【文章內容簡介】 工業(yè)上常用的熱器分為外壁和內壁兩種[3]: —夾套式換器 如圖22所示，這種換熱器結構簡單，且不影響床內流化質量，不會使床層產生死角。因此，可保持床內溫度均勻。整個床層溫差很小，這對于溫差控制很嚴的操作非常合適。又因它在床層內不占空間位置，所以也適合在流化床內_安置內部構件。但安內部構件后，床層軸向、徑向溫差要增大。這類換熱器受顆粒磨損也較其他類型換熱器小，不易損壞，使用壽命長。主要缺點是傳熱面積受設備尺寸限制。圖22 夾套式換熱器 對大型流化床設備，都是在床內設置具有一定傳熱面積的內壁換熱器，以滿足工藝過程要求。在床內安置換熱設備要往意以下幾點: ①設備外表面盡量簡潔光滑，以減少對床內流化質量的影響。②盡量減少床內的水平平面構件，防止在床內出現(xiàn)局部死角以及對換熱管起屏蔽作用。③設備在床內部的焊接點越少越好，避免熱膨脹引起焊縫脹裂以及被運動顆粒磨損，造成泄漏。④因流化床與換熱器處于不伺溫度條件下操作，所以要考慮流化床與換熱器之間的不同熱膨脹，采取熱補償措施。 常用的內壁換熱器有以下幾種[4]: (一)列管式換熱器 列管式換熱器是將熱管豎直放置在床內，無論在濃相還是稀相都可使用。目前，這種換熱器常用單管式和套管式（亦稱指型管)兩種。 （二）鼠籠式換熱器這種換熱器焊縫較多，由于總管與支管的剛性不同，因此，熱膨脹情況不一，在溫差大的場合，焊縫容易脹裂，造成滲漏等現(xiàn)象。這種換熱器的傳熱面積較大。 （三）管束換熱器管束可以列置亦可橫排，根據不同工藝過程而定。橫排管束式換熱器用于流化質量要求不高而熱交換量很大的場合，如沸騰燃燒鍋爐等。 （四）蛇管換熱器 與一般蛇管換熱器似。根據換熱量大小，可在濃相段設置一個或多個。流化床大致可分為兩種情形[1]: 一種是流體介質與固體顆粒間的傳熱，這也包括固體顆粒不參與反應(例如催化劑)、但有兩種或兩種以上的流體介質相草作用、相互傳熱的情況。這部分傳熱可以看作是流化床反應器必需的傳熱，因為流化床良好的均溫性、較大的蓄熱能力及床層中劇烈的顆粒運動可能有助于目標反應的完成。對流態(tài)化燃燒而言，氣體與顆粒間的傳熱既涉及碳粒的氧化然燒速度，也涉及床層運行的穩(wěn)定和燃料顆粒的著火性能。 另一種是流態(tài)化床層與固體壁面間的傳熱。固體壁面包括兩類:一類是流化床的容器壁面，一類是床層中特別設置的裝置壁面。對于需要保持較高溫度的流化床反應器而言，流化床層與容器壁面間的傳熱可能成為熱損失，例如流態(tài)化鍋爐的流化床層與爐墻壁面間的傳熱是鍋爐的散熱損失，對于需要保持溫度大致穩(wěn)定在一定范圍的流化床來說，床層中特別設置的裝置(如橫排管、縱排管、肋管等)則是為了對床層進行加熱或移出反應熱量。較為常見的是移出反應熱量，例如流態(tài)化鍋爐內部設置的各種排管、脅管就是鍋爐的主要傳熱面之一，這些傳熱面從流化床中吸收的熱量占鍋爐總傳熱面吸收熱量的很大一部分，有的可以占到40%。這部分傳熱量是流化床層與固體壁面間的有效傳熱量。 床層對管壁傳熱系數的影響因素[4]極多，主要因素有以下幾點： 1. 操作速度的影響 固定床的傳熱系數較低，氣速增加給熱系數也稍有增加。達到臨界流化速度以后，傳熱系數隨氣速增加而增加，當增至一定值后開始逐步減慢。 在相近的氣速下，床層與管壁的傳熱系數隨顆粒粒徑的減小而增大，這是由于顆粒與壁面的氣膜更緊密接觸所致。 不同的氣固系統(tǒng)，從各準數方程式中表明，傳熱系數也各有差異。換熱器置于床中不同半徑時，給熱系數不等，換熱器置于距中心2/5時給熱系數最高，換熱器橫放和豎放給熱系數都不相同如圖23所示[4]。圖23 傳熱系數校正值圖 24 蛇形換熱管管徑選取一般蛇形彎管自來水流速[8]取值u＜，故取u=由 = （2—12） ==則d===由無縫鋼管規(guī)格GB8163—87，取d=22mm冷卻水質量流速[8] （2—13）G== Re= （2—14）==7833（過渡流）流體在圓形直管作強制湍流時[8] = （2—15）==2369修正系數[8] = （2—16）==流體在圓形直管中作過渡流=2396=2227流體在彎管中對流時[8] = （2—17）r—彎曲半徑，m.