聚酯裝置中熱媒循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 濤

(中國昆侖工程公司，北京10037)

熱媒(HTM)系統(tǒng)是聚酯裝置的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著聚酯裝置加熱保溫作用。國產(chǎn)化聚酯裝置設(shè)計(jì)初期，熱媒系統(tǒng)采用的都是液相熱媒循環(huán)系統(tǒng)，由于國產(chǎn)屏蔽泵的容量所限，生產(chǎn)能力為600 t/d的五釜聚酯生產(chǎn)線的熱媒循環(huán)系統(tǒng)有11套，熱媒循環(huán)泵21臺(tái)，熱媒管道多而復(fù)雜。隨著聚酯裝置中氣相熱媒系統(tǒng)替代液相熱媒系統(tǒng)和一次熱媒直接加熱第一酯化反應(yīng)器盤管技術(shù)的使用，減少了裝置中熱媒循環(huán)泵的數(shù)量?，F(xiàn)在一套600 t/d的五釜聚酯生產(chǎn)線只有4套液相熱媒系統(tǒng)，8臺(tái)熱媒循環(huán)泵，5套氣相熱媒系統(tǒng)。熱媒循環(huán)泵的減少直接降低了運(yùn)行電耗。作者介紹了某工程公司600 t/d連續(xù)聚合聚酯裝置中熱媒循環(huán)系統(tǒng)，其熱媒循環(huán)泵的減少直接減少了運(yùn)行電耗，降低了生產(chǎn)成本。

1 熱媒循環(huán)系統(tǒng)

目前，聚酯裝置的熱媒循環(huán)系統(tǒng)分為液相熱媒循環(huán)系統(tǒng)和氣相熱媒循環(huán)系統(tǒng)。液相熱媒介質(zhì)為氫化三聯(lián)苯，氣相熱媒介質(zhì)為聯(lián)苯和聯(lián)苯醚的混合物。通常把來自和返回?zé)崦綘t的液相熱媒稱為一次熱媒。由熱媒爐、熱媒泵以及熱媒總管和熱媒膨脹槽組成了一次熱媒系統(tǒng)。一次熱媒系統(tǒng)是一個(gè)完全的閉合循環(huán)回路，熱媒通過熱媒泵從熱媒爐頂部進(jìn)入爐內(nèi)盤管，加熱并從爐底輸出進(jìn)入熱媒總管。熱媒供聚酯裝置的總管溫度控制在330°左右，一次熱媒系統(tǒng)回路上設(shè)有熱媒膨脹槽，以補(bǔ)償熱媒在循環(huán)回路中由于溫度變化所產(chǎn)生的熱膨脹或收縮，保證一次熱媒系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)熱媒膨脹槽對(duì)二次液相熱媒系統(tǒng)用戶的循環(huán)管路具有脫氣、脫水作用［1］。

相對(duì)于一次熱媒來說，通常將裝置中反應(yīng)器內(nèi)盤管等的熱媒稱為二次熱媒。在裝置內(nèi)有二次熱媒循環(huán)泵，由二次熱媒循環(huán)泵和其管路組成的系統(tǒng)稱為二次液相熱媒系統(tǒng)。二次熱媒的溫度一般為250～290℃。采用一次熱媒加熱氣相熱媒蒸發(fā)器中的氣相熱媒介質(zhì)，產(chǎn)生的蒸氣為裝置反應(yīng)器筒體夾套等服務(wù)的熱媒稱為氣相熱媒。由氣相熱媒蒸發(fā)器和其管路組成的系統(tǒng)稱為氣相熱媒系統(tǒng)，氣相熱媒的溫度一般為275～295℃。

2 二次液相熱媒系統(tǒng)

2.1 工作流程

二次液相熱媒系統(tǒng)是一個(gè)封閉帶壓的循環(huán)系統(tǒng)，每個(gè)二次熱媒泵出口管線上都設(shè)計(jì)有溫度傳感器，可以設(shè)置本系統(tǒng)所需要的二次熱媒的溫度，該系統(tǒng)溫度的調(diào)節(jié)是通過一次熱媒進(jìn)入二次熱媒系統(tǒng)的流量變化來控制的。高溫的一次熱媒進(jìn)入二次熱媒系統(tǒng)，低溫的二次熱媒通過帶鎖止回閥(此止回閥鎖關(guān)時(shí)可作為截止閥使用)返回到一次熱媒系統(tǒng)中。每個(gè)熱媒出口管線上都設(shè)計(jì)有現(xiàn)場(chǎng)溫度計(jì)及節(jié)流閥，可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度適當(dāng)調(diào)整該分支管路的溫度。

