聶毅強(qiáng)

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管是一種雙面強(qiáng)化高效換熱管，能同時(shí)強(qiáng)化沸騰和冷凝，總傳熱系數(shù)高，適用于小溫差下的立式管內(nèi)沸騰和管外冷凝換熱，是裝置實(shí)現(xiàn)大型化和節(jié)能的關(guān)鍵傳熱元件。其典型應(yīng)用是乙二醇多效蒸發(fā)塔再沸器。由于制造難度大、性能要求高以及運(yùn)行部位關(guān)鍵等原因，內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管市場(chǎng)長(zhǎng)期為國(guó)外公司壟斷，且價(jià)格昂貴。2019年前，國(guó)內(nèi)新建和改造的乙二醇裝置多是從國(guó)外采購(gòu)這種換熱管，耗費(fèi)大量外匯。而國(guó)產(chǎn)內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管(簡(jiǎn)稱國(guó)產(chǎn)管)已經(jīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試且具備工業(yè)應(yīng)用條件，但一直未能真正得到市場(chǎng)的認(rèn)可?，F(xiàn)在新建乙二醇裝置產(chǎn)能已達(dá)到百萬(wàn)噸級(jí)，多效蒸發(fā)塔再沸器亟需早日實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

茂名20萬(wàn)t/a環(huán)氧乙烷(EO)裝置在二效蒸發(fā)塔再沸器中首次使用了國(guó)產(chǎn)管。本文以國(guó)產(chǎn)管應(yīng)用為背景，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)比較、機(jī)械性能測(cè)試以及換熱器長(zhǎng)期傳熱性能標(biāo)定，論證國(guó)產(chǎn)管在百萬(wàn)噸級(jí)環(huán)氧乙烷/乙二醇(EO/EG)裝置多效蒸發(fā)單元應(yīng)用的可行性和可靠性。

1 應(yīng)用背景與問(wèn)題提出

表面多孔換熱管是一種強(qiáng)化沸騰傳熱的高效換熱管，通過(guò)機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕、粉末冶金或其他方法對(duì)普通光管進(jìn)行表面處理來(lái)強(qiáng)化其核態(tài)沸騰性能，其中粉末冶金燒結(jié)型強(qiáng)化效果最為明顯，沸騰換熱系數(shù)超過(guò)光管的10倍【1】，適用于小溫差下烴及其衍生物的蒸發(fā)傳熱，在石油化工、化工、天然氣等行業(yè)有廣泛應(yīng)用。

外縱槽管是一種強(qiáng)化立式管外冷凝傳熱的高效換熱管，采用機(jī)械加工方法在基管外表面形成多道縱槽?？v槽使管外壁凝液從凸面上快速匯集到凹槽并排掉，減薄了換熱管表面液膜厚度，提高了冷凝傳熱系數(shù)。管外縱槽還有增加管外換熱面積和減薄換熱管壁厚的作用，可進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱。外縱槽管的冷凝傳熱系數(shù)是光管的2～3倍。

乙二醇是一種重要的有機(jī)化工原料。典型的乙二醇生產(chǎn)采用“乙烯—環(huán)氧乙烷—乙二醇”路線，其中乙二醇水溶液多效蒸發(fā)單元再沸器具有熱負(fù)荷大、傳熱溫差小的特點(diǎn)。以某百萬(wàn)噸乙二醇裝置為例，其第二效至第六效蒸發(fā)塔再沸器工藝條件和傳熱性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 蒸發(fā)塔再沸器工藝條件和傳熱性能參數(shù)

進(jìn)一步分析可以得到各效再沸器傳熱熱阻的百分比(見(jiàn)表2)。

表2 蒸發(fā)塔再沸器熱阻百分比 單位：%

在8～10 ℃的有效傳熱溫差下，最高的二效蒸發(fā)塔再沸器總傳熱系數(shù)需大于8 000 W/(m2·℃)，最低的六效蒸發(fā)塔再沸器總傳熱系數(shù)需大于4 800 W/(m2·℃)，傳熱要求非常高。

內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金換熱管(見(jiàn)圖1)基管材質(zhì)為銅鎳(90/10)合金，管外縱槽、管內(nèi)銅鎳(90/10)合金粉末燒結(jié)形成的多孔薄層，是目前強(qiáng)化立式管內(nèi)沸騰和管外冷凝效果最好的傳熱元件，也是滿足乙二醇多效蒸發(fā)單元傳熱要求的唯一選擇，但這種管制造技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷。

