换热设备多相流防除垢新技术的研究进展_张少峰

换热设备多相流防除垢新技术的研究进展
张少峰X李修伦刘明言
(河北工业大学)(天津大学)
摘要对换热设备多相流防、除垢技术的研究及应用情况进行了回顾和综合分析,提出了多相流防、除垢技术仍需解决的几个关键问题,为进一步的研究指出了方向。

关键词多相流防除垢换热设备沸腾换热流化床
中图分类号T Q05115文献标识码A文章编号0254-6094(2003)02-0116-05
综观当今工业界,换热设备壁面结垢造成的浪费和损失相当严重。

以天津汉沽盐场为例,盐卤蒸发器清垢停车时间占全年生产时间的15%左右,一台万吨级装置每年由于清垢停车和清洗耗能、耗水等直接经济损失就达300余万元。

目前我国有盐厂700余家,总的经济损失非常大[1]。

为此,换热设备结垢问题已成为提高生产效率、降低能耗的主要技术障碍,得到各国工业界和学术界的广泛关注。

如果换热设备上产生了垢层,目前一般是在停车状态下采取化学方法[2]或机械方法[3]来清除污垢,其缺点是不仅由于停车而造成减产、消耗清洗液、影响产品质量,而且必须周期性地不断清洗,排放的清洗废液严重污染环境。

因此如何有效地防、除垢已成为科学研究及工程应用领域的一个重要研究课题。

20世纪七八十年代开始,研究者开始探索将多相流化床技术引入换热设备的防、除垢过程,取得了显著的效果。

1液固两相流防除垢技术
液固流化床换热设备首先在美国、瑞典及荷兰等国家进行了研究并得到应用。

在美国,流化床换热设备已开始应用于地热开发研究[4]和海水淡化装置中[5,6];在瑞典,流化床换热设备也已经用于热量回收和盐水多级闪蒸[7,8];荷兰科学家经过长期实验研究,终于建成了一套总面积为1000m2的流化床换热设备的海水淡化示范装置[9,10]。

Kollbach J St等[11]和Meijer J A M[12]以饱和硫酸钙溶液为工质,对流化床换热设备的防、除垢性能进行了考察,研究了固体颗粒尺寸与加入量对防、除垢性能的影响。

上述研究结果均表明液固流化床换热设备具有良好的防、除垢性能,即使有结垢产生,垢层厚度也能得到很好控制,使换热器的传热系数维持在一个可接受的范围内操作而不需清垢。

合理的结构设计才会有良好的设备性能。

从液固流化床换热设备结构的发展过程看,经历了散式流化床、单根及多根下降管的内循环流化床和外循环流化床等多种型式。

典型的散式流化床换热设备包括进口段、换热管束和出口段3部分。

液体流过管束换热,而固体颗粒在其中保持稳定的流化状态。

显然,保持液固流化床换热设备管束内的稳态操作是流化床换热设备设计的重点,它要求管束内液体流速和固体颗粒分布均匀。

因此,液体和固体颗粒的均匀分布技术成为液固流化床换热设备的关键。

Klaren D G[13]首先提出了一种由进口段、换热管束和出口段3部分组成的散式流化床换热设备。

其中进口段分为液体进口段和固体颗粒分布段,在进口管箱和颗粒流化段之间设有多孔板式液体分布板,同时通过在换热管延伸段开边孔以促进固体颗粒的均匀分布。

上述结构的不足之处在于较难实现固体颗粒
X张少峰,男,1965年10月生,博士,副教授。

天津市,300130。

的正常循环。

为此,Klaren D G等[14]又设计了一种单根下降管的内循环式流化床换热设备,在换热管束中央专门设有一根下降管用于分离固体颗粒,从而实现了固体颗粒的循环使用。

但由于固体颗粒的进出通道数目不同,这种结构上的不对称性容易带来操作的不稳定性。

Kollbach J St等[15,16]在传统的管壳式换热设备的基础上进行了相应的结构改变,开发了具有多根下降管的内循环式流化床换热设备。

但齐世学等[17]对内循环换热装置的研究发现:固体颗粒的循环并不一定通过设定的中央循环管路。

虽然多根下降管在一定程度上解决了单根下降管流化床换热器因颗粒进出通道数目不同带来的操作不稳定性问题,但其结构更为复杂,成本也较高。

Klaren D G[18,19]为了进一步克服流化床换热设备操作上的不稳定性,又开发了一种外循环式流化床换热设备。

液体和固体颗粒在下管箱内接触、流化并均匀混合,经分布板进入换热管束,从上管箱流出后经旋液分离器实现固液分离,液体从旋液分离器顶部排出,固体颗粒则经外循环管返回下管箱中再次循环使用。

