蔣燕，胡艷泳，王懷振，劉嘉鈺，欒輝寶

（1. 中國石化南京工程有限公司，江蘇 南京 210049； 2. 中國船舶集團(tuán)第七一一研究所，上海 201100）

低溫甲醇洗是大型煤化工中常用的氣體凈化工藝，由德國林德（Linde）公司和魯奇（Lurgi）公司聯(lián)合開發(fā)，采用冷甲醇作為溶劑，靠冷甲醇的吸收和解析來脫除酸性氣體[1-3]。低溫甲醇洗中的換熱設(shè)備主要由列管式和纏繞管式兩種。這些纏繞管式換熱器需由專利商在國內(nèi)合資廠提供，且價格昂貴[4]。國外專利商注重于局部冷量消耗的降低，而忽視了能量轉(zhuǎn)移所帶來設(shè)備大型化以及占地增大所帶來的投資增長問題。

雙碳目標(biāo)下，工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能跟換熱器的應(yīng)用有著密切的關(guān)系。換熱器性能的好壞直接影響著工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排。近年來，伴隨著工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步，換熱器的發(fā)展方向主要是大型化、高效化、節(jié)能化、應(yīng)用領(lǐng)域的細(xì)分化[4-7]。目前石化企業(yè)應(yīng)用的換熱設(shè)備中，管殼式占主導(dǎo)地位，但板式換熱器的競爭力在逐漸上升。早期的板式換熱器板片與板片之間多采用橡膠墊片密封，多應(yīng)用于公用工程裝置中，無法使用于高壓、大溫差、有危害性介質(zhì)中。焊接類板式換熱器的出現(xiàn)，大大拓寬了板式換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域。伴隨著制造技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是焊接技術(shù)的發(fā)展，板殼式換熱器的質(zhì)量可靠性和適用工況范圍得到大大拓展，使得板殼式換熱器在石油化工工廠中大面積地代替管殼式換熱器成為可能。低溫甲醇洗貧富液換熱器換熱的好壞將決定產(chǎn)品的工藝指標(biāo)，通常其設(shè)計壓力范圍為5.0 ～ 7.0 MPa，設(shè)計溫度范圍低至-90 ～ -70 ℃之間。板殼式換熱器因為其特殊的結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)這類工況，目前板殼式換熱器成熟的應(yīng)用范圍為：真空 ～ 10 MPa；溫度范圍：- 200 ～ 500 ℃[4，8]。

1 板殼式換熱器介紹

板殼式換熱器結(jié)合了板式換熱器和管殼式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，如圖1 所示。板殼式換熱器的核心換熱部件是板束，板束表面采用波紋板片，外形為圓形。制造工藝如下，首先板片與板片通過板片上內(nèi)孔焊接，構(gòu)成板片對。板片與板片對之間，焊接外圓（內(nèi)部不焊接），構(gòu)成一個板片芯體（若干個板片對）。將板片芯體類似于管束一樣放置于壓力容器殼體中。板片芯體之間不使用墊片，都采用密封焊接，因此可用于普通板框式換熱器無法應(yīng)用的高溫、高壓場合。板殼式換熱器的流動方式，如圖2 所示，板程流體和殼程流體在板片與板的兩側(cè)純逆向流動。

圖1 板殼式換熱器原理圖Fig.1 Schematic diagram of plate and shell heat exchanger

圖2 板殼式換熱器實物圖Fig.2 Plate and shell heat exchanger physical diagram

2 低溫甲醇洗工況實例

表1 圓形截面熱交換器主要零部件名稱Table 1 Round section heat exchanger main parts name

以某石化煤制氫裝置用低溫甲醇洗為例，原管殼式方案如下：貧/富甲醇換熱器5 臺，位號E006A ～ E，設(shè)計溫度為-70 ～ 120 ℃，最高設(shè)計壓力為5.7 MPa（g），總 換 熱 面 積6 500 m2。E006A ～ D材質(zhì)為Q345R（殼）/304L（管）， E006E 材質(zhì)304（殼）/304L（管）。

