宽间隙板式换热器在挤压造粒单元中的应用

                                               胥　丹1,2

    (1.兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州　730050;2.兰州兰石换热设备有限责任公司,甘肃兰州　730050)

    摘要:宽间隙板式换热器不仅具有普通板式换热器传热效率高、结构紧凑的优点,而且还具有波纹深的特点,因此特别适用于含有纤维、粘稠或固体颗粒物料之间的换热。以聚乙烯装置挤压造粒单元中切粒水换热器为例,介绍了其结构特点和应用工艺,并与普通板式换热器进行了比较,建议在此类工况下,积极推广应用宽间隙板式换热器。

    关键词:板式换热器;宽间隙;挤压造粒单元;应用;结构;特点

    中图分类号: TQ 051.5　　　　文献标志码: B

    挤压造粒单元是聚乙烯装置中的3个主要单元之一,切粒水冷却器则是该单元的核心换热设备[1]。切粒水换热器通过回收切粒过程中产品的热量,使切粒水循环使用,可有效降低冷却过程中所需的脱盐水消耗量。装置规模越大,采用切粒水冷却器的节能效果越显著。

    切粒水工况具有处理量大、热负荷高及固体颗粒含量大等特点,要求设备流通截面宽且不容易堵塞,以保证装置连续正常运行。一般较窄间隙的板式换热器很难满足这些要求。宽间隙板式换热器具有常规板式换热器传热效率高、占地空间小的特点,同时又具有较大的板间距,可以保证装置的连续运行,因此,国内外多采用宽间隙板式换热器作为挤压造粒单元换热器[2~7]。

    1　切粒水冷却器

    切粒水冷却器通过循环冷却水交换在造粒开车过程中切粒水所吸收的模板和颗粒的热量[1],将切粒水温度控制在工艺所需要的温度范围内。此换热器设计压力0.7 MPa,设计温度90℃,热介质为切粒水(脱盐水),冷介质为循环水。热介质中含悬浮物,其质量分数为0.1%,颗粒直径为1 mm。

    切粒水冷却器与常规水-水换热器的明显区别是其介质较为特殊。在循环过程中,热侧切粒水携带并且输送颗粒,虽然经过筛分系统将水与颗粒分开,但是其中仍然含有大量的颗粒和纤维。设备运行过程中,固体颗粒会沉积在板片上,堵塞流道,影响传热效果。

    切粒水侧用板片和循环水侧用板片使用情况见图1和图2,可以看出,与切粒水接触的一面板片波纹内聚集了大量固体物质,而与循环水接触的另一面几乎没有污垢。由于介质原因造成的换热器表面的垢层,会随时间的推移越积越厚。如果流道宽,即使有垢层存在,流体也可以通过流道,因此可以延长设备的运行时间(即检修周期长)。如果流道窄,随着垢层的增加,流道会被堵死,设备无法运行,需要经常拆卸清洗。例如某装置所用常规板式换热器,通常2周就必须清洗1次。

                           

    由此可以看出,切粒水换热器是操作工况比较苛刻的水-水换热器,为了减少堵塞,延长设备的运行周期,要求板间隙大于15 mm。在现有的大型聚乙烯装置中,首选宽间隙板式换热器作为切粒水冷却器。

    尽管宽间隙板式换热器可以延长运行时间,但也必须定期清洗。为了不影响整套装置的连续运行,切粒水冷却器配置为一用一备,即1台设备检修时,另1台设备通过阀门切换投入运行。在装置负荷提高时,也可以2台设备同时开启,以提高装置的操作弹性。

    2　宽间隙板式换热器简介

    板式换热器是一种高效换热器[2],波纹深度和波纹形式各不相同,由于常规板片间流通截面狭窄,水质不好形成水垢和污物沉积都容易造成板式换热器堵塞[3]。常规板式换热器和宽间隙板式换热器的波纹深度和板间距对比见表1,从表1可以看出,宽间隙板式换热器的板间距是常规板式换热器板间距的2~3倍,特别适用于含有纤维、粘稠以及固体颗粒的介质换热。宽间隙板式换热器可以保证固体颗粒在其流道内自由流动,没有堵塞,垢层聚集慢,通常可以保证系统连续运行2~3 a,极大地减少设备维修工作量。

                

    2.1 切粒水冷却器处理量及基本参数

    不同装置中切粒水冷却器处理量对比见表2。以表2可以看出,不同规模装置中,切粒水换热器的设置均为2台(1用1备),随着装置规模的加大,切粒水换热器的流量也随之加大,说明大型宽间隙板式换热器适用于此工况。

             

    切粒水冷却器基本参数见表3,从表3中可以看出该设备的设计压力和温度都不是很高。板式换热器最高设计压力为2.5 MPa,最高设计温度为180℃,因此切粒水冷却器所处工况比较适合选用板式换热器。

             