这种外循环式流化床换热设备的最大优点在于管束内固体颗粒分布均匀,系统操作稳定。

叶施仁等[20]在上述研究的基础上,对液固流态化换热设备的结构做了进一步改进,将管程入口管伸入下管箱的中央,在下管箱中增加一块开孔率较低的筛板,同时按一定比例将循环管均匀分布在上升管中间,循环管进口附近的筛板局部不开孔,并装上导流元件,而且增大了上管箱的空间。

他们运用该技术为湖南省资江氮肥厂制成220m2的立式氨冷凝器,投入运行后管程流体流动阻力增加不大,不仅强化了传热,而且成功地实现了在线防、除垢,运行相当稳定。

2汽液固三相流防除垢技术
进入70年代,学者们在池内沸腾传热研究的基础上,开始探索将惰性固体颗粒引入纯净液体的沸腾传热过程,Gabor I D等[21]将固体颗粒加入到沸腾的水中,发现由于固体颗粒在加热表面处的存在,使汽泡更容易分离。

Jone S W等[22]证实了加热表面处固体颗粒层形成了气体通道,以及壁面上所产生的汽泡和形成的自然对流导致壁面处的颗粒层流化。

其他学者的研究结果均表明,固体颗粒的存在不仅可以强化传热,而且还可以有效地改善沸腾传热的滞后特性[23~26]。

这些早期对含固体颗粒的池沸腾过程的研究,为汽液固三相流防、除垢技术的应用奠定了必要的理论和实验基础。

在工程实际中,沸腾液体不可能是纯净的,因而换热壁面上必然会一定程度地结垢。

固体颗粒对换热面结垢的影响成为研究的重点。

刘中良等[27]利用饱和硫酸钙溶液为沸腾工质,考察了引入固体颗粒(直径0.5~1mm的玻璃珠)后池沸腾换热表面上的结垢特性。

研究结果表明:由于传质系数增大和局部加热面温度的升高,长期运行时反而使结垢过程加快。

究其原因,可能主要是在池沸腾液体中加入固体颗粒后,固体颗粒的运动速度很低,与垢层之间的作用力很小不足以破坏垢层所至。

80年代末到90年代初,我国的一些研究者将固体粒子加入到管内汽液两相流动蒸发沸腾系统中,并对固体粒子强化流动沸腾传热及防、除垢效果进行了初步研究,但其机理和模型与池沸腾有很大不同,有关这方面的研究报道极少。

李修伦等[28]在汽液两相流动沸腾系统中加入玻璃球形成汽液固三相流沸腾传热系统,并对其传热性能进行了研究。

研究表明:与两相流动沸腾传热系数相比,汽液固三相流动沸腾传热系数提高约两倍,同时玻璃球的加入还有很好的防垢效果,大大提高了沸腾传热过程的稳定性。

他们认为,玻璃球的加入增加了汽化核心,破坏了传热边界层,增强了液体的湍动程度,从而有效地强化了传热;玻璃球频繁撞击加热壁面,防止了垢层的产生。

李修伦等[29~31]采用铜粒子代替玻璃球,对上述汽液固三相流沸腾传热过程进行了进一步的研究,发现其强化传热效果大为提高。

这主要是因为铜粒子的密度、导热系数和比热均比玻璃球高造成的。

在上述研究的基础上,张利斌等[32,33]参照快速流化床的基本原理,开发了一种新型的汽液固三相循环流化床蒸发设备,实现了固体颗粒的分离和再循环,满足了工业生产的实际需要。

他们以饱和盐卤为工质,采用饱和水蒸气加热,考察了加入不同固体颗粒(玻璃球、陶瓷球、钛粒和钢球)
的情况下,这种新型蒸发器的强化传热和防、除垢性能。

李秀伦[34]对上述蒸发设备的强化传热和防、除垢性能做了进一步研究,对固体颗粒种类的选择、固体粒子的磨损情况以及系统的压降等进行了研究,并提出了最优工艺参数范围。

