寬間隙板式換熱器在擠壓造粒單元中的應用

                                               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(shè)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(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞:板式換熱器;寬間隙;擠壓造粒單元;應用;結(jié)構(gòu);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(shè)備[1]。切粒水換熱器通過回收切粒過程中產(chǎn)品的熱量,使切粒水循環(huán)使用,可有效降低冷卻過程中所需的脫鹽水消耗量。裝置規(guī)模越大,采用切粒水冷卻器的節(jié)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(shè)備流通截面寬且不容易堵塞,以保證裝置連續(xù)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(guī)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(xù)運行,因此,國內(nèi)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(huán)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(nèi)。此換熱器設(shè)計壓力0.7 MPa,設(shè)計溫度90℃,熱介質(zhì)為切粒水(脫鹽水),冷介質(zhì)為循環(huán)水。熱介質(zhì)中含懸浮物,其質(zhì)量分數(shù)為0.1%,顆粒直徑為1 mm。

    切粒水冷卻器與常規(guī)水-水換熱器的明顯區(qū)別是其介質(zhì)較為特殊。在循環(huán)過程中,熱側(cè)切粒水攜帶并且輸送顆粒,雖然經(jīng)過篩分系統(tǒng)將水與顆粒分開,但是其中仍然含有大量的顆粒和纖維。設(shè)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(cè)用板片和循環(huán)水側(cè)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(nèi)聚集了大量固體物質(zhì),而與循環(huán)水接觸的另一面幾乎沒有污垢。由于介質(zhì)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(shè)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(shè)備無法運行,需要經(jīng)常拆卸清洗。例如某裝置所用常規(guī)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(shè)備的運行周期,要求板間隙大于15 mm。在現(xiàn)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(xù)運行,切粒水冷卻器配置為一用一備,即1臺設(shè)備檢修時,另1臺設(shè)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(shè)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(guī)板片間流通截面狹窄,水質(zhì)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(guī)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(guī)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(zhì)換熱。寬間隙板式換熱器可以保證固體顆粒在其流道內(nèi)自由流動,沒有堵塞,垢層聚集慢,通常可以保證系統(tǒng)連續(xù)運行2~3 a,極大地減少設(shè)備維修工作量。

                

    2.1 切粒水冷卻器處理量及基本參數(shù)

    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(guī)模裝置中,切粒水換熱器的設(shè)置均為2臺(1用1備),隨著裝置規(guī)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(shù)見表3,從表3中可以看出該設(shè)備的設(shè)計壓力和溫度都不是很高。板式換熱器最高設(shè)計壓力為2.5 MPa,最高設(shè)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(cè)為顆粒水(脫鹽水),另一側(cè)為循環(huán)水,循環(huán)水溫度低于50℃,循環(huán)水中氯離子質(zhì)量濃度為150 mg/L。對于水-水板式換熱器,其板片材質(zhì)通常選用奧氏體不銹鋼,各材質(zhì)耐Cl-腐蝕的數(shù)據(jù)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(zhì)選用316L。

           

    2.3　流道組合形式

    2.3.1　常規(guī)板式換熱器

    常規(guī)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(nèi)流動流暢,特別適合于含有固體顆粒的介質(zhì),阻力降非常小。窄通道與常規(guī)的人字形波紋板型形成的流道相同,兩板片接觸形成網(wǎng)狀觸點,適合于較干凈的介質(zhì),流體在流道內(nèi)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(guī)則矩形波紋管狀,流道間距大,流體在矩形流道內(nèi)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(zhì),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(guī)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(shù)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(shè)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(shè)備連續(xù)運行,又可以避免系統(tǒng)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(tǒng)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(shè)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(tǒng)時得到清洗,免去設(shè)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(guī)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(shè)備正常運行時間延長,產(chǎn)量增加,每年至少節(jié)約清洗費用10萬元。

               

    2006-03,切粒水冷卻器隨造粒系統(tǒng)投入運行,運行過程中每年對設(shè)備進行一次在線反沖洗,2臺設(shè)備交替運行/清洗。截止到2009-04,切粒水冷卻器已連續(xù)運行超過3 a,沒有發(fā)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(shè)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(fā)現(xiàn)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(jié)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(shè)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(yè)使用該設(shè)備,從初期投入到節(jié)能降耗、檢修、維修等方面的經(jīng)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(jié)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(yè)出版社,2005.

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

    [3]　劉　罡,王　健.用反沖-酸洗法清洗板式換熱器[J].節(jié)能與環(huán)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(nèi)可拆卸板式換熱器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油化工設(shè)備,2008,37(5):64-67.

    [6]　陳興虎,錢義剛,劉至祥,等.換熱器密閉循環(huán)在線清洗技術(shù)研究與應用[J].石油化工設(shè)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(shè)備,2007,36(3):97-100.