于 嘯，解德甲，侯 巖，趙明明，張型波

（1.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070)

循環(huán)換熱分離器是煤制油費托合成［1-2］單元核心設備之一。上海藍濱石化設備有限責任公司通過整合大型煤制油裝置高效換熱與分離技術，進行了循環(huán)換熱分離器的國產(chǎn)化技術攻關，完成了首臺國產(chǎn)化煤制油費托合成單元循環(huán)換熱分離器的研制與開發(fā)，實現(xiàn)了在世界單套規(guī)模最大煤制油裝置中的應用。文中對研制的重點和難點進行分介紹、分析和總結。

1 循環(huán)換熱分離器簡介

神寧集團4 Mt/a煤炭深加工示范項目為全球單套裝置規(guī)模最大的煤制油項目，本項目以煤為原料，年轉(zhuǎn)化煤20.36 Mt，年合成油品4.05 Mt。裝置的大型化對提高空間利用率需求明顯，在提高單體設備性能的同時，需將實現(xiàn)不同工藝需求的設備一體化整合以減小占地，節(jié)省中間連接部分所占空間。經(jīng)調(diào)研論證提出熱交換器與分離器聯(lián)合的概念，循環(huán)換熱分離器為將傳熱和分離功能聯(lián)合為一體的設備。

1.1 工藝流程

費托合成單元循環(huán)換熱分離器工藝流程見圖1。來自反應器的高溫油氣經(jīng)循環(huán)換熱分離器，與循環(huán)氣（由凈化裝置的費托凈化氣、循環(huán)氣壓縮機出口循環(huán)氣、甲烷轉(zhuǎn)化的氫氣構成的混合氣體）換熱冷卻并分離，分離后的液相重質(zhì)油經(jīng)加熱后送至汽提塔，分離后的氣相高溫油氣進入油氣空冷器冷卻。

圖1 費托合成單元循環(huán)換熱分離器工藝流程示圖

費托合成單元為大流量氣體換熱，氣體間熱交換效率低，需實現(xiàn)高效傳熱以減小設備殼體直徑，控制設備大型化程度，故換熱部分采用具有高效傳熱性能的板殼式熱交換器。目前國際上具備循環(huán)換熱分離器研制能力的僅有2家公司。根據(jù)項目需求，這2家公司進行了相同設計條件不同裝置的產(chǎn)品研制。上海藍濱石化設備有限責任公司成功研制了具有自主知識產(chǎn)權的首臺國產(chǎn)化循環(huán)換熱分離器。

1.2 工藝參數(shù)

循環(huán)換熱分離器的主要設計參數(shù)見表1。

表1 循環(huán)換熱分離器主要設計參數(shù)

1.3 產(chǎn)品需求

循環(huán)換熱分離器的產(chǎn)品需求主要有3個方面。①功能組合。首次提出將反應進出料氣體換熱功能,高溫油氣氣、液分離功能聯(lián)合為一體的設備概念，需合理構造換熱部分與分離部分的組合方式，以實現(xiàn)功能性與產(chǎn)品經(jīng)濟性的統(tǒng)一。②換熱芯體防堵塞。費托反應產(chǎn)生的高溫油氣中攜帶固體顆粒，固體顆粒容易在傳熱元件結構間聚結，造成介質(zhì)流道堵塞，影響傳熱效果，因而高溫油氣側換熱元件間需設計為無接觸點直通道。③板束承壓。冷流體側與熱流體側的設計壓差超出大型全焊接板殼式熱交換器壓差設計范圍［3］，同時換熱元件無觸點需求對板束壓緊結構提出更為苛刻的設計要求。

1.4 技術路線

循環(huán)換熱分離器中，熱流體（高溫油氣）中的重質(zhì)油是目標分離流體，冷流體（循環(huán)氣）是循環(huán)流體。熱流體參與的熱交換是一個有相變的降溫過程，冷流體參與的熱交換是一個無相變的升溫過程?；诶洹崃黧w物性參數(shù)設計的介質(zhì)流程與走向為冷、熱流體純逆流間壁換熱。高溫油氣走板程，自上而下流動；循環(huán)氣走殼程，自下而上流動。完成熱交換后的氣、液混合物自上而下流動，徑向分離。此冷、熱流程設計可以減少熱交換器的熱損失，減小保溫材料厚度，同時有利于實現(xiàn)熱流體出口處油氣的分離。

2 循環(huán)換熱分離器結構設計

2.1 整體結構

循環(huán)換熱分離器整體上為立式結構，由2個功能模塊 （上部的換熱功能模塊和下部的分離功能模塊）和3段殼體（上殼體、下殼體及分離器殼體）構成，其主要結構示意圖見圖2。

