石油樹脂成品冷卻器選型的研究

王金鳳

（三達膜環(huán)境技術(shù)股份有限公司集美分公司，福建廈門 361000）

目前為止，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)的石油樹脂生產(chǎn)為間歇式反應(yīng)。雖然間歇式反應(yīng)有靈活應(yīng)對市場需求的優(yōu)勢，但是存在能耗高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、操作人員負荷大及操作人員安全隱患多等問題，連續(xù)化生產(chǎn)工藝可以使間歇式生產(chǎn)的這些問題迎刃而解。然而，由于石油樹脂物料性質(zhì)的特殊性，在連續(xù)生產(chǎn)工藝中產(chǎn)品冷卻器的選型有較大的困難。本文旨在介紹石油樹脂及石油樹脂產(chǎn)品冷卻器的選型和實際運行中注意事項。

1 石油樹脂

1.1 石油樹脂的定義和分類

石油樹脂是以石油裂解過程中副產(chǎn)物C5、C9餾分為原料，以硫酸、無水三氯化鋁、三氟化硼等為催化劑，經(jīng)加熱聚合而制得的一種熱塑性樹脂，是近年來新開發(fā)的一種化工產(chǎn)品。根據(jù)原料及性質(zhì)不同，可分為C5石油樹脂、C9石油樹脂、C5-C9共聚石油樹脂、脂環(huán)族石油樹脂。具有價格低廉、混溶性好、熔點低、耐水、耐乙醇等優(yōu)點。

1.2 石油樹脂的發(fā)展

石油樹脂的生產(chǎn)在很長一段時間內(nèi)集中于美國?？松梨冢‥xxonMobil）、伊士曼（Eastman）、固特異（Goodyear）、日本瑞翁（Zeon）、韓國科?。↘oLon）等公司。日本瑞翁（Zeon）是亞洲最大的石油樹脂生產(chǎn)商，韓國科?。↘olon）化學(xué)公司是亞洲另一家重要石油樹脂生產(chǎn)廠商。在很長一段時間內(nèi)，國外生產(chǎn)的加氫石油樹脂占全球加氫石油樹脂總產(chǎn)量的92.5%。

在中科院有機所、中科院化學(xué)所、上海石化股份有限公司化工所等科研院所的不懈努力下，我國的石油樹脂生產(chǎn)的步子也在逐步加大，并研發(fā)出了C5系列石油樹脂；中怡化工（漳州）有限公司也自主研發(fā)出了C5系列石油樹脂及加氫石油樹脂，并實現(xiàn)了產(chǎn)品的工業(yè)化及連續(xù)化生產(chǎn)。目前，生產(chǎn)C5石油樹脂的國內(nèi)廠家有山東齊隆化工、中怡化工（漳州）有限公司、浙江恒河石化和寧波甬華等企業(yè)，C9石油樹脂的主要生產(chǎn)廠家有山東齊隆化工、浙江恒河石化和寧波甬華等。

1.3 石油樹脂的物化性質(zhì)

石油樹脂一般不會作為單獨的產(chǎn)品進行使用，而是作為促進劑、調(diào)節(jié)劑、改性劑和其他樹脂一起使用。產(chǎn)品形態(tài)與性質(zhì)緊密相關(guān)，以EASTMAN的產(chǎn)品為例?！癊ASTOTAC”樹脂C-100L主要用于粘合劑，為半透明、有輕微氣味的固體粒子，密度為1.04 g/cm3（25 ℃），幾乎不溶于水，軟化點為100 ℃的可燃固體，材料較穩(wěn)定，不具有聚合危險而會與強氧化劑反應(yīng)。而Regalite C8010烴類樹脂雖然同樣也作為粘合劑使用，但卻是無色，有輕微氣味，密度＜1 g/cm3（20 ℃），軟化點10 ℃，幾乎不溶于水，閃點為241 ℃（Setaflash閉杯），沸點＞300 ℃，熔點＜0 ℃的液體[1-2]。

另外，不同廠家的產(chǎn)品，由于工藝的不同，產(chǎn)品的色相度、溴值、耐熱性、軟化點、氯含量和揮發(fā)分含量等也有很大的差異。而對于產(chǎn)品指標的控制，是各家石油樹脂企業(yè)能否立足于樹脂行業(yè)并脫穎而出的關(guān)鍵所在。

2 石油樹脂產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)