在換熱構件設計中換熱器在床層中距軸中心位置為2/5D時換熱系數最大[4]則r== m==3475 床層對彎管壁傳熱系數[4] =（1） （2—18）式中：床層與壁管壁傳熱系數， 顆粒密度 氣體密度 氣體流速，m/s 氣體粘度Pas 顆粒平均直徑，m 流化空隙率 氣體導熱系數， 氣體比熱容， 固體比熱容，= =542 蛇形換熱構件總的傳熱系數[8] （2—19）式中：剛的導熱系數=45, 冷卻水側污垢熱阻= , 流化顆粒側污垢熱阻=.則= =342圖 26 單管式列管換熱器由換熱器在床層中距軸中心位置為2/5D時換熱系數最大則取r=結合實際情況取主管n=8 ，u=則管徑==m由無縫鋼管規(guī)格GB8163—87，取d=11mm2mm材料為20鋼流體對直管傳熱系數G=u==Re===2886(過渡流）修正系 === = ==2284==2284=1485又床層對豎直管傳熱系數 =6913 =即K=457圖 25 鼠籠式換熱構件由換熱器在床層中距軸中心位置為2/5D時換熱系數最大則取r=上下兩個環(huán)形彎管流速取=則 ==由無縫鋼管規(guī)格GB8163—87，取d=27mm2mm材料為20鋼根據實際設計豎直管取n=16 ，===m由無縫鋼管規(guī)格GB8163—87，取d=9mm2mm材料為20號鋼對其結構進行預設取，取直管有效高度L=則彎管部分面積 ==直管部分面積 ==傳熱面積 =兩者傳熱系數比 則預取傳熱系數 = （2—20）==流體對彎管傳熱系數==199==6331（過渡流）湍流下傳熱系數 = （2—21）==1303修正系數 =====1303=1186==1186=1991 床層對彎管傳熱系數與蛇形管相同，=542 取剛和污垢導熱系數分別為：=45， =64.彎管總傳熱系數 （2—22）==415流體對直管傳熱系數== ==2061（層流）由于水被加熱取[8]，則 （2—23） = =935床層對豎直管傳熱系數[4] （2—24）式中：校正系數，由換熱器在床層中距軸中心位置而定即=6913==903 =415＋903=708==(滿足條件）鼠籠式換熱構件的尺寸圖 27 鼠籠式換熱構件通過計算鼠籠式換熱構件尺寸如圖27所示。其中：=800mm ，=6mm，=147mm，=120mm，=9mm2mm 氣體預分布器與分布板設計氣體分布板[4]在流化床中的作用有三:一是支承催化劑或其它固體物料。二是均勻分布氣體并創(chuàng)造一個良好的起始流化條件。三是抑制聚式流化原生不穩(wěn)定性的惡性引發(fā)，使這個良好起始流化條件得以長時期地穩(wěn)定保待下去。這三點足以說明氣體分布板在流化床催化反應器中所占據的重要地位置。預分布器[4]的作用，是在分布板之前，預先為氣體分布創(chuàng)造一個較好的流型，從而減輕分布板在均勻分布氣體方面的負荷。至于在其它方面，它并不能或很少能分擔分布板的作用。因此，與分布板相比，它居于次要的地位。從后面的分析，還可以進而看到，有些場合有無預分布器對流化并無顯著影響，但多數情況，預分布器能夠起到上述減輕分布板均勻布氣負荷的作用，從而使分布板和反應器的操作更為合理。特別是對于大型裝置，更是如此。 國內流化床采用的氣體預分部器型號有多種，主要有彎管，同心圓錐殼，帽式及錐底填充等。彎管預分布器用的最多，主要是器制造簡單，與進氣直沖分布板相比已起到一定預分布作用，操作可靠不易堵塞。本次設計就采用彎管式預分布器。圖 28 彎管式預分布器 進氣管由無縫鋼管取d=25mm，材料為20號鋼；分布器厚度=12mm，材料為16Mn。