大型板殼式熱交換器在乙二醇裝置中的應用

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.上海藍濱石化設(shè)備有限責任公司）

乙二醇在國民經(jīng)濟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)市場的強勁需求， 乙二醇的自給率不足60%，有相當一部分需要進口，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)濟發(fā)展有著重要的意義， 在我國環(huán)保要求日益嚴格的大趨勢下， 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， 進出物料熱交換器流量大、 熱負荷大， 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，板片間采用先進的專用程控自動焊機進行焊接，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)被廣泛應用于煉油、化工及核電等領(lǐng)域［3，4］。

2 傳熱機理

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）的應用場合當中，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)，可對板束進行維修或更換。 另外，由于方形波紋板片可以由壓機分次連續(xù)壓制成型，單板面積不受壓機限制，易于大型化，目前單臺設(shè)備的最大換熱面積達到13 000m2。 介質(zhì)流為冷流體由設(shè)備底部進入板束板程，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行工藝設(shè)計，然后與普通列管式熱交換器方案進行對比并做技術(shù)說明。

4.1 設(shè)計參數(shù)

乙二醇裝置進出物料熱交換器設(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，總傳熱系數(shù)提高了268%，說明波紋板片較光管的強化傳熱效果顯著；

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)濟效益明顯，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟性。 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用前景。