圖2 循環(huán)換熱分離器主要結構示圖

2.2 功能模塊結構

2.2.1 換熱

換熱功能模塊采用板殼式熱交換器結構，在承壓回轉(zhuǎn)殼內(nèi)設置傳熱板束，傳熱板束主要由換熱芯體、芯體壓緊結構和支撐管板等組成。其中，換熱芯體由一定數(shù)量的板管 （板管主要由1對波紋板片焊接而成）依次疊摞構成，換熱芯體壓緊結構由壓緊板（壓緊板覆蓋在換熱芯體外側）、支持板（支持板套在壓緊板外）及加強筋等組成。支撐管板位于傳熱板束中部，懸掛于換熱模塊殼體上，是換熱板束的承重結構，同時也是殼程介質(zhì)進、出口的分隔結構。

2.2.2 分離

分離功能模塊位于循環(huán)換熱分離器殼體變徑段下方，換熱腔與分離腔之間用橢圓封頭分隔，板束出口中心管穿過分腔封頭伸入分離腔內(nèi)，中心管位于分離腔中的管段外壁開介質(zhì)流通孔，開孔處外壁面懸掛分離元件。

2.2.3 其他

殼體上設置1對設備法蘭，必要時可拆除上殼體，抽出板束對其進行檢查、維護、修理與更換。設備上、下部設置人孔，作為板束和膨脹節(jié)檢查、維護、修理時的進出通道。殼體外設裙座，支撐整體設備。

3 循環(huán)換熱分離器材料選擇

3.1 設備殼體

3.1.1 按標準選材

以高溫油氣入口處物流工藝參數(shù) （H2分壓1.39 MPa，最高操作溫度270℃）和循環(huán)氣出口處物流工藝參數(shù)（H2分壓1.886 MPa，最高操作溫度 219℃）為依據(jù)，查 HG/T 20581―2011《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》［4］中碳鋼曲線圖，結果表明高溫油氣及循環(huán)氣工作環(huán)境位于曲線下方，據(jù)此可判斷出該工況下循環(huán)換熱分離器殼體選用碳鋼能滿足設計條件要求。

3.1.2 按工況優(yōu)化

上殼體為設備的高溫段殼體，為了提高安全裕度，同時考慮設備安全運行長效性，優(yōu)選304L+15CrMoR復合材料。下殼體內(nèi)充滿循環(huán)氣進料，溫度較低，選用304L+Q345R復合材料。分離器殼體選材時主要考慮換熱后高溫油氣的溫度（約125℃），采用304L+Q345R復合材料。

3.2 其他零部件

分腔封頭、傳熱元件及分離元件制造用材均選擇304L不銹鋼。膨脹節(jié)為接觸、分隔兩側介質(zhì)的元件，考慮其工作條件特殊性，選用耐腐蝕和高溫性能更好的N06625，以滿足設備長周期運行的需要。

4 循環(huán)換熱分離器換熱芯體設計

4.1 現(xiàn)有結構應用可行性

換熱芯體基本傳熱元件為波紋板片。波紋板片在設備運行過程中將承受板、殼程設計壓差引起的壓力載荷，有法向彎曲變形的趨勢。傳統(tǒng)板殼式熱交換器平衡此壓力載荷的辦法是，將相鄰波紋板片設計成網(wǎng)狀接觸使之相互支撐，同時在外部增加壓緊結構使之抱緊換熱芯體［5］。而在費托單元中，反應產(chǎn)物走板束熱流體側，鄰板管間通道設計為接觸形式存在堵塞風險，需要使用具有單獨承壓能力的板管。目前符合每張板管具有單獨承壓能力要求的板片為平面蜂窩點焊結構［6］，其板片平滑無波紋，強化傳熱效果不能滿足目標需求。

4.2 專有換熱芯體設計

針對費托合成單元工況特點及傳熱、流阻與力學性能等需求，采用有限元數(shù)值分析模擬仿真及樣機試驗驗證的方式，開發(fā)了一種板片波紋型式。沿介質(zhì)流動方向設置向單側內(nèi)凹的波紋，2張板片組對時內(nèi)凹波紋互相接觸，壓緊使其相互貼合，連接板片波紋觸點，然后用長鑲條封堵板管周邊，形成具有單獨承壓能力的板管。在介質(zhì)進口和出口處設置帶孔長鑲條，構成板管內(nèi)部的冷循環(huán)氣通道。在2張板管間，沿板長方向設置1對長板條，形成相鄰板管間熱高溫油氣無觸點直通通道。板管與長板條依次交替疊摞，構成循環(huán)換熱分離器傳熱板束換熱芯體。