圖1 內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金換熱管

從國(guó)家行業(yè)戰(zhàn)略需求出發(fā)，國(guó)內(nèi)一些高校、研究院開(kāi)始研發(fā)燒結(jié)型內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金換熱管，突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化【2-3】。國(guó)產(chǎn)管整體性能已經(jīng)達(dá)到國(guó)外產(chǎn)品水平，但在乙二醇裝置上的應(yīng)用還是困難重重。對(duì)性能的懷疑是造成上述狀況的主要原因，主要體現(xiàn)在傳熱性能、多孔層強(qiáng)度性能和防結(jié)垢長(zhǎng)期運(yùn)行性能等方面。

2 結(jié)構(gòu)特征與影響因素

內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管傳熱熱阻主要集中在管內(nèi)和管外工藝側(cè)。相比較而言，外縱槽的研究比較充分，機(jī)械加工工藝比較成熟，管外冷凝傳熱系數(shù)比較容易達(dá)到較高的數(shù)值。因此，管內(nèi)多孔層的強(qiáng)化沸騰傳熱是研究的重點(diǎn)。

多孔薄層隨機(jī)分布著許多微小的凹穴和隧道(微通道)，凹穴與隧道、隧道與隧道之間無(wú)規(guī)則地連通(見(jiàn)圖2)。這種結(jié)構(gòu)非常有助于提高沸騰傳熱，具體表現(xiàn)為：微小隧道具有毛細(xì)管特征，既使液體充滿多孔層，又降低了多孔層內(nèi)液體壓力，使液體泡點(diǎn)降低，在過(guò)熱度很小的情況下產(chǎn)生氣泡；眾多且凹凸不平的內(nèi)表面積既增大了換熱面積，又提高了液膜傳熱系數(shù)，使得液體在彎曲連通的隧道內(nèi)充分吸熱、汽化；有的微凹穴內(nèi)氣膜率先成為氣核并迅速膨脹、排出，既擾動(dòng)了換熱管內(nèi)流體流動(dòng)，提高了管內(nèi)流體內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)，又降低隧道內(nèi)壓、加速外部流體進(jìn)入多孔層，提高了隧道內(nèi)流通量；有的微凹穴內(nèi)氣膜難以生成氣核，成為外界液體進(jìn)入多孔層的入口，液體在隧道內(nèi)流動(dòng)更加順暢，流通量更高；高的流通量提高了換熱面的沖刷、降低了換熱面金屬壁溫和濃縮液體的滯留，因而具有較高的阻垢性能。

圖2 多孔薄層微觀結(jié)構(gòu)

多孔層厚度、孔隙率和微通道當(dāng)量半徑是多孔層主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。劉京雷等【4】對(duì)比了國(guó)產(chǎn)燒結(jié)多孔層管和國(guó)外同類產(chǎn)品，結(jié)果表明二者參數(shù)相當(dāng)。多孔層機(jī)械強(qiáng)度可通過(guò)彎曲試驗(yàn)(見(jiàn)圖3)或壓扁試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：多孔層與基管燒結(jié)強(qiáng)度高，滿足再沸器長(zhǎng)期運(yùn)行要求。

圖3 多孔表面高通量彎曲試驗(yàn)

主要結(jié)構(gòu)參數(shù)相當(dāng)?shù)貌怀鰝鳠嵝阅芟喈?dāng)?shù)慕Y(jié)論。多孔層沸騰傳熱方式涉及泡核沸騰、對(duì)流傳熱和熱傳導(dǎo)，是氣液兩相動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的多因素互相作用的綜合過(guò)程。多孔層強(qiáng)化泡核沸騰的機(jī)理十分復(fù)雜， 迄今研究仍不夠成熟， 現(xiàn)有模型只是在某些方面或某些程度上反映了多孔層強(qiáng)化沸騰傳熱的實(shí)質(zhì)， 并且模型參數(shù)多， 實(shí)際應(yīng)用困難。

O’Neill等【5】提出了單汽泡靜態(tài)模型，認(rèn)為每個(gè)凹穴都是活化中心，該模型僅考慮保持氣泡所需的過(guò)熱度和隧道壁面液膜的溫度降，給出了最佳孔穴的半徑ropt和理論上最高沸騰傳熱系數(shù)。Cornwell【6】認(rèn)為多孔層表面蒸汽面積占有率與熱通量成正比，同時(shí)還考慮了多孔層內(nèi)蒸汽逸出層外的阻力與多孔層厚度之比對(duì)沸騰換熱的影響。這些模型與實(shí)際偏差較大，預(yù)測(cè)結(jié)果均不太理想【7】。

多孔層凹穴尺寸是一個(gè)對(duì)沸騰換熱影響較大的參數(shù)，金屬粉末顆粒越大，形成的孔穴尺寸越大。文獻(xiàn)【8】給出了汽化核心的最小氣泡曲率半徑rmin與液體表面張力σ、過(guò)熱度ΔTsat和壓力相對(duì)泡點(diǎn)變化率(dp/dT)關(guān)系，見(jiàn)式(1)：

