合成氣制烯烴合成單元熱交換方案優(yōu)化與熱交換器選型設(shè)計(jì)

蘆德龍

綠技行（上海）科技發(fā)展有限公司（上海 200000）

烯烴是能源化工領(lǐng)域中的一種基礎(chǔ)化工原料，是各類合成纖維、橡膠、塑料、高級(jí)潤(rùn)滑油、高碳醇產(chǎn)品的基礎(chǔ)原料。我國(guó)多煤少油貧氣，為緩解對(duì)稀缺資源的依賴，國(guó)內(nèi)一直在研究利用煤炭資源直接或間接制備烯烴[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已建設(shè)多套合成器制烯烴試驗(yàn)裝置，其中一套為驗(yàn)證合成氣直接制烯烴技術(shù)與催化劑和為工業(yè)化應(yīng)用推廣進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的中試裝置，在中試期間發(fā)現(xiàn)其合成單元因熱交換問(wèn)題導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法正常連續(xù)進(jìn)行。本研究主要討論該套合成氣制烯烴中試裝置合成單元熱交換方案的優(yōu)化及熱交換器選型設(shè)計(jì)。

1 合成單元熱交換器現(xiàn)狀

合成單元是該裝置的核心單元之一?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)的合成反應(yīng)熱交換方案見(jiàn)圖1。冷合成氣先經(jīng)反應(yīng)進(jìn)出料換熱器E-1101與反應(yīng)出料進(jìn)行換熱，溫度升至175℃左右，再進(jìn)入合成氣預(yù)熱器E-1102，經(jīng)蒸汽加熱至255℃后送入合成氣直接制烯烴（FTO）反應(yīng)器。氣相產(chǎn)物經(jīng)反應(yīng)進(jìn)出料換熱器E-1101降溫至120℃后送至重?zé)N分離器V-1102，重?zé)N分離器V-1102液相產(chǎn)物作為重?zé)N產(chǎn)品外輸，氣相經(jīng)合成氣水冷器E-1103降溫至40℃后送至輕烴分離器V-1103。輕烴分離器V-1103液相產(chǎn)物作為輕烴產(chǎn)品外輸，氣相作為循環(huán)氣進(jìn)入下游單元。

圖1 現(xiàn)有設(shè)計(jì)合成單元熱交換方案

2 存在的問(wèn)題及方案優(yōu)化

2.1 存在的問(wèn)題

該套合成氣制烯烴中試裝置為工業(yè)側(cè)線設(shè)計(jì)，依托某煤間接制甲醇廠建設(shè)，所以該裝置的建設(shè)場(chǎng)地、公用工程等均依托現(xiàn)有有限資源。裝置建成試車后發(fā)現(xiàn)，所用公用工程中的中壓蒸汽存在不足，不能滿足裝置運(yùn)行的需求。另外，依托工廠中壓蒸汽品位長(zhǎng)期低于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致利用中壓蒸汽加熱的裝置不得不更換為加熱方式更為可靠的電加熱或?qū)嵊图訜?，所以需要減少現(xiàn)有裝置的布置空間，加裝電加熱器和導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)。

基于以上問(wèn)題，從優(yōu)化合成單元熱交換方案和熱交換器選型入手，設(shè)法從降低合成單元中壓蒸汽用量和減少合成單元熱交換器占用空間兩方面解決上述問(wèn)題。

2.2 合成單元熱交換方案優(yōu)化

原合成單元熱交換方案采用E-1101+E-1102組合的方式，是為了將E-1101管程出口冷反應(yīng)器出料的溫度控制在120℃左右，防止凝固點(diǎn)低于120℃的重油凝固，堵塞管路。裝置中試試車后發(fā)現(xiàn)，E-1101管程出口冷反應(yīng)器出料中，凝固點(diǎn)低于120℃的重油產(chǎn)品幾乎沒(méi)有，凝固點(diǎn)低于50℃的重油產(chǎn)品也非常少。當(dāng)E-1101管程出口冷反應(yīng)器出料溫度在50℃左右時(shí)，通過(guò)對(duì)E-1101管程出口管路進(jìn)行伴熱即可解決管內(nèi)介質(zhì)凝固堵塞問(wèn)題。所以，優(yōu)化后的合成單元熱交換方案，其中的E-1101+E-1102可以直接用單臺(tái)合成氣熱交換器E-1101N代替，產(chǎn)出物不再區(qū)分輕烴產(chǎn)品和重?zé)N產(chǎn)品。優(yōu)化后的合成單元熱交換方案見(jiàn)圖2。

