高壓換熱器的改進(jìn)及其在甲醇生產(chǎn)中的應(yīng)用

1. 換熱器及其高壓工況下的型式
    換熱器是一種用來(lái)完成各種熱傳遞過(guò)程的工藝設(shè)備，是化工、石油、冶金、電力、輕工、食品等行業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的單元設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣和壽命的長(zhǎng)短直接關(guān)系著企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在化學(xué)工業(yè)所用換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%，在煉油廠中換熱器占全部工藝設(shè)備的40%左右，海水淡化工藝裝置則主要是由換熱器組成的。隨著石化、化肥等工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高壓換熱器的需求將大幅度增加。
    在高壓工況中，常用的換熱器主要有螺紋鎖緊環(huán)換熱器、Ω環(huán)換熱器、套管式換熱器、U形管換熱器。螺紋鎖緊環(huán)換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬耗量大，機(jī)加工配件多，造價(jià)高，檢修工作量大；Ω環(huán)換熱器的Ω環(huán)加工難度大，檢修不方便；套管式換熱器在同樣換熱面積時(shí)所需空間大，單位傳熱面積造價(jià)高，一般只適用于傳熱面積較小的場(chǎng)合；U形管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、在高壓工況下金屬耗量最小的特點(diǎn)，所以在高壓工況下U形管換熱器比螺紋鎖緊環(huán)換熱器、Ω環(huán)換熱器、套管式換熱器的用量多得多。   
2. U形管換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其改進(jìn)
    普通U形管換熱器的殼體一般為圓筒形，僅有1塊管板，將換熱管彎成U形，管子兩端固定在同一塊管板上，具有下列優(yōu)點(diǎn)：
    ①由于殼體和管子分開，管束可以自由伸縮，流程較長(zhǎng)，流速較高，管側(cè)傳熱性能好，承壓能力強(qiáng)；
    ②只有1塊管板且無(wú)浮頭，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，在直徑相同的情況下?lián)Q熱面積最大，在高壓工況下金屬耗量比其它換熱器小，造價(jià)比其它換熱器低等。
    但這種換熱器存在下列缺點(diǎn)：
    ①U形管束在與換熟管垂直方向的中心部位存在較大空隙，易結(jié)垢，流體易走短路，使傳熱效率降低；
    ②管板上排列的換熱管較少，管板直徑及厚度均較大，管子與管板間的殘余焊接應(yīng)力大；
    ⑧換熱管的彎管段無(wú)支承件，管束易振動(dòng)，易在此處形成殼程流體流動(dòng)死區(qū)，易結(jié)垢，影響傳熱效果；
    ④需將管束從殼體內(nèi)抽出才能清洗管間污垢等。
    針對(duì)普通U形管換熱器的諸多不足之處，我公司改造設(shè)計(jì)了一種高效、安全、可靠的新型U形管換熱器，并獲得了技術(shù)專利權(quán)。
    新型U形管換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在流體流量較大、所需換熱面積較大的情況下，可采用串聯(lián)、并聯(lián)或串、并聯(lián)混合連接以滿足需求。該換熱器的主要特點(diǎn)是：將換熱器的簡(jiǎn)體和換熱管均設(shè)計(jì)制造成U形，換熱管的兩端分別固定在2塊管板上，在U形換熱管的彎管段設(shè)置折流桿或彈簧等管間支承件，在簡(jiǎn)體上設(shè)置供殼程清洗、排污用的接口。

