板式预热器在制盐工程中的应用

贾晓华，王宁军，张永松，李春林，贾松坡，王安国

(四川恒成钾盐科技有限公司，四川 达州 635000)

1 现状

我国制盐厂大多采用卤水净化(除Ca2+、Mg2+)和石膏晶种法两种工艺，但不论采用哪种工艺都会在卤水预热器中结垢。预热器长时间运行存在传热效率下降的现象，主要原因是长时间使用的板式换热器换热片结垢严重，影响了传热。文章简析板式换热器结垢原因，并结合实际情况，介绍一种减轻结垢的技术。

2 基本原理

2.1 传热原理

传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在，热必然从高温处传递到低温处,即温度差是传热的推动力。物体的传热过程分为三种基本传热模式，即: 热传导、热对流和热辐射。

在卤水预热过程中，热传递是复杂的。它包括热流体(高温冷凝水/蒸汽)热能以对流方式传递给换热片外壁的边界滞流层(水层)，再通过传导方式传递给换热片外壁，换热片外壁经传导方式传至换热片内壁；换热片内壁经传导方式通过垢层传至料液滞流边界层外侧(卤水层)，最后以对流给热方式将热能传给冷流体(卤水)。总之，卤水在板式预热器的热交换过程包括热对流与热传导两个过程。

2.2 换热片的边界滞流层

“边界层”是指贴近板壁附近的一部分流动区域。在此区域中，由于换热片表面的摩擦阻力作用，流体沿换热片面的切向速度由换热片的0%逐渐增加，流体中心最快。由于此薄层的厚度很小，速度急剧变化，速度梯度很大，流体的黏性(阻力)效应主要体现在这一区域。为减少边界滞流层对传热带来的影响，应当增大流动雷诺数Re=dup/r,增大流速，减小过流通道可增大雷诺准数，使流体流型从层流变为湍流，有助于打破边界层带来的传热阻力。

3 板式换热器的结构

板式换热器大多是具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种换热器。各板片之间形成通道，通过板片进行热量交换。它具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、应用广泛、使用寿命长等特点。在相同压力损失情况下，其传热系数比管式换热器高3倍～5倍，占地面积为管式换热器的1/3。

3.1 外型结构

板式换热器的主要部件有：固定端板、活动端板、拉杆螺栓、板片组、上下导柱及支架。板片组包括的板片多少根据传热面积大小而增减，板片组在两端板间用拉杆螺栓夹紧，板片组合时借导柱保持位置的对正。冷热物料的进出口管可设在端板同侧或异侧。板式换热器外形结构示意图见图1。

图1 板式换热器外形结构示意图Fig.1 Outline structure diagram of plate heat exchanger

3.2 板片与密封垫

板片由约1 mm金属薄板压制而成，四角有过液孔，周围设密封垫槽，板片面上压成花纹增加流体扰动，密封材料有丁腈橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶以及石棉橡胶纸箔板等，根据工况不同选用。板片与密封填垫示意见图2。

图2 板片与密封填垫示意图Fig.2 Schematic diagram of plate and gasket

3.3 板片流道

板片上①②③④为过流孔，过流孔与板面间有布液槽联系。密封垫可将板片流道组合成单边流与对角流两种型式。每两片组成一对，分为并流和逆流。示意图见图3。

图3 板面流道示意图Fig.3 Schematic diagram of plate runner

3.4 板片组的流程组合(图4)

图4 板片组流程组合示意图Fig.4 Schematic diagram of plate group process combination

板片组可组合成单程，也可为多程。每程中为多流道。流道数Z与每板片的传热面积F的乘积为该程传热面程。

3.5 板片组的传热特性和流阻特性

板式预热器的传热特性曲线、流阻特性曲线见图5、图6。

图5 板式预热器的传热特性曲线Fig.5 Heat transfer characteristic curve of plate preheater

图6 板式预热器的流阻特性曲线Fig.6 Flow resistance characteristic curve of plate preheater

由图5、图6可知，预热器传热特性在流速0 m/s～0.4 m/s时，传热系数随流速增加增长快，以后逐渐趋缓。而流体阻力在0 m/s～0.8 m/s范围增长较缓。综合板式换热器传热特性曲线和管路阻力曲线，板式预热器宜在0.4 m/s～0.8 m/s的流体流速工况下运行。

4 板式换热器结垢探讨

4.1 影响换热器结垢的因素

(2)温度。温度对板式换热器结垢的影响主要是由于卤水中含有逆溶解度的盐类(如CaSO4等)，当卤水在换热器中升温时，逆溶解度盐类溶解度随温度升高而减小，首先在边界滞流层中析出附着在换热面上，随着运行时间越长，沉淀会越来越厚，导致板式换热器换热能力下降，因此预热流程中温度最高的地方就是结垢最严重的地方。

