聚酯裝置中熱媒循環系統的設計

李 濤

(中國昆侖工程公司，北京10037)

熱媒(HTM)系統是聚酯裝置的重要組成部分，擔負著聚酯裝置加熱保溫作用。國產化聚酯裝置設計初期，熱媒系統采用的都是液相熱媒循環系統，由于國產屏蔽泵的容量所限，生產能力為600 t/d的五釜聚酯生產線的熱媒循環系統有11套，熱媒循環泵21臺，熱媒管道多而復雜。隨著聚酯裝置中氣相熱媒系統替代液相熱媒系統和一次熱媒直接加熱第一酯化反應器盤管技術的使用，減少了裝置中熱媒循環泵的數量。現在一套600 t/d的五釜聚酯生產線只有4套液相熱媒系統，8臺熱媒循環泵，5套氣相熱媒系統。熱媒循環泵的減少直接降低了運行電耗。作者介紹了某工程公司600 t/d連續聚合聚酯裝置中熱媒循環系統，其熱媒循環泵的減少直接減少了運行電耗，降低了生產成本。

1 熱媒循環系統

目前，聚酯裝置的熱媒循環系統分為液相熱媒循環系統和氣相熱媒循環系統。液相熱媒介質為氫化三聯苯，氣相熱媒介質為聯苯和聯苯醚的混合物。通常把來自和返回熱媒爐的液相熱媒稱為一次熱媒。由熱媒爐、熱媒泵以及熱媒總管和熱媒膨脹槽組成了一次熱媒系統。一次熱媒系統是一個完全的閉合循環回路，熱媒通過熱媒泵從熱媒爐頂部進入爐內盤管，加熱并從爐底輸出進入熱媒總管。熱媒供聚酯裝置的總管溫度控制在330°左右，一次熱媒系統回路上設有熱媒膨脹槽，以補償熱媒在循環回路中由于溫度變化所產生的熱膨脹或收縮，保證一次熱媒系統正常穩定運行，同時熱媒膨脹槽對二次液相熱媒系統用戶的循環管路具有脫氣、脫水作用［1］。

相對于一次熱媒來說，通常將裝置中反應器內盤管等的熱媒稱為二次熱媒。在裝置內有二次熱媒循環泵，由二次熱媒循環泵和其管路組成的系統稱為二次液相熱媒系統。二次熱媒的溫度一般為250～290℃。采用一次熱媒加熱氣相熱媒蒸發器中的氣相熱媒介質，產生的蒸氣為裝置反應器筒體夾套等服務的熱媒稱為氣相熱媒。由氣相熱媒蒸發器和其管路組成的系統稱為氣相熱媒系統，氣相熱媒的溫度一般為275～295℃。

2 二次液相熱媒系統

2.1 工作流程

二次液相熱媒系統是一個封閉帶壓的循環系統，每個二次熱媒泵出口管線上都設計有溫度傳感器，可以設置本系統所需要的二次熱媒的溫度，該系統溫度的調節是通過一次熱媒進入二次熱媒系統的流量變化來控制的。高溫的一次熱媒進入二次熱媒系統，低溫的二次熱媒通過帶鎖止回閥(此止回閥鎖關時可作為截止閥使用)返回到一次熱媒系統中。每個熱媒出口管線上都設計有現場溫度計及節流閥，可以通過調節節流閥的開度適當調整該分支管路的溫度。

典型的二次液相熱媒系統工作流程見圖1。

圖1 二次液相熱媒系統工作流程Fig.1 Typical process of a secondary liquid heating medium system

2.2 設計要點

(1)二次液相熱媒供管及回管的優化設計。為了保證系統能夠正常運行，液相熱媒的供管應布置在所服務設備、夾套管的下方，回管應布置在所服務設備、夾套管的上方［2］。如果管路有不可避免的向下袋形，應設計低排管線。

二次液相熱媒供回管的設計應保證熱媒流過所有用戶的每個熱媒腔，一個熱媒系統多用戶時，采用并聯方式，即供管都接在熱媒泵后二次熱媒供管上，回管都接在熱媒泵前二次熱媒回管上。

當熱媒通過夾套閥或其他在線部件，使其形成單獨的熱媒空間。如在線設備的管口有隔板，隔斷前后熱媒則須為該部件單獨設計熱媒供回管，靠近該部件前后增加熱媒跨接管或以該部件為分隔點，其前后管路分為單獨的線路。

(2)排氣管線的設置。由于在一定的溫度下，一直有少量熱媒慢慢地分解成氣態裂變產物，隨著時間的推移而不斷積累，因此必須對氣態裂變產物進行妥善收集和排放。在每個二次熱媒管系的最高點設置排氣管線，此管線同時承擔著二次熱媒系統的脫氣和本系統排放時的補氣作用。排氣管線起點處必須保持至少30°傾角。

二次熱媒泵可以布置在管線的上方或下方，如果布置在上方時，應考慮泵后管路脫氣。一般在泵后管線向下方的最后一個彎頭附近(最高點)設計排氣管線。

(3)一次熱媒供回管和填充管線的配置。一次熱媒供回管的連接點必須在二次熱媒泵的吸入管線上，一次熱媒供管應靠近泵，且一次熱媒供回管連接點之間的距離不小于2 m。這是為了避免一次熱媒供回管與二次熱媒連接點距離過近而導致一次熱媒供回管之間發生“短路”。

