低溫甲醇用系列纏繞管式換熱器的研究與開發(fā)*

張周衛(wèi) 汪雅紅,2 薛佳幸 李 躍,2

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動力工程有限公司)

低溫甲醇用纏繞管式換熱器主要應(yīng)用于煤制甲醇等煤化工領(lǐng)域[1]，是以-70℃低溫甲醇吸收CH4、CO-CH4氣體中酸性氣體，同時(shí)回收H2S及CO2等雜質(zhì)氣體，應(yīng)用多個(gè)螺旋纏繞管式換熱器進(jìn)行低溫?fù)Q熱為主要特征的工藝流程[2]。主換熱設(shè)備包括甲醇-甲醇冷卻器[3]、低溫循環(huán)甲醇冷卻器[4]、未變換氣冷卻器[5]、變換熱氣冷卻器[6]及原料氣冷卻器[7]等纏繞管式換熱器，屬帶相變多股流低溫高壓換熱器。低溫甲醇用系列纏繞管式換熱器是換熱管道經(jīng)層層纏繞后形成的多管束螺旋盤管型熱交換設(shè)備，采用逆流換熱形式，主要由殼體、多股流管束及芯筒等部件構(gòu)成，因換熱介質(zhì)和換熱工藝的不同，其外型設(shè)計(jì)也會有較大的差別，屬纏繞管式換熱器中三股流以下的系列化多股流換熱器，主要用于管程存在較大溫差變換熱氣、未變換氣、原料氣及尾氣的換熱過程。由于低溫甲醇用纏繞管式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位容積傳熱面積較大，傳熱管的熱膨脹可自行補(bǔ)償、容易實(shí)現(xiàn)大型化及可減少設(shè)備臺數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，成為低溫甲醇洗[2]等低溫凈化、液化工藝中的重要設(shè)備。低溫甲醇用纏繞管式體積較大，一般以傳熱塔的形式出現(xiàn)，內(nèi)部管道纏繞復(fù)雜，沒有通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有統(tǒng)一的換熱工藝設(shè)計(jì)計(jì)算方法，隨著工藝流程或物性參數(shù)特點(diǎn)不同而存在較大差別，難以標(biāo)準(zhǔn)化。此外，由于管束纏繞方法較多，沒有統(tǒng)一的管道纏繞模型和理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法用于計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算過程，給低溫甲醇用纏繞管式換熱器的科學(xué)計(jì)算過程帶來了障礙。

近20年來，國外主要有德國Linde公司等開發(fā)，主要應(yīng)用于低溫甲醇洗等工藝中，可進(jìn)行低溫工況下的多股流低溫高壓多股流回?zé)釗Q熱，具有換熱效率高、集約化程度高及需要換熱設(shè)備數(shù)量少等特點(diǎn)。國內(nèi)在石油化工、低溫制冷等行業(yè)內(nèi)對纏繞管式換熱器已有較廣泛應(yīng)用，一般隨整體工藝成套進(jìn)口。在換熱工藝計(jì)算方面，目前流行的纏繞管換熱器管外傳熱膜數(shù)計(jì)算主要基于Gilli公式、管內(nèi)傳熱膜數(shù)基于Schmidt公式，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算過程簡便，帶有不同的管道修正系數(shù)，便于單股流常溫?fù)Q熱器設(shè)計(jì)計(jì)算。缺點(diǎn)是不能用于低溫工況、多相流、多股流計(jì)算過程，沒有考慮多相流相變制冷過程等，尤其應(yīng)用于大型多股流帶回?zé)釗Q熱的多股流、多相流、大溫差混合制冷劑相變制冷過程，計(jì)算誤差較大等。此外，低溫甲醇用纏繞管式換熱器管束纏繞過程復(fù)雜，如何確定管道參數(shù)、纏繞參數(shù)、材料參數(shù)，并將整個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)代入換熱工藝計(jì)算過程，需要嵌套大量迭代計(jì)算，同時(shí)考慮強(qiáng)度計(jì)算過程及管內(nèi)流速限定等，需要編制復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。

