王艷麗，寧 靜

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置的副產(chǎn)品CO2采用碳酸鹽溶液先吸收再解吸的方法脫除，針對(duì)工藝過程的特點(diǎn)，裝置中設(shè)置了貧/富碳酸鹽換熱器。該換熱器的換熱效果直接影響CO2脫除效果及CO2汽提塔的蒸汽消耗，進(jìn)而影響到裝置乙烯氧化反應(yīng)催化劑的選擇性及裝置物料消耗和能量消耗。

因此必須熟悉和掌握貧/富碳酸鹽換熱器的特點(diǎn)，并結(jié)合工藝條件及現(xiàn)場(chǎng)需求對(duì)換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，提高其換熱效率，保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。這對(duì)提高CO2脫除效果，優(yōu)化環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置氧化反應(yīng)操作條件、降低裝置能量消耗、減少操作費(fèi)用十分重要。

1 貧/富碳酸鹽換熱器工藝流程

富CO2循環(huán)氣被送到CO2吸收塔，與貧碳酸鹽溶液逆流接觸，以脫除在氧化反應(yīng)器中產(chǎn)生的副產(chǎn)品CO2。CO2吸收塔塔釜的富碳酸鹽溶液，減壓后進(jìn)入CO2汽提塔，在微正壓條件下用蒸汽汽提再生，使CO2從塔頂解吸出來。塔釜的貧碳酸鹽溶液，重新增壓后循環(huán)到CO2吸收塔使用。低溫高壓有利于CO2吸收，高溫低壓有利于CO2解吸。即CO2吸收塔塔釜的富碳酸鹽溶液需要高溫進(jìn)入CO2汽提塔，以節(jié)省汽提塔的蒸汽消耗量，而CO2汽提塔塔釜的貧碳酸鹽溶液需要低溫進(jìn)入CO2吸收塔，以提高CO2吸收效果。因此如圖1所示，工藝上設(shè)置貧/富碳酸鹽換熱器，使貧/富碳酸鹽溶液物料之間熱量互換，以達(dá)到節(jié)省熱量和冷量消耗的目的。

1—CO2吸收塔；2—CO2汽提塔；3—貧/富碳酸鹽換熱器；4—CO2汽提塔再沸器

2 貧/富碳酸鹽換熱器選型分析

換熱器是環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置中用于熱量傳遞的重要單元設(shè)備，型式多樣，每種結(jié)構(gòu)型式都有其本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相應(yīng)的工作特性。管殼式換熱器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用最廣泛；板式換熱器因傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，被普遍采用；折流桿換熱器因壓降低、流動(dòng)死區(qū)少，在特殊流體強(qiáng)化傳熱中優(yōu)先選擇。貧/富碳酸鹽換熱器因其在裝置中的重要性和獨(dú)特特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行合理選型，對(duì)滿足工藝性能要求，保證其長(zhǎng)周期高效、穩(wěn)定操作尤為重要。

目前正在運(yùn)行的貧/富碳酸鹽換熱器型式有常規(guī)管殼式換熱器、折流桿換熱器和全焊板式換熱器3種。常規(guī)管殼式換熱器一般采用弓形折流板，根據(jù)清洗方案和熱力學(xué)膨脹的不同，又可采用固定管板換熱器、浮頭換熱器、U形管換熱器3種不同方案。

本文以脫除33 t/h CO2的某環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置為例具體分析該換熱器選型方法。貧/富碳酸鹽換熱器工藝操作條件如表1所示，貧/富碳酸鹽沿?fù)Q熱長(zhǎng)度的溫度分布曲線如圖2所示。

