全焊接板式换热器的应用

                                       全焊接板式换热器的应用 
                                                 高　诚
    (中国石油集团工程设计有限责任公司抚顺分公司,辽宁抚顺113006)
    摘要：介绍了全焊接板式换热器在华北石油管理局8万t/a乙苯装置设计中的应用情况,及其性能与结构特点,它作为一种新型高效换热器的优越性,并列举了一些实例。
    关键词：板式换热器;传热效率;换热器应用
    中图分类号：TQ 051.5　　文献标识码：A　　文章编号：1671 0460(2006)02 0126 02
    在华北石油管理局8万t/a乙苯装置设计中,针对贫吸收剂-富吸收剂这一换热工况存在传热强度低、反传热严重,若采用常规管壳式换热器需多台设备串、并联才能满足工艺要求的情况,决定采用已在国内众多炼厂成功使用的新型换热设备,全焊接板式换热器。
    1·设计选型
    针对华北石油管理局8万t/a年乙苯装置设计中,贫吸收剂-富吸收剂这一换热工况进行具体分析,并对各种形式换热器进行横向比较,且根据全焊接板式换热器在各厂家的应用情况及效果,最终选用兰州石油机械研究所研制开发的,已获得中国国家专利的全焊接板式换热器。
    贫吸收剂-富吸收剂换热器主要工艺操作数据如下:①壳程介质(贫吸收剂)入出口温度:125.2~40℃,进口压力:0.25 MPa(G),总流量:78 964 kg/h ;②管程介质(富吸收剂)入出口温度:30~120℃,进口压力:1.11 MPa(G),总流量:66 362 kg/h。 
    根据以上工艺设计参数,用兰州石油机械研究所自行研究开发的全焊接板式换热器工艺设计计算软件进行了该设备的工艺计算和优化设计,确定选用一台面积为700 m2全焊接板式换热器,面积富裕量49 %,管程压降0.005 MPa,壳程压降0.004 MPa,完全满足工艺设计要求。
    2·性能特点
    一般情况下,板式换热器总传热系数比列管式换热器大1~3倍以上;在相同换热面积时板式换热器流通面积比列管换热器大5倍,压降小;紧凑度方面:列管式换热器为78 m2/m3,板式换热器为220 m2/m3;最小传热温差:列管式换热器为3~5℃,板式换热器为1~3℃。
    与列管式换热器相比,全焊接板式换热器在传热性能方面更具优势,这主要是由于:
    ①传热板片沿流体流动方向的流道断面形状不断变化,大大加强了流动的扰动,因而能在很低的雷诺数下形成湍流,从而增强了流体的传热性能。通常情况下,同一种流体在列管式换热器内当雷诺数为4 000~6 000时,才能达到湍流状态,而在全焊接板式换热器内当雷诺数为100~300时,就可达到湍流状态。
    ②板式传热元件没有管内膜阻放大效应,同时由于其光滑的传热表面、均匀的流动场及不锈钢材质,使其具有更小的污垢热阻。通常其污垢热阻仅为列管式换热器污垢热阻的1/5~1/4,可以确认的是无论在什么情况下,污垢系数不超过0.000 50 m2h℃/kJ。
    3·结构特点
    全焊接板式换热器的典型结构如图1所示。
               
    板束是采用独创的整板分次连续压制成型、接刀、定位与找正技术,由0.7 mm不锈钢薄板压制成型后的板片叠合而成。其板型主要有SR顺人字型、RZ2软硬人字型、GP鼓泡型、LT型、LT2型、LT3型,其中SR顺人字型、RZ2软硬人字型为纯逆流,用于操作介质较干净的场合;LT型、LT2型为交错流,可机械清洗,用于需要清洗的场合。
    与国外同类产品相比较,兰州石油机械研究所研制开发的全焊接板式换热器在结构方面主要有以下特点:
    ①板片采用整板步进连续模压成型技术,成型工艺简单,成本低,成品率高;而进口产品板片采用水爆成型,成型工艺复杂,成本高,成品率低。
    ②板束仅由单层头盖构成,结构简单,可维修性好;而进口产品板束端部头盖由外头盖和内头盖两层组成,结构复杂,可维修性差。
    ③板束通过设备法兰夹持支撑管板,支撑管板悬挂板束,支撑管板与法兰之间采用无垫片密封结构,密封性能可靠。板束可在现场抽出进行维修、更换。而进口产品板束悬挂在壳体内壁支架上,设备受压壳无可拆法兰,板束无法更换,设备技术经济性差。
    ④板束采取压板与支持板的特殊结构设计,板束承受正压差能力不受限制,反压差最大可达1.0 MPa,550℃,放宽压差条件,大大提高了设备的操作弹性,增强了设备的安全可靠性;而进口产品板束承受正压差(壳程压力高于板程压力)不受限制,反压差(板程压力高于壳程压力)不得大于0.1 MPa,压差限制条件苛刻,板束压差适应范围窄,尤其在开停工阶段,操作要求严格,存在失效隐患。
    ⑤板束的上下端设置了与设备中心线同心的膨胀节,不仅吸收板束与壳体之间的热膨胀差,而且吸收板束板片与压板热膨胀不均衡、热响应速度不一致产生的热膨胀差。其优良的热补偿能力,大大提高了设备的抗温度冲击能力,可靠性好;而进口产品无法解决板束本身热膨胀不均衡、热响应速度不一致问题,要求设备的升降温速度不大于30℃/h。这一苛刻操作要求在系统紧急停车过程中很难控制,易造成被动的设备事故。
    4·应用实例
    目前,兰州石油机械研究所研制开发的全焊接板式换热器已陆续在湛江、金山、前郭、大港、华北任丘、玉门、林源、锦州等重整装置及乙苯装置中投入使用,并取得了良好的应用业绩。