蘭州交通大學(xué)與甘肅中遠(yuǎn)能源動力工程有限公司曾對-70℃低溫甲醇用系列纏繞管式換熱器[3～7]、-163℃ LNG專用系列纏繞管式換熱器[8～15]及-197℃低溫液氮用系列纏繞管式換熱器[16～19]等系列纏繞管式換熱器進(jìn)行了系統(tǒng)的研究開發(fā)，根據(jù)不同溫度和換熱領(lǐng)域，研究不同種類的纏繞管式換熱器[20，21]，開發(fā)了適用于低溫多股流多相流計(jì)算的纏繞管式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件[22]。針對-70℃低溫甲醇用系列纏繞管式換熱器換熱特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以甲醇-甲醇纏繞管式換熱器為基礎(chǔ)研究開發(fā)未變換氣冷卻器、變換氣冷卻器、原料氣冷卻器等多股流、多相流、低溫纏繞管式換熱器，目前已具備產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)及加工制造能力。

1 甲醇-甲醇纏繞管式換熱器

1.1 技術(shù)解決方案

甲醇-甲醇纏繞管式換熱器為單股流換熱器(圖1)[3]，用管側(cè)甲醇與殼側(cè)甲醇進(jìn)行換熱。按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)單股流纏繞管式換熱器，一般采用兩塊大管板與筒體直接焊接的方法固定管板和管束，一旦換熱器管束出現(xiàn)破裂，由于管束、管板和筒體焊為一體，往往需要破壞管板與殼體的焊接部分進(jìn)行檢修，更換管束難度增大，容易損壞管板。管板損壞后需要重新更換管板并固定管束，給檢修帶來很大的困難。采用管板與殼體焊接的形式增加了加工制造和組裝的難度，內(nèi)部焊縫焊接要求較高，容易導(dǎo)致焊縫泄漏。根據(jù)甲醇-甲醇纏繞管式換熱器特點(diǎn)，宜采用內(nèi)置小管板的方法，即可先加工制造管束，管束加工制造后再安裝獨(dú)立管箱，安裝完管箱后，通過內(nèi)置管箱兩端的接管再分別與殼體兩端封頭聯(lián)接，避免了加工制造大管板與筒體及封頭的全焊接導(dǎo)致的不易拆除的問題，便于加工制造和檢修。由于在低溫?fù)Q熱過程中存在相變和多相流，物理參數(shù)變化幅度較大，一般換熱設(shè)計(jì)方法均難以準(zhǔn)確計(jì)算。應(yīng)用對數(shù)平均值法、螺旋管束等差排列計(jì)算方法，并將所得參數(shù)應(yīng)用于總傳熱系數(shù)計(jì)算過程，并最終確定換熱器整體管束和換熱器有效換熱高度。換熱工藝設(shè)計(jì)計(jì)算方法已通過基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)修正過程，可應(yīng)用于復(fù)雜纏繞管束的數(shù)學(xué)建模過程，并將所建數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于纏繞管式換熱器的換熱工藝設(shè)計(jì)計(jì)算過程，獲得甲醇-甲醇纏繞管式換熱器管束結(jié)構(gòu)參數(shù)和相關(guān)換熱計(jì)算模型。

圖1 甲醇-甲醇纏繞管式換熱器

1.2 基本原理

根據(jù)甲醇-甲醇纏繞管式換熱器的基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用獨(dú)立內(nèi)置管箱和管板的辦法以便于換熱器的加工制造、維修；應(yīng)用七步法完成換熱器主要換熱工藝計(jì)算過程，即確定低溫甲醇進(jìn)出口定性溫度、查找定性溫度壓力下的甲醇物性參數(shù)、計(jì)算對數(shù)平均溫差、計(jì)算換熱器熱負(fù)荷、確定換熱器基本規(guī)格、確定管道排列方式、計(jì)算總傳熱系數(shù)、總傳熱面積以及換熱器有效換熱高度等主要換熱工藝計(jì)算過程，得到換熱器復(fù)雜管束模型和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法；計(jì)算過程中細(xì)化甲醇-甲醇管程和殼程的速度計(jì)算過程，應(yīng)用對數(shù)平均值法確定進(jìn)出口定性溫度；給出計(jì)算換熱器有效換熱高度的數(shù)學(xué)模型；提出換熱器換熱工藝計(jì)算模型，將纏繞方法應(yīng)用于建模過程，并將所建數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于傳熱工藝計(jì)算過程，以此設(shè)計(jì)整個(gè)甲醇-甲醇纏繞管式換熱器。

