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(yīng)用情況,總結(jié)了焊接板殼式換熱器在使用中的優(yōu)點和經(jīng)濟性。
板殼式換熱器結(jié)構(gòu)形式介于管殼式換熱器和板式換熱器之間,結(jié)合了這兩種換熱器的優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于食品、化工、輕工、醫(yī)藥和電力行業(yè)。但由于煉油裝置中使用的換熱設(shè)備大多處于高溫、高壓條件下,操作條件波動大,在煉油行業(yè)中并未得到廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì)80 年代起歐美國家開始開發(fā)應(yīng)用于煉油化工行業(yè)的板殼式換熱器, 其中法國PACKINOX公司開發(fā)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(yīng)用。國內(nèi)在90 年代開始由蘭州石油機械研究所與中國石化北京設(shè)計院根據(jù)國內(nèi)煉油、化工領(lǐng)域生產(chǎn)裝置的要求共同研制開發(fā)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(yīng)產(chǎn)物換熱器（ E202） 選用了蘭州石油機械研究所生產(chǎn)的焊接板殼式換熱器。換熱器的規(guī)格參數(shù)見表1。

換熱器由板束和殼體組成,結(jié)構(gòu)見圖1。冷流由設(shè)備底部進入板束板程,由設(shè)備頂部流出;熱流由設(shè)備上側(cè)開口進入板束殼程,由設(shè)備下側(cè)開口流出,兩流體在板束中呈全逆流換熱。在板束下端設(shè)置膨脹節(jié)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(jīng)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(cè)縱向長焊

縫組成板管。再將設(shè)計要求數(shù)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(jié)構(gòu)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn),形成許多微細的渦流,從而使流體內(nèi)各部分的質(zhì)點不斷迅速轉(zhuǎn)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(shù)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(chǎn)的板殼式換熱器*了可拆卸結(jié)構(gòu),維修方便。和國外PACK2INOX公司換熱器的主要區(qū)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(shù)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(shè)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(shù)比一般管式加熱器高幾倍。另外,板殼式換熱器可實現(xiàn)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(jié)約了裝置的操作費用。
2. 壓力降小。由于管束直通,無須設(shè)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(zhì)折流“翻轉(zhuǎn)”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(jié)垢,另外結(jié)構(gòu)中不存在死角,使設(shè)備的維護和清掃非常方便。
4. 結(jié)構(gòu)緊湊。由于傳熱系數(shù)高,在完成同樣換熱任務(wù)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(jié)約用戶的設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu),消除了部分靜密封點,減少了泄漏的發(fā)生,提高了設(shè)備安全系數(shù)。目前重整裝置板殼式換熱器已經(jīng)有連續(xù)運轉(zhuǎn)10 年*的經(jīng)驗。
三、板殼式換熱器的經(jīng)濟性分析
首先,節(jié)約設(shè)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(jié)省168m2 ,總高度減少7m ,設(shè)備本身重量減少13t ,數(shù)據(jù)見表4 ,可節(jié)省設(shè)備投資32. 5 萬元。

由于設(shè)備體積減少,重量減輕,相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)和附屬管線的安裝費用及設(shè)備安裝費用有所降低。由于該設(shè)備換熱效率高,因此可相應(yīng)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(shè)備投資。

其次,設(shè)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(yīng)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(jié)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(jié)省燃料90t ,每年節(jié)省燃料費7. 47 萬元。每年節(jié)約空冷器電費4 萬元。另外,板殼式換熱器壓降低,減少循環(huán)氫壓縮機的功率損失,在相同情況下可以相應(yīng)提高裝置處理量。

四、結(jié)語

裝置應(yīng)用板殼式換熱器一年多來,效果良好,取得了良好的經(jīng)濟效益。隨著國內(nèi)煉油、化工裝置的大型化和對關(guān)鍵換熱設(shè)備增效節(jié)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(yīng)產(chǎn)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(yīng)用板殼式換熱器可以降低裝置能耗、節(jié)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,Packinox 公司生產(chǎn)的板殼式換熱器單板zui大尺寸可達1400mm ×16000mm ,單臺設(shè)備zui大傳熱面積可達8000m2 。目前,國產(chǎn)zui大的3000m2 板殼式換熱器已經(jīng)在重整裝置得到了成功應(yīng)用。