典型的二次液相熱媒系統(tǒng)工作流程見圖1。

圖1 二次液相熱媒系統(tǒng)工作流程Fig.1 Typical process of a secondary liquid heating medium system

2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)二次液相熱媒供管及回管的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，液相熱媒的供管應(yīng)布置在所服務(wù)設(shè)備、夾套管的下方，回管應(yīng)布置在所服務(wù)設(shè)備、夾套管的上方［2］。如果管路有不可避免的向下袋形，應(yīng)設(shè)計(jì)低排管線。

二次液相熱媒供回管的設(shè)計(jì)應(yīng)保證熱媒流過所有用戶的每個(gè)熱媒腔，一個(gè)熱媒系統(tǒng)多用戶時(shí)，采用并聯(lián)方式，即供管都接在熱媒泵后二次熱媒供管上，回管都接在熱媒泵前二次熱媒回管上。

當(dāng)熱媒通過夾套閥或其他在線部件，使其形成單獨(dú)的熱媒空間。如在線設(shè)備的管口有隔板，隔斷前后熱媒則須為該部件單獨(dú)設(shè)計(jì)熱媒供回管，靠近該部件前后增加熱媒跨接管或以該部件為分隔點(diǎn)，其前后管路分為單獨(dú)的線路。

(2)排氣管線的設(shè)置。由于在一定的溫度下，一直有少量熱媒慢慢地分解成氣態(tài)裂變產(chǎn)物，隨著時(shí)間的推移而不斷積累，因此必須對(duì)氣態(tài)裂變產(chǎn)物進(jìn)行妥善收集和排放。在每個(gè)二次熱媒管系的最高點(diǎn)設(shè)置排氣管線，此管線同時(shí)承擔(dān)著二次熱媒系統(tǒng)的脫氣和本系統(tǒng)排放時(shí)的補(bǔ)氣作用。排氣管線起點(diǎn)處必須保持至少30°傾角。

二次熱媒泵可以布置在管線的上方或下方，如果布置在上方時(shí)，應(yīng)考慮泵后管路脫氣。一般在泵后管線向下方的最后一個(gè)彎頭附近(最高點(diǎn))設(shè)計(jì)排氣管線。

(3)一次熱媒供回管和填充管線的配置。一次熱媒供回管的連接點(diǎn)必須在二次熱媒泵的吸入管線上，一次熱媒供管應(yīng)靠近泵，且一次熱媒供回管連接點(diǎn)之間的距離不小于2 m。這是為了避免一次熱媒供回管與二次熱媒連接點(diǎn)距離過近而導(dǎo)致一次熱媒供回管之間發(fā)生“短路”。

熱媒填充管線用于冷態(tài)時(shí)對(duì)二次熱媒系統(tǒng)進(jìn)行熱媒填充，在二次熱媒供管或回管上。一般設(shè)計(jì)在一次熱媒回管的帶鎖止回閥前面。

(4)管道柔性化。由于二次液相熱媒的操作溫度較高，所以整個(gè)熱媒管線的布置需充分考慮管道的柔性，應(yīng)采用自然補(bǔ)償?shù)姆绞较艿赖臒崦洃?yīng)力。在此基礎(chǔ)上管道還應(yīng)盡可能的短，以減少管路的熱損失。

3 氣相熱媒系統(tǒng)

3.1 工作流程

從圖2可看出，一次熱媒從氣相熱媒蒸發(fā)器底部進(jìn)入，氣相熱媒經(jīng)過一次熱媒加熱由液體變?yōu)闅怏w去往反應(yīng)器或夾套管等設(shè)備，換熱后的熱媒凝液排至凝液總管，換熱后的氣相部分經(jīng)放空總管匯總至氣液分離器。

圖2 氣相熱媒系統(tǒng)工作流程Fig.2 Typical process of a gas heating medium system

從氣液分離器上部出來的氣相熱媒放空至氣相熱媒收集槽，從氣液分離器下部出來的氣相熱媒凝液經(jīng)凝液總管返回至氣相熱媒蒸發(fā)器，由一次熱媒加熱循環(huán)使用。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)氣相熱媒蒸發(fā)器。氣相熱媒凝液必須靠重力從用戶流回到蒸發(fā)器，所以蒸發(fā)器必須布置在低于用戶的位置上，且用戶凝液出口應(yīng)高于蒸發(fā)器出口1.6 m以上。

