全焊寬通道板式換熱器在精餾裝置熱量耦合中的應(yīng)用

［摘 要］寬通道板式換熱器的板束間距可調(diào)，適用于燃料乙醇、制糖、造紙、氧化鋁等含有大量固體、晶體、纖維、漿狀物質(zhì)及高粘度介質(zhì)的流體換熱工藝場(chǎng)合。傳統(tǒng)的可拆卸寬通道板式熱交換器因?yàn)槊芊鈮|片受溫度、壓力及介質(zhì)等方面約束，應(yīng)用場(chǎng)合很受局限。已開發(fā)的全焊接寬通道板式換熱器雖在個(gè)別領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但因其管側(cè)為焊接定位柱或壓成多觸點(diǎn)形式，不適用于雙介質(zhì)均為高固含量、晶體、纖維等工況推廣應(yīng)用。廣西中糧生物能源有限公司采用的開放式定距柱焊接板對(duì)，不但具承壓高的特點(diǎn)，而且易清洗，只需將盲板打開，即可對(duì)雙側(cè)流道進(jìn)行清洗，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

［關(guān)鍵詞］板式換熱器；全焊接；開放式；無觸點(diǎn)；廢醪；應(yīng)用

［中圖分類號(hào)］TP181 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）07–0093–03

1 全焊寬通道板式換熱器簡(jiǎn)介

20 世紀(jì)80 年代，澳大利亞Wagerup 氧化鋁廠采用全焊寬通道板式換熱器進(jìn)行中間降溫，效果良好。2002年，我國(guó)首次從法國(guó)引進(jìn)全焊寬通道板式換熱器，其設(shè)備熱介質(zhì)通道為間距12 mm 的無觸點(diǎn)平板結(jié)構(gòu)，冷介質(zhì)為通道間距8 mm 的高效平板定距柱形式。該設(shè)備傳熱元件為2205 雙相鋼，具備高耐磨和抗腐蝕性能。2005 年，全焊寬通道板式換熱器在氧化鋁種子分解工段得到廣泛應(yīng)用[1]。

2014 年，全焊接寬通道板式換熱器在燃料乙醇行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[2]。與氧化鋁工況不同，燃料乙醇行業(yè)用寬通道板式換熱器冷介質(zhì)流道采用高效平板定距柱或窩狀結(jié)構(gòu)，熱介質(zhì)寬通道側(cè)無觸點(diǎn)或其他支撐。其換熱單元材質(zhì)為304、316L 或2205 雙相鋼。

2 全焊寬通道板式換熱器的特點(diǎn)

（1）適用工況范圍廣。全焊寬通道板式換熱器板片間介質(zhì)通道通過焊接形成密封結(jié)構(gòu)，替代了傳統(tǒng)的的橡膠密封，使其具備耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等性能，適用于各類工況下的熱交換。

（2）換熱效率高。全焊寬通道板式換熱器在板片形式設(shè)計(jì)上采用了可拆板式換熱器設(shè)計(jì)理念，裝而成的一種高效換熱器。板片波紋的設(shè)計(jì)以高度的薄膜導(dǎo)熱系統(tǒng)為目標(biāo)，通過波紋想具有一定波紋形狀的金屬片疊，板片波紋所形成的特殊流道使流體在極低的流速下即可產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)流（湍流），固傳熱效率很高。

（3）對(duì)數(shù)平均溫差大，末端溫差小。板式換熱器具備較高的傳熱系數(shù)及強(qiáng)烈的湍流，可使熱交換器的冷、熱側(cè)流體溫度十分接近，溫差趨近1～3℃。

（4）阻力損失小。特有的板型設(shè)計(jì)使流體充滿了整個(gè)換熱器流道，板片表面幾乎全部參與了熱交換，在整個(gè)流道中實(shí)現(xiàn)無死區(qū)的流動(dòng)，阻力小。

（5）污垢系數(shù)低。板式換熱器內(nèi)的流體劇烈湍流，雜質(zhì)不易沉淀，板間通道的流通死區(qū)小，換熱表面光滑，附作物少，清洗容易，因而其污垢系數(shù)比其他換熱小。

（6）結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。板式換熱器板片緊密排列，板片表面的波紋大幅增加了有限換熱面積，單位容積中最大傳熱面積為250 m2，與管式熱器類型相比，板式換熱器的占地面積和占用空間較少，面積相同換熱量的板式換熱器僅為管殼式換熱器的20%。

（7）適應(yīng)性強(qiáng)針?？筛鶕?jù)安裝空間大小及具體工況參數(shù)的要求，改變板片尺寸及改變流程組合，以滿足工藝需求。另外焊接板式換熱器可通過改變流道寬度，以適用不同工況的需求。

目前，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)制造的全焊接寬通道板式換熱器無觸點(diǎn)側(cè)流通大量固體、晶體、纖維、漿狀物質(zhì)及高粘度介質(zhì)，有觸點(diǎn)側(cè)流通循環(huán)水[3]。當(dāng)兩種介質(zhì)均為含顆粒物、含纖維的漿狀流體進(jìn)行換熱時(shí)，目前的全焊接寬通道板式換熱器并不能滿足要求。

