胥　丹1,2

    (1.蘭州理工大學石油化工學院,甘肅蘭州　730050;2.蘭州蘭石換熱設備有限責任公司,甘肅蘭州　730050)

    摘要:寬間隙板式換熱器不僅具有普通板式換熱器傳熱效率高、結構緊湊的優點,而且還具有波紋深的特點,因此特別適用于含有纖維、粘稠或固體顆粒物料之間的換熱。以聚乙烯裝置擠壓造粒單元中切粒水換熱器為例,介紹了其結構特點和應用工藝,并與普通板式換熱器進行了比較,建議在此類工況下,積極推廣應用寬間隙板式換熱器。

    關鍵詞:板式換熱器;寬間隙;擠壓造粒單元;應用;結構;特點

    中圖分類號: TQ 051.5　　　　文獻標志碼: B

    擠壓造粒單元是聚乙烯裝置中的3個主要單元之一,切粒水冷卻器則是該單元的核心換熱設備[1]。切粒水換熱器通過回收切粒過程中產品的熱量,使切粒水循環使用,可有效降低冷卻過程中所需的脫鹽水消耗量。裝置規模越大,采用切粒水冷卻器的節能效果越顯著。

    切粒水工況具有處理量大、熱負荷高及固體顆粒含量大等特點,要求設備流通截面寬且不容易堵塞,以保證裝置連續正常運行。一般較窄間隙的板式換熱器很難滿足這些要求。寬間隙板式換熱器具有常規板式換熱器傳熱效率高、占地空間小的特點,同時又具有較大的板間距,可以保證裝置的連續運行,因此,國內外多采用寬間隙板式換熱器作為擠壓造粒單元換熱器[2~7]。

    1　切粒水冷卻器

    切粒水冷卻器通過循環冷卻水交換在造粒開車過程中切粒水所吸收的模板和顆粒的熱量[1],將切粒水溫度控制在工藝所需要的溫度范圍內。此換熱器設計壓力0.7 MPa,設計溫度90℃,熱介質為切粒水(脫鹽水),冷介質為循環水。熱介質中含懸浮物,其質量分數為0.1%,顆粒直徑為1 mm。

    切粒水冷卻器與常規水-水換熱器的明顯區別是其介質較為特殊。在循環過程中,熱側切粒水攜帶并且輸送顆粒,雖然經過篩分系統將水與顆粒分開,但是其中仍然含有大量的顆粒和纖維。設備運行過程中,固體顆粒會沉積在板片上,堵塞流道,影響傳熱效果。

    切粒水側用板片和循環水側用板片使用情況見圖1和圖2,可以看出,與切粒水接觸的一面板片波紋內聚集了大量固體物質,而與循環水接觸的另一面幾乎沒有污垢。由于介質原因造成的換熱器表面的垢層,會隨時間的推移越積越厚。如果流道寬,即使有垢層存在,流體也可以通過流道,因此可以延長設備的運行時間(即檢修周期長)。如果流道窄,隨著垢層的增加,流道會被堵死,設備無法運行,需要經常拆卸清洗。例如某裝置所用常規板式換熱器,通常2周就必須清洗1次。

                           

    由此可以看出,切粒水換熱器是操作工況比較苛刻的水-水換熱器,為了減少堵塞,延長設備的運行周期,要求板間隙大于15 mm。在現有的大型聚乙烯裝置中,首選寬間隙板式換熱器作為切粒水冷卻器。

    盡管寬間隙板式換熱器可以延長運行時間,但也必須定期清洗。為了不影響整套裝置的連續運行,切粒水冷卻器配置為一用一備,即1臺設備檢修時,另1臺設備通過閥門切換投入運行。在裝置負荷提高時,也可以2臺設備同時開啟,以提高裝置的操作彈性。

    2　寬間隙板式換熱器簡介

    板式換熱器是一種高效換熱器[2],波紋深度和波紋形式各不相同,由于常規板片間流通截面狹窄,水質不好形成水垢和污物沉積都容易造成板式換熱器堵塞[3]。常規板式換熱器和寬間隙板式換熱器的波紋深度和板間距對比見表1,從表1可以看出,寬間隙板式換熱器的板間距是常規板式換熱器板間距的2~3倍,特別適用于含有纖維、粘稠以及固體顆粒的介質換熱。寬間隙板式換熱器可以保證固體顆粒在其流道內自由流動,沒有堵塞,垢層聚集慢,通常可以保證系統連續運行2~3 a,極大地減少設備維修工作量。

                

    2.1 切粒水冷卻器處理量及基本參數

    不同裝置中切粒水冷卻器處理量對比見表2。以表2可以看出,不同規模裝置中,切粒水換熱器的設置均為2臺(1用1備),隨著裝置規模的加大,切粒水換熱器的流量也隨之加大,說明大型寬間隙板式換熱器適用于此工況。

             

    切粒水冷卻器基本參數見表3,從表3中可以看出該設備的設計壓力和溫度都不是很高。板式換熱器最高設計壓力為2.5 MPa,最高設計溫度為180℃,因此切粒水冷卻器所處工況比較適合選用板式換熱器。

             

