內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管的國產(chǎn)化及在乙二醇多效蒸發(fā)的應用

聶毅強

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管是一種雙面強化高效換熱管，能同時強化沸騰和冷凝，總傳熱系數(shù)高，適用于小溫差下的立式管內(nèi)沸騰和管外冷凝換熱，是裝置實現(xiàn)大型化和節(jié)能的關(guān)鍵傳熱元件。其典型應用是乙二醇多效蒸發(fā)塔再沸器。由于制造難度大、性能要求高以及運行部位關(guān)鍵等原因，內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管市場長期為國外公司壟斷，且價格昂貴。2019年前，國內(nèi)新建和改造的乙二醇裝置多是從國外采購這種換熱管，耗費大量外匯。而國產(chǎn)內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管(簡稱國產(chǎn)管)已經(jīng)經(jīng)過試驗測試且具備工業(yè)應用條件，但一直未能真正得到市場的認可?，F(xiàn)在新建乙二醇裝置產(chǎn)能已達到百萬噸級，多效蒸發(fā)塔再沸器亟需早日實現(xiàn)國產(chǎn)化。

茂名20萬t/a環(huán)氧乙烷(EO)裝置在二效蒸發(fā)塔再沸器中首次使用了國產(chǎn)管。本文以國產(chǎn)管應用為背景，通過微觀結(jié)構(gòu)比較、機械性能測試以及換熱器長期傳熱性能標定，論證國產(chǎn)管在百萬噸級環(huán)氧乙烷/乙二醇(EO/EG)裝置多效蒸發(fā)單元應用的可行性和可靠性。

1 應用背景與問題提出

表面多孔換熱管是一種強化沸騰傳熱的高效換熱管，通過機械加工、化學腐蝕、粉末冶金或其他方法對普通光管進行表面處理來強化其核態(tài)沸騰性能，其中粉末冶金燒結(jié)型強化效果最為明顯，沸騰換熱系數(shù)超過光管的10倍【1】，適用于小溫差下烴及其衍生物的蒸發(fā)傳熱，在石油化工、化工、天然氣等行業(yè)有廣泛應用。

外縱槽管是一種強化立式管外冷凝傳熱的高效換熱管，采用機械加工方法在基管外表面形成多道縱槽。縱槽使管外壁凝液從凸面上快速匯集到凹槽并排掉，減薄了換熱管表面液膜厚度，提高了冷凝傳熱系數(shù)。管外縱槽還有增加管外換熱面積和減薄換熱管壁厚的作用，可進一步強化傳熱。外縱槽管的冷凝傳熱系數(shù)是光管的2～3倍。

乙二醇是一種重要的有機化工原料。典型的乙二醇生產(chǎn)采用“乙烯—環(huán)氧乙烷—乙二醇”路線，其中乙二醇水溶液多效蒸發(fā)單元再沸器具有熱負荷大、傳熱溫差小的特點。以某百萬噸乙二醇裝置為例，其第二效至第六效蒸發(fā)塔再沸器工藝條件和傳熱性能參數(shù)見表1。

表1 蒸發(fā)塔再沸器工藝條件和傳熱性能參數(shù)

進一步分析可以得到各效再沸器傳熱熱阻的百分比(見表2)。

表2 蒸發(fā)塔再沸器熱阻百分比 單位：%

在8～10 ℃的有效傳熱溫差下，最高的二效蒸發(fā)塔再沸器總傳熱系數(shù)需大于8 000 W/(m2·℃)，最低的六效蒸發(fā)塔再沸器總傳熱系數(shù)需大于4 800 W/(m2·℃)，傳熱要求非常高。

內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金換熱管(見圖1)基管材質(zhì)為銅鎳(90/10)合金，管外縱槽、管內(nèi)銅鎳(90/10)合金粉末燒結(jié)形成的多孔薄層，是目前強化立式管內(nèi)沸騰和管外冷凝效果最好的傳熱元件，也是滿足乙二醇多效蒸發(fā)單元傳熱要求的唯一選擇，但這種管制造技術(shù)長期被國外壟斷。