4.3 波紋板片焊接

單板管板片波紋之間的搭接焊是板管制造的難點。薄板焊接適用的方法有氬弧焊、電阻縫焊及激光焊等。其中，氬弧焊用于搭接焊接，熔深寬、焊接變形大，不適用于單面施焊的薄板搭接焊。電阻縫焊不適用于結構不連續(xù)的焊接場合。激光焊接具有能量集中、熱輸入小、焊縫成形好等優(yōu)點，且容易實現(xiàn)自動控制，但激光焊一般用于精密的小工件焊接。

循環(huán)換熱分離器板管的焊接具有單板大工件密集搭接焊特征，其激光焊接操作在國內(nèi)外均無先例。為此從焊接強度、微觀組織和腐蝕性能等方面進行了工藝評定試驗及質(zhì)量試驗，形成的基本焊接參數(shù)經(jīng)多次調(diào)校后能完全滿足板片焊接要求，實現(xiàn)了大工件薄板搭接焊采用激光焊的突破。

5 循環(huán)換熱分離器換熱芯體壓緊結構設計

壓緊結構是循環(huán)換熱分離器換熱功能模塊流體介質(zhì)的分程元件，具有平衡板程、殼程介質(zhì)設計壓差的作用，主要由壓緊板、支持板、外弧板、加強板、支持板橫梁及縱向筋板組成，其結構示意圖見圖3。壓緊板為平板，長、寬尺寸分別與換熱板片長、寬尺寸相當，沿壓緊板長度方向設置了若干支持板，在相鄰支持板圓弧段外緣設置了外弧板，相鄰支持板間設置縱向筋板，支持板內(nèi)矩形拐角處增設加強板，支持板橫梁間增加縱向立筋并與各支持板焊接連接。

圖3 循環(huán)換熱分離器換熱模塊板束壓緊結構示圖

此設計綜合考慮了壓緊板的抗彎能力、支持板橫梁的拉伸強度、支持板橫梁的壓桿穩(wěn)定性及設備的輕量化等因素。其中，壓緊板、支持板與外弧板形成的工字形截面為壓緊板提供了足夠的抗彎能力，相鄰支持板間的縱向筋板為防止支持板傾覆提供了保障，支持板內(nèi)矩形拐角處的加強板對局部結構不連續(xù)處的強度進行了加強，支持板橫梁間的縱向立筋及其與各支持板的焊接減少了支持板橫梁的壓桿長度，支持板兩側的弓型缺口構成了殼程介質(zhì)進、出換熱芯體的流通通道，支持板橫梁承受了板程、殼程壓差引起的軸向載荷（板程壓力較高時承受軸向拉伸載荷，殼程壓力較高時承受軸向壓縮載荷）。

6 循環(huán)換熱分離器設備法蘭夾持管板結構設計

6.1 標準管板可行性分析

選擇 GB/T 151―2014 《熱交換器》［7］中 a 型標準管板，按照設備直徑和壓力載荷進行計算。結果表明，墊片壓緊力大，螺栓載荷高，設備法蘭耗材大，管板結構密封不可靠［8-9］。

6.2 非標準管板密封設計

設備法蘭夾持管板結構由設備法蘭、密封焊唇、墊片及管板構成，其結構示意圖見圖4。此設計兼顧了密封可靠性和經(jīng)濟性原則，設備法蘭采用焊唇密封結構［10］，法蘭內(nèi)表面加工凹槽，管板支撐在設備法蘭凹槽中。在設備法蘭凹槽與管板間設置墊片，殼體組對后上緊部分設備法蘭螺栓使密封唇貼合，確認墊片達到預壓緊狀態(tài)后焊接設備法蘭密封唇。

圖4 設備法蘭夾持管板結構示圖

此種結構設備法蘭尺寸小，外部只有一道環(huán)焊縫，殼體密封可靠，且滿足管板分程要求。為防止墊片壓緊不到位致使焊唇無法貼實、內(nèi)密封影響外密封以及墊片比壓力過大需提供額外附加螺栓載荷的問題，選擇不同材料墊片進行壓縮率及回彈率試驗，并匹配設計管板與法蘭凹槽間隙及墊片厚度，實現(xiàn)了一種可靠的管板分程單道焊接密封可拆法蘭結構。

7 循環(huán)換熱分離器有限元分析計算

7.1 工況分析

循環(huán)換熱分離器的承壓元件大部分可根據(jù)GB/T 150.1 ～150.4―2011《壓力容器》［11］進行設計計算。對于無標準計算公式的板束主要承壓部件芯體壓緊結構，采用有限元方法進行應力分析及評定。由于芯體壓緊結構承受內(nèi)壓與承受外壓時僅支持板橫梁受力狀態(tài)不同，故內(nèi)壓工況的有限元計算結果滿足設計要求時，對外壓工況，僅需按照 GB 50017―2017 《鋼結構設計規(guī)范》［12］校核支撐板橫梁滿足穩(wěn)定性要求即可［13］。