他认为:固体颗粒对流动沸腾传热过程的强化效果不仅与其密度、比热和导热系数等物性参数有关,还与工质对固体颗粒的润湿性能有关。

张少峰[35]仍然利用饱和卤水作为工质,在汽液固三相循环流化床蒸发设备中加入刚玉球颗粒,详细地考察了料液循环流量、颗粒体积分率、颗粒直径和热通量等对三相循环流化床蒸发设备的防、除垢效应及强化沸腾传热性能的影响,得出了在蒸发器中可用于防垢的最小颗粒体积分率为1.5%,考虑到防、除垢与强化传热的综合效应,所加入的颗粒体积分率应为3%~8%;在保证充分流化的前提下,应选用密度较大的颗粒,同时在自然循环蒸发设备中也能够实现正常的操作。

邹克华[36]研究了三相循环流化床的流动沸腾传热和压降,同时以烧碱溶液为工质,探讨了加入固体颗粒后蒸发沸腾装置的防、除垢性能。

H idetoshi[37]在用于海水加热与浓缩的装置中加入固体颗粒,研究了换热壁面上硫酸钙垢层的清除效果,当颗粒浓度约为40~50kg/m3时,垢层的最终除去比例有一渐进值。

于志家等[38]在两相流载气蒸发沸腾系统中引入固体颗粒,发现不仅可以显著强化传热,而且壁温及壁面液体过热度明显下降。

他们认为,引入固体颗粒后,有效地抑制了加热壁面上的泡核沸腾,同时固体颗粒的运动对已有的垢层具有明显的冲刷作用。

于志家等[39]在垂直环隙内的流动沸腾过程中加入固体颗粒,对其传热性能进行了研究,也得到了与文献[38]相似的结论。

吴若琼等[40]在汽液固三相流化床中研究了固体颗粒的临界流化速度及输送速度,指出在相同气速下,大颗粒的临界流化速度及输送速度均比小颗粒的大,所以实际生产中宜采用较小的颗粒,液体介质密度越大越容易使颗粒流化,颗粒输送量随液速增大而提高,因此液速高更有利于防、除垢。

天津大学多相流课题组与天津汉沽盐场合作,用饱和盐卤水为工质,在10m2中试蒸发实验的结果表明,连续运转240h以上,在蒸发设备的加热室内无结垢现象发生,蒸发量呈现正常的波动而无明显降低,而原有的蒸发设备运行8h即因结垢必须清洗,否则不能正常操作。

汽液固三相流防、除垢技术已经成功用于天津汉沽盐场30kt 氯化镁的蒸发,并获得国家发明专利[41]
吴金香等[42]开发了一种卧式结构列管换热器,并获得国家实用新型专利。

该实用新型为卧式结构列管换热器管内污垢的液固循环流态化在线清洗技术。

设备的主要特点在于双管程,隔离板斜装的入口室,兼具固体粒子分离与储集功能的出口室,适当高度的循环管与流化入口管。

一般为周期性流态化清洗,其周期由污垢积聚速度决定。

该实用新型已经8排管<25mm@2.5mm@6 000mm的设备试验,表明除垢能力强,效果好;对<1000mm的756管<25mm@2.5mm@6000m m 的大型设备进行了工程设计,结果表明综合技术经济效益较好。

3多相流防除垢技术需要解决的问题
综合分析以上研究者对换热设备多相流防、除垢的研究,笔者认为仍须解决以下几个关键问题:
a.针对不同的物料特性,适当选择固体颗粒种类。

不同的固体颗粒的物性不同,其对垢层的破坏作用和强化传热的效果也不同。

因此,选择固体颗粒时,应综合考虑固体颗粒的种类、形状、密度及导热系数等因素,颗粒既要有较高的机械强度和良好的韧性,在流动中不被撞坏,磨损量要足够小,以防流体流动不稳定和能耗过大,又要有良好的强化传热和防、除垢性能。

选择粒子时,同时要考虑颗粒在特定的工况下,是否能够且容易被流化,流化的程度如何,在管内能否均匀分布;
颗粒密度要适当,对管壁的碰撞力要足够大但对壁面的磨损量要小。