圖1 內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金換熱管

從國家行業(yè)戰(zhàn)略需求出發(fā)，國內(nèi)一些高校、研究院開始研發(fā)燒結(jié)型內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金換熱管，突破多項關(guān)鍵技術(shù)，成功開發(fā)并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化【2-3】。國產(chǎn)管整體性能已經(jīng)達到國外產(chǎn)品水平，但在乙二醇裝置上的應用還是困難重重。對性能的懷疑是造成上述狀況的主要原因，主要體現(xiàn)在傳熱性能、多孔層強度性能和防結(jié)垢長期運行性能等方面。

2 結(jié)構(gòu)特征與影響因素

內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管傳熱熱阻主要集中在管內(nèi)和管外工藝側(cè)。相比較而言，外縱槽的研究比較充分，機械加工工藝比較成熟，管外冷凝傳熱系數(shù)比較容易達到較高的數(shù)值。因此，管內(nèi)多孔層的強化沸騰傳熱是研究的重點。

多孔薄層隨機分布著許多微小的凹穴和隧道(微通道)，凹穴與隧道、隧道與隧道之間無規(guī)則地連通(見圖2)。這種結(jié)構(gòu)非常有助于提高沸騰傳熱，具體表現(xiàn)為：微小隧道具有毛細管特征，既使液體充滿多孔層，又降低了多孔層內(nèi)液體壓力，使液體泡點降低，在過熱度很小的情況下產(chǎn)生氣泡；眾多且凹凸不平的內(nèi)表面積既增大了換熱面積，又提高了液膜傳熱系數(shù)，使得液體在彎曲連通的隧道內(nèi)充分吸熱、汽化；有的微凹穴內(nèi)氣膜率先成為氣核并迅速膨脹、排出，既擾動了換熱管內(nèi)流體流動，提高了管內(nèi)流體內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)，又降低隧道內(nèi)壓、加速外部流體進入多孔層，提高了隧道內(nèi)流通量；有的微凹穴內(nèi)氣膜難以生成氣核，成為外界液體進入多孔層的入口，液體在隧道內(nèi)流動更加順暢，流通量更高；高的流通量提高了換熱面的沖刷、降低了換熱面金屬壁溫和濃縮液體的滯留，因而具有較高的阻垢性能。

圖2 多孔薄層微觀結(jié)構(gòu)

多孔層厚度、孔隙率和微通道當量半徑是多孔層主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。劉京雷等【4】對比了國產(chǎn)燒結(jié)多孔層管和國外同類產(chǎn)品，結(jié)果表明二者參數(shù)相當。多孔層機械強度可通過彎曲試驗(見圖3)或壓扁試驗來檢驗。試驗結(jié)果表明：多孔層與基管燒結(jié)強度高，滿足再沸器長期運行要求。

圖3 多孔表面高通量彎曲試驗

主要結(jié)構(gòu)參數(shù)相當?shù)貌怀鰝鳠嵝阅芟喈數(shù)慕Y(jié)論。多孔層沸騰傳熱方式涉及泡核沸騰、對流傳熱和熱傳導，是氣液兩相動量、熱量和質(zhì)量傳遞的多因素互相作用的綜合過程。多孔層強化泡核沸騰的機理十分復雜， 迄今研究仍不夠成熟， 現(xiàn)有模型只是在某些方面或某些程度上反映了多孔層強化沸騰傳熱的實質(zhì)， 并且模型參數(shù)多， 實際應用困難。

O’Neill等【5】提出了單汽泡靜態(tài)模型，認為每個凹穴都是活化中心，該模型僅考慮保持氣泡所需的過熱度和隧道壁面液膜的溫度降，給出了最佳孔穴的半徑ropt和理論上最高沸騰傳熱系數(shù)。Cornwell【6】認為多孔層表面蒸汽面積占有率與熱通量成正比，同時還考慮了多孔層內(nèi)蒸汽逸出層外的阻力與多孔層厚度之比對沸騰換熱的影響。這些模型與實際偏差較大，預測結(jié)果均不太理想【7】。

多孔層凹穴尺寸是一個對沸騰換熱影響較大的參數(shù)，金屬粉末顆粒越大，形成的孔穴尺寸越大。文獻【8】給出了汽化核心的最小氣泡曲率半徑rmin與液體表面張力σ、過熱度ΔTsat和壓力相對泡點變化率(dp/dT)關(guān)系，見式(1)：