(1)

可見(jiàn)在一定條件下，只有尺寸大于最小氣泡曲率半徑rmin的凹穴才能成為活化中心，內(nèi)凹穴的頸口半徑?jīng)Q定了起始沸騰過(guò)熱度。汪榮順【9】結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)，將多孔層內(nèi)部結(jié)構(gòu)抽象成毛細(xì)通道連接兩個(gè)凹穴的結(jié)構(gòu)，認(rèn)為通道阻力較小的凹穴才能成為活化中心，而通道阻力較大的凹穴只能成為非活性孔。活化中心的氣泡率先從半球形成為氣核并迅速膨脹、噴出，并使得通道內(nèi)壓力下降。非活性孔的氣泡來(lái)不及進(jìn)一步發(fā)展成為氣核，在外壓作用下，液面由外凸改為內(nèi)凹，液體在毛細(xì)管力作用下從這里滲入通道內(nèi)。

氣泡在汽化核心上形成并迅速長(zhǎng)大，達(dá)到一定直徑后脫離換熱面。氣泡脫離直徑越小，脫離頻率越高，強(qiáng)化沸騰傳熱效果越好。氣泡脫離直徑dd與接觸角θ，表面張力系數(shù)σ，氣、液兩相密度ρv、ρl關(guān)系見(jiàn)式(2)【10】：

(2)

適宜的凹穴尺寸能夠減小接觸角，減小氣泡脫離直徑?？梢?jiàn)凹穴的形狀決定了沸騰穩(wěn)定性【11】。

在理論研究還不能應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)多孔層強(qiáng)化泡核沸騰的試驗(yàn)研究就顯得很重要。翟貴立【7】按照多孔層表面上沸騰換熱量由層內(nèi)液膜蒸發(fā)換熱量、多孔層導(dǎo)熱換熱量和層內(nèi)液體對(duì)流換熱量3部分組成，將影響多孔表面沸騰的幾個(gè)主要因素(即顆粒平均直徑dp，多孔層厚度δ，熱通量q，孔隙率ε，潛熱hfg，氣、液兩相密度ρv、ρl，表面張力系數(shù)σ，液體導(dǎo)熱系數(shù)λl，飽和壓力ps，飽和溫度Ts，蒸汽粘度μv，金屬顆粒導(dǎo)熱系數(shù)λp和沸騰溫差ΔTB)組成幾個(gè)無(wú)因次數(shù)群，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸，得到如式(3)所示的換熱關(guān)聯(lián)式：

(3)

以乙二醇水溶液為介質(zhì)的傳熱研究少見(jiàn)報(bào)道。趙傳亮【12】對(duì)立式管內(nèi)70%(w,%)乙二醇溶液的銅光管和內(nèi)多孔外縱槽銅管進(jìn)行沸騰傳熱試驗(yàn)研究，得出內(nèi)多孔外縱槽銅管對(duì)銅光管沸騰強(qiáng)化倍數(shù)A與熱通量q的關(guān)系，見(jiàn)式(4)：

A=9.43q-0.15

(4)

使用式(4)計(jì)算表1再沸器沸騰系數(shù)，比實(shí)際值偏低30%以上。試驗(yàn)介質(zhì)濃度高及傳熱溫差大是造成偏差的主要原因。

為了檢驗(yàn)內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金換熱管的傳熱性能，有必要在乙二醇多效蒸發(fā)操作條件下(包括濃度、溫度和傳熱溫差、循環(huán)量等條件，盡量減少影響參數(shù))進(jìn)行傳熱試驗(yàn)。試驗(yàn)條件見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)條件

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

通過(guò)試驗(yàn)可以得出一些基本結(jié)論：

1) 總傳熱系數(shù)隨著乙二醇濃度增加而降低，隨著溫度、壓力的增加而增加；濃度影響遠(yuǎn)大于溫度、壓力影響。

2) 乙二醇濃度及溫度、壓力不變的條件下，沸騰傳熱系數(shù)隨熱通量或流量的增大而增大，熱通量影響大于流量的影響。

對(duì)試驗(yàn)方案提出如下意見(jiàn)：

1) 試驗(yàn)介質(zhì)濃度應(yīng)盡量接近乙二醇各效蒸發(fā)濃度。

2) 試驗(yàn)可在較低的溫度、壓力下進(jìn)行，這既保證了試驗(yàn)的安全，又使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏于保守。在較高溫度、壓力條件下，例如乙二醇多效蒸發(fā)的第二至第四效，實(shí)際數(shù)據(jù)要略優(yōu)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3) 對(duì)多孔層沸騰，傳熱溫差對(duì)熱通量影響最為明顯，因此傳熱試驗(yàn)必須在乙二醇多效蒸發(fā)的有效溫差范圍內(nèi)進(jìn)行，偏離會(huì)導(dǎo)致大的偏差。