表1 貧/富碳酸鹽換熱器工藝操作條件

結(jié)合表1和圖2可以看出：貧/富碳酸鹽傳熱溫差接近，冷/熱流體溫度高度交叉；操作壓力偏高。同時(shí)工藝要求貧/富碳酸鹽溶液在換熱器中要盡量避免存在死區(qū)，防止引起碳酸鹽溶液的結(jié)晶；富碳酸鹽溶液因濃度高，相對(duì)貧碳酸鹽溶液，更易出現(xiàn)鹽類結(jié)晶、堵塞設(shè)備的情況，且富碳酸鹽溶液在加熱時(shí)易析出溶解的氣體，造成換熱效率下降。這臺(tái)換熱器工藝條件比較苛刻，換熱器選型需要針對(duì)工藝操作特點(diǎn)特殊分析，傳熱計(jì)算需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的反饋確認(rèn)選用方案。

圖2 貧/富碳酸鹽沿?fù)Q熱長(zhǎng)度的溫度分布曲線

考慮上述因素提出5種可行的貧/富碳酸鹽換熱器選型設(shè)計(jì)方案(見表2)，以探討不同型式換熱器在傳熱性能、裝置占地、換熱器清洗及設(shè)備造價(jià)等方面的差異，并綜合各類因素，提出該換熱器最優(yōu)化選型建議。

表2 貧/富碳酸鹽換熱器選型設(shè)計(jì)方案

2.1 常規(guī)管殼式換熱器選型分析

表2中方案1～方案3都是常規(guī)管殼式弓形折流板換熱器。這類換熱器技術(shù)成熟、有可靠的標(biāo)準(zhǔn)系列、選型通用性強(qiáng)，流體流通截面積大，且換熱管內(nèi)沒有死區(qū)，可以防止碳酸鹽溶液在死區(qū)處結(jié)晶。上述3個(gè)方案中濃度高的富碳酸鹽溶液均走管內(nèi)。但是由于冷、熱流體傳熱溫差小，溫度高度交叉，若采用弓形折流板換熱器，則設(shè)計(jì)尺寸較大，直徑都在φ1 500 mm以上，且需要多臺(tái)串/并聯(lián)操作，占地較大。從表2中看，方案1和方案2需要12臺(tái)換熱器，2條線并聯(lián)，每條線6臺(tái)串聯(lián)； 方案3需要8臺(tái)換熱器，4條線并聯(lián)，每條線2臺(tái)串聯(lián)。方案1弓形折流板固定管板換熱器，制造、加工簡(jiǎn)單，壓降好控制，富碳酸鹽溶液走管內(nèi)，清洗方便；缺點(diǎn)是阻力大，殼程存在死區(qū)，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械清洗。方案2弓形折流板浮頭換熱器可實(shí)現(xiàn)冷/熱物流純逆向流動(dòng)，管、殼程都可實(shí)現(xiàn)機(jī)械清洗，操作靈活；缺點(diǎn)是受工藝允許壓降限制，設(shè)備臺(tái)數(shù)多，設(shè)備直徑需要φ1 700 mm，是所有方案中最大的，且此方案采用管程單浮頭型式，內(nèi)浮頭管板法蘭、內(nèi)膨脹節(jié)處易泄漏，設(shè)備設(shè)計(jì)和機(jī)械制造要求較高。方案3 U形管換熱器，設(shè)備密封性好，不易泄漏，適合溫度高度交叉、傳熱溫差小的貧/富碳酸鹽換熱系統(tǒng)；缺點(diǎn)是縱向隔板兩側(cè)存在溫差，會(huì)有溫度傳遞，且縱向隔板密封條有泄漏可能，可導(dǎo)致殼程流體短路。此外，U形管換熱器有效傳熱溫差比純逆流換熱器低，設(shè)計(jì)難度相對(duì)較大；殼程走貧碳酸鹽溶液，方便機(jī)械清洗，管程走富碳酸鹽溶液，U型管內(nèi)不易進(jìn)行機(jī)械清洗。