b.选择适当的固体粒子加入量,以达到既能防、除垢又不使流动阻力剧增的效果。

加入颗粒较多时,颗粒与管壁接触机会增多,碰撞频繁,扰动边界层能力提高,有利于防、除垢。

但是颗粒加入量过大,可能引起流动阻力大为增加。

c.多相流防除垢技术的关键是要使换热设备中数量很多的上升换热管中的工况尽可能一
致,同时上升管和循环管的结构和阻力要合适,才能实现有效可靠的颗粒循环。

因此,要尽量使固体粒子均匀分布,以避免无颗粒或颗粒较少的管内结垢而影响正常运行,这就需要在物料入口处设置液体和颗粒分布装置。

有关分布装置的研究将是一个很有价值的研究课题。

d.对换热系统的运行参数值进行优化设计,找到其最佳匹配关系,特别是液体循环速度直接影响到固体粒子的流化程度和强化传热及防、除垢效果。

循环速度加大,将使颗粒获得的动能加大,颗粒与壁面间的碰撞力增大,强化传热和防、除垢效果增强。

但随着循环速度的增大,颗粒与液体间的摩擦损失加大、压降增加,能耗增大,所以存在一个适宜的液体循环速度。

e.对固体颗粒防、除垢机理做进一步研究。

换热设备中的防、除垢问题,是涉及多相流体力学、相变传热学、化学反应、结晶动力学甚至化学动力学、统计力学乃至表面科学等多学科的基础理论知识的一个极其复杂的研究课题。