(1)

可見在一定條件下，只有尺寸大于最小氣泡曲率半徑rmin的凹穴才能成為活化中心，內(nèi)凹穴的頸口半徑?jīng)Q定了起始沸騰過熱度。汪榮順【9】結(jié)合統(tǒng)計學，將多孔層內(nèi)部結(jié)構(gòu)抽象成毛細通道連接兩個凹穴的結(jié)構(gòu)，認為通道阻力較小的凹穴才能成為活化中心，而通道阻力較大的凹穴只能成為非活性孔?；罨行牡臍馀萋氏葟陌肭蛐纬蔀闅夂瞬⒀杆倥蛎?、噴出，并使得通道內(nèi)壓力下降。非活性孔的氣泡來不及進一步發(fā)展成為氣核，在外壓作用下，液面由外凸改為內(nèi)凹，液體在毛細管力作用下從這里滲入通道內(nèi)。

氣泡在汽化核心上形成并迅速長大，達到一定直徑后脫離換熱面。氣泡脫離直徑越小，脫離頻率越高，強化沸騰傳熱效果越好。氣泡脫離直徑dd與接觸角θ，表面張力系數(shù)σ，氣、液兩相密度ρv、ρl關(guān)系見式(2)【10】：

(2)

適宜的凹穴尺寸能夠減小接觸角，減小氣泡脫離直徑。可見凹穴的形狀決定了沸騰穩(wěn)定性【11】。

在理論研究還不能應用于工程設計時，對多孔層強化泡核沸騰的試驗研究就顯得很重要。翟貴立【7】按照多孔層表面上沸騰換熱量由層內(nèi)液膜蒸發(fā)換熱量、多孔層導熱換熱量和層內(nèi)液體對流換熱量3部分組成，將影響多孔表面沸騰的幾個主要因素(即顆粒平均直徑dp，多孔層厚度δ，熱通量q，孔隙率ε，潛熱hfg，氣、液兩相密度ρv、ρl，表面張力系數(shù)σ，液體導熱系數(shù)λl，飽和壓力ps，飽和溫度Ts，蒸汽粘度μv，金屬顆粒導熱系數(shù)λp和沸騰溫差ΔTB)組成幾個無因次數(shù)群，用試驗數(shù)據(jù)回歸，得到如式(3)所示的換熱關(guān)聯(lián)式：

(3)

以乙二醇水溶液為介質(zhì)的傳熱研究少見報道。趙傳亮【12】對立式管內(nèi)70%(w,%)乙二醇溶液的銅光管和內(nèi)多孔外縱槽銅管進行沸騰傳熱試驗研究，得出內(nèi)多孔外縱槽銅管對銅光管沸騰強化倍數(shù)A與熱通量q的關(guān)系，見式(4)：

A=9.43q-0.15

(4)

使用式(4)計算表1再沸器沸騰系數(shù)，比實際值偏低30%以上。試驗介質(zhì)濃度高及傳熱溫差大是造成偏差的主要原因。

為了檢驗內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金換熱管的傳熱性能，有必要在乙二醇多效蒸發(fā)操作條件下(包括濃度、溫度和傳熱溫差、循環(huán)量等條件，盡量減少影響參數(shù))進行傳熱試驗。試驗條件見表3。

表3 試驗條件

3 試驗結(jié)果與討論

通過試驗可以得出一些基本結(jié)論：

1) 總傳熱系數(shù)隨著乙二醇濃度增加而降低，隨著溫度、壓力的增加而增加；濃度影響遠大于溫度、壓力影響。

2) 乙二醇濃度及溫度、壓力不變的條件下，沸騰傳熱系數(shù)隨熱通量或流量的增大而增大，熱通量影響大于流量的影響。

對試驗方案提出如下意見：

1) 試驗介質(zhì)濃度應盡量接近乙二醇各效蒸發(fā)濃度。

2) 試驗可在較低的溫度、壓力下進行，這既保證了試驗的安全，又使得試驗數(shù)據(jù)偏于保守。在較高溫度、壓力條件下，例如乙二醇多效蒸發(fā)的第二至第四效，實際數(shù)據(jù)要略優(yōu)于試驗數(shù)據(jù)。