2.2 折流桿換熱器選型分析

方案4折流桿換熱器，使用折流桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的弓形折流板，使得殼程流體由弓形折流板的橫向沖刷管束變成縱向沖刷管束，有效控制了換熱管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)，降低殼程阻力降，消除殼程死區(qū)，使得傳熱均勻性和抗結(jié)垢性能均得以提升，進(jìn)而提高了單位壓降下傳熱效率【1】。從表2中可以看出：方案4殼程貧碳酸鹽側(cè)計(jì)算壓力降最小，設(shè)備直徑可采用φ800 mm，相對(duì)弓形板換熱器的直徑減小很多，由于殼程流體的壓降降低，設(shè)備臺(tái)數(shù)也相應(yīng)減少為8臺(tái)，2條線并聯(lián)，每條線4臺(tái)串聯(lián)，設(shè)備成本和占地都相應(yīng)減少。折流桿換熱器可避免設(shè)備振動(dòng)破環(huán)，抗結(jié)垢性能強(qiáng)，設(shè)備質(zhì)量輕、占地小，綜合比較來看，折流桿的設(shè)計(jì)方案優(yōu)于傳統(tǒng)的管殼式換熱器弓形折流板方案。但是折流桿換熱器只有經(jīng)過合理的傳熱設(shè)計(jì)，才能達(dá)到期待的傳熱效果,對(duì)設(shè)計(jì)能力要求較高，同時(shí)該換熱器制造復(fù)雜，造價(jià)高、對(duì)制造水平要求高。

2.3 全焊板式換熱器選型分析

貧/富碳酸鹽換熱器冷熱流體的操作壓力為2.4～2.6 MPa(表)，設(shè)計(jì)壓力接近4.0 MPa(表)；冷、熱流體的操作溫度在100 ℃左右，設(shè)計(jì)溫度為150～200 ℃。流體操作工藝條件不適合采用普通墊片式板式換熱器，只能采用全焊板式換熱器。考慮貧/富碳酸鹽易結(jié)晶、需滿足機(jī)械清洗的要求，因此采用可拆全焊板式換熱器，如表2中方案5 所示。

全焊板式換熱器傳熱表面為板狀結(jié)構(gòu), 板片之間以焊接方式進(jìn)行密封【2】。全焊板式換熱器種類繁多，其中可拆全焊板式換熱器比較適合貧/富碳酸鹽體系，在滿足貧/富碳酸鹽實(shí)現(xiàn)純逆流要求的同時(shí)，傳熱效率也遠(yuǎn)高于常規(guī)管殼式換器和折流桿換熱器，屬于高效緊湊型設(shè)備。

某可拆全焊板式換熱器如圖3所示。該型式換熱器的各板片之間形成許多小流通斷面的流道，通過板片之間進(jìn)行熱量交換，與常規(guī)管殼式換熱器相比，在相同的流動(dòng)阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數(shù)要高出很多【3】。板式換熱器的流體流動(dòng)方向被折流板引導(dǎo)，冷熱兩側(cè)的流程數(shù)可以單獨(dú)選擇，從而使換熱效率達(dá)到最高，而結(jié)垢傾向減至最小。板式換熱器在解決小溫差、溫度高度交叉的場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)明顯。從表2中方案5可以看出：在此設(shè)計(jì)條件下，板式換熱器是唯一可以實(shí)現(xiàn)全并聯(lián)方案的，一臺(tái)換熱器就可以解決本案例中冷熱流體溫度高度交叉問題，且每臺(tái)換熱器內(nèi)都是純逆流操作。全焊板式換熱器優(yōu)勢(shì)突出表現(xiàn)為：傳熱效率最高、傳熱面積最小，設(shè)備臺(tái)數(shù)少、占地小、質(zhì)量很輕。但是標(biāo)準(zhǔn)的全焊板式換熱器波紋深度約5 mm，兩片之間形成的最大通道寬度約10 mm, 抗堵性比常規(guī)的列管式換熱器略差。因此全焊板式換熱器應(yīng)用在貧/富碳酸鹽溶液中時(shí)，需要控制碳酸鹽顆粒直徑不要超過3 mm, 一旦碳酸鹽結(jié)晶顆粒大于通道寬度，板式換熱器傳熱性能會(huì)迅速下降，現(xiàn)場(chǎng)可以明顯觀察到壓降增加。若選擇全焊板式換熱器，工藝操作要謹(jǐn)慎，避免碳酸鹽溶液結(jié)晶，并控制結(jié)晶顆粒的尺寸，同時(shí)在全焊板式換熱器之前宜設(shè)置滿足板片通過能力的過濾器。富碳酸鹽溶液在被加熱過程中易析出氣體，采用全焊板式換熱器，在富碳酸鹽通道應(yīng)設(shè)置合適的氣體排放口并和相應(yīng)的工藝管線連接，以避免氣體在板片間積聚造成傳熱效率下降。