熱媒填充管線用于冷態時對二次熱媒系統進行熱媒填充，在二次熱媒供管或回管上。一般設計在一次熱媒回管的帶鎖止回閥前面。

(4)管道柔性化。由于二次液相熱媒的操作溫度較高，所以整個熱媒管線的布置需充分考慮管道的柔性，應采用自然補償的方式消除管道的熱脹應力。在此基礎上管道還應盡可能的短，以減少管路的熱損失。

3 氣相熱媒系統

3.1 工作流程

從圖2可看出，一次熱媒從氣相熱媒蒸發器底部進入，氣相熱媒經過一次熱媒加熱由液體變為氣體去往反應器或夾套管等設備，換熱后的熱媒凝液排至凝液總管，換熱后的氣相部分經放空總管匯總至氣液分離器。

圖2 氣相熱媒系統工作流程Fig.2 Typical process of a gas heating medium system

從氣液分離器上部出來的氣相熱媒放空至氣相熱媒收集槽，從氣液分離器下部出來的氣相熱媒凝液經凝液總管返回至氣相熱媒蒸發器，由一次熱媒加熱循環使用。

3.2 設計要點

(1)氣相熱媒蒸發器。氣相熱媒凝液必須靠重力從用戶流回到蒸發器，所以蒸發器必須布置在低于用戶的位置上，且用戶凝液出口應高于蒸發器出口1.6 m以上。

(2)氣相熱媒管線。當氣相熱媒管線水平布置時，水平管段應有逆流坡度，每10 m設置一個凝液排放接管;在水平管段向上的垂直拐角處，應設凝液排放接管［2］。但在聚酯裝置中，由于氣相熱媒管線從蒸發器出口至用戶大多小于50 m。按照DN150的蒸氣管道，用復合硅酸鹽保溫，厚度120 mm，蒸氣溫度275℃，保溫外壁溫度按照40℃計算，其熱損失量為99.9 W/m，折合275℃時的氣相熱媒冷凝量為0.37 g/(m·s)，50 m長度的氣相管線總冷凝量為15 g/s，相對于熱媒蒸發器中凝液的質量很小［2］，因此在水平管段和向上的垂直拐角處并不設計凝液排放管線，而是讓凝液直接通過氣相管線回流到蒸發器中。

(3)凝液管線。凝液管道宜從設備的豎直方向接出，當無法從豎直方向接出時，應至少有1 m長度的豎直管段;水平的凝液管段，宜有大于1%的順流坡度;凝液分離器排放的水平管段，宜有大于5%的順流坡度［3］。密封的凝液總管水平布置，溢流管高度為400 mm;凝液總管的管徑至少比接到其上的最大的凝液管線的管徑大一檔;凝液總管與蒸發器頂部的最小垂直距離為0.6 m。

(4)放氣管線。排氣管道向上與垂直線的夾角不小于30°，且宜在排氣管和匯總管間設孔板;排氣匯總管宜有1%的順流坡度［3］。一個凝液分離器最多可連接同一加熱系統的8根排氣管線，若超過8根，需增加一條帶有凝液分離器的放空總管;如果受空間限制，允許把凝液分離器布置在放空總管下方且最大垂直距離不超過3 m。

(5)氣相熱媒管道系統的布置。通常每個管道用戶有一個氣相熱媒供給點、一個凝液排放點和一個放氣點。如果用戶為水平走向的夾套管，則氣相熱媒應從夾套管的側面水平進入;如果夾套管走向為倒“U”型布置，則應在倒“U”型夾套管兩側的最低處分別接凝液排放，兩側的垂直高度下1/3處分別水平接氣相熱媒供管，在最頂部設一個放氣點。另外，如果夾套管管徑大于DN600，氣相熱媒供管應在夾套管接入點的180°對面再設一個水平接入點，保證大管徑夾套管內的氣相熱媒供給充足。當一個密閉空間需要氣相熱媒加熱且只有兩個接口時(液位計、軸封)，高處的管口接氣相熱媒供管，低處的管口接凝液排放。此凝液排放管線要接凝液分離器，對凝液進行氣液分離。

(6)管道柔性化。由于氣相熱媒的操作溫度高，所以整個熱媒管線的布置應充分考慮管道的柔性，應采用自然補償。在此基礎上管道應盡可能的短，以減少管路的熱損失。

4 結論

現在國內大多數聚酯與紡絲裝置都是采用直紡銜接，故聚酯熔體溫度的高低直接影響紡絲裝置的正常生產，聚酯紡絲對于工藝溫度有著嚴格的要求。因此，熱媒加熱系統不僅是聚酯工藝也是紡絲工藝控溫的關鍵，應當從流程、控制、布置等各個方面來完善熱媒循環系統的設計。

［1］ 趙天堂，袁曉虎.聚酯裝置熱媒系統安全控制設計探討［J］.中國科技博覽，2012(6):166.

［2］ GB50492—2009，聚酯工廠設計規范［S］.

［3］ 俱虎良.聚酯裝置中氣相熱媒系統的設計與應用［J］.合成纖維工業，2013，36(3):58－60.