（1）采用管殼式換熱器存在的風(fēng)險隱患

圖3 管殼式換熱器設(shè)備現(xiàn)場圖Fig.3 Shell and tube heat exchanger equipment site map

上游來的工藝合成氣會夾帶細(xì)小納米級煤灰、催化劑粉末等，很難在洗滌塔中清洗干凈，進(jìn)而帶入后續(xù)的低溫甲醇洗系統(tǒng)。除此之外，氣化后產(chǎn)生的原料氣含有微量組分，如有機(jī)硫化物、萘、NH3、HCN、NO、羰基化合物等，這些微量組分在低溫甲醇洗單元中很難完全脫除，還會導(dǎo)致設(shè)備及管道的腐蝕和堵塞[9-11]。貧/富液換熱器在低溫甲醇洗工藝中承擔(dān)主要吸收劑的換熱工作，換熱的好壞將決定產(chǎn)品甲醇合成氣的工藝指標(biāo)。原現(xiàn)場此工位換熱器采用管殼式，管內(nèi)采用纏繞管結(jié)構(gòu)，管側(cè)流動存在管精細(xì)、長度長的問題，管內(nèi)一旦堵塞，高壓水槍清洗難度非常大；殼側(cè)也存在清洗維護(hù)困難的問題，該結(jié)構(gòu)管層與管層交錯纏繞，流通間隙較小，內(nèi)部很難清洗。

（2）采用板殼式換熱器的優(yōu)勢

針對目前貧/富液換熱器可能存在的問題，采用板殼式換熱器具有如下優(yōu)勢：

① 換熱系數(shù)高，體積小，重量輕，大大降低設(shè)備投資

板殼式換熱器是板式換熱器的一種，相同的壓降約束下，其換熱系數(shù)可達(dá)管殼式換熱系數(shù)的2 ～ 4倍。采用板殼式換熱器可以大大減少換熱面積，降低設(shè)備投資。

② 選用耐腐蝕性好的材料，避免腐蝕泄漏的危險，延長設(shè)備壽命

由于板殼式換熱器換熱系數(shù)高，體積小，重量輕。在相同的投資情況下，可以選擇耐腐蝕性更好的材料，有助于延長設(shè)備使用壽命。

③ 不易堵塞，容易清洗維護(hù)，制造周期短，風(fēng)險可控

板殼式換熱器與管殼式換熱器相比不容易結(jié)垢，原因是：板式換熱器由于特殊的波紋結(jié)構(gòu)，使得流體在板間螺旋形流動，在雷諾數(shù)500 以上就可以達(dá)到湍流，而管殼式換熱器管內(nèi)流動雷諾數(shù)大于10 000 才能達(dá)到湍流。板殼式換熱器其流體湍流度高，壁面剪切力大，污垢不容易沉積在板片表面；其流動長度更短，流體經(jīng)流時間短；板的表面粗糙度??；流體進(jìn)入板換內(nèi)部的分配性更好，整個板換內(nèi)部無流動死區(qū)。

（3）本項目中采取的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)貧/富液換熱器工位的特點(diǎn)，在板殼式換熱器設(shè)計方案中采取以下幾點(diǎn)設(shè)計，來避免流體堵塞。

① 加大了板間的波紋深度，使得流道更通暢

為了防止工藝介質(zhì)中顆粒物對流道的堵塞，本方案中加大波紋深度，波紋深度選為2.8 mm，流道高度為5.6 mm，流道變得更加通暢。

圖4 波紋板間流道示意圖Fig.4 Schematic diagram of flow path between corrugated plates

② 減少板側(cè)流體進(jìn)出口小圓孔與板片外圓周的距離δ

在合理設(shè)計板型的基礎(chǔ)上，本方案減少了內(nèi)孔與板片外圓周間的間距，使其值在30 mm 左右，使得板側(cè)固體顆粒的沉積區(qū)非常小，即使發(fā)生顆粒沉積，其對整個換熱器的影響很小。同時這小部分的顆粒沉積區(qū)可以通過反向沖洗，沖洗干凈[12-14]。

圖5 殼側(cè)流道機(jī)械清洗方便Fig.5 Shell side runner mechanical cleaning convenience

3 板殼式換熱器仿真計算

3.1 幾何模型

采用三維建模軟件SOLIDWORKS 構(gòu)建了圓形板片的三維實體模型，如圖6a 所示。板片的各個幾何尺寸（見圖6b），圓形板片的直徑980 mm，板片上的兩個圓孔直徑200 mm，兩個內(nèi)孔的中心距為620 mm。波紋與中心線的夾角a是75°，波紋深度h是2.8 mm，波紋節(jié)距t是9.0 mm。兩塊平板之間構(gòu)成的網(wǎng)狀流道如圖7 所示。

圖6 板片幾何模型Fig.6 Plate geometry model

圖7 板片對構(gòu)成的網(wǎng)狀流道示意圖Fig.7 Schematic diagram of the mesh flow channel composed of plate pairs