2 低溫循環(huán)甲醇冷卻器

2.1 技術(shù)解決方案

低溫循環(huán)甲醇冷卻器用纏繞管式換熱器(圖2)主要用雙股流管程循環(huán)甲醇與殼程冷甲醇進(jìn)行換熱[4]。5.876MPa、-17.43℃的第一甲醇與來自殼程的冷甲醇進(jìn)行換熱，溫度降至-36.21℃時(shí)經(jīng)第一甲醇出口接管流出；5.984MPa、-25.00℃的第二甲醇與來自殼程的冷甲醇進(jìn)行換熱，溫度降至-36.24℃時(shí)經(jīng)第二甲醇出口接管流出。-43.29℃冷甲醇經(jīng)殼程冷甲醇進(jìn)口接管進(jìn)入殼體并逆流向上與來自纏繞管束及纏繞管束內(nèi)甲醇進(jìn)行換熱，換熱后溫度升至-35.87℃時(shí)再經(jīng)殼程冷甲醇出口接管流出殼體。

圖2 低溫循環(huán)甲醇冷卻器

2.2 基本原理

低溫循環(huán)甲醇冷卻器為逆流型雙股流纏繞管式低溫?fù)Q熱器。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法采用上、下兩塊整體大管板與殼體兩端直接焊接，固定管板及兩股纏繞管束，每個(gè)管板上再焊接兩個(gè)獨(dú)立的管箱。一旦換熱器管束出現(xiàn)破裂，由于兩股纏繞管束、管板和殼體焊接為一體，往往需要破壞管板與殼體的焊接部分進(jìn)行維修，導(dǎo)致兩股纏繞管束受損，更換兩股纏繞管束難度增大，同時(shí)這種方法容易損壞管板，管板損壞后需要重新更換管板并固定纏繞管束。整體管板與殼體直接焊接的形式增加了加工制造和組裝的難度，內(nèi)部焊縫焊接要求很高，容易導(dǎo)致焊縫泄漏。大多數(shù)換熱器管箱不能參與整個(gè)換熱過程，換熱過程只能依賴管程與殼程進(jìn)行，有效換熱高度受到一定影響。采用4個(gè)獨(dú)立的圓環(huán)形管狀管箱內(nèi)置于殼體內(nèi)，可作為換熱器有效管程與殼程進(jìn)行換熱，使換熱器有效高度延長至換熱器兩端，增大換熱面積。管箱內(nèi)不再設(shè)置管板，使纏繞管束直接與環(huán)形厚壁圓管管箱連為一體，便于加工制造和安裝維修。換熱過程可設(shè)置為整體逆流過程，纏繞管束及纏繞管束之間為并流過程，纏繞管束和纏繞管束內(nèi)甲醇自上而下與自下而上的殼程低溫甲醇進(jìn)行換熱，整體換熱過程近似交叉錯流換熱過程，以提高換熱效率，降低換熱過程能量損失。

3 未變換氣冷卻器

3.1 技術(shù)解決方案

未變換氣冷卻器[5]用低溫纏繞管式換熱器(圖3)主要包括雙股流纏繞管式換熱器和單股流纏繞管式換熱器兩部分，沿軸向通過錐形過渡殼體聯(lián)接。尾氣在-51.00℃、0.196MPa時(shí)在單股流殼體內(nèi)被來自雙股流殼體內(nèi)的原料氣加熱，溫度升高至-18.39℃、壓力降低至0.180MPa流出單股流換熱器。

圖3 未變換氣冷卻器

流出單股流換熱器的尾氣再通過外加U形接管和雙股流尾氣進(jìn)口接管進(jìn)入雙股流尾氣進(jìn)口管箱，經(jīng)雙股流尾氣進(jìn)口管束進(jìn)入雙股流尾氣纏繞管束，雙股流尾氣纏繞管束經(jīng)螺旋纏繞后在雙股流殼體內(nèi)被來自殼程的原料氣加熱，尾氣溫度升高至31.23℃、壓力降低至0.163MPa流出雙股流換熱器。合成氣在-18.39℃、5.566MPa時(shí)在雙股流殼體內(nèi)被來自雙股流殼體的原料氣加熱，合成氣溫度升高至31.23℃、壓力降低至5.531MPa。原料氣在37.73℃、5.774MPa時(shí)通過原料氣進(jìn)口接管進(jìn)入雙股流殼體，與合成氣纏繞管束內(nèi)的合成氣及雙股流尾氣纏繞管束內(nèi)的尾氣進(jìn)行換熱，溫度降至13.73℃、壓力降低至5.762MPa時(shí)，通過錐形過度殼體進(jìn)入單股流殼體，與單股流尾氣纏繞管束內(nèi)的低溫尾氣進(jìn)行換熱，溫度降至-10.49℃、壓力降至5.750MPa時(shí)通過原料氣出口接管流出單股流殼體，完成整個(gè)預(yù)冷過程。