圖3 板式換熱器板片流體示意

3 不同型式換熱器設(shè)計(jì)方案比較分析

根據(jù)工藝條件，碳酸鹽溶液濃度過高、溫度過低或溶液中乙二醇含量過高，易造成碳酸鹽溶解度降低，結(jié)晶析出；長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)中也會(huì)有鹽類附著在設(shè)備表面，形成污垢。從機(jī)械清洗要求方面進(jìn)行比較：方案2浮頭換熱器兩側(cè)都可實(shí)現(xiàn)機(jī)械清洗，相對(duì)較優(yōu)；方案1、方案4和方案5，高濃度的富碳酸鹽溶液側(cè)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械清洗，次之；方案3 U形管換熱器只有貧碳酸鹽溶液側(cè)可以機(jī)械清洗，本案例中的工藝流體不太適用，效果最差。從設(shè)備直徑方面進(jìn)行比較：方案5全焊板式換熱器設(shè)備直徑最小，方案4折流桿換熱器次之，方案1～方案3固定管板換熱器直徑較大。從設(shè)備臺(tái)數(shù)方面進(jìn)行比較：方案1弓形折流板固定管板換熱器和方案2弓形折流板浮頭換熱器臺(tái)數(shù)最多；方案3弓形折流板U形管換熱器和方案4折流桿換熱器次之；方案5板式換熱器設(shè)備臺(tái)數(shù)最少。從設(shè)備布置和占地方面進(jìn)行比較：方案2直徑大、臺(tái)數(shù)多、需考慮設(shè)備抽芯空間，盡管布置按照3臺(tái)串聯(lián)重疊布置考慮，占地面積仍最大；方案1和方案3占地面積次之；方案4折流桿換熱器直徑小，且可以4臺(tái)疊放布置，占地面積相對(duì)較小；方案5板式換熱器設(shè)備尺寸小臺(tái)數(shù)少，占地面積最小。從傳熱系數(shù)方面進(jìn)行比較：方案5全焊板式換熱器傳熱效率最高，所需傳熱面積最?。环桨?折流桿換熱器次之；方案1～方案3弓形折流板換熱器傳熱效率相對(duì)較低，需要的傳熱面積相對(duì)較大。從抗堵塞性能方面來看，方案5全焊板式換熱器抗堵塞性能最差，板片之間一旦被流體中的顆粒堵塞，或表面結(jié)垢后導(dǎo)致傳熱效率下降，對(duì)裝置的破壞影響最大。同時(shí)富碳酸鹽溶液在換熱器內(nèi)升溫，或受到管束振動(dòng)的影響，有可能閃蒸出氣相CO2。這些CO2氣體會(huì)使富碳酸鹽溶液產(chǎn)生“氣阻”現(xiàn)象，阻礙流體的流動(dòng)，也會(huì)減少板式換熱器有效換熱面積，大大降低板式換熱器的傳熱系數(shù)。其他4種方案因流體通道大，在抗堵塞及處理不凝氣排放方面優(yōu)于板式換熱器。從滿足允許壓降方面進(jìn)行比較：所有方案均可以滿足工藝允許壓降要求，方案1折流桿換熱器的貧碳酸鹽側(cè)壓降最低，板式換熱器壓降最大。從設(shè)備制造和供貨周期方面進(jìn)行比較：弓形折流板換熱器最常見，制造最為簡(jiǎn)單，供貨周期最短；折流桿換熱器制造相對(duì)復(fù)雜，對(duì)制造廠制造水平要求高；全焊式板式換熱器屬于高效換熱器，制造復(fù)雜，目前多數(shù)為國(guó)外進(jìn)口，供貨周期最長(zhǎng)。從設(shè)備質(zhì)量和材質(zhì)方面進(jìn)行比較：方案5全焊板式換熱器材質(zhì)都是SS，質(zhì)量最輕，其他型式換熱器材質(zhì)用CS即可滿足工藝要求； 方案1、方案3和方案4重量相當(dāng)，方案5最輕。方案2最重。從設(shè)備造價(jià)方面分析，方案1、方案3、方案4和方案5相當(dāng)，方案2最高。

