甲醇裝置中的水冷器改進設(shè)計

王 玉 李懷建 錢 江 黃偉昌

（1.沈陽儀表科學研究院有限公司 2.七臺河寶泰隆煤化工股份有限公司)

某企業(yè)利用煉焦產(chǎn)生的副產(chǎn)品焦爐煤氣制甲醇。首先焦爐氣進行增壓脫硫，然后再經(jīng)加氫轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的氣體成分滿足甲醇合成氣的基本成分要求[1]。轉(zhuǎn)化后的氣體，經(jīng)合成氣壓縮機加壓至6.0 MPa，進入甲醇合成裝置。

在甲醇合成裝置中，須用循環(huán)水將反應氣 （各組分體積百分數(shù)分別為H277.52%、CO5.64%、CO23.07%、CH41.95%、N25.91%、H2O1.17%、CH3OH 4.73%）降溫，由約100℃降至小于等于40℃，得到粗甲醇液。然后，粗甲醇液再進入甲醇分離器分離出甲醇，剩余氣體送至合成段循環(huán)使用。在合成裝置中，除甲醇合成塔、甲醇分離器外，水冷器也是甲醇合成的主要設(shè)備。

合成裝置內(nèi)原水冷器為U形管式，但在使用和維護過程中，暴露出一些問題。于是，企業(yè)建議采用固定管板式水冷器，并根據(jù)負荷要求將原換熱面積再增加20%。

1 原水冷器的設(shè)計結(jié)構(gòu)

原水冷器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其運行參數(shù)如表1所示。

原水冷器具有如下一些主要特點：

（1）原水冷器結(jié)構(gòu)為雙殼程U形管式，最大尾端無支撐跨距1497 mm，接近國標GB 151—1999[2]規(guī)定的極限值1500 mm，極易發(fā)生振動損壞。如果對U形管段采用輔助支撐，會使制造成本和制造難度大為增加。

（2）管束清洗時，管束的抽插過程容易使殼程縱向密封墊片損壞，導致殼程流體短路，這樣換熱情況會迅速惡化。

（3）管板為堆焊結(jié)構(gòu)，有對接凸肩，制造復雜。對接凸肩與短節(jié)的焊接接頭需進行無損檢測。

（4）管箱球形封頭為非標尺寸，須定制。

（5）換熱管很長，最長一組達14246 mm，因此制造、運輸、彎管都不容易。

圖1 U形管式水冷器

表1 水冷器設(shè)計條件

（6）在抽插管束前后，需要拆裝48組M24緊固件，十分費時、費力。如果要更換殼程墊片，就必須將管束與殼體徹底分離，套進墊片，這樣就更加麻煩。

（7）U形管彎曲段處于流動死區(qū)，不參與換熱，增加了無用成本。

2 改進后水冷器的設(shè)計結(jié)構(gòu)

改進后水冷器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。除換熱面積增加至1190 m2外 （用戶要求增加20%），改進后水冷器的運行參數(shù)同表1。

圖2 固定管板式水冷器

改進后水冷器具有如下一些主要特點：

（1）管口方位、鞍座關(guān)聯(lián)尺寸與原水冷器一致，不需要變更管線與基礎(chǔ)，現(xiàn)場安裝一次成功。

（2）結(jié)構(gòu)形式改為固定管板式[2]，且在殼程增加膨脹節(jié)，有利于換熱管受力狀況的改善。

（3）殼程縱向密封改為焊接，密封可靠。

（4）管板設(shè)計為無法蘭結(jié)構(gòu)，制造簡單，厚度大為減薄，不帶對接凸肩，可直接采用整體不銹鋼材料，省去了一般的對接接頭無損檢測的要求。

（5）管箱球形封頭為標準封頭。

（6）換熱管為直管，長度僅為U形管展開長的一半，無彎管段，因此制造、運輸相對容易。

（7）雖然不能像U形管式換熱器那樣可將管束抽出來清洗，但可采用化學清洗除垢。省去了拆裝48組M24緊固件的辛勞，也無殼程縱向密封墊片損壞的擔憂，維護工作量大為減輕。

3 原水冷器與改進水冷器比較

通過以上論述，可以進行如下概括：

（1）原U形管式水冷器設(shè)計復雜、制造成本高、維護費用高，如果殼程分程隔板縱向密封墊片有損壞，換熱效果將惡化。

（2）改進后的固定管板式水冷器設(shè)計簡單、制造成本低、維護費用小，殼程分程隔板采用焊接結(jié)構(gòu)，不存在漏流，換熱效果穩(wěn)定。

4 結(jié)論

近數(shù)十年來，隨著新型催化劑的發(fā)明，使得原本需要高溫高壓才能合成的甲醇，通過低壓法即可合成。但同時也導致設(shè)備體積龐大，出現(xiàn)了一些新問題。特別是由于處理量過大，使換熱設(shè)備的進出口管徑和換熱面積都很大 （如本文涉及的水冷器，管、殼程的進/出口公稱直徑分別為DN450/DN400和DN500/DN500），制造難度大，運行風險高，許多甲醇裝置中類似的U形管式水冷器，均不同程度出現(xiàn)了振動損壞換熱管問題。

雖然本文所述的改進的水冷器已安全運行了兩年，但根據(jù)企業(yè)所提供的實際運行參數(shù)，經(jīng)過相關(guān)的軟件模擬發(fā)現(xiàn)，水冷器仍可進一步改進。筆者建議，將原型號BEM1500-5.88/0.6-1190-6.7/19-2/2-Ⅰ水冷器改為2臺并聯(lián)的、且弓形區(qū)不布管的單殼程換熱器BEM1200-5.88/0.6-750-7.5/19-2-Ⅰ，這樣可更有效地降低運行風險和制造難度。

[1] 李建鎖，王憲貴，王曉琴.焦爐煤氣化制甲醇技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[2] GB 151—1999管殼式換熱器 [S].

[3] JB/T 4717—1992 U形管式換熱器型式與基本參數(shù)[S].