圖2 優(yōu)化后合成單元熱交換方案

3 合成氣熱交換器E-1101N選型

E-1101N代替E-1101和E-1102，所以其熱負(fù)荷為E-1101和E-1102之和1 154.2 kW。冷熱流體間的溫差（T-t）s是傳熱推動(dòng)力[2]。E-1101采用逆流方式，傳熱推動(dòng)力即為對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力。計(jì)算得到E-1101對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力Δtm1=82.7℃；E-1101N對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力Δtm2=9.1℃。采用Aspen EDR軟件校核，需要8臺(tái)E-1101串聯(lián)才能滿足優(yōu)化后換熱需要，即便是用單臺(tái)設(shè)備E-1101N代替原設(shè)備E-1101，尺寸和質(zhì)量也比原設(shè)備大很多。單純的管殼式換熱器數(shù)量增多或放大，不僅需要突破諸多設(shè)計(jì)和制造難點(diǎn)[3]，而且從投資、空間尺寸、質(zhì)量載荷等各方面考慮，不能滿足該中試裝置優(yōu)化需要。

王家榮[4]提出，在傳熱溫差較小，尤其是低溫端溫差為10～15℃時(shí)，可以選用纏繞管式換熱器，并且具有不可替代性。在煤化工領(lǐng)域，陳施光[5]研究提出，纏繞管式換熱器可在較小傳熱溫差下依然表現(xiàn)出高傳熱效率，且在逆流模式下，端部溫差僅為2℃時(shí)依然表現(xiàn)良好。根據(jù)上述分析，初選纏繞管式換熱器作為合成氣熱交換器E-1101N的熱交換器型式，并在后續(xù)展開(kāi)熱工計(jì)算設(shè)計(jì)。

4 合成氣熱交換器E-1101N熱工計(jì)算設(shè)計(jì)

目前，纏繞管式換熱器沒(méi)有公開(kāi)通用的計(jì)算軟件，其熱工計(jì)算仍需要選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型開(kāi)展[6]。

通過(guò)Aspen HYSYS軟件模擬得到，E-1101N介質(zhì)無(wú)相變，均為氣相狀態(tài)，所以選擇單相流傳熱計(jì)算方法為熱工計(jì)算模型。經(jīng)查閱文獻(xiàn)，纏繞管式換熱器管程單相流傳熱及壓降計(jì)算參考Schmidt E F[7]提出的盤管內(nèi)流體界膜導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法，殼程單相流傳熱及壓降計(jì)算參考Gilli P V[8]提出的計(jì)算方法。

4.1 纏繞管換熱器初選結(jié)構(gòu)參數(shù)

E-1101N計(jì)劃安裝位置為原E-1101安裝位置，根據(jù)裝置實(shí)測(cè)，E-1101N直徑應(yīng)不大于1.5 m，總長(zhǎng)應(yīng)不超過(guò)15 m，質(zhì)量應(yīng)不大于30 t。初選的E-1101N外形尺寸與E-1101保持一致，而為了便于纏繞和耐高壓，纏繞管式換熱器通常選用小直徑換熱管[9]。本研究選用外徑為15 mm的換熱管，初選E-1101N與E-1101結(jié)構(gòu)參數(shù)比較見(jiàn)表1。后續(xù)根據(jù)表1進(jìn)行E-1101N熱工計(jì)算，分析其傳熱面積、設(shè)備壓降等參數(shù)是否滿足要求。