(3)结构及材质。板式换热器换热片的选材要考虑具有足够的机械性能、耐腐蚀性能和加工性能，如不锈钢和钛材等。

在适宜的沉淀条件下，某些盐类首先在金属表面上个别部分区域沉积出原始的结晶坯，并且以此为核心逐渐合并增长。这些盐类之所以易于沉积在金属表面，是因为金属表面在微观上具有一定的粗糙度，微观上凹凸不平的地方成为饱和溶液中固体结晶核心。

(4)流速。板式换热器中，流体流速影响污垢的沉积。流速过小，易使污垢沉积在管壁上；流速大，流体冲刷使颗粒杂质不易沉积，可减少污垢沉淀。因此，提高换热器管内流体流速，可减弱结垢层的形成和剥离垢层，使设备流到管壁的污垢显著减少。

当流体雷诺准数大于4 000(流体处于湍流状态)时，流体将产生强烈的弥散涡流，对管壁有很强的冲刷效应；当流体处于湍流时，将有效减小边界滞流层带来的影响，有利于传热。

(5)静止结垢。在制盐工程中卤水预热流程停止进料(此时流体处于静止状态),而换热器中充满卤水时，卤水中的颗料污垢悬浮于流体，并在重力作用下积聚于换热表面，随着时间增长，垢层吸附作用慢慢增强，从而形成垢层。

4.2 防垢方法

目前，工业上一般的防垢方法可分为化学法和物理法。

4.2.1 阻垢剂

在盐硝联产装置中应用较多，好的阻垢剂对于预防碳酸盐等垢质的形成效果较佳，但由于成本较高，企业一般选用不多。

4.2.2 磁场防垢

其防垢机理是当卤水通过一定强度的磁场后，其中所含杂质的物理结构发生变化，水的偶极分子发生定向极化，造成氢键的歪曲和局部的折裂，原来缔合成链状的大分子，断裂成单个小分子，晶格细化，且从原来的针状结晶变为粒状结晶，并被单个水分子包围，相互粘附与聚集特性受到破坏，形成松软的淤泥状物并随水流冲走，最适宜热交换器的防垢。磁场防垢装置除了一次性投资外，运行成本很低，而国内有的厂家开发的钐钴体流体处理设备，选用稀土永磁材料，磁性能优异，除垢效果大大改善。

4.2.3 一种新型板式换热器防结垢技术

(1)某盐厂为例。

矿山采制的卤水，经过净化除Ca2+、Mg2+后，进入精卤桶(Ca2+、Mg2+浓度≤100 mg/L)。然后由泵打入一、二级板式预热器，并在板式预热器中与高温冷凝水换热。

具体工况见表1(由于工艺排母液原因卤水多于高温冷凝水)。

表1 板式预热器工况表Tab.1 Working condition table of plate preheater

(2)技术革新。

①板式换热器出口增加回卤管道。精卤桶、精卤泵在0 m层，板式换热器在7 m层，蒸发平均液位为18 m，故板式换热器出口(即下循环管卤水进口)到蒸发液位高度为11 m。

按流体静液柱高度公式P=ρ×g×h计算：

压强P=1.3×9.8×11=0.14 MPa

即只要板式预热器出口管压力大于0.14 MPa ，便可在工况下保证正常进卤。

而在板式预热器出口与蒸发罐进口之间，设置了一根带卸压阀的回卤管道(回0 m层精卤桶)。因生产波动进卤管道关闭、精卤泵又在向循环管进料时，会使一、二级板式预热器内的卤水流道压力升高，并且卤水流道的流体处于相对静止；这时因流道温度升高会加速垢层的形成。设置回卤管的目的在于：(a)及时卸压，减少温度对钙盐、镁盐颗粒晶体析出的影响；(b)当循环管进卤阀关闭时，使板式预热器卤水管道中流体始终处于流动状态，减少静止沉积对垢层形成的影响。

经过现场调试和多次试验，设置回卤管道压力阀临界值为0.25 MPa时，回卤阀自动打开，能有效地延缓垢层的形成，延缓了板式换热器运行时间。

②板式换热器卤水、冷凝水流道切换。

在传统卤水预热工艺基础上，增添了卤水、冷凝水流道切换。

卤水流道和冷凝水的及时切换的好处有：对流道进行冷凝水冲刷，带走了流道中析出固体和来不及附着在板壁的垢层；刚形成的垢层呈疏松状态，冷凝水可对其进行溶解和冲刷。

根据现场实验和调试总结，通过阀门组的控制，每4 h～6 h对板式预热器卤水流道和冷凝水流道进行切换，可有效避免垢层在板式换热器中形成，延长了板式换热器的使用时间。

综上所述，此种工况条件下，在一个生产周期内(30 d)，工艺运行情况换热效果良好，说明技术革新有效，延长了板式换热器在制盐工程中的使用周期。