2.1 連續(xù)生產(chǎn)的意義

目前，國內(nèi)很多石油樹脂材料的生產(chǎn)過程為間歇式生產(chǎn)。間歇生產(chǎn)對于靈活調(diào)整生產(chǎn)計劃有重要意義，但是間歇生產(chǎn)具有規(guī)模小、能耗高、人員操作量大、產(chǎn)品性能不穩(wěn)定等缺點，對于日益龐大、產(chǎn)品競爭越來越激烈的樹脂材料行業(yè)，實現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)對于提高產(chǎn)品的競爭力有不可估量的意義。

2.2 石油樹脂的連續(xù)生產(chǎn)工藝

石油樹脂連續(xù)生產(chǎn)的工藝為：石油樹脂各成分反應(yīng)后，經(jīng)脫溶工序處理，重組分進入產(chǎn)品冷卻器，冷卻后進入造粒工序。連續(xù)生產(chǎn)工藝的流程示意圖見圖1。

圖1 石油樹脂連續(xù)生產(chǎn)工藝示意圖

2.3 石油樹脂產(chǎn)品冷卻器選型的困難

（1）隨著溫度的變化物料的黏度變化非常大，在接近造粒點時，黏度可達到3 Pa·s以上；（2）石油樹脂的導(dǎo)熱性能差；（3）石油樹脂屬于熱敏性物料，過熱時容易結(jié)焦，影響產(chǎn)品品質(zhì)；（4）由于屬于熱敏性物料，換熱的介質(zhì)不能選擇溫差太大的物料，從而進一步增加了選擇難度。

3 換熱器的選用

3.1 換熱器型式的選擇

常用換熱器根據(jù)傳熱方式和結(jié)構(gòu)可分為間壁傳熱式和直接傳熱式。根據(jù)項目的特點，采用間壁式換熱器較為可行。常用的間壁式換熱器的特性見表1。

表1 間壁式換熱器特性

由于前面所述的石油樹脂的特點，初步考慮選用管殼式換熱器。

管殼式換熱器由殼體、管束、折流擋、管板和管箱等部件組成。根據(jù)管箱、管束形式的不同可分為固定管板式換熱器、浮頭式換熱器和U型管式換熱器等。（1）固定管板式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，換熱器兩端的管板和換熱管束連成一體，但不方便拆卸，對于殼程需要清洗的換熱工況不推薦使用。（2）浮頭式換熱器的管束一端可以自由浮動，對于有熱應(yīng)力的換熱器工況具有很好的消除熱應(yīng)力的作用，而且管束可以整體從殼程中抽出，適合需要清洗的工況。但是浮頭式換熱器由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，造價也較高。（3）U形管式換熱器的特點是換熱管為U形，兩端分別固定在管板的上下部位，在管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將管束分成進出兩個管程，因此U形管式換熱器均為偶數(shù)管程。U形管式換熱器由于U形的管束布置，也可以完全消除熱應(yīng)力，且結(jié)構(gòu)比浮頭式簡單，造價相較于浮頭式更低，但有管程不易清洗的特點，對于管程需要清洗的工況需要慎用。

根據(jù)管殼式換熱器的特點，石油樹脂產(chǎn)品冷卻器初步考慮選用浮頭式換熱器。

3.2 溫度的選擇

冷熱物料的溫度差是傳熱過程中的重要傳熱推動力，換熱器同一側(cè)的溫度梯度越大，傳熱效果越好。在此情況下，冷熱物料通常采用逆流方式以獲得更好的溫度梯度。在低溫端，冷熱物料的溫差以不低于20 ℃為佳。當采用管殼式換熱器時，冷卻物料的出口溫度最好不要高于工藝物流的出口溫度。

3.3 壓力降的選擇

影響換熱器傳熱效果的因素除了溫差外，還有物流的流速。增加換熱物料流速，可增加傳熱系數(shù)，減少換熱面積，減少換熱器投資，但同時也增加了換熱器的壓降，并且使磨蝕和振動破壞加劇。另外，壓力降的增加還會增加換熱器前側(cè)提升泵的能耗。因此，換熱器通常有一個比較經(jīng)濟的壓力降范圍，其范圍值見表2。

表2 PROⅡ模擬計算報告

3.4 物料走向的安排

（1）高溫物流走管程可以起到減少保溫厚度和減少殼程材料壁厚的效果，但如果為了物料的快速冷卻，如物料需要冷凝，高溫物料也可以走殼程。（2）較高壓力的物流應(yīng)走管程。（3）黏度較大的物流應(yīng)走殼程，在殼程可以得到較高的傳熱系數(shù)。（4）腐蝕性較強的物流應(yīng)走管程。（5）由于管程的傳熱系數(shù)和壓降計算誤差小等因素，生產(chǎn)工藝對壓力降要求較高的物料應(yīng)走管程。（6）為方便清洗和控制結(jié)垢，較臟和容易結(jié)垢的物料應(yīng)走管程。若必須走殼程，采用正方形管子排列并且采用可拆式換熱器不失為較好的選擇[3]。