4.2 E-1101N單相流傳熱計(jì)算及阻力計(jì)算

4.2.1 管程單相流給熱系數(shù)計(jì)算

按式（1）計(jì)算管程介質(zhì)雷諾數(shù)Ret。

表1初選E-1101N與E-1101結(jié)構(gòu)參數(shù)比較

式中：Ret為管程雷諾數(shù)；di為換熱管內(nèi)徑，mm；Gt為管程介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；μt為管程介質(zhì)黏度，mPa·s。

計(jì)算得到管程雷諾數(shù)Ret=31 879。

按式（2）計(jì)算管程普朗特?cái)?shù)Prt。

式中：Prt為管程普朗特?cái)?shù)；cp為管程介質(zhì)比熱容，kJ/(kg·K)；μt為管程介質(zhì)黏度，mPa·s；λt為管程介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

計(jì)算得到管程普朗特?cái)?shù)Prt=0.49。

經(jīng)查閱文獻(xiàn)[7]，管程給熱系數(shù)αt按式（3）計(jì)算。

式中:αt為管程給熱系數(shù)，W/（m2·K）；di為換熱管內(nèi)徑，mm；為平均纏繞直徑，mm；Ret為管程雷諾數(shù)；Pr為管程普朗特?cái)?shù)；λt為管程介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

計(jì)算得到管程給熱系數(shù)αt=404 W/（m2·K）。

4.2.2 殼程單相流給熱系數(shù)計(jì)算

按式（4）計(jì)算殼程介質(zhì)雷諾數(shù)Res。

式中：Res為殼程雷諾數(shù)；Deo為殼程當(dāng)量直徑，mm；Gs為殼程介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；μs為殼程介質(zhì)黏度，mPa·s。

計(jì)算得到殼程介質(zhì)雷諾數(shù)Res=10 580。

然后按式（4）計(jì)算殼程普朗特?cái)?shù)Prs。

20世紀(jì)70年代末80年代初，中國(guó)政府在總結(jié)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，對(duì)中國(guó)政府的公共服務(wù)進(jìn)行了一系列改革。同發(fā)達(dá)國(guó)家相比所不同的是“公共服務(wù)對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家是老題目,而對(duì)中國(guó)則是新題目”[3]。1978年實(shí)施改革開(kāi)放以來(lái),為了滿足廣大人民群眾日益增長(zhǎng)的公共服務(wù)需求,我國(guó)政府在如何提高公共服務(wù)的質(zhì)量和水平上進(jìn)行了一系列有效探索，把提升公共服務(wù)水平作為重要內(nèi)容。

式中：Prs為殼程普朗特?cái)?shù)；cp為殼程介質(zhì)比熱容，kJ/(kg·K)；μs為殼程介質(zhì)黏度，mPa·s；λs為殼程介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·K）。

計(jì)算得到殼程普朗特?cái)?shù)Prs=0.45。

殼程給熱系數(shù)αs按式（6）計(jì)算。

式中：αs為殼程給熱系數(shù)，W/(m2·K)；λs為管程介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；Deo為殼程當(dāng)量直徑，mm；Res為殼程雷諾數(shù)；Prs為殼程普朗特?cái)?shù)；Fa，F(xiàn)i，F(xiàn)n為修正系數(shù)，可查閱文獻(xiàn)[8]得到。

計(jì)算得到殼程給熱系數(shù)αs=407.3 W/(m2·K)。

4.2.3 熱交換器傳熱系數(shù)計(jì)算

熱交換器傳熱系數(shù)K按式（7）計(jì)算。

式中：αt為管程給熱系數(shù)，W/(m2·K)；αs為殼程給熱系數(shù)，W/(m2·K)；R1為殼程污垢熱阻，(m2·K)/W；R2為管程污垢熱阻，(m2·K)/W；δ為換熱管壁厚，m；λ為換熱管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；di為換熱管內(nèi)徑，mm；do為換熱管外徑，mm；dm為換熱管壁平均直徑，dm=(d1+d2)/2，mm。

