大型板殼式熱交換器在乙二醇裝置中的應(yīng)用

鐘建華 武海峰 張向南 姚立影 魏筱婷

（1.中國石油烏魯木齊石化公司；2.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司）

乙二醇在國民經(jīng)濟(jì)中有著極其重要的地位，廣泛用于生產(chǎn)聚酯纖維、 薄膜及容器瓶等聚酯類系列產(chǎn)品，還可用于生產(chǎn)除冰劑、表面涂料、表面活性劑、不飽和聚酯樹脂，并且是合成乙二醇醚、乙二醛及乙二酸等化工產(chǎn)品的原料。 雖然乙二醇產(chǎn)品用途極為廣泛， 但國內(nèi)乙二醇的產(chǎn)量一直無法滿足國內(nèi)市場的強(qiáng)勁需求， 乙二醇的自給率不足60%，有相當(dāng)一部分需要進(jìn)口，容易受到國際市場供求關(guān)系的影響［1，2］。 隨著國家“十三五”規(guī)劃的實施， 發(fā)展和技術(shù)改造乙二醇工藝裝置對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義， 在我國環(huán)保要求日益嚴(yán)格的大趨勢下， 新上或改造的乙二醇工藝裝置必須優(yōu)化資源配置，降低裝置能耗。作為工藝過程中提供裝置所需熱能的關(guān)鍵設(shè)備， 進(jìn)出物料熱交換器流量大、 熱負(fù)荷大， 其換熱效果對降低裝置能耗、節(jié)約投資和減少操作費用具有重要作用。

國內(nèi)某能源化工公司近期擬新上年產(chǎn)40 萬噸乙二醇項目， 針對其進(jìn)出物料熱交換器工位，筆者就采用大型板殼式熱交換器和普通列管式熱交換器兩個方案進(jìn)行綜合對比分析，指出大型板殼式熱交換器在乙二醇裝置中的優(yōu)越性。

1 大型板殼式熱交換器

大型板殼式熱交換器是目前國際上先進(jìn)的高效、節(jié)能型換熱設(shè)備。 大型板殼式熱交換器采用方形波紋板片作為傳熱元件，板片間采用先進(jìn)的專用程控自動焊機(jī)進(jìn)行焊接，全焊接式板束裝在壓力殼內(nèi)， 不僅具有板式熱交換器傳熱面積大、傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的優(yōu)點，而且還具有列管式熱交換器耐高壓、耐高溫、密封性能良好和安全可靠的優(yōu)點。 大型板殼式熱交換器可實現(xiàn)真正的“純逆流”換熱，與列管式熱交換器相比，冷端與熱端溫差小，可以多回收熱量，從而大幅節(jié)約裝置的操作費用，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于煉油、化工及核電等領(lǐng)域［3，4］。

2 傳熱機(jī)理

大型板殼式熱交換器的傳熱核心為波紋板片，波紋板片具有“自分配”和“靜攪拌”作用。 以斜波紋為例， 斜波紋板片流體流線圖如圖1 所示，根據(jù)流體模擬分析結(jié)果，流體在波紋板片表面流動時會在波紋觸點處形成微小旋渦，旋渦可以使流體對壁面換熱的參與度大幅增加，使得流體在很低的雷諾數(shù)下形成湍流， 且污垢系數(shù)低，傳熱效率是列管式熱交換器的2～3 倍［5］。 在存在氣、液兩相（兩相流）的應(yīng)用場合當(dāng)中，波紋流道內(nèi)部的“靜攪拌”作用，克服了列管式熱交換器由于介質(zhì)折流“翻轉(zhuǎn)”造成的氣、液兩相分離，“靜攪拌”作用還大幅降低了結(jié)垢，從而使設(shè)備的維護(hù)和清掃非常方便［6］。

圖1 斜波紋板片流體流線圖

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)

大型板殼式熱交換器的設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 將厚度為0.8～1.2mm 的不銹鋼薄板壓制成型后形成波紋板片，兩張波紋板片對扣焊接形成板管，多張板管疊摞焊接形成全焊接方形板束。 板束整體安裝在圓形殼體中，管板起到支撐板束和防止殼程流體短路的作用。 在板束的上下兩端設(shè)置膨脹節(jié)，有效解決板束熱膨脹問題。 板束為整體可抽芯結(jié)構(gòu)，可對板束進(jìn)行維修或更換。 另外，由于方形波紋板片可以由壓機(jī)分次連續(xù)壓制成型，單板面積不受壓機(jī)限制，易于大型化，目前單臺設(shè)備的最大換熱面積達(dá)到13 000m2。 介質(zhì)流為冷流體由設(shè)備底部進(jìn)入板束板程，由設(shè)備頂部流出；熱流體由設(shè)備上殼體側(cè)向開口進(jìn)入板束殼程，由設(shè)備下殼體側(cè)向開口流出，冷熱流體在板束中實現(xiàn)純逆流換熱［7］。

圖2 大型板殼式熱交換器結(jié)構(gòu)示意圖

4 工藝設(shè)計

以國內(nèi)某能源化工公司擬新上年產(chǎn)40 萬噸乙二醇項目為例， 針對其進(jìn)出物料熱交換器工位，筆者采用大型板殼式熱交換器方案進(jìn)行工藝設(shè)計，然后與普通列管式熱交換器方案進(jìn)行對比并做技術(shù)說明。

4.1 設(shè)計參數(shù)

