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(jiǎn)稱龍宇煤化工)富余合成氣制20萬t/a乙二醇裝置，由中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司遼陽分公司和中國(guó)五環(huán)工程有限公司共同承擔(dān)設(shè)計(jì)。該裝置采用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的工藝和催化劑技術(shù)，通過工業(yè)合成氣高壓羰化生產(chǎn)草酸二甲酯并加氫制乙二醇工藝技術(shù)路線，于2020年10月投料試車，一次打通裝置全流程，產(chǎn)出聚酯級(jí)乙二醇，并達(dá)到100%負(fù)荷運(yùn)行。在換熱設(shè)備選型過程中，羰化反應(yīng)產(chǎn)物換熱器為2臺(tái)并聯(lián)，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(yè)[2]。管殼式換熱器的最大優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)且可靠、制造簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、選材范圍大、清洗方便。

管殼式換熱器殼程內(nèi)設(shè)置的折流結(jié)構(gòu)不僅對(duì)換熱器管束進(jìn)行支撐和固定，而且對(duì)殼程側(cè)流體進(jìn)行擾動(dòng)，以提高換熱器的換熱效率。傳統(tǒng)管殼式換熱器折流結(jié)構(gòu)一般采用折流板，流體在殼程中流動(dòng)時(shí)橫向穿過管束，對(duì)管束造成沖擊并產(chǎn)生振動(dòng)。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(dǎo)致?lián)Q熱管泄漏現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

為了解決橫向流動(dòng)對(duì)管束造成振動(dòng)等問題，折流桿換熱器應(yīng)運(yùn)而生。折流桿換熱器于1970年由美國(guó)菲利普斯石油公司提出。折流結(jié)構(gòu)(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(duì)管束起到支撐和固定作用。由于無折流板，殼程的流動(dòng)狀態(tài)由橫向變成縱向，從而降低了流體對(duì)管束的橫向沖刷作用[3]。另外，折流桿換熱器還具有流動(dòng)阻力低、無流動(dòng)死區(qū)的優(yōu)點(diǎn)，從根本上解決了折流板換熱器因存在流動(dòng)死區(qū)引起局部換熱系數(shù)低、沉積物多的缺陷。

圖1 折流桿換熱器結(jié)構(gòu)圖

2 存在的問題

龍宇煤化工乙二醇裝置中羰化反應(yīng)產(chǎn)物換熱器是關(guān)鍵設(shè)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(yīng)器的出口物料。反應(yīng)器出口物料走管程，溫度從120 ℃降為55 ℃左右后進(jìn)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(tǒng)。55 ℃的熱水走換熱器殼程，熱水經(jīng)過換熱后進(jìn)入熱水槽，然后通過熱水循環(huán)泵加壓后循環(huán)利用，循環(huán)熱水設(shè)計(jì)體積流量為1 260 m3/h。由于該換熱器管程側(cè)壓力高于殼程側(cè)壓力，一旦換熱管泄漏，工藝介質(zhì)會(huì)進(jìn)入循環(huán)熱水系統(tǒng)。合成系統(tǒng)工藝介質(zhì)內(nèi)有一氧化氮和亞硝酸甲酯(MN)等物質(zhì)，進(jìn)入循環(huán)熱水系統(tǒng)后，會(huì)造成熱水pH值降低。在乙二醇裝置實(shí)際生產(chǎn)過程中，熱水槽排氣口出現(xiàn)氮氧化物，監(jiān)測(cè)循環(huán)熱水pH值發(fā)現(xiàn)其明顯降低，判斷該換熱器換熱管有泄漏現(xiàn)象。裝置停車后，檢查該換熱器，發(fā)現(xiàn)有18根換熱管泄漏。

分析泄漏原因如下：

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

(2) 循環(huán)熱水系統(tǒng)流量大，對(duì)換熱管束的橫向沖刷導(dǎo)致管束振動(dòng)大。同時(shí)，強(qiáng)化換熱增大了殼程熱水的流速，橫向流誘發(fā)換熱管振動(dòng)，造成換熱器疲勞損壞。

3 改造措施及運(yùn)行情況

3.1 折流桿換熱器

在龍宇煤化工新建乙二醇項(xiàng)目中使用同樣的工藝包，在設(shè)計(jì)階段設(shè)備選型過程中，考慮到一期設(shè)備存在的問題，對(duì)換熱器進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)備由原先折流板換熱器改為折流桿換熱器。同時(shí)，取消了該換熱器的熱水換熱，將其改為反應(yīng)器進(jìn)口物料和出口物料氣氣換熱，用反應(yīng)器出口熱物料加熱進(jìn)口物料，將入口工藝氣溫度從32 ℃提升至80 ℃，從而達(dá)到節(jié)約后續(xù)工藝預(yù)熱蒸汽的目的。換熱器具體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

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(qiáng)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(jù)折流桿換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(shù)量雖少，在流體較高的流速下，其換熱效率也能滿足生產(chǎn)需要。另外換熱器殼程所走的介質(zhì)為含草酸二甲酯的氣相流，草酸二甲酯在溫度低于54 ℃時(shí)會(huì)結(jié)晶，為了在工況異常時(shí)便于草酸二甲酯結(jié)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(jié)構(gòu)是折流桿，折流桿的直徑等于管間距。本設(shè)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(dòng)的同時(shí)減輕磨損[5-6]。

4 運(yùn)行情況

該換熱器投入使用后，運(yùn)行狀態(tài)良好，在傳熱性能上有所提高，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)都能達(dá)到設(shè)計(jì)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(shù)有所提高，因此具有更高的綜合傳熱特性比。另外，由于系統(tǒng)阻力降低，增加了整個(gè)合成系統(tǒng)的循環(huán)量，提高了MN的轉(zhuǎn)化率，降低了合成系統(tǒng)中MN的含量。MN含量過高容易在反應(yīng)器內(nèi)分解，造成反應(yīng)器飛溫，因此MN含量的降低有助于提高合成系統(tǒng)的安全性。具體對(duì)比見表2。

表2 新老裝置部分相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語

對(duì)比傳統(tǒng)折流板換熱器，折流桿換熱器有很多優(yōu)點(diǎn)，殼程流體沿軸向縱向流動(dòng)，有效防止了橫向流引起的管束振動(dòng)問題，提高了換熱器的使用安全。殼程內(nèi)不存在流動(dòng)死區(qū)，強(qiáng)化了殼側(cè)換熱，具有較高的傳熱效率，降低了系統(tǒng)阻力，利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

改進(jìn)后的折流桿換熱器自投入使用以來，運(yùn)行狀態(tài)和使用效果良好，在大流量、高流速的系統(tǒng)中值得推廣應(yīng)用。