大型板殼式換熱器在重整裝置的應用

王志坤
摘要　介紹了國家大型焊接板殼式換熱器在重整裝置的應用情況,總結了焊接板殼式換熱器在使用中的優點和經濟性。
板殼式換熱器結構形式介于管殼式換熱器和板式換熱器之間,結合了這兩種換熱器的優點,被廣泛應用于食品、化工、輕工、醫藥和電力行業。但由于煉油裝置中使用的換熱設備大多處于高溫、高壓條件下,操作條件波動大,在煉油行業中并未得到廣泛應用。20 世紀80 年代起歐美國家開始開發應用于煉油化工行業的板殼式換熱器, 其中法國PACKINOX公司開發的新型板焊式換熱器在重整、加氫等煉油裝置帶到了廣泛的應用。國內在90 年代開始由蘭州石油機械研究所與中國石化北京設計院根據國內煉油、化工領域生產裝置的要求共同研制開發了大型板殼式換熱器。
一、大型焊接板殼式換熱器簡介
華北石化公司30 萬tPa 催化重整裝置,在重整二段混氫進料P反應產物換熱器（ E202） 選用了蘭州石油機械研究所生產的焊接板殼式換熱器。換熱器的規格參數見表1。

換熱器由板束和殼體組成,結構見圖1。冷流由設備底部進入板束板程,由設備頂部流出;熱流由設備上側開口進入板束殼程,由設備下側開口流出,兩流體在板束中呈全逆流換熱。在板束下端設置膨脹節用于解決熱膨脹問題。換熱器板束（長6m） 是由0. 8mm 不銹鋼板經模具壓制成型后疊合焊接而成。采用程控自動氬弧焊焊接板片兩側縱向長焊

縫組成板管。再將設計要求數量的板管疊合組成板束,在板束的兩端焊接板管與板管間的橫焊縫,zui后將板束與分隔連接板焊接。換熱器板束結構見圖2。

板殼式換熱器采用波紋板片做為傳熱元件,物料在兩件波紋板之間的縫隙通過。這些波紋使流體不斷改變流動方向,產生旋轉和扭轉,形成許多微細的渦流,從而使流體內各部分的質點不斷迅速轉移,使熱交換迅速進行,表面壓成波紋也增大了實際換熱面積,這些因素都顯著加強了傳熱過程。一般情況下臨界雷諾數為400 時就可達到旺盛湍流,傳熱效率是管殼式換熱器的2～3 倍。
蘭州石油機械研究所生產的板殼式換熱器*了可拆卸結構,維修方便。和國外PACK2INOX公司換熱器的主要區別見表2。

二、板殼式換熱器在重整裝置的使用情況
華北石化公司30 萬tPa 催化重整裝置的簡要工藝流程如圖3。

該換熱器自2003 年4 月重整裝置開工運行以來,一直運行良好,換熱器的工藝參數見表3。使用一年多來,由于裝置處理量較小,沒有達到換熱器的設計負荷,但從運行情況來看效果良好,板殼式換熱器具有以下特點:
1. 傳熱效率高。由于采用波紋板片做為傳熱元件,使它的傳熱系數比一般管式加熱器高幾倍。另外,板殼式換熱器可實現真正的“純逆流”換熱,與管殼式挽熱器相比,冷端及熱端溫差可以由通常的50～80 ℃降低到12～30 ℃,可以多回收熱量,大大節約了裝置的操作費用。
2. 壓力降小。由于管束直通,無須設置折流板,一般換熱器壓降小于0. 05MPa。另外,在存在氣、液兩相流的情況下,還克服了管殼式換熱器由于介質折流“翻轉”造成的氣、液兩相分離。
3. 污塞傾向小。流體的強烈湍流還減少了懸浮微粒在換熱面上的沉積和結垢,另外結構中不存在死角,使設備的維護和清掃非常方便。
4. 結構緊湊。由于傳熱系數高,在完成同樣換熱任務的情況下,板殼式換熱器的體積小、重量輕,耗用金屬量少,從而可大大節約用戶的設備安裝空間及安裝費用。
5. 安全可靠。與管殼式換熱器一樣,除了受壓力容器設計級別限制外,板殼式換熱器的使用壓力沒有的限制。另外,采用焊接結構,消除了部分靜密封點,減少了泄漏的發生,提高了設備安全系數。目前重整裝置板殼式換熱器已經有連續運轉10 年*的經驗。
三、板殼式換熱器的經濟性分析
首先,節約設備初期投資。以公司30 萬tPa 催化重整裝置二段混氫換熱器E202 為例,采用板殼式換熱器與采用管殼式換熱器相比,傳熱面積節省168m2 ,總高度減少7m ,設備本身重量減少13t ,數據見表4 ,可節省設備投資32. 5 萬元。

由于設備體積減少,重量減輕,相應的鋼結構和附屬管線的安裝費用及設備安裝費用有所降低。由于該設備換熱效率高,因此可相應地減少加熱爐及其后冷卻器的熱負荷,減少加熱爐和后冷卻器的設備投資。

其次,設備運行效益提高,維護費用降低。由于板殼式換熱器比立管式換熱器的傳熱效率高,對30 萬tPa 重整裝置按熱流出口溫度降低10 ℃計算,可多回收熱量357925kJ ,相應地減少加熱爐及其后冷卻器的熱負荷,按加熱爐燃料低熱值33528kJPkg ,每小時節約燃料10. 7kg。按年操作時間8400h ,每噸燃料費830元計算,板式換熱器與管殼式換熱器相比,每年節省燃料90t ,每年節省燃料費7. 47 萬元。每年節約空冷器電費4 萬元。另外,板殼式換熱器壓降低,減少循環氫壓縮機的功率損失,在相同情況下可以相應提高裝置處理量。

四、結語

裝置應用板殼式換熱器一年多來,效果良好,取得了良好的經濟效益。隨著國內煉油、化工裝置的大型化和對關鍵換熱設備增效節能要求的提高,尤其對于催化重整、加氫裝置中的進料和反應產物換熱器,由于其冷熱流進口溫差大（約為400 ℃） ,流量大,熱負荷高,應用板殼式換熱器可以降低裝置能耗、節約投資和減少操作費用。國外板殼式換熱器已成為煉油廠催化重整、加氫及芳烴車間的標準設備,Packinox 公司生產的板殼式換熱器單板zui大尺寸可達1400mm ×16000mm ,單臺設備zui大傳熱面積可達8000m2 。目前,國產zui大的3000m2 板殼式換熱器已經在重整裝置得到了成功應用。