基于以上原則，考慮到樹脂物料黏度大，最終選擇石油樹脂走管程，冷卻物料走殼程，并采用立式換熱器。

4 換熱器的模擬計算

隨著化工設(shè)計行業(yè)的發(fā)展，軟件模擬計算由于具有為產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)提供更為精確的計算數(shù)據(jù)，以及為研發(fā)和生產(chǎn)節(jié)省前期投入成本等特點，在實際應(yīng)用中越來越受到各大設(shè)計院所和研發(fā)人員的青睞。接下來介紹石油樹脂產(chǎn)品冷卻器的模擬計算過程。

4.1 物質(zhì)和能量守恒計算

（1）熱流：石油樹脂，流量Q=5 t/h；壓力P=0.5 MPa，溫度T=250 ℃；冷流：導(dǎo)熱油，流量需核算，壓力P=0.6 MPa，溫度T=130 ℃。

采用目前比較常用的石油樹脂的分子式（圖2），PROⅡ中的虛擬組分進行定義和模擬（圖3）。

圖2 石油樹脂分子式

圖3 石油樹脂產(chǎn)品冷卻器PROⅡ模擬流程

圖3中，S1為石油樹脂進料，T=250 ℃，P=0.5 MPa，Q=5 t/h；S2為石油樹脂出料，T=160 ℃，P=0.45 MPa，Q=5 t/h；S3為冷卻物料進料，T=130 ℃，P=0.6 MPa，Q=24.34 t/h；S4為冷卻物料出料，T=150 ℃，P=0.55 MPa，Q=24.34 t/h；E1為產(chǎn)品冷卻器

經(jīng)過PROⅡ模擬計算的報告見表2。

4.2 換熱器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模擬

采用HTRI換熱器模擬計算軟件，進行換熱器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模擬，模擬結(jié)果中換熱管束布置見圖4，換熱器的外形布置見圖5，換熱器的模擬報告見表3表4。

圖4 換熱器管束布置圖

圖5 換熱器的外形布置

表3 換熱器工藝參數(shù)

表4 換熱器性能參數(shù)

從報告數(shù)據(jù)可以看出，管程的流速不理想。因此，考慮在管束內(nèi)增加內(nèi)插物，以強化管程內(nèi)流體傳熱效率。插入物一方面可以促進管內(nèi)流體形成湍流，另一方面可以擴大傳熱面積，提高傳熱效率[4]。但是，咨詢專家后得知，由于石油樹脂的黏度高，如果在管束中插入內(nèi)插物，雖然可以在一定程度上提高傳熱效果，但是換熱器的堵塞問題會更嚴重，經(jīng)商討，最終決定采用浮頭式管殼換熱器，從實際運行效果看，該換熱器可滿足生產(chǎn)需求。

立式換熱器殼程參數(shù)包括：TEAM類型為BES，殼程內(nèi)徑850 mm，殼程數(shù)1，并聯(lián)數(shù)1。立式換熱器折流板參數(shù)包括：切割度25%，橫切，折流板間距300 mm，折流板數(shù)量19。立式換熱器管束參數(shù)包括：管子類型為光管，外徑25.4 mm，長6 m，管心距與管直徑比為1.2598，布置角度30°，共計462根，管程數(shù)為4。立式換熱器管嘴參數(shù)：殼程進/出口直徑均為77.927 mm，進/出口高度均為100.972 mm，管程進/出口直徑均為52.553 mm。

5 運行中的注意事項

（1）停機時注意事項：換熱器在停止使用、物料切斷后，導(dǎo)熱油需繼續(xù)運行；用相應(yīng)的溶劑對管束進行清洗排凈；清洗后，關(guān)閉導(dǎo)熱油。（2）重啟時注意事項：重啟時，需先開啟導(dǎo)熱油，待換熱器達到一定溫度后，開啟物料閥門，設(shè)備正常運行。

6 結(jié)論

經(jīng)過工藝模擬計算并結(jié)合設(shè)備設(shè)計，管殼式換熱器在石油樹脂產(chǎn)品連續(xù)化生產(chǎn)中作為產(chǎn)品冷卻器的方案可行。