    與普通U形管換熱器相比，新型U形管換熱器具有下列優(yōu)點(diǎn)：
    ①換熱器的筒體與換熱管均為U形，與換熱管垂直方向的管束中心處無(wú)較大空隙，殼程流體不易走短路或形成流體流動(dòng)死區(qū)，管間不易結(jié)垢；
    ②在U形換熱管的彎曲段設(shè)置了折流桿或彈簧、波網(wǎng)、空心環(huán)等管間支承件，可降低管束振動(dòng)，強(qiáng)化換熱管彎曲段的傳熱效果；
    ⑧在筒體上設(shè)置了供殼程清洗用的接口，使殼程清洗較方便；
    ④將U形換熱管的兩端分別固定在2塊管板上，減小了管板直徑和厚度，降低了管板與換熱管焊接時(shí)的拘束應(yīng)力及管子與管板間的焊接殘余應(yīng)力，可提高換熱器的安全可靠性。
3. 改進(jìn)型U型管換熱器在甲醇水冷器改造中的應(yīng)用
    我公司聯(lián)醇裝置中的粗甲醇水冷器的工藝條件為：氣量100000Nm3／h左右，進(jìn)氣溫度≤95℃，出氣溫度≤40℃，進(jìn)氣壓力≤12.5MPa，進(jìn)水溫度≤35℃，進(jìn)水壓力≤0.38MPa，水冷器的循環(huán)水進(jìn)、出口壓差≤0.2MPa。該水冷器原來(lái)由2臺(tái)換熱面積為240m2、管間支承件為折流板的普通U形管換熱器串聯(lián)組成，管內(nèi)介質(zhì)為氣體，管間介質(zhì)為循環(huán)水。
    在投產(chǎn)初期甲醇水冷器能基本滿足生產(chǎn)要求，但在運(yùn)行約1年后出現(xiàn)了下列問(wèn)題：
    ①管子與管板間焊縫多處開裂，且補(bǔ)焊不久又重新開裂；
    ②多根換熱管被磨損甚至穿孔，不得不多次堵管；殼程結(jié)垢嚴(yán)重，且清洗不方便；
    ③傳熱效率低，高溫季節(jié)水冷器的氣體出口溫度高達(dá)50℃，導(dǎo)致分離器出口氣體的醇含量偏高，每天損失粗甲醇約2.5t。
    經(jīng)分析認(rèn)為，造成上述問(wèn)題的主要原因是：
    ①管子與管板之間的連接采用了先脹后焊工藝，焊接時(shí)脹管過(guò)程中遺留于縫隙中的油污在高溫下生成氣體并受熱膨脹而從焊縫面逸出，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量，且管子與管板間焊縫未進(jìn)行消除應(yīng)力的退火處理；
    ②組合應(yīng)用U形管與折流板，且U形管的彎管段無(wú)管間支承件，導(dǎo)致較大的流體流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)，造成換熱管與折流板間的撞擊與磨損；
    ③殼程流體走短路，存在流動(dòng)死區(qū)。
    在粗甲醇水冷器的更新改造中，采用了圖1所示的改進(jìn)型U形管換熱器，由4臺(tái)換熱面積為120m2的換熱器串、并聯(lián)混合連接組成，并針對(duì)性作了下述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
    ①鑒于原水冷器在使用過(guò)程中有多根換熱管被磨損且殼程結(jié)垢嚴(yán)重的狀況，管間支承件選用了折流桿，以在換熱器的殼側(cè)建立固有的、無(wú)障礙的大橫截面流體流道，使殼側(cè)流體在整個(gè)殼程斷面內(nèi)以比較均勻的速度平行于管子軸向流動(dòng)，消除管束產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)的根源和殼程內(nèi)嚴(yán)重的滯流區(qū)域，產(chǎn)生由支撐桿引起的流體“卡曼旋渦”分離和折流圈引發(fā)的“文丘里”效應(yīng)，以防止管束振動(dòng)，減少殼側(cè)污垢，強(qiáng)化殼程傳熱，降低殼側(cè)壓降。
    ②為防止冷卻水沖刷殼程進(jìn)口處的換熱管段并造成侵蝕及振動(dòng)，減小殼程進(jìn)、出口接管與管板間的介質(zhì)停滯區(qū)而增加換熱管的有效換熱長(zhǎng)度，避免因?qū)Я魍舱紦?jù)殼程空間而減少管板上的排管數(shù)，同時(shí)在殼程進(jìn)、出口處設(shè)置了外導(dǎo)流筒。
    ⑧換熱管與管板之間的連接方式選用先焊后脹的強(qiáng)度焊加貼脹，并對(duì)管子與管板間焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理，以保證管子與管板間連接接頭的可靠性。
    新甲醇水冷器投入系統(tǒng)運(yùn)行4年多，完全能滿足工藝要求，且未曾出現(xiàn)換熱管與管板間連接接頭失效的情況。新、老粗甲醇水冷器在各自投入系統(tǒng)運(yùn)行30個(gè)月后的換熱效果對(duì)比情況見表1。

4. 結(jié)束語(yǔ)
    新型U形管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、金屬耗量小、熱補(bǔ)償性能好、殼程流體不易走短路以及管間不易結(jié)垢、防振性能好、殼程污垢清洗較方便、傳熱效率較高等優(yōu)點(diǎn)；且該換熱器在高壓工況下的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性比其它類型的換熱器高得多，值得大力推廣應(yīng)用。