因此,对于不同类型的结垢,需要对其形成过程及规律进行更加深入的探讨,建立固体颗粒防、除垢模型,这需要改进现有实验方法,完善实验手段,以指导工程应用。

f.固体颗粒在多相流中的运动规律具有非线性系统的特性,因此研究换热设备的多相流防、除垢过程时,这种非线性性质应该引起研究者足够的重视。

参考文献
1陆操,程萌东,郑秋海.芒硝生产现状与展望.无机盐工业,1997,29(1):22~25
2Har per W J.Sanitation in Dair y F ood Plants.F oo d San-i tat ion,1972,23(2):61~64
3Walker P.On-line Automatic T ube Cleaning.Eng ineer-ing Systems,1994(10):58~62
4M atch L P.Scale Co ntrol in Hig h T emper ature Dist illa-tion U tilized F luidized Bed Heat Ex changers:Research and Development Rept.1970,571
5Allen C A,G rimmett E S.Liquid-Fluidized-Bed Heat Exchanger Desig n Parameters.Department of Ener gy, 1978(4):1570
6Richardson J F,Zaki W N.Sedimentation and Fluidiza-tion:Part I.T rans Instn Chem Eng rs.1954,32:35~
53
7K laren D G.Dev elopment of a V ertical F lash Evapora-tor:Doctoral T hesis,Delft U niversit y of T echnology, 1975
8M er jer J A M.Inhibition of Calcium Salfate Scale by a Fluidized Bed:Do ctoral T hesis,Delft U niversity o f T ech-nolog y,1984
9V eenman A W.A Rev iew of N ew Development in Desa-l ization by Distillation process.Desalization,1978(27):21 ~39
10Veenman A W.Heat T ransfer in a M ult-i Stage Flash/
F ludized Bed(M SF/FBE).Desalination,1977,41(22):
49~52
11K ollbach J St,Rautenbach R.Continuous Cleaning of Heat T ransfer in Heat Ex chang er w ith Recir culating
F luidized Bed.Heat T ransfer Engineering,1987,8
(4):26~32
12M eijer J A M.Prebention of Calcium Sulfate Scale De-position by a Fluiized Bed.Desalination,1983,47(5): 3~15
13K laren D G.Fluidized Bed Heat Exchanger:A M ajor
I mprovement in Sever e Heat T ransfer in Heat Ex-
changer T heor y and Practice.Hemi sphere Publi shing Corpor atio n,1981,885~896
14K laren D G,V ailie R E.T he N on-F ouling F luidized Bed Heat Exchanger National Heat T ransfer Conference HT D vol.108,Heat T r ansfer Equipment F undamen-tals,Design,Application and Oper at ion Problems,1989, 273~279
15Kollbach J St,Rautenbach R.Continuous Cleaning of Heat T ransfer in Heat Ex chang er With Recir culating Fluidized Bed.Heat T ransfer Engineer ing,1987,8
(4):26~32
16Ko llbach J St,Rautenbach R.T he Fluidized Bed T ech-nique in the Evaporation of Wastewater With Severe Fouling/Scaling Potentia-l Latest Developments,Appl-i cation,L imitations.Desalination,1991,81(1~3): 285~298
17齐世学,宗祥荣,王琳.流化床换热器的研究(I).烟台大学学报(自然科学与工程版),1994(1):48~54
18K laren D G.Apparatus for Carr ying out a Physical and/ or Chemical Process,Such as a Heat Exchanger,PCT, WO94/24507,1994.10
19K laren D G.Selbstr einig endes K onzept.Chemamlagen V er fahren,1995,28(5):16~18
20叶施仁,俞天兰,俞秀民.液固流态化换热器结构改
进及应用.化工机械,1998,25(1):31~32
21G abor I D.AN S F ast Reactor Safety M eeting,Los An-geles CA1970
22Jone S W,Ph.D.Dissertation No rth Western U niv ers-i ty,Ev anston I L,1982
23Fukusaku S,Seki N,Ko mor iya T.A SM E-JSM E T her-mal Eng Joint.Conf,2:167,1983
24Y amaguchi H,James D D.Bo iling Heat T ransfer For m Glass Beds Covered Flat Heat ing Surface.T he6th Int Symp On T ransport Phenomena in T her mal Eng ineer-ing,K orea,2:323
25蒋银忠.固体颗粒强化沸腾换热的研究:[硕士论文].南京:东南大学,1994
26M etijievic M.I mproving Heat T ransfer W ith Pool Bo i-l ing by Covering of Heating Surface W ith M etalic Spheres.Heat T ransfer Engineering,1992,13(2): 323
27刘中良,施明恒,戴锅生.固体颗粒对池沸腾换热器表面上结垢影响的机理与分析.化学工程,1997,25
(6):9~13
28李修伦,刘绍丛.汽液固三相流化床沸腾换热的研究.化工学报,1993,44(2):224~229
29李修伦,闻建平.三相流沸腾传热.高校化学工程学报,1995,23(4):50~54
30李修伦,闻建平.垂直管内三相流沸腾传热特性.化学工程,1995,23(4):50~54
31闻建平.汽液固三相流化床沸腾换热的研究:[硕士
论文].天津:天津大学,1992
32张利斌,李修伦,张金钟等.三相循环流化床中沸腾传热特性.化工学报,1999,50(2):208~214
33张利斌.汽液固三相流化床沸腾换热的研究:[硕士论文].天津:天津大学,1996
34李秀伦.新型汽液固三相流化床蒸发器性能研究: [硕士论文].天津:天津大学,1998
35张少峰.三相循环流化床蒸发器防除垢和强化沸腾传热的研究:[博士论文].天津:天津大学,2000
36邹克华.三相流循环流化床流动沸腾传热和压降的研究:[硕士论文].天津:天津大学,1999
37Hidetoshi.M echanism of Calcium Sulfate Scale Depos-i tion on Heat T r ansfer Surfaces and M echanical Remov al of Scale by Particle A brasion M ethod.日本海水学会,1994,48(2):96
38于志家,慕旭宏.汽-液-固三相流载气蒸发传热研究.工程热物理学报,1993,14(3):305~308
39于志家,徐维勤,沈自求.垂直套管环隙内汽液固三相流动沸腾传热的实验研究.工程热物理学报, 1993,18(2):234~237
40吴若琼,湛雪辉,刘金.防止氧化铝厂蒸发器结垢的新方法.中南工业大学学报,1999,30(1):45~48
41李修伦.具有强化传热、防结垢性能的沸腾蒸发装置及操作方法.中国,发明专利,专利号:ZL961200081 42吴金香,俞秀民.管内循环流态化卧式列管换热器.
中国,实用新型专利,专利号:ZL93233428.8
(收稿日期:2002-04-16)
Research Progress of Preven tin g an d Cleaning Fou ling Tech nologies of the Mu ltiphase Flow in Heat Transfer Equ ipment
Z HANG Shaofen g1,LI Xiulun2,LIU Mingyan2
(1H ebei Univer sity of T echnology,T ianj in,300130,China;
2T ianj in University,T ianj in,300072,China)
Abstract A review and a comprehensive analysis w as made of the research and application of the prevent-ing and cleaning fouling technolog ies of multiphase flow of heat transfer equipment,some key problems to be solved at present were proposed for further research.
Keywords Multiphase Flow,Preventing and Cleaning Fouling,Heat T ransfer Equipment,Boiling Heat T ransfer,Fluidized Bed
5化工机械6荣获第五届全国石油和化工行业优秀期刊一等奖
日前,中国石油和化学工业协会公布了第五届全国石油和化工行业优秀科技期刊的评选结果,5化工机械6荣获此次评选的一等奖。