    2.2　切粒水冷却器板片选材

    切粒水冷却器一侧为颗粒水(脱盐水),另一侧为循环水,循环水温度低于50℃,循环水中氯离子质量浓度为150 mg/L。对于水-水板式换热器,其板片材质通常选用奥氏体不锈钢,各材质耐Cl-腐蚀的数据见表4,由表4可以看出,316L在50℃能耐180 mg/L的Cl-,因此切粒水冷却器板片材质选用316L。

           

    2.3　流道组合形式

    2.3.1　常规板式换热器

    常规板式换热器流道形式见图3。板片是波纹形式,同一流道中板间距不断变化,最宽板间距为2个波纹深度,最窄处为0,两长板片的波峰相接触,形成触点。

                         

    2.3.2　宽间隙板式换热器

    宽间隙板式换热器流道可以分成宽-窄流道和宽-宽流道2种形式,见图4。

                         

    宽-窄流道(图4a)中,宽流道通过深波纹(筋)互相支撑呈矩形波纹管状,流道间距很大,两板片人字形波纹部分无触点,流体在矩形流道内流动流畅,特别适合于含有固体颗粒的介质,阻力降非常小。窄通道与常规的人字形波纹板型形成的流道相同,两板片接触形成网状触点,适合于较干净的介质,流体在流道内呈三维流动形式,强化了传热,其阻力降相对较高。

    宽-宽流道(图4b)中,两种流体流道均为通过深波纹(筋)和人字形波纹支撑,呈非规则矩形波纹管状,流道间距大,流体在矩形流道内流动较畅通,比较适合于粘稠状或含有部分固体颗粒的介质,阻力降较小。

    3　切粒水冷却器运行及清洗

    宽间隙板式换热器与常规板式换热器运行效果见表5。

              

    换热器运行一段时间后,悬浮物会沉积在换热器表面,这些垢层形成附加热阻,使传热系数减小,换热器传热性能下降,切粒水出口温度升高,压降增加,无法保证切粒水温度满足工艺要求,换热器达不到初步设计时的性能。因此换热器的定期清洗是非常必要的,既可以保证设备连续运行,又可以避免系统非正常停车。换热器的清洗方法一般分为机械清洗和在线清洗2种。对于板式换热器来说,前者主要是将换热器解体,人工逐片去除换热面上的垢层,然后重新组装。此方法只能在换热器完全脱离系统时采用,不但费时、费力,而且重新组装时对换热器的夹紧尺寸要求较高。同时,换热板片间的封闭垫片容易损坏,要保证设备的密封性,就必须更换一部分损坏的胶垫,增加了备件费用。而在线清洗不但可以使换热器在不脱离换热系统时得到清洗,免去设备解体的麻烦,而且方法简单、省时省力、周期短、见效快,极大降低了劳动强度[4]。宽间隙板式换热器与常规板式换热器维修方面对比见表6。从表6可以看出,由于减少了维修频次,使设备正常运行时间延长,产量增加,每年至少节约清洗费用10万元。

               

    2006-03,切粒水冷却器随造粒系统投入运行,运行过程中每年对设备进行一次在线反冲洗,2台设备交替运行/清洗。截止到2009-04,切粒水冷却器已连续运行超过3 a,没有发生泄漏、堵塞等故障,也没有拆卸板式换热器进行机械清洗,使用过程中无需更换密封胶垫,使设备管理达到了零故障率、零维修、零备件。2009-05大修期间,对切粒水冷却器进行了拆卸,板片上的悬浮物用水冲洗后未发现垢层,说明宽间隙板式换热器适合此工况,也验证了在线清洗完全可以达到清洗效果。

    4　结语

    宽间隙板式换热器在挤压造粒单元的成功应用,表明其完全能够满足该工况对传热、检修等方面的要求,是性价比较合理的设备。在适合选用宽间隙板式换热器的场合,如炼油、石化、制糖、酒精、乳胶、化纤、食品、造纸和余热回收等行业使用该设备,从初期投入到节能降耗、检修、维修等方面的经济效益均非常可观,应用前景良好,建议在此类工况下推广使用高效节能的宽间隙板式换热器。

    参考文献:

    [1]　刘廷华,魏丽乔,吴世见,等.聚合物成型机械[M].北京:中国轻工业出版社,2005.

    [2]　秦叔经,叶文邦.换热器[M].北京:化学工业出版社,2003.

    [3]　刘　罡,王　健.用反冲-酸洗法清洗板式换热器[J].节能与环保,2005,(10):53-54.

    [4]　李华峰,陈　选.板式换热器常见故障及处理[J].清洗世界,2007,23(9):20-24.

    [5]　常春梅.国内可拆卸板式换热器现状及发展趋势[J].石油化工设备,2008,37(5):64-67.

    [6]　陈兴虎,钱义刚,刘至祥,等.换热器密闭循环在线清洗技术研究与应用[J].石油化工设备,2007,36(2):89-91.

    [7]　马小明,刘慧华.板式换热器板片失效分析[J].石油化工设备,2007,36(3):97-100.