    2.2　切粒水冷卻器板片選材

    切粒水冷卻器一側為顆粒水(脫鹽水),另一側為循環水,循環水溫度低于50℃,循環水中氯離子質量濃度為150 mg/L。對于水-水板式換熱器,其板片材質通常選用奧氏體不銹鋼,各材質耐Cl-腐蝕的數據見表4,由表4可以看出,316L在50℃能耐180 mg/L的Cl-,因此切粒水冷卻器板片材質選用316L。

           

    2.3　流道組合形式

    2.3.1　常規板式換熱器

    常規板式換熱器流道形式見圖3。板片是波紋形式,同一流道中板間距不斷變化,最寬板間距為2個波紋深度,最窄處為0,兩長板片的波峰相接觸,形成觸點。

                         

    2.3.2　寬間隙板式換熱器

    寬間隙板式換熱器流道可以分成寬-窄流道和寬-寬流道2種形式,見圖4。

                         

    寬-窄流道(圖4a)中,寬流道通過深波紋(筋)互相支撐呈矩形波紋管狀,流道間距很大,兩板片人字形波紋部分無觸點,流體在矩形流道內流動流暢,特別適合于含有固體顆粒的介質,阻力降非常小。窄通道與常規的人字形波紋板型形成的流道相同,兩板片接觸形成網狀觸點,適合于較干凈的介質,流體在流道內呈三維流動形式,強化了傳熱,其阻力降相對較高。

    寬-寬流道(圖4b)中,兩種流體流道均為通過深波紋(筋)和人字形波紋支撐,呈非規則矩形波紋管狀,流道間距大,流體在矩形流道內流動較暢通,比較適合于粘稠狀或含有部分固體顆粒的介質,阻力降較小。

    3　切粒水冷卻器運行及清洗

    寬間隙板式換熱器與常規板式換熱器運行效果見表5。

              

    換熱器運行一段時間后,懸浮物會沉積在換熱器表面,這些垢層形成附加熱阻,使傳熱系數減小,換熱器傳熱性能下降,切粒水出口溫度升高,壓降增加,無法保證切粒水溫度滿足工藝要求,換熱器達不到初步設計時的性能。因此換熱器的定期清洗是非常必要的,既可以保證設備連續運行,又可以避免系統非正常停車。換熱器的清洗方法一般分為機械清洗和在線清洗2種。對于板式換熱器來說,前者主要是將換熱器解體,人工逐片去除換熱面上的垢層,然后重新組裝。此方法只能在換熱器完全脫離系統時采用,不但費時、費力,而且重新組裝時對換熱器的夾緊尺寸要求較高。同時,換熱板片間的封閉墊片容易損壞,要保證設備的密封性,就必須更換一部分損壞的膠墊,增加了備件費用。而在線清洗不但可以使換熱器在不脫離換熱系統時得到清洗,免去設備解體的麻煩,而且方法簡單、省時省力、周期短、見效快,極大降低了勞動強度[4]。寬間隙板式換熱器與常規板式換熱器維修方面對比見表6。從表6可以看出,由于減少了維修頻次,使設備正常運行時間延長,產量增加,每年至少節約清洗費用10萬元。

               

    2006-03,切粒水冷卻器隨造粒系統投入運行,運行過程中每年對設備進行一次在線反沖洗,2臺設備交替運行/清洗。截止到2009-04,切粒水冷卻器已連續運行超過3 a,沒有發生泄漏、堵塞等故障,也沒有拆卸板式換熱器進行機械清洗,使用過程中無需更換密封膠墊,使設備管理達到了零故障率、零維修、零備件。2009-05大修期間,對切粒水冷卻器進行了拆卸,板片上的懸浮物用水沖洗后未發現垢層,說明寬間隙板式換熱器適合此工況,也驗證了在線清洗完全可以達到清洗效果。

    4　結語

    寬間隙板式換熱器在擠壓造粒單元的成功應用,表明其完全能夠滿足該工況對傳熱、檢修等方面的要求,是性價比較合理的設備。在適合選用寬間隙板式換熱器的場合,如煉油、石化、制糖、酒精、乳膠、化纖、食品、造紙和余熱回收等行業使用該設備,從初期投入到節能降耗、檢修、維修等方面的經濟效益均非常可觀,應用前景良好,建議在此類工況下推廣使用高效節能的寬間隙板式換熱器。

    參考文獻:

    [1]　劉廷華,魏麗喬,吳世見,等.聚合物成型機械[M].北京:中國輕工業出版社,2005.

    [2]　秦叔經,葉文邦.換熱器[M].北京:化學工業出版社,2003.

    [3]　劉　罡,王　健.用反沖-酸洗法清洗板式換熱器[J].節能與環保,2005,(10):53-54.

    [4]　李華峰,陳　選.板式換熱器常見故障及處理[J].清洗世界,2007,23(9):20-24.

    [5]　常春梅.國內可拆卸板式換熱器現狀及發展趨勢[J].石油化工設備,2008,37(5):64-67.

    [6]　陳興虎,錢義剛,劉至祥,等.換熱器密閉循環在線清洗技術研究與應用[J].石油化工設備,2007,36(2):89-91.

    [7]　馬小明,劉慧華.板式換熱器板片失效分析[J].石油化工設備,2007,36(3):97-100.