泄漏的发生。
[0040]硫酸冷却器发生泄漏时，总是从某个点蚀开始的。如果是换热段A发生泄漏，换热段A出口酸浓降低、酸温升高，由于该温升值不是换热段A的特性数变化引起的，用泄漏后的换热段A出口酸温计算出的换热段A的特性数在数值上就大于换热段A真正的特性数。漏入的水会在酸连接管箱与酸很好混合，泄漏初始的漏入量对换热段B的特性数的影响可以忽略，用泄漏后的换热段A出口酸温计算出的换热段B的特性数在数值上仍等于换热段B真正的特性数。因此，该硫酸冷却器的特性比就异常增大。当泄漏使换热段A出口酸温异常升高1°C，特性比会增大10%以上；当泄漏使换热段A出口酸温异常升高2°C，特性比会增大20%至30%，而此时的酸浓降低值还不到进口酸浓的0.2%，从判断泄漏的敏感性角度看，由温度计算的特性比的变化率要比酸浓变化率敏感100倍以上。
[0041]如果是换热段B发生泄漏，硫酸冷却器出口(换热段B出口)酸浓降低、酸温升高，同样由于该温升值不是换热段B的特性数变化引起的，用泄漏后的换热段B出口酸温计算出的换热段B的特性数在数值上就大于换热段B真正的特性数，而此时换热段A的特性数不发生变化，则该硫酸冷却器的特性比会异常减小。当泄漏使换热段B出口酸温异常升高I °C，特性比减小6 %左右；当泄漏使换热段B出口酸温异常升高2V，特性比减小12 %左右。
[0042]两个结构完全相同的换热段互为参比，通过对酸温、水温及汽温在线实时测量，用该硫酸冷却器的特性比计算值来监测泄漏，就可以及时迅速地判断泄漏的发生。
[0043]下面结合附图对本发明作详细说明。
【专利附图】
【附图说明】:
[0044]图1，双对称管壳式硫酸冷却器用作蒸汽发生器的平面结构示意图；
[0045]图2，双对称管壳式硫酸冷却器用作蒸汽发生器的立面结构示意图；
[0046]图3，双对称管壳式硫酸冷却器用作水加热器的平面结构示意图；
[0047]图4，双对称管壳式硫酸冷却器用作水加热器的立面结构示意图。
[0048]各附图中:1酸进口管箱、2换热段A、3酸连接管箱、4换热段B、5酸出口管箱、6汽包、7连接水管。
【具体实施方式】:
[0049]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0050]实施例1
[0051]某30万吨/年硫酸装置的低温位热回收塔循环酸采用的双对称管壳式硫酸冷却器，包括酸进口管箱、换热段A、酸连接管箱、换热段B、酸出口管箱以及汽包。酸走管程、水走壳程，用酸连接管箱将两个换热段的酸侧连接起来。换热段A和换热段B的蒸汽上升管与伸入汽包内部的上升管连接并支撑汽包，汽包的水下降管从汽包底部引出与两个换热段的壳侧底部进水口连接。换热段壳程为水蒸发汽化过程，该双对称管壳式硫酸冷却器是一个蒸汽发生器，产绝压0.8MPa的饱和蒸汽。循环酸浓度为99.50%，酸进口温度205°C、出口温度183°C，汽包水温170°C。稳定运行时，换热段A出口酸温(换热段B进口温度)是191.3°C，该蒸汽发生器的特性比R是1.01。
[0052]当换热段A发生泄漏时，换热段A出口酸温会异常升高，换热段B出口酸温也会相应升高(因为换热段B的换热特性数是基本不变的)。当泄漏使换热段A出口酸温异常升高1°C、即达到192.3°C时，换热段B出口酸温也会相应升高至183.6°C，这时该蒸汽发生器的特性比R已经变为1.11，而酸浓只是从99.50%降为99.41 当泄漏继续扩大使换热段A出口酸温异常升高2°C、达193.3°C时，特性比R就飙升至1.23，这时酸浓仍在99.32%。