依據(jù)上述分析，在滿足傳熱工藝條件下，綜合考慮機(jī)械清洗、設(shè)備大小、設(shè)備布置、換熱效果、壓降要求、制造難度和采購(gòu)周期等因素，針對(duì)本案例的工藝操作條件，最終推薦的優(yōu)選順序?yàn)椋悍桨?折流桿換熱器、方案5全焊板式換熱器、方案2浮頭換熱器、方案1弓形折流板固定管板換熱器、方案3弓形折流板U形管換熱器。

換熱器選型的成敗，直接影響到換熱效果和生產(chǎn)操作的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。要想使換熱設(shè)備在給定的工藝條件下良好運(yùn)行，必須結(jié)合工藝裝置規(guī)模、現(xiàn)場(chǎng)操作條件、工藝特點(diǎn)及業(yè)主操作習(xí)慣等因素綜合考慮，最大程度兼顧上述要求。通常在滿足傳熱工藝條件下，根據(jù)工藝流程特點(diǎn)和業(yè)主要求，在考慮業(yè)主的操作習(xí)慣的前提下，按相對(duì)重要的影響因素進(jìn)行選型。對(duì)特別在意清洗要求的業(yè)主，方案2浮頭換熱器雖然金屬消耗量最大，占地面積也最大，但是抗堵塞性能相對(duì)較好，貧/富碳酸鹽兩側(cè)都可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械清洗，也可以選擇。

4 換熱器工業(yè)應(yīng)用及運(yùn)行效果

對(duì)16個(gè)正在運(yùn)行的環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分裝置通過嚴(yán)格控制碳酸鹽溶液質(zhì)量、碳酸鹽溶液濃度以及及時(shí)排放富碳酸鹽溶液中不凝氣等手段，基本能夠保證該換熱器平穩(wěn)完成一個(gè)周期運(yùn)轉(zhuǎn)。但是受各種因素影響，也有裝置出現(xiàn)過因表面結(jié)垢而導(dǎo)致傳熱面積下降、換熱效果無(wú)法滿足工藝要求、后續(xù)需要整改增加換熱器面積，以及碳酸鹽溶液大面積結(jié)晶，造成裝置停車處理的情況。圖4是某裝置停車時(shí)碳酸鹽結(jié)晶情況和照片。因此為保證該換熱器穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，在設(shè)計(jì)選型中要充分考慮各種影響因素，業(yè)主采購(gòu)時(shí)要購(gòu)買合格的碳酸鹽溶液，操作時(shí)要保證工藝條件平穩(wěn)，嚴(yán)格控制碳酸鹽溶液濃度。

圖4 某裝置碳酸鹽結(jié)晶情況

5 結(jié)語(yǔ)

貧/富碳酸鹽換熱器是環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置CO2脫除單元的重要設(shè)備，合理選擇該換熱器型式，對(duì)回收工藝物料熱量、節(jié)省環(huán)氧乙烷/乙二醇裝置熱量和冷量消耗、減少操作費(fèi)用十分重要。本文提出了5種不同形式貧/富碳酸鹽換熱器的設(shè)計(jì)方案，并從傳熱效率、裝置占地、設(shè)備布置、設(shè)備造價(jià)等方面分析了各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出建議選型順序，為今后的工業(yè)設(shè)計(jì)和業(yè)主操作提供了參考。