熱交換器傳熱系數(shù)K=169.2 W/(m2·K)，所需換熱面積為711 m2。

4.3 熱交換器阻力計(jì)算

管程單相流阻力Δpt按Schmidt E F提出的盤管內(nèi)流體流動(dòng)阻力計(jì)算式計(jì)算。

式中：Δpt為管程壓降，kPa；l為換熱管長(zhǎng)度，mm；di為換熱管內(nèi)徑，mm；Gt為管程介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；ρt為管程介質(zhì)密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；為平均纏繞直徑，mm；μt為管程介質(zhì)黏度，mPa·s；ΔHt為管程高度，m。

4.3.2 殼程單相流阻力計(jì)算

殼程單相流阻力Δps按Gilli P V提出的殼程流體流動(dòng)阻力計(jì)算式計(jì)算：

式中：Δps為殼程壓降，kPa；Ci為管內(nèi)換熱管傾斜修正系數(shù)，Cn為管排修正系數(shù)，Cl為換熱管布置修正系數(shù)，計(jì)算詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8]；ω為殼程流體流動(dòng)方向管排數(shù)；ΔHs為殼程高度，m。

計(jì)算得到，管程阻力為21.2 kPa，殼程阻力為9.3 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 E-1101N定尺計(jì)算

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算發(fā)現(xiàn)，初選的E-1101N實(shí)際換熱面積約為所需換熱面積711 m2的93%，換熱面積不滿足要求；阻力滿足設(shè)計(jì)要求。據(jù)此可以推斷，通過(guò)對(duì)初選纏繞管式換熱器的尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)并對(duì)上述計(jì)算方法進(jìn)行迭代計(jì)算，可以計(jì)算出符合要求的結(jié)果。

經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算，計(jì)算出了滿足要求的終選E-1101N。終選E-1101N與原E-1101結(jié)構(gòu)參數(shù)比較見(jiàn)表2。

表2 終選E-1101N與E-1101結(jié)構(gòu)參數(shù)比較

5 優(yōu)化效果

優(yōu)化前后合成單元熱交換器設(shè)備情況見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)上述熱交換方案優(yōu)化和熱交換器選型計(jì)算可以得出以下兩點(diǎn)結(jié)論。

表3 優(yōu)化前后合成單元熱交換器設(shè)備情況匯總

根據(jù)該中試裝置試車的實(shí)際情況優(yōu)化了合成單元熱交換方案，簡(jiǎn)化了熱交換流程，節(jié)約了很大一部分中壓蒸汽和循環(huán)水的用量，為整個(gè)裝置有限的公用工程資源的重新分配提供了可能。

通過(guò)模擬、選型、熱工計(jì)算可以看出，在傳熱推動(dòng)力降低至約原來(lái)的1/9時(shí)，纏繞管式換熱器傳熱系數(shù)依然可以達(dá)到外形尺寸大致相同的原有管殼式換熱器的2倍左右，而換熱面積更是達(dá)到了4倍左右。所以，原有3臺(tái)管殼式換熱器可用上述一臺(tái)纏繞管式換熱器代替，這樣一來(lái)，另外2臺(tái)換熱器的原有空間可以用來(lái)布局裝置其他單元需要的新增設(shè)備，提高中試裝置有限空間的利用率。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究從中試裝置的實(shí)際需求和有限條件出發(fā)，通過(guò)對(duì)裝置本身試運(yùn)行情況進(jìn)行分析，優(yōu)化了合成單元的熱交換方案；經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)查閱和熱工計(jì)算，對(duì)原有熱交換器順利完成了選型和設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地在合成氣制烯烴中試裝置上應(yīng)用了纏繞管式換熱器。

該中試裝置的改造思路對(duì)其他類似試驗(yàn)項(xiàng)目具有參考意義，纏繞管式換熱器的熱工計(jì)算設(shè)計(jì)同樣適用于其他單相流纏繞管式換熱器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。