乙二醇裝置進(jìn)出物料熱交換器設(shè)計參數(shù)見表1，其允許阻力降（冷熱側(cè)合計阻力降）不大于30kPa，冷側(cè)-熱側(cè)設(shè)計壓差不大于1.0MPa，面積余量要求不小于50%。

表1 進(jìn)出物料熱交換器設(shè)計參數(shù)

4.2 設(shè)備選材

乙二醇俗稱甘醇，對鐵離子較為敏感，當(dāng)遇到含鐵雜質(zhì)時會變成黃色或棕色；另外在乙二醇生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的甲酸甲酯、草酸二甲酯等中間工藝流體對鐵離子含量也有嚴(yán)格要求，而且顯弱酸性。 因此在乙二醇生產(chǎn)過程中，對于熱交換器等設(shè)備要求與工藝介質(zhì)接觸的部分應(yīng)使用不銹鋼材料［8］。

本項目中兼顧介質(zhì)特性、溫度特性和設(shè)備經(jīng)濟(jì)性， 熱交換器的傳熱元件選用不銹鋼S30403，殼體選用Q345R+S30403。

4.3 設(shè)備選型

4.3.1 板殼方案

板形選擇：鑒于常規(guī)人字形波紋板片的流道阻力較大，同時為了避免熱側(cè)流體中催化劑粉末顆粒堵塞流道，本項目波紋板片需選用寬流道板形［9］，如圖3 所示，流體通道寬度設(shè)置為8mm，冷、熱側(cè)波紋深度均為4mm，板片厚度為1.0mm。本項目中冷熱流體溫度交叉嚴(yán)重，為了提高傳熱溫差，冷熱流體需采用純逆流的流動方式，因此綜合考慮， 設(shè)備選用寬流道純逆流波紋板片［10］。板片疊摞形成如圖4 所示的板束結(jié)構(gòu)。

圖3 板形實物圖

圖4 板束結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)備型號為LBQ2100-3.3/3.3-1000-5/1.2-1。殼體內(nèi)徑2 100mm，板程設(shè)計壓力3.3MPa，殼程設(shè)計壓力3.3MPa，換熱面積1 000m2，波紋板片規(guī)格（長×寬）5m×1.2m，板程數(shù)和殼程數(shù)均為1。 設(shè)備立式布置，凈重約47t。

4.3.2 光管方案

若采用U 形管形式，兩管程，傳熱溫差降低，面積較大，不適用于溫度交叉場合，不建議選用U形管結(jié)構(gòu)；若采用固定管板式熱交換器，操作溫度較高，需要在殼體上增加膨脹節(jié)，而殼體的設(shè)計壓力達(dá)到3.3MPa，該壓力工況下膨脹節(jié)的設(shè)計和制造難度較大，不建議選用固定管板結(jié)構(gòu)［11］。 綜合考慮光管方案只能選用浮頭式結(jié)構(gòu)方案，經(jīng)工藝核算，設(shè)備型號BES2300-3.3/3.3-3835-12/19-1Ⅰ， 殼體內(nèi)徑2 300mm， 管程設(shè)計壓力3.3MPa， 殼 程 設(shè) 計 壓 力 3.3MPa， 換 熱 面 積3 835m2，換熱管規(guī)格（外徑×壁厚）φ19mm×2mm，換熱管長12m，管程數(shù)和殼程數(shù)均為1，Ⅰ級管束［12］。 設(shè)備立式布置，凈重約127t。

5 對比說明

針對上述項目中進(jìn)出物料熱交換器工位，采用大型板殼式熱交換器和普通列管式熱交換器兩種方案，設(shè)計參數(shù)對比見表2。

表2 兩種設(shè)備方案設(shè)計參數(shù)對比

兩種設(shè)備方案中， 板殼式與列管式對比如下：

a. 殼體直徑減少了9%， 換熱面積減少了74%，說明板殼式方案較列管式方案體積小，結(jié)構(gòu)緊湊；

b. 傳熱溫差提高了9%， 這是由于列管式方案的殼程流體存在折流，板殼式方案的兩側(cè)流體是完全純逆流；

c. 熱側(cè)平均流速減少了46%，冷側(cè)平均流速相當(dāng)，總傳熱系數(shù)提高了268%，說明波紋板片較光管的強(qiáng)化傳熱效果顯著；

d. 計算阻力降提高了44%，這是由于波紋觸點增加了阻力系數(shù)，阻力增加，不過仍在允許阻力降范圍內(nèi)；

e. 設(shè)備重量減少了63%，板殼式方案重量輕，間接降低了基礎(chǔ)框架投資費用和設(shè)備安裝費用；

f. 設(shè)備造價減少了43%，板殼式方案降低了設(shè)備一次性投資。

由表2 可知，板殼式方案在上述進(jìn)出物料熱交換器工位中具有傳熱效率高、 布置空間小、重量輕的優(yōu)點， 可以節(jié)省一次性投資和間接費用，尤其是在傳熱元件材料為不銹鋼的場合下，板殼式方案具有更高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)束語

目前，大型板殼式熱交換器憑借其傳熱面積大、傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕的優(yōu)點已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于煉油、化工等領(lǐng)域，通過筆者的對比，說明在乙二醇生產(chǎn)裝置中，進(jìn)出物料熱交換器工位采用大型板殼式熱交換器可以降低設(shè)備投資，經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。 后續(xù)隨著裝置大型化發(fā)展趨勢，大型板殼式熱交換器在乙二醇裝置中將具有廣闊的應(yīng)用前景。