根據(jù)特性，構(gòu)建了板程流道（如圖8 所示）。為了避免入口段在仿真過程中的影響，在板片進(jìn)出口位置處均增加了直道延長段。

3.2 計算模型

本文采用商業(yè)軟件ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用FLUENT 進(jìn)行模擬計算。

采用ICEM 直接對幾何模型生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為Tetra/Mixed[11]。網(wǎng)格尺寸為：進(jìn)出口延長段直通道size 為5 mm，板片內(nèi)部size 為1.0 mm，直通道同板片網(wǎng)格之間有過渡區(qū)域。對于圖8 所示的幾何模型，網(wǎng)格數(shù)目2 880 萬。

圖8 CFD 幾何模型Fig.8 CFD geometry model

以板程流動模擬為例，采用FLUENT 計算的物理模型設(shè)置如下：

（1）流體為水，常物性；

（2）進(jìn)口邊界條件：Velocity-inlet，流速范圍為0.005 ～ 0.04 m/s，溫度330 K；

（3）壁面邊界條件：Wall，溫度300 K；

（4）出口邊界條件：Outflow；

（5）湍流模型：Realizablek-ε模型；

（6）近壁面處理方法：Enhanced wall treatment。

3.3 計算結(jié)果

通過對多工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到板程的傳熱結(jié)果如表2 所示。

表2 板程流動模擬結(jié)果Table 2 Plate course flow simulation results

選擇流速為0.04 m/s 的結(jié)果進(jìn)行分析，圖9 給出了板程流動狀態(tài)示意圖。從圖9a 所示的三維流線圖可以看出，在流速為0.04 m/s 時，流體自右下側(cè)板片內(nèi)孔流入（紅色顯示），并圍繞內(nèi)孔擴(kuò)散開來。不同位置的流動距離是不同的，兩個內(nèi)孔的連線距離最短，外圓周的距離最長。從圖9b 板與板之間中心面的溫度場分布可以看出，從進(jìn)口處進(jìn)入的流體沿孔四周擴(kuò)散開來，在流動的前端基本上具有相同的溫度梯度，然而隨著流動距離的加長，離進(jìn)口內(nèi)孔較遠(yuǎn)的流股的溫度梯度會慢慢下降。

圖9 CFD 計算結(jié)果Fig.9 CFD calculation results

圖10b 給出流線圖（顏色代表壓力），可以看出對比溫度場，壓力場的分布受內(nèi)孔的影響相對較小，沿流動方向的壓降下降基本均勻。

圖10 CFD 計算結(jié)果Fig.10 CFD calculation results

4 板殼式換熱器工藝設(shè)計

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，對低溫甲醇洗裝置進(jìn)行了傳熱選型計算。該工位的貧富液換熱器原設(shè)計采用5 臺換熱器串聯(lián)。本項目開發(fā)新型板殼式換熱器替代其中一臺低溫段換熱器（E006E）。表3 給出了該臺換熱器的設(shè)計參數(shù)。對于給定的設(shè)計工況，進(jìn)行兩種換熱器的方案對比，對比結(jié)果見表4 所示。

表3 低溫甲醇洗貧富液設(shè)計參數(shù)Table 3 Design parameters of low-temperature methanol wash depleted rich liquid

表4 管殼式換熱器與板殼式換熱器設(shè)計結(jié)果對比經(jīng)濟(jì)性比較Table 4 Comparison of the economics of shell and tube heat exchangers and plate and shell heat exchangers

圖11 給出了板殼式換熱器的現(xiàn)場安裝圖。三臺設(shè)備采用疊加布置，外部設(shè)置框架，便于檢修維護(hù)。

圖11 板殼式換熱器實物圖及外形圖Fig. 11 Plate and shell heat exchanger physical drawing and shape drawing

4 結(jié)論

通過以上分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）采用的板殼式換熱器，通過加大板片波紋深度，減少內(nèi)孔與外圓的間距，可以用于工藝介質(zhì)中含有微小顆粒的低溫甲醇洗貧富液換熱工況。

（2）通過CFD 對板殼式換熱器進(jìn)行仿真計算，在低溫甲醇洗貧富液換熱工況下，板殼式換熱器的換熱系數(shù)約為管殼式換熱器的2 倍，從而節(jié)省了占地面積，減少了投資費(fèi)用。

（3）板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)結(jié)合了板式換熱器的可拆和管殼式換熱器的耐高壓的優(yōu)點(diǎn)，停工檢修方 便。

綜合以上分析，低溫甲醇洗工況采用板殼式換熱器經(jīng)濟(jì)性好，具有非常好的應(yīng)用推廣前景。