折流桿換熱器在煤制乙二醇裝置中的應用

張彥民

(河南龍宇煤化工有限公司, 河南永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司(簡稱龍宇煤化工)富余合成氣制20萬t/a乙二醇裝置，由中國石油集團東北煉化工程有限公司遼陽分公司和中國五環工程有限公司共同承擔設計。該裝置采用國內自主研發的工藝和催化劑技術，通過工業合成氣高壓羰化生產草酸二甲酯并加氫制乙二醇工藝技術路線，于2020年10月投料試車，一次打通裝置全流程，產出聚酯級乙二醇，并達到100%負荷運行。在換熱設備選型過程中，羰化反應產物換熱器為2臺并聯，采用了折流桿換熱器[1]，使用效果良好。

1 換熱器概述

換熱器種類眾多，其中管殼式換熱器廣泛用于石油、化工、電力、冶金、建材、制冷等行業[2]。管殼式換熱器的最大優點是適應性強且可靠、制造簡單、生產成本低、選材范圍大、清洗方便。

管殼式換熱器殼程內設置的折流結構不僅對換熱器管束進行支撐和固定，而且對殼程側流體進行擾動，以提高換熱器的換熱效率。傳統管殼式換熱器折流結構一般采用折流板，流體在殼程中流動時橫向穿過管束，對管束造成沖擊并產生振動。在大流量、高流速情況下，換熱管和折流板之間相互碰撞、摩擦，導致換熱管泄漏現象時有發生。

為了解決橫向流動對管束造成振動等問題，折流桿換熱器應運而生。折流桿換熱器于1970年由美國菲利普斯石油公司提出。折流結構(見圖1)不再采用折流板，而是以折流桿組成的折流圈代替，對管束起到支撐和固定作用。由于無折流板，殼程的流動狀態由橫向變成縱向，從而降低了流體對管束的橫向沖刷作用[3]。另外，折流桿換熱器還具有流動阻力低、無流動死區的優點，從根本上解決了折流板換熱器因存在流動死區引起局部換熱系數低、沉積物多的缺陷。

圖1 折流桿換熱器結構圖

2 存在的問題

龍宇煤化工乙二醇裝置中羰化反應產物換熱器是關鍵設備之一，該換熱器的形式是固定管板式，其作用是冷卻降溫羰化反應器的出口物料。反應器出口物料走管程，溫度從120 ℃降為55 ℃左右后進入分離罐，將分離出氣相夾帶的草酸二甲酯送入草酸酯精餾系統。55 ℃的熱水走換熱器殼程，熱水經過換熱后進入熱水槽，然后通過熱水循環泵加壓后循環利用，循環熱水設計體積流量為1 260 m3/h。由于該換熱器管程側壓力高于殼程側壓力，一旦換熱管泄漏，工藝介質會進入循環熱水系統。合成系統工藝介質內有一氧化氮和亞硝酸甲酯(MN)等物質，進入循環熱水系統后，會造成熱水pH值降低。在乙二醇裝置實際生產過程中，熱水槽排氣口出現氮氧化物，監測循環熱水pH值發現其明顯降低，判斷該換熱器換熱管有泄漏現象。裝置停車后，檢查該換熱器，發現有18根換熱管泄漏。

分析泄漏原因如下：

(1) 換熱器物料進口處溫差較大，導致熱應力大。換熱器入口管板處的溫差達65 K以上，換熱器工況惡劣。

(2) 循環熱水系統流量大，對換熱管束的橫向沖刷導致管束振動大。同時，強化換熱增大了殼程熱水的流速，橫向流誘發換熱管振動，造成換熱器疲勞損壞。

3 改造措施及運行情況

3.1 折流桿換熱器

在龍宇煤化工新建乙二醇項目中使用同樣的工藝包，在設計階段設備選型過程中，考慮到一期設備存在的問題，對換熱器進行了優化。設備由原先折流板換熱器改為折流桿換熱器。同時，取消了該換熱器的熱水換熱，將其改為反應器進口物料和出口物料氣氣換熱，用反應器出口熱物料加熱進口物料，將入口工藝氣溫度從32 ℃提升至80 ℃，從而達到節約后續工藝預熱蒸汽的目的。換熱器具體設計數據見表1。

表1 換熱器設計參數

3.2 換熱管和管板連接方式

由于殼程流體流量大，換熱管和管板之間的連接采用強度焊加貼脹的方式(見圖2)。

圖2 管板與換熱管連接方式

3.3 換熱管束布管方式

換熱管束布管方式主要有三角形和正方形兩種。在相同的殼體直徑下，三角形布管可以得到更大的換熱面積，但根據折流桿換熱器的結構特點，三角形布管加工制造難度大[4]。如采用正方形布管方式，換熱管數量雖少，在流體較高的流速下，其換熱效率也能滿足生產需要。另外換熱器殼程所走的介質為含草酸二甲酯的氣相流，草酸二甲酯在溫度低于54 ℃時會結晶，為了在工況異常時便于草酸二甲酯結晶處理，換熱管束布管采用正方形排列(見圖3)。

圖3 換熱管束布管圖

3.4 折流桿

折流桿換熱器中，管束主要的支撐結構是折流桿，折流桿的直徑等于管間距。本設備中采用φ6 mm不銹鋼桿作為折流桿。折流桿和換熱管的接觸為線接觸,可以有效抑制管束振動的同時減輕磨損[5-6]。

4 運行情況

該換熱器投入使用后，運行狀態良好，在傳熱性能上有所提高，各項技術參數都能達到設計值，解決了換熱管的泄漏問題。換熱器的壓降由原來的15 kPa下降到10 kPa，總傳熱系數有所提高，因此具有更高的綜合傳熱特性比。另外，由于系統阻力降低，增加了整個合成系統的循環量，提高了MN的轉化率，降低了合成系統中MN的含量。MN含量過高容易在反應器內分解，造成反應器飛溫，因此MN含量的降低有助于提高合成系統的安全性。具體對比見表2。

表2 新老裝置部分相關數據對比

5 結語

對比傳統折流板換熱器，折流桿換熱器有很多優點，殼程流體沿軸向縱向流動，有效防止了橫向流引起的管束振動問題，提高了換熱器的使用安全。殼程內不存在流動死區，強化了殼側換熱，具有較高的傳熱效率，降低了系統阻力，利于系統的經濟運行。

改進后的折流桿換熱器自投入使用以來，運行狀態和使用效果良好，在大流量、高流速的系統中值得推廣應用。