5454铝合金水箱在洗氨塔内的应用

5454铝合金水箱在洗氨塔内的应用

摘要：在洗氨塔内采用5454铝合金水箱替代碳钢箱，增强了冷却水箱的传热效果，改善塔内作业状况，提高产气量，节约冷却水用量，同时能大大延长水箱的使用寿命，减少冷却水箱清洗、更换次数，极大地降低了检修负荷。

关键词：5454铝合金水箱清洗

某厂洗氨塔的主要作用是将合成氨罐岗位送来的释放气(含气态氨约50%)和提氢岗位送来的吹出气(含气态氨约8%~10%)中的气体氨绝大部分吸收，尾气(生活煤气)经清洗塔进一步吸收后送往煤气站及厂内生活区各用户(合格煤气中氨含量应≤50×l06)。所产生的工业氨水送入氨水槽。

随着煤气用户的不断增多，洗氨塔的负荷越来越大，加之原有碳钢制冷却水箱换热效果不理想，洗氨塔内作业温度居高不下，一段最高塔温达60℃以上(正常操作塔温为35℃~38℃)，洗氨塔的吸收效果明显下降，冷却水用量急剧上升，由于塔内温度过高，稀氨水吸收气体氨的效果不佳，导致生活煤气中氨含量较高(有时煤气的氨含量高达80×100)，严重影响各用户的安全用气。

1、5454铝合金水箱的应用

5454铝合金水箱(简称铝水箱)是采用5454铝-镁合金材料制作其换热管的冷却设备。采用该型水箱更换洗氨塔工段四个碳钢水箱后，塔内作业温度由60℃降至47℃左右，冷却水出口温差较之原来升高约2℃，冷却水用量亦由71.8t降到58t，6个月后又更换上四个5454铝合金水箱，效果更为理想，各项工艺指标基本回到正常区域。塔内作业状况基本正常，生活煤气的质和量都有了较为理想的保证;在系统大修时检查发现5454铝合金水箱管外壁冲刷及管内结垢情况都较原碳钢管优越很多，所以大修时将其余16个碳钢水箱全部更换为5454铝合金水箱，在开车后测量各工艺参数都达到或超过原设计要求，各相关工艺参数。

2、原理分析

2.1工艺分析

2.1.1对流传热分析

流体流经固体表面时形成流动边界层，边界层内存在速度梯度，当流体呈湍流时(形成湍流边界层)靠近壁面处总有一层滞流内层存在，此薄层内流体呈滞流流动，在滞流内层中，沿壁面的法线方向上没有对流传热，在该方向上热的传递仅为流体的热传导，由于液体的导热系数较低，故滞流内层的导热热阻就很大;而在湍流主体中，由于流体介质总剧烈混合并充满了旋涡，因而传热效果较好，温度梯度也较小。对流传热的热阻主要集中在滞流内层，因而减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的重要途径。

2.1.2冷却水在碳钢管及5454铝合金管内流动状况的比较

在管内介质、流体流动速率和管径都相同的情况下，流体的流动状态取决于材质的表面光洁程度，因材质本身及腐蚀等原因，碳钢管管壁的绝对粗糙度较铝合金管管壁的绝对粗糙度高出许多倍，故在管内流动状况相似的情况下，碳钢管壁处形成的流动边界层内的滞流内层较铝合金管的滞流内层厚许多，相应的热阻也就大许多，因而在对流传热方面铝合金管有较大的优越性。

2.1.3传热效率分析

单层圆筒壁的热传导速率方程为：

o=s.i(h-t2)r2-rn式中：S。——圆筒壁的内外表面的对数的平均面积;A——管壁材料的导热系数;t1——热流体绝对温度，℃;t2——冷流体绝对温度，℃;r;——圆筒壁的内半径，mm;r2——圆筒壁的外半径，mm。

由传热速率方程式可以看出，在流体介质及流动状况相同的情况下，传热速率主要取决于材质的导热系数，传热速率之比即为材质的导热系数之比。

查资料得：Z*=73.27W/(m·℃)Za=227.95W/(m·℃)则：Q纸73.22=32.149%08 -227.95在同种工况下碳钢管的传热效率只有5454铝合金管的32.14%，且铝材的导热系数较稳定，而碳钢的导热系数随温度的升高而降低，因而随着温度的升高铝材热传导的优越性越明 显。

2.1.4污垢热阻

换热器内、外壁结垢对传热有较大的影响，碳钢管因自身材质的绝对粗糙度较大且易腐蚀生锈等因数，管内、外壁面结垢都比较严重;而表面光滑的铝管内、外壁面则不易结垢，经打开水箱检查发现，同期换上去的铝水箱结垢程度不到碳钢水箱的20%，查有关资料及生产实践证明结垢严重的碳钢水箱换热效果不到铝水箱的30%。

