新型列管式換熱器在氯乙烯精餾系統中的應用

王各義，孫旺盛，樊麗萍，林亞偉

（天辰化工有限公司，新疆 石河子832000）

天辰化工有限公司于2007年11月投產一期20萬t/a PVC，次年完成二期籌建，建設完成后擁有年產40萬t PVC產能。裝置連續化生產，其配套氯乙烯精餾裝置中的換熱器隨著使用年限增長，列管泄漏頻繁發生，維修成本逐年增加，嚴重制約著企業的安全穩定運行。

1 換熱器的使用情況

氯乙烯車間精餾系統所使用的換熱器種類較多，包括蒸發式換熱器、全凝器、氯乙烯低、高沸塔塔頂分凝器、成品換熱器、尾氣換熱器、氯乙烯低、高進料換熱器等。除蒸發式換熱器外均為列管式換熱器，只是冷卻介質上存在差異。氯乙烯精餾系統大部分換熱器均使用7℃水進行氯乙烯的冷卻降溫，換熱器在氯乙烯精餾系統中至關重要。氯乙烯精餾系統換熱器的殼程為7℃水（冬季為廠內集中供應的循環水），7℃水經循環水泵加壓后送往精餾系統，由設備位置較低處的管口進入冷卻器內，在設備內折流管板的作用下折流來增加湍流，減少死區，加長流程提高換熱器的換熱效果。7℃水由位置較高的回水管口回流至冷卻水池，實現冷卻水相低進高出和氯乙烯單體由高向低的逆向換熱，提高換熱效率，氯乙烯換熱器殼程操作壓力約為0.3 MPa，操作溫度為5～10℃，管程為壓縮后的氯乙烯氣體或氯乙烯蒸餾塔塔頂蒸出的氯乙烯氣體，管程操作壓力為0.22～0.50 MPa，操作溫度為15～35℃。

氯乙烯裝置自2007年底投用至今，每隔兩三年換熱器就會出現列管換熱效果差的現象，需要對換熱器進行清洗、維修、打壓試漏等維修步驟，有的在投用幾個月后泄漏，對系統正常穩定生產造成很大影響。換熱器維修時，打開換熱器循環冷卻水進出口短管，可以看到設備列管外壁結上有大量的淤泥、水垢等淡黃色物質，經化驗檢測附著在換熱器列管表面淡黃色物質為氧化鐵和鈣類物質等。冷卻水流經列管壁時，列管內的氯乙烯氣體就通過列管傳熱將管內的氯乙烯氣體冷卻到30℃以下變成氯乙烯液態單體（簡稱VCM），達到冷凝液化的目的。7℃冷卻水從換熱器進水管進入設備后分流到列管間流動，使得流速降低，同時由于7℃循環水泵離氯乙烯精餾系統較遠，管道阻力較大，換熱器安裝位置較高并且處于末端，因此水垢容易富集在列管間，列管外壁雜質沉積，降低換熱系數，影響換熱器的換熱效果。部分換熱器列管之間的空隙已經被淤泥、水垢和氧化鐵等物質填滿，導致換熱器內冷卻水短路或沿設備筒體壁流到回水管，造成氯乙烯精餾系統的列管式換熱器在運行過程中換熱效果逐漸變差。出現氯乙烯壓縮機出口溫度高、精餾系統壓力高、精餾尾氣冷凝器負荷大等問題，一般使用半年以后，換熱效果明顯下降。

2 換熱效果差的解決方法

在正常生產負荷下，解決換熱器換熱效果差的方法就是對換熱器進行沖洗或反沖洗，以排除沉積在換熱器列管間的雜質，甚至將換熱器與系統斷開，使用專業設備和藥劑對換熱器循環沖洗。在藥劑循環清洗過程中剝離殼程列管之間的部分雜質。換熱器使用兩三年后，單純的藥劑循環清洗達不到效果，而且還會造成換熱器大面積泄漏，維修困難，實際換熱效果不理想，需要對換熱設備進行批次替換。

2.1 換熱器介質

氯乙烯精餾系統中所有的換熱器自上線運行到下線維修、報廢等過程中，在換熱器列管中通氯乙烯氣體的一側，均未發現自聚堵塞現象。

氯乙烯為無色，有麻醉性的芳香氣體，常溫常壓下比空氣重一倍并微溶于水。分子式為C2H3Cl，分子量為62.5，沸點－13.9℃，熔點－159.7℃，臨界溫度為142℃，臨界壓力為5.22 MPa，稍加壓到0.5 MPa以上時，就可以用工業水冷卻得到比水略輕的液態氯乙烯。