[0053]当换热段B发生泄漏时，换热段B出口酸温会异常升高，这时换热段A出口酸温(换热段B进口酸温)是正常的、换热段A的换热特性数是不变的。当泄漏使换热段B出口酸温异常升高1°C、即达到184°C时，特性比R随之降至0.85 ;随着腐蚀的发生泄漏会快速扩大，当泄漏使换热段B出口酸温异常升高2°C、即达到185°C时，特性比R就降到0.71 了。
[0054]实施例2
[0055]80万吨/年硫酸装置的低温位热回收塔循环酸串出酸采用的双对称管壳式硫酸冷却器，包括酸进口管箱、换热段A、酸连接管箱、换热段B、酸出口管箱、连接水管。用酸连接管箱将两个换热段的酸侧连接起来、用连接水管将两个换热段的水侧连接起来。水走壳程、酸走管程，全逆流换热，用以加热锅炉给水，该串酸冷却器又被称为锅炉给水加热器。串酸浓度为99.60%，酸进口温度180°C、出口温度150°C，将锅炉给水从104°C加热到了172°C。稳定运行时，换热段A出口酸温(换热段B进口温度)是171.2°C、两换热段中间的连接水管中的水温是152°C，该酸冷器的特性比R是1.00。
[0056]当换热段A发生泄漏时，换热段A出口酸温会异常升高，换热段B出口酸温也会相应升高(因为换热段B的换热特性数是基本不变的)。当泄漏使换热段A出口酸温异常升高1°C、即达到172.2°C时，换热段B出口酸温也会相应升高至150.4°C，这时该酸冷器的特性比R已经变为1.12，而酸浓只是从99.60%降为99.51 当泄漏继续扩大使换热段A出口酸温异常升高2°C、达173.2°C时，特性比R就飙升至1.30，这时酸浓仍在99.42%。
[0057]当换热段B发生泄漏时，换热段B出口酸温会异常升高，这时换热段A出口酸温(换热段B进口酸温)是正常的、换热段A的换热特性数是不变的。当泄漏使换热段B出口酸温异常升高1°C、即达到151°C时，特性比R随之降至0.94;随着腐蚀的发生泄漏会快速扩大，当泄漏使换热段B出口酸温异常升高2°C、即达到152°C时，特性比R就降到0.88。
[0058]如果该双对称管壳式硫酸冷却器不是全逆流换热而是半逆流换热，即换热段A逆流换热、换热段B顺流换热或者换热段B逆流换热、换热段A顺流换热,则正常运行时该酸冷器的特性比R不是在I附近而是另外一个基本固定的数值，当泄漏发生时该特性比亦会发生显著变化。同理，如果该双对称管壳式硫酸冷却器是全顺流换热，当泄漏发生时其特性比同样会发生显著变化。
[0059]虽然上述2个具体的实施例已经描述了本发明，但此描述不意味着构成限制。在参照本发明的描述后，对于本【技术领域】的熟练人员来说，显然能够对所公开的实施例作出各种各样的修正。各种类似的修正均落入本发明的权利要求范围之内。
【权利要求】
1.双对称管壳式硫酸冷却器，包括酸进口管箱、换热段A、酸连接管箱、换热段B、酸出口管箱、连接水管或者汽包，其特征在于: 两个换热段均为完全对称且完全相同的管壳式换热器结构，用酸连接管箱将两个换热段的酸侧连接起来，将两个换热段壳程与蒸汽汽包的上升管和下降管连接就成为蒸汽发生器，将两个换热段壳程用一根连接水管连接起来就成了水加热器。
2.根据权利要求1所述的双对称管壳式硫酸冷却器，其特征在于:测量酸进出口温度和连接管箱中的酸温度值，同时测量饱和水蒸汽的温度值或者水进出口温度和连接管中的水温度值，通过这些温度值计算出该酸冷器的特性比，并以此监测泄漏的发生。
【文档编号】F22B37/38GK103836602SQ201410125533
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】丁华 申请人:丁华