我國目前在生產應用的分布板，大致可分為四種型式，即直流，測流，密孔及填充型分布板，而其中每一種型式又包括多種不同結構。本次設計為實驗裝置，綜合其幾種分布器特點選取直流型分布器比較合適，該種分布板具有孔徑小，分布密，制造簡單的特點。臨界開孔率[4]： （2—25） ==式中：— 為開孔率； —為進口管內徑； D—為分布板直徑； — 為分布板阻力系數，～取開孔孔由于在其他條件相同情況下，增大分布板壓降或減小開孔率，一般能起到改善其布氣和穩(wěn)定性能的作用；反之，壓降過小或開孔率過大，分布板的布氣和穩(wěn)定性能差。開孔徑d=1mm，則開孔面積==則 ＜ （2—26）即 ＜=974則分布板孔數小于974個，厚度取10mm。 壓降計算 冷卻器壓降主要分為三部分：流化床層壓降、分布板壓降、換熱構件壓降。 流態(tài)化床的壓降很容易計算。處于流態(tài)化狀態(tài)時的壓降不再隨流速改變而改變，該壓降等于床層內單位截面積上的顆粒重量，即[1] （2—27）式中L和，可對應不同流速下的床高和空隙率。對于固定床，L和分別代表表靜止床高和固定床空隙率。二者也可以是臨界參數或流態(tài)化狀態(tài)時任意流速下的一對參數，所對應的壓降都是不變的。則 =9000分布板之所以能夠均勻分布氣體，創(chuàng)造一個良好的起始流化條件并得以關期穩(wěn)定地保持下去，除了因為它上面均勻分布著許多小孔或錐帽這個淺顯的道理以外，最重要的原因是它對于通過的流體具有一定的阻力或壓降。只有當這個阻力大于氣體流股沿整個床截面重排的阻力，分布板才能起到破壞流股均勻布氣的作用。也只有當分布板的阻力大到足以克服聚式流化原生不穩(wěn)定性的惡性引發(fā)，分布板寧有可能將已經建立的良好起始流化條件長期繼續(xù)下去。化工冶金研究所曾經對氣體分布板的穩(wěn)定性問題題作過理論分析，他們通過實驗得出分布板壓降經驗公式[4]： （2—28）則 =500換熱構件壓降由兩部分組成，可按下式計算[8]： （2—29）式中：為流體流過直管因摩擦阻力引起的壓降； 為流體流過環(huán)管因摩擦阻力引起的壓降；其中，的計算如下： （2—30） （2—31）式中：為摩擦系數；為流體密度； 、分別為直管總長度和彎管長度； ﹑分別為直管和彎管內徑： 分別為直管和彎管內流體流速。當Re在2000～3000000內時[8]=3548=66=3548+66=3614 強度計算 由工藝計算殼體在46溫度下設計壓力為=,選取低合金鋼16Mn制成的無縫鋼管。材料46時許用應力=170,取焊縫系數=1，腐蝕余量=2mm則計算厚度[9]： （2—32）=設計厚度 =+2= （2—33）考慮到筒體直接截取無縫鋼管，故取名義厚度=14mm筒體有效厚度 ==142=12mm （2—34）所選材料的屈服應力=345水壓實驗壓力 = （2—35）水壓實驗校核 （2—36）=水壓實驗允許通過的應力水平≤==＞殼體允許最大工作壓力 （2—37）=13＞設計溫度下計算應力 （2—38）=＜=170開孔補強采用等面積補強。選取20號熱軋?zhí)妓劁摴?，鋼管的許用應力=130， = （2—39）接管計算壁厚 （2—40）=接管有效壁厚 mm （2—41）開孔直徑 ==31mm （2—42）接管有效補強寬度 ==62mm （2—43）接管外側有效補強高度 == （2—44） 需要補強面積 == （2—45）可以作為補強的面積為 == （2—46） == （2—47） =+= （2—48）本次設計其余接管材料都是用20鋼。 本次設計封頭在46溫度下設計壓力為=,選取低合金鋼16Mn制成管。材料46時許用應力=170,取焊縫系數=1，腐蝕余量=2mm則計算厚度 （2—49）=設計厚度=+2=考慮到封頭與殼體便于焊接，故取名義厚度=14mm筒體有效厚度==142=12mm所選材料的屈服應力=345水壓實驗壓力=水壓實驗校核=水壓實驗允許通過的應力水平≤==＞殼體允許最大工作壓