7.2 建模分析

根據(jù)芯體外加強結構的特點，利用結構和載荷的對稱性，壓緊板選用1/2模型，支持板選用1/4模型，壓緊板長度為支持板間距，支持板選取3塊，跨中布置，附加外弧板與加強板，建立三維實體模型。結構分析采用ANSYS軟件中的8節(jié)點三維實體單元SOLID 185，對幾何模型劃分網(wǎng)格［14］，結果見圖5。在模型的對稱面施加對稱約束，壓緊板一端施加軸向位移約束，另一端施加等效壓力載荷，壓緊板內(nèi)壁施加設計壓差，力學分析模型見圖6。

圖5 板束主要承壓部件芯體壓緊結構模型網(wǎng)格

圖6 板束主要承壓部件芯體壓緊結構力學模型

7.3 結果及討論

通過ANSYS求解后芯體壓緊結構整體應力強度分布云圖見圖7。對應的局部結構應力強度評定按 JB 4732-1995（2005確認）《鋼制壓力容器--分析設計標準》［15］確定。其中，一次總體薄膜應力強度 SⅠ=Pm≤KSm，一次局部薄膜應力強度SⅡ=PL≤1.5KSm，一次薄膜加一次彎曲應力強度SⅢ=PL+Pb≤1.5KSm，一次加二次應力強度SⅣ=PL+Pb+Q≤3KSm。其中 Pm為一次總體薄膜應力,Sm為設計應力強度,PL為一次局部薄膜應力，Pb為一次彎曲應力，Q為二次應力；K為載荷綜合系數(shù)，取 1.0。

圖7 板束主要承壓部件芯體壓緊結構應力強度分布云圖

根據(jù)分析結果，在高應力區(qū)域危險截面和結構特征截面沿壁厚方向選取路徑進行線性化處理［16］，按照標準要求進行強度評定，設定的路徑見圖8。路徑A為支持板橫梁中心處，路徑應力曲線見圖9；路徑B為壓緊板中心處，路徑應力曲線見圖10；路徑C為過應力強度最大點處，路徑應力曲線見圖11；路徑D為支持板拐角處，路徑應力曲線見圖12。

圖8 板束主要承壓部件芯體壓緊結構路徑位置示圖

圖9 板束主要承壓部件芯體壓緊結構路徑A應力曲線

圖10 板束主要承壓部件芯體壓緊結構路徑B應力曲線

圖11 板束主要承壓部件芯體壓緊結構路徑C應力曲線

圖12 板束主要承壓部件芯體壓緊結構路徑D應力曲線

路徑A最大一次總體薄膜應力強度SⅠ為應力強度許用極限的80.9%，一次薄膜加一次彎曲應力強度SⅢ為應力強度許用極限的 92.0%；路徑B最大一次總體薄膜應力強度SⅠ為應力強度許用極限的21.8%，一次薄膜加一次彎曲應力強度SⅢ為應力強度許用極限的61.1%；路徑C最大一次局部薄膜應力強度SⅡ為應力強度許用極限的45.8%，一次加二次應力強度SⅣ為應力強度許用極限的62.6%；路徑D最大一次總體薄膜應力強度SⅠ為應力強度許用極限的67%，一次薄膜加一次彎曲應力強度SⅢ為應力強度許用極限的62.8%。指定截面路徑的應力強度評定結果均在應力強度許用極限范圍內(nèi)，證明換熱芯體壓緊結構的強度滿足設計要求。

8 結語

上海藍濱石化設備有限責任公司研制的循環(huán)換熱分離器，滿足功能組合、換熱芯體防堵塞及板束承壓等方面的需求。循環(huán)換熱分離器實現(xiàn)了高效換熱與分離技術的組合，有效地減小了設備占地面積，降低了介質(zhì)流動能耗損失。設計的強化傳熱板管具有單獨承壓能力，能有效避免換熱芯體堵塞，是對全焊接板殼式熱交換器應用場合的一次拓寬。設計的板束壓緊結構在保證板束承壓可靠性的同時可實現(xiàn)結構輕量化，為外圓內(nèi)方矩形承壓結構提供了一種可選方案［17］。目前，該設備在世界單套裝置規(guī)模最大的煤制油項目工業(yè)裝置中運行平穩(wěn)，表現(xiàn)出了優(yōu)良的工藝性能，取得了顯著的經(jīng)濟效益，獲得了明顯的節(jié)能降耗效果［18］，標志著國產(chǎn)循環(huán)換熱分離器填補了大型煤制油領域關鍵設備的空白。