3) 對多孔層沸騰，傳熱溫差對熱通量影響最為明顯，因此傳熱試驗必須在乙二醇多效蒸發(fā)的有效溫差范圍內(nèi)進行，偏離會導致大的偏差。

4) 雖然流量對沸騰傳熱系數(shù)的影響較小，但試驗仍應在乙二醇多效蒸發(fā)的操作范圍內(nèi)進行。乙二醇多效蒸發(fā)中，隨著料液流量的減少，換熱器入口流速逐效降低。

與國外產(chǎn)品對比試驗的結(jié)果表明，國產(chǎn)管傳熱性能與國外管相當。

嚴格來講，試驗數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)還是有差別的。例如，未能消除管長、進料飽和度和管外冷凝蒸汽組分偏差的影響。乙二醇多效蒸發(fā)塔再沸器所使用的換熱管管長在4～6 m之間，管內(nèi)壓降較大。壓降增大會使沸騰起始溫度升高、傳熱系數(shù)降低。受上一效進料減壓閃蒸的影響，乙二醇多效蒸發(fā)塔再沸器進口有一定汽相，這對于傳熱系數(shù)提高是有利的。管外冷凝氣相含有少量乙二醇，冷凝溫度和冷凝系數(shù)與蒸汽的不同。出口氣相質(zhì)量分數(shù)對傳熱也有一些影響。但這些影響都不大，試驗數(shù)據(jù)還是可以用于指導工程設計的。

國產(chǎn)管應用的最后、也是最大的一個問題是：國產(chǎn)管如何保證多孔層污垢自清潔能力，能否長期保持高的傳熱能力。

4 運行數(shù)據(jù)與性能鑒定

茂名EO裝置的建設，為國產(chǎn)管提供了應用機會。二效蒸發(fā)塔塔釜濃度接近EG裝置第六效蒸發(fā)塔塔釜濃度，再沸器進口濃度略高于EG裝置第五效蒸發(fā)塔再沸器進口濃度。為方便調(diào)整操作條件，在凝液出口設置調(diào)節(jié)閥，保證熱負荷不變的情況下，通過調(diào)整再沸器殼側(cè)液位來調(diào)整有效換熱面積，降低一效塔頂壓力，使得二效蒸發(fā)塔再沸器傳熱條件接近EG裝置操作條件。

該裝置自2017年8月開車以來，已經(jīng)連續(xù)運行3年多，二效蒸發(fā)塔再沸器運行狀況良好，傳熱能力超過設計值。對長期運行數(shù)據(jù)進行采集、整理，并與操作條件較為相近的某EO/EG裝置五效蒸發(fā)塔再沸器(以下稱為對比再沸器)進行對比，其中茂名再沸器使用國產(chǎn)管，對比再沸器使用進口管，二者換熱管管心距都是40 mm，布管角度都是60°，詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4。

表4 茂名再沸器與對比再沸器規(guī)格

工藝條件和標定結(jié)果見表5。

從表5可以看出，在進料濃度和出料濃度都比對比再沸器高的情況下，使用國產(chǎn)管的茂名再沸器總傳熱系數(shù)比進口管高4.6%，說明國產(chǎn)管的傳熱性能優(yōu)于進口管，并且國產(chǎn)管自清潔能力強，能夠長期保持高的傳熱能力。

表5 二效蒸發(fā)塔再沸器工藝條件表及標定結(jié)果

5 結(jié)論

1) 內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管能同時強化管外冷凝和管內(nèi)沸騰，在小傳熱溫差下仍可保持很高的傳熱系數(shù)，并且防結(jié)垢能力強、操作穩(wěn)定，是最為高效的傳熱元件。

2) 內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，并且試驗數(shù)據(jù)表明，多孔層機械性能、微觀結(jié)構(gòu)以及傳熱性能和進口管相當。

3) 茂名EO二效蒸發(fā)塔再沸器使用國產(chǎn)管，已連續(xù)運行3年多，傳熱性能標定結(jié)果優(yōu)于進口管，表明國產(chǎn)內(nèi)多孔外縱槽銅鎳合金管應用在百萬噸級EO/EG裝置多效蒸發(fā)單元是可行的。