(2)氣相熱媒管線。當(dāng)氣相熱媒管線水平布置時(shí)，水平管段應(yīng)有逆流坡度，每10 m設(shè)置一個(gè)凝液排放接管;在水平管段向上的垂直拐角處，應(yīng)設(shè)凝液排放接管［2］。但在聚酯裝置中，由于氣相熱媒管線從蒸發(fā)器出口至用戶大多小于50 m。按照DN150的蒸氣管道，用復(fù)合硅酸鹽保溫，厚度120 mm，蒸氣溫度275℃，保溫外壁溫度按照40℃計(jì)算，其熱損失量為99.9 W/m，折合275℃時(shí)的氣相熱媒冷凝量為0.37 g/(m·s)，50 m長度的氣相管線總冷凝量為15 g/s，相對(duì)于熱媒蒸發(fā)器中凝液的質(zhì)量很?。?］，因此在水平管段和向上的垂直拐角處并不設(shè)計(jì)凝液排放管線，而是讓凝液直接通過氣相管線回流到蒸發(fā)器中。

(3)凝液管線。凝液管道宜從設(shè)備的豎直方向接出，當(dāng)無法從豎直方向接出時(shí)，應(yīng)至少有1 m長度的豎直管段;水平的凝液管段，宜有大于1%的順流坡度;凝液分離器排放的水平管段，宜有大于5%的順流坡度［3］。密封的凝液總管水平布置，溢流管高度為400 mm;凝液總管的管徑至少比接到其上的最大的凝液管線的管徑大一檔;凝液總管與蒸發(fā)器頂部的最小垂直距離為0.6 m。

(4)放氣管線。排氣管道向上與垂直線的夾角不小于30°，且宜在排氣管和匯總管間設(shè)孔板;排氣匯總管宜有1%的順流坡度［3］。一個(gè)凝液分離器最多可連接同一加熱系統(tǒng)的8根排氣管線，若超過8根，需增加一條帶有凝液分離器的放空總管;如果受空間限制，允許把凝液分離器布置在放空總管下方且最大垂直距離不超過3 m。

(5)氣相熱媒管道系統(tǒng)的布置。通常每個(gè)管道用戶有一個(gè)氣相熱媒供給點(diǎn)、一個(gè)凝液排放點(diǎn)和一個(gè)放氣點(diǎn)。如果用戶為水平走向的夾套管，則氣相熱媒應(yīng)從夾套管的側(cè)面水平進(jìn)入;如果夾套管走向?yàn)榈埂癠”型布置，則應(yīng)在倒“U”型夾套管兩側(cè)的最低處分別接凝液排放，兩側(cè)的垂直高度下1/3處分別水平接氣相熱媒供管，在最頂部設(shè)一個(gè)放氣點(diǎn)。另外，如果夾套管管徑大于DN600，氣相熱媒供管應(yīng)在夾套管接入點(diǎn)的180°對(duì)面再設(shè)一個(gè)水平接入點(diǎn)，保證大管徑夾套管內(nèi)的氣相熱媒供給充足。當(dāng)一個(gè)密閉空間需要?dú)庀酂崦郊訜崆抑挥袃蓚€(gè)接口時(shí)(液位計(jì)、軸封)，高處的管口接氣相熱媒供管，低處的管口接凝液排放。此凝液排放管線要接凝液分離器，對(duì)凝液進(jìn)行氣液分離。

(6)管道柔性化。由于氣相熱媒的操作溫度高，所以整個(gè)熱媒管線的布置應(yīng)充分考慮管道的柔性，應(yīng)采用自然補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上管道應(yīng)盡可能的短，以減少管路的熱損失。

4 結(jié)論

現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)聚酯與紡絲裝置都是采用直紡銜接，故聚酯熔體溫度的高低直接影響紡絲裝置的正常生產(chǎn)，聚酯紡絲對(duì)于工藝溫度有著嚴(yán)格的要求。因此，熱媒加熱系統(tǒng)不僅是聚酯工藝也是紡絲工藝控溫的關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)從流程、控制、布置等各個(gè)方面來完善熱媒循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

［1］ 趙天堂，袁曉虎.聚酯裝置熱媒系統(tǒng)安全控制設(shè)計(jì)探討［J］.中國科技博覽，2012(6):166.

［2］ GB50492—2009，聚酯工廠設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ 俱虎良.聚酯裝置中氣相熱媒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.合成纖維工業(yè)，2013，36(3):58－60.