換熱器列管間因管間距較小，且結構緊湊，水在列管間折返流動，流速不均、流速較慢的地方易造成雜質堆積，拐角的地方特別明顯。

2.2 換熱器材質

目前聚氯乙烯行業精餾系統使用的換熱器有碳鋼和不銹鋼2種材質。碳鋼材質具有價格低廉、換熱系數高、制造工藝成熟等優點，但是碳鋼材質換熱器長時間使用后會銹蝕，雜質沉積堵塞管路、滋生細菌加速換熱器列管腐蝕等問題，影響系統的換熱效果。由于管材的長時間腐蝕，管材有效壁厚變薄會引起設備的安全問題。不銹鋼材質具有優越的機械加工性能和耐空氣、蒸汽和水等弱腐蝕介質的腐蝕能力。但是不銹鋼的導熱系數要比碳鋼的低15%～20%，材料成本和加工成本遠高于碳鋼材質，不銹鋼也會在氯離子環境中發生應力腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕等。

2.3 換熱器換型

根據氯乙烯的理化性質，氯乙烯在低溫、脫水后不會造成與設備接觸面銹蝕，也不會因流速降低等原因而自聚阻塞。不銹鋼材質的換熱器成本太高，而且冷卻水中的雜質也會造成不銹鋼設備列管結垢堵塞。通過技術交流和考察，確定采用新型列管式換熱器，根據精餾系統使用的換熱器結構，對設備進行換型，將原來的氯乙烯氣體由換熱器上封頭一端進入，從換熱器下封頭排出，7℃冷卻水從殼程下端進入，上端流出的傳統方式，改為氯乙烯氣體從換熱器殼程上端進入，下端排出，7℃冷卻水從換熱器下封頭進入，上封頭流出。同時將設備內部的折流管板重新設計，以達到氣液分離和降低阻力的目的，最終實現換熱器的高效利用。普通列管式換熱器和新型列管式換熱器分別見圖1和圖2。

圖1 普通列管式換熱器

圖2 新型列管式換熱器

3 新型列管式換熱器的使用情況

新型列管式換熱器投用以來，查看換熱器在同等工況下運行6個月的情況，換熱效果也略有下降，但并不明顯。將新型列管換熱器拆開檢查，發現換熱器列管內表面并沒有附著大量泥沙、水垢、氧化鐵等物質，因此換熱器換熱系數變化不大，換熱效果較好。通過分析，由于換熱器的7℃冷卻水是走列管內，直上直下流動，阻力相對較小，流速較高，換熱器列管表面泥沙、水垢無法在列管間大量沉積，只有少量掛壁現象，換熱器列管冷卻水流通性整體情況優于改型前。新型列管式換熱器使用1年后，將換熱器拆開進行維修，發現掛壁雜質。經過高壓清洗后有金屬光澤，同時未發現明顯腐蝕痕跡，說明垢下腐蝕速率比以前有所降低。目前還沒有發生新型列管式換熱器泄漏現象，相比普通換熱器使用壽命可延長至少1倍。

3.1 新型列管式換熱器使用對比

通過換熱器的使用數據可以看出新型列管式換熱器使用后所需要的冷卻水用量也較以前有所減少，換熱效率有所提高。新老設備使用水量及下料溫度分別見表1和表2。

表1 普通換熱器使用數據

表2 新型換熱器使用數據

3.2 預防新型換熱器換熱效果差采取的措施

（1）在冷卻水中添加阻垢緩蝕劑、殺菌滅藻劑，并定期進行清洗，去除污垢，降低冷卻水的總硬度。（2）如果短時間內停止使用某臺換熱器，將該換熱器進、回水管道閥門關閉，如果閥門內漏在換熱器與閥門連接法蘭處加裝盲板，并用氮氣吹掃。（3）在換熱器投用時，打開換熱器的頂部排氣閥進行排氣，并在運行過程中不定期進行排氣檢查。（4）在換熱器投入系統運行后定期檢查冷卻水水量、水壓是否正常，發現不足及時聯系調度進行調整。（5）7℃水在夏季高溫時間，長周期運行后，可能存在冷卻效果差、降溫難度大等問題，及時聯系調度或公用工程工段進行調整。

3.3 新型列管式換熱器使用效益

使用新型列管式換熱器可以使設備使用壽命延長1倍以上，每年都會減少換熱器檢維修、更換等費用。換型前每年夏季都要對換熱效果差的換熱器進行清洗、檢維修，每次維修費用約為1萬元/臺、共計12臺換熱器，換型后減少檢維修每年可以節約換熱器檢維修費用約12萬元；產生的節能費用、減少腐蝕穿孔引起的停工費用等每年可節約10萬元。換型前后換熱器所使用的材質均為碳鋼，成本基本一致。新型換熱器使用年限長，將減少一半以上的換熱器維修、更換費用，同時換熱效率維持在較高的水平。

4 結語

新型列管式換熱器在運行中提高了換熱器的換熱效果，減少了水垢和污垢在換熱器列管間的沉積，避免了結垢造成的換熱效率下降等安全風險，降低了換熱器維修和更換費用，延長了設備使用壽命，降低了能耗。將換熱器封頭、列管以及折流板等重新設計，攻克了冷卻水中泥沙和水垢沉積堵塞換熱器列管影響換熱效率的難題，實現了換熱器在連續生產過程中進行排泥排沙的操作。