4) 雖然流量對(duì)沸騰傳熱系數(shù)的影響較小，但試驗(yàn)仍應(yīng)在乙二醇多效蒸發(fā)的操作范圍內(nèi)進(jìn)行。乙二醇多效蒸發(fā)中，隨著料液流量的減少，換熱器入口流速逐效降低。

與國(guó)外產(chǎn)品對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)管傳熱性能與國(guó)外管相當(dāng)。

嚴(yán)格來(lái)講，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)還是有差別的。例如，未能消除管長(zhǎng)、進(jìn)料飽和度和管外冷凝蒸汽組分偏差的影響。乙二醇多效蒸發(fā)塔再沸器所使用的換熱管管長(zhǎng)在4～6 m之間，管內(nèi)壓降較大。壓降增大會(huì)使沸騰起始溫度升高、傳熱系數(shù)降低。受上一效進(jìn)料減壓閃蒸的影響，乙二醇多效蒸發(fā)塔再沸器進(jìn)口有一定汽相，這對(duì)于傳熱系數(shù)提高是有利的。管外冷凝氣相含有少量乙二醇，冷凝溫度和冷凝系數(shù)與蒸汽的不同。出口氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)傳熱也有一些影響。但這些影響都不大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)還是可以用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的。

國(guó)產(chǎn)管應(yīng)用的最后、也是最大的一個(gè)問(wèn)題是：國(guó)產(chǎn)管如何保證多孔層污垢自清潔能力，能否長(zhǎng)期保持高的傳熱能力。

4 運(yùn)行數(shù)據(jù)與性能鑒定

茂名EO裝置的建設(shè)，為國(guó)產(chǎn)管提供了應(yīng)用機(jī)會(huì)。二效蒸發(fā)塔塔釜濃度接近EG裝置第六效蒸發(fā)塔塔釜濃度，再沸器進(jìn)口濃度略高于EG裝置第五效蒸發(fā)塔再沸器進(jìn)口濃度。為方便調(diào)整操作條件，在凝液出口設(shè)置調(diào)節(jié)閥，保證熱負(fù)荷不變的情況下，通過(guò)調(diào)整再沸器殼側(cè)液位來(lái)調(diào)整有效換熱面積，降低一效塔頂壓力，使得二效蒸發(fā)塔再沸器傳熱條件接近EG裝置操作條件。

該裝置自2017年8月開(kāi)車以來(lái)，已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行3年多，二效蒸發(fā)塔再沸器運(yùn)行狀況良好，傳熱能力超過(guò)設(shè)計(jì)值。對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整理，并與操作條件較為相近的某EO/EG裝置五效蒸發(fā)塔再沸器(以下稱為對(duì)比再沸器)進(jìn)行對(duì)比，其中茂名再沸器使用國(guó)產(chǎn)管，對(duì)比再沸器使用進(jìn)口管，二者換熱管管心距都是40 mm，布管角度都是60°，詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 茂名再沸器與對(duì)比再沸器規(guī)格

工藝條件和標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可以看出，在進(jìn)料濃度和出料濃度都比對(duì)比再沸器高的情況下，使用國(guó)產(chǎn)管的茂名再沸器總傳熱系數(shù)比進(jìn)口管高4.6%，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)管的傳熱性能優(yōu)于進(jìn)口管，并且國(guó)產(chǎn)管自清潔能力強(qiáng)，能夠長(zhǎng)期保持高的傳熱能力。

表5 二效蒸發(fā)塔再沸器工藝條件表及標(biāo)定結(jié)果

5 結(jié)論

1) 內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管能同時(shí)強(qiáng)化管外冷凝和管內(nèi)沸騰，在小傳熱溫差下仍可保持很高的傳熱系數(shù)，并且防結(jié)垢能力強(qiáng)、操作穩(wěn)定，是最為高效的傳熱元件。

2) 內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并且試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，多孔層機(jī)械性能、微觀結(jié)構(gòu)以及傳熱性能和進(jìn)口管相當(dāng)。

3) 茂名EO二效蒸發(fā)塔再沸器使用國(guó)產(chǎn)管，已連續(xù)運(yùn)行3年多，傳熱性能標(biāo)定結(jié)果優(yōu)于進(jìn)口管，表明國(guó)產(chǎn)內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管應(yīng)用在百萬(wàn)噸級(jí)EO/EG裝置多效蒸發(fā)單元是可行的。