3.2 基本原理

未變換氣冷卻器用低溫纏繞管式換熱器為逆流型雙股流與單股流相結(jié)合的纏繞管式低溫?fù)Q熱器。傳統(tǒng)的未變換氣冷卻器采用兩臺獨(dú)立的單股流列管式換熱器進(jìn)行換熱，換熱器體積較大，單位體積換熱面積較小，換熱效率較低，而采用雙股流纏繞管式未變換氣冷卻器替代傳統(tǒng)的單股流列管式換熱器，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積換熱面積大、可實(shí)現(xiàn)雙股流換熱、傳熱管熱膨脹可自行補(bǔ)償、容易實(shí)現(xiàn)大型化以及可減少低溫氣體凈化工藝中的換熱設(shè)備數(shù)量等特點(diǎn)，以替代傳統(tǒng)的單股流未變換氣冷卻器用列管式換熱器。

4 變換氣冷卻器

4.1 技術(shù)解決方案

變換氣冷卻器[6]用低溫纏繞管式換熱器(圖4)尾氣纏繞管束和合成氣纏繞管束均沿連續(xù)層數(shù)獨(dú)立纏繞，尾氣纏繞管束與合成氣纏繞管束之間不在層內(nèi)和層間交叉纏繞，兩者具有不同的纏繞高度。尾氣在-51.30℃、0.196MPa時(shí)被來自上殼體內(nèi)的變換氣加熱，溫度升高至-21.24℃、壓力降低至179.5kPa，再進(jìn)入上殼體，被上殼體的變換氣加熱，溫度升高至31.24℃、壓力降低至0.163MPa。合成氣在-21.24℃、5.508MPa時(shí)被來自上殼體的變換氣加熱，溫度升高至31.24℃、壓力降低至5.468MPa。變換氣在37.74℃、5.674MPa時(shí)通過變換氣進(jìn)口接管進(jìn)入上殼體，與螺旋盤管外部合成氣纏繞管束內(nèi)的合成氣和螺旋盤管內(nèi)部的尾氣纏繞管束內(nèi)的尾氣進(jìn)行換熱，溫度降至11.34℃、壓力降至5.654MPa時(shí)，通過錐形過渡殼體進(jìn)入下殼體，繼續(xù)與尾氣纏繞管束內(nèi)的低溫尾氣進(jìn)行換熱，溫度降至-15.06℃、壓力降至5.634MPa時(shí)通過變換氣出口接管流出下殼體，完成整個(gè)預(yù)冷過程。

圖4 變換氣冷卻器

4.2 基本原理

變換氣冷卻器用低溫纏繞管式換熱器為逆流型雙股流獨(dú)立管束型纏繞管式低溫?fù)Q熱器。按照換熱溫度梯度及兩股管束溫度與殼程流體溫度差值大小，由里向外設(shè)置換熱管束的纏繞次序和各自適當(dāng)?shù)睦p繞高度，按計(jì)算溫度梯度采用中段打入第二股流體的方式，以達(dá)到提高單位體積換熱面積和換熱效率的目的。換熱器主要包括尾氣纏繞管束與合成氣纏繞管束共同換熱的雙股流換熱區(qū)域及尾氣纏繞管束單獨(dú)換熱的單股流換熱區(qū)域兩部分。傳統(tǒng)的變換氣冷卻器采用兩臺獨(dú)立的單股流列管式換熱器進(jìn)行換熱，換熱器體積較大，單位體積換熱面積較小，換熱效率較低，而采用獨(dú)立管束型雙股流纏繞管式變換氣冷卻器替代傳統(tǒng)的單股流列管式換熱器，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積換熱面積大、可實(shí)現(xiàn)雙股流換熱、傳熱管熱膨脹可自行補(bǔ)償、容易實(shí)現(xiàn)大型化以及可減少低溫氣體凈化工藝中的換熱設(shè)備數(shù)量等特點(diǎn)。