综合以上对流体在管内流动状况、传热效率、污垢热阻等对热传递的影响，证明在热传导方面5454铝水箱替代碳钢水箱有明显的优越性。

2.2、5454铝-镁合金的性能

5454铝-镁合金是美国上世纪80年代中期研制出来的，其主要成分为：Cu0.1%，M=0.08%~0.12%，Mn0.3%-0.6%，Fe0.5%，Si0.5%~0.8%，Cr0.15%。5454铝-镁合金在冷加工后既有较高的强度、良好的塑性，又有极好的抗腐蚀性能和较高的表面光洁度，其主要力学性能指标为：抗拉强度150N/mm2-200N/mm2，屈服强度80N/mnm2~100N/mm-2，断面收缩率5%~15%，H/500-600，与国产的替代产品3A21相比较有强度高、耐腐蚀性好、光洁度好、表面硬度高等优点，尤其是5454铝合金管材的抗弯性能较普通的防锈铝管材高得多，很适合洗氨塔的工况。

2.3、5454铝合金管与碳钢管板的连接结构

洗氨塔内正常工作压力为1.4MPa，最高工作压力为1.52MPa，考虑到5454铝合金材质较软，与管板胀接时产生的挤压内应力不够，在结构上我们做了一些改进。在管板管孔内，开一浅圆环形槽，胀接时使部分铝材嵌进环形槽内，以增强其连接气密性及拉脱应力;胀管后再在管口处打入钢衬套，进一步增强胀接处的挤压内应力。

胀接法一般用于2.5MPa以上的工作环境，最大许用压力为4.2MPa，适用温度不高于300℃，当管板为钢材、换热管为铝材时温度应低于93℃，而洗氨塔最高工作压力为1.5MPa(设计压力为1.6MPa)，最高工作温度为60℃，故经过强化处理的铝水箱在此工况下能正常使用，经过一个周期的运行(2年)，拆出检查时没有发现一个铝水箱胀管处有渗漏现象，实践使用证明该方案是可行的。

2.4寿命分析

5454铝材的表面硬度虽然不如钢材，但它组织细密，表面光洁度较高，再加上管内、外壁流体流速较慢(换热器壳内介质是喷淋吸收液，管内冷却水流速为0.83m/s)，对管壁的冲刷不是很严重，与钢材的耐冲刷性能相差无几。

冷却水箱的内、外层介质分别是清江水和浓度为20%~22%的稀氨水，因为5454铝合金表面覆盖着一层致密的氧化保护膜，故不易被腐蚀，而稀氨水及江水对*****的钢材的腐蚀则比较厉害。我们在角钢泡罩(使气流分布均匀及支撑水箱)表面刷上一层厚厚的环氧树脂(防腐)以解决5454水箱与碳钢梁之间形成的原电池腐蚀问题。

洗氨塔冷却水是未经处理的江水，由于碳钢表面较粗糙及表面锈蚀，很容易集结水中的杂质(尤其是春夏两季水中的水草及泥沙较多时)，在管内壁逐渐堆积使冷却管内径不断缩小，在弯管部分甚至整个堵塞，严重影响换热器的换热效果。而5454铝管结垢程度则轻得多(经拆开检查，同期换上的铝水箱的结垢程度不及碳钢水箱的20%)。碳钢水箱每两年需进行一次内壁除垢、外壁除锈的清洗过程，而5454铝水箱则只需每四年清洗一次，且只需用水冲洗即可，较碳钢水箱的清洗容易得多。

综合以上分析及使用实践证明铝水箱的使用寿命较碳钢水箱的长(碳钢水箱的使用寿命平均为4年，铝水箱的使用寿命预计可达12年)。

3、经济效益分析

(1)节水原来使用碳钢冷却水箱由于传热效果不佳，洗氨塔冷却用水达71t/h，现使用5454铝水箱冷却水用量降至47/h，按每年作业350天计，每吨水0.2元计则可节约4.032万元。

(2)提高了产气量洗氨塔设计生产能力为每天2.4×1°m2，实际日处理气量为2.8×10°m2;采用铝水箱后日处理气量为3.2×1'm2。每年作业350天则可以增产煤气1.366×10°m2，每立方米煤气按0.5元计可增收68.25万元。

(3)节约制造及清洗费用每只碳钢水箱造价3850元，每只5454铝水箱造价3500元，以12年为一个长周期计算，则每年可节约制造费用：(3850×24×3-3500×24)/12=1.61万元;另外碳钢水箱每两年需清洗一次，按清洗一个水箱300元计，则每年可节约清洗费用300×24/2=3600元，两项全计每年可节约1.97万元。

通过以上计算可知此项革新在取得改善洗氨塔作业状况，减少大气污染等的同时亦取得了较好的经济效益，合计每年可增产节约(4.032×10+6.825×10+1.97×10)=74.25万元。

4、结束语

通过两年多的使用实践证明5454铝水箱在洗氨塔内的应用是切实可行的，不仅创造了可观的经济价值，同时还创造了良好的环保效益。