5 原料氣冷卻器

5.1 技術(shù)解決方案

圖5 原料氣冷卻器

原料氣冷卻器[7]用三股流低溫纏繞管式換熱器(圖5)尾氣纏繞管束繞芯筒纏繞，CO2纏繞管束繞尾氣纏繞管束纏繞，合成氣纏繞管束繞CO2纏繞管束纏繞，纏繞后的螺旋盤管安裝于殼體內(nèi)。尾氣在-51.30℃、0.196MPa時(shí)被來自殼體殼程內(nèi)的原料氣加熱，溫度升高至36.00℃、壓力降低至0.163MPa。CO2在-37.00℃、2.450MPa時(shí)被來自殼體殼程內(nèi)的原料氣加熱，溫度升高至34.00℃、壓力降低至1.860MPa。合成氣在-21.24℃、5.508MPa時(shí)被來自殼體殼程內(nèi)的原料氣加熱，溫度升高至32.00℃、壓力降低至5.468MPa。原料氣在40.00℃、5.620MPa時(shí)通過原料氣進(jìn)口接管進(jìn)入殼體，與尾氣纏繞管束內(nèi)的尾氣、CO2纏繞管束內(nèi)的CO2和合成氣纏繞管束內(nèi)的合成氣進(jìn)行換熱，溫度降至-17.00℃、壓力降至5.500MPa時(shí)，通過原料氣出口接管流出殼體，完成整個(gè)預(yù)冷過程。

5.2 基本原理

原料氣冷卻器用三股流低溫纏繞管式換熱器為逆流型三股流獨(dú)立管束型纏繞管式低溫?fù)Q熱器，應(yīng)用纏繞管式換熱器管程低溫尾氣、低溫CO2、低溫合成氣逆流換熱并冷卻殼程原料氣，采用中段引進(jìn)CO2、中段引進(jìn)合成氣管程中溫冷源構(gòu)成三股流獨(dú)立管束型纏繞管式換熱器，應(yīng)用三股冷源管束即管程低溫尾氣獨(dú)立管束、低溫CO2獨(dú)立管束、低溫合成氣獨(dú)立管束逆流換熱并預(yù)冷殼程原料氣。尾氣纏繞管束、CO2纏繞管束與合成氣纏繞管束之間不在層內(nèi)和層間交叉纏繞，各自按纏繞先后順序擁有獨(dú)立的纏繞區(qū)域，沿軸向具有不同的纏繞高度，按照換熱溫度梯度及三股管束溫度與殼程流體溫度差值大小，由里向外設(shè)置換熱管束的纏繞次序及各自適當(dāng)?shù)睦p繞高度，按計(jì)算溫度梯度采用中段打入第二、三股流體的方式，以達(dá)到提高單位體積換熱面積和換熱效率的目的。

6 展望

低溫甲醇用系列纏繞管式換熱器種類較多，應(yīng)用條件不同，設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)計(jì)算方法有很大區(qū)別，尤其在煤化工領(lǐng)域內(nèi)，原料氣、未變換熱氣、變換氣及高壓黑水等均為混合氣、雜質(zhì)氣或者其他氣液固三相流等，計(jì)算過程復(fù)雜。在低溫甲醇用纏繞管式換熱器研究基礎(chǔ)上，還需要繼續(xù)推進(jìn)纏繞管式換熱器的科學(xué)計(jì)算與設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)程。由于低溫甲醇用纏繞管式換熱器主要針對多股流、多相流、低溫?fù)Q熱過程，換熱膜數(shù)的精確計(jì)算，表面換熱系數(shù)變化規(guī)律和計(jì)算方法，針對低溫甲醇用系列纏繞管式換熱器換熱膜數(shù)的科學(xué)計(jì)算方法涉及到混合氣體的相變過程及傳熱膜數(shù)的詳細(xì)計(jì)算過程，還需要更加精確的科研計(jì)算方法，需要更加深入的研究與開發(fā)。

如何確定纏繞管式換熱器螺旋盤管的基本參數(shù)，如螺旋上升角、層間距及管間距等對多股流纏繞管式換熱器總傳熱系數(shù)的影響因素等問題，即換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題是纏繞管式換熱器需要解決的關(guān)鍵問題，也是將來研究開發(fā)的重點(diǎn)?；诿夯ゎI(lǐng)域內(nèi)纏繞管式換熱器的特殊用途，尤其涉及到多股流、多相流及混合氣體等的換熱過程，需要開發(fā)更加科學(xué)的纏繞管式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，開發(fā)更多的適用于不同工況的煤化工領(lǐng)域內(nèi)的多股流纏繞管式換熱器也是目前急需要解決的重要課題。

[1] (日)尾花英朗著，徐忠權(quán)譯.熱交換器設(shè)計(jì)手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，1982.

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