3 精餾裝置熱量耦合預(yù)熱器的現(xiàn)狀

廣西中糧生物能源有限公司燃料乙醇生產(chǎn)所用原材料為木薯，熱側(cè)介質(zhì)為二精塔底部的廢糟液，固形物含量14%～17%，正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)口溫度為115～130℃。冷側(cè)介質(zhì)為粗塔側(cè)采的含酒醪液，固形物含量為16%～18%，正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)口溫度為66～69℃。廢糟液通過換熱器熱交換來實(shí)現(xiàn)對(duì)粗塔側(cè)采的醪液進(jìn)行升溫，使其滿足精餾所需的工藝溫度狀態(tài)。如冷側(cè)溫度達(dá)不到要求，還需通過蒸汽對(duì)醪液進(jìn)行二次加熱，不僅浪費(fèi)成本，同時(shí)增加了場(chǎng)地成本及設(shè)備成本。原有換熱設(shè)備為螺旋板換熱器、管式換熱器、可拆寬流道板式換熱器。因換熱介質(zhì)含有大量固體顆粒、纖維懸浮物及粘稠狀流體，換熱器需保證寬通道側(cè)流道光滑，流體流通順暢，有效防止介質(zhì)中固體顆粒物或懸浮物的沉積、堵塞通道、磨損板等現(xiàn)象的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)大處理量、高傳熱效率、耐壓、耐溫、耐磨蝕性能，以及低阻力損失的換熱要求，但以上3種換熱器均無法滿足現(xiàn)有工況需求。

4 開放式寬流道板式換熱器

4.1 板型設(shè)計(jì)

文章新開發(fā)的板型示意如圖1 所示。與傳統(tǒng)全焊寬通道板式換熱器不同，板側(cè)廢糟液側(cè)由板對(duì)與定距柱組成帶接觸流道，板片與定距柱采用多點(diǎn)焊焊接，最大承壓能力為2.6 MPa，因板對(duì)形式為開放式，可通過高壓水槍對(duì)板側(cè)進(jìn)行維護(hù)清洗，使用方便。管程粗塔側(cè)采側(cè)為無觸點(diǎn)流道，因流道內(nèi)無任何觸點(diǎn)，打開盲法蘭后可對(duì)管側(cè)流道進(jìn)行清洗，此流道的間距為10～5 mm，可根據(jù)介質(zhì)工況及流量進(jìn)行調(diào)整，使設(shè)備具有更高的適應(yīng)能力。

該換熱器換熱單元材質(zhì)由304.316L.2205 等材質(zhì)摸壓成型制造，適用于造紙紙漿及聚乙烯塑料等領(lǐng)域。

4.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

寬通道板式換熱器結(jié)構(gòu)見圖2。該設(shè)備板側(cè)及管側(cè)均可通過粘性大、易堵塞的流體。板程及管程設(shè)有可拆卸蓋板結(jié)構(gòu)，定期打開設(shè)備蓋板對(duì)板程及管程進(jìn)行清洗及維修。同時(shí)管側(cè)無觸點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行亦不會(huì)發(fā)生堵塞等現(xiàn)象，這是該設(shè)備的與其他全焊寬通道板式換熱器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

5 開放式定距柱全焊寬流道板式換熱器應(yīng)用案例

5.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

廣西中糧生物能源有限公司投入了多臺(tái)熱量耦合用全焊寬通道板式換熱器，主要應(yīng)用于燃料乙醇生產(chǎn)工藝過程。燃料乙醇生產(chǎn)采用生物發(fā)酵法。

目前，生物發(fā)酵法原料很多，包括木薯、玉米、水稻、小麥及工業(yè)淀粉等，其糖化后變小單糖，再經(jīng)過發(fā)酵生成乙醇。木薯工藝過程中產(chǎn)生的醪液中含有大量木薯纖維、泥沙。使用可拆卸板式換熱器，因介質(zhì)含有泥沙板片出現(xiàn)磨損泄漏，設(shè)備損耗率較高，維護(hù)成本較大。使用螺旋板板式換熱器（圖3），因木薯纖維鉤掛定距設(shè)備極易堵塞，設(shè)備運(yùn)行一周就需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆卸清洗，維修成本較大。

熱量耦合工藝參數(shù)：熱側(cè)介質(zhì)為二精塔底部的廢糟液，流量120 m3/h，進(jìn)/ 出口溫度為115℃ /85℃，壓降105 kPa，冷側(cè)介質(zhì)為粗塔側(cè)采的含酒醪液，流量140 m3/h， 進(jìn)/ 出口溫度為66 ℃ /100 ℃， 壓降110 kPa，醪液將廢糟液的余熱進(jìn)行回收，通過此設(shè)備進(jìn)行熱量交換，降低高溫蒸汽使用量。

以往采用螺旋板式換熱器需要兩臺(tái)設(shè)備并聯(lián)同時(shí)使用，運(yùn)行一周后即發(fā)生堵塞等情況，需要拆除清洗。因物料含有大量木薯纖維及雜物，使設(shè)備清洗難度增加，清洗周期長(zhǎng)，影響企業(yè)正常生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。后期采用常規(guī)全焊寬通道板式換熱器，也因其設(shè)備結(jié)構(gòu)問題，導(dǎo)致設(shè)備使用壽命及運(yùn)行周期均減少。運(yùn)用文章設(shè)計(jì)的單臺(tái)即可滿足工況要求，其換熱效率高，該設(shè)備可滿足介質(zhì)換熱要求，同時(shí)板對(duì)之間無任何觸點(diǎn)，減少壓降損失，循環(huán)泵可進(jìn)行變頻工作。同時(shí)該設(shè)備采用2205 雙相鋼，增加了設(shè)備的耐磨度，延長(zhǎng)了使用壽命。目前看設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，設(shè)備免維護(hù)周期為25 d 左右。

5.2 新版型解決的問題

定距柱設(shè)計(jì)在板側(cè)，可以根據(jù)介質(zhì)顆粒物情況設(shè)計(jì)板間距，管側(cè)改為無任何觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，使設(shè)備適用于兩種介質(zhì)均為易堵塞、粘度大等工況。設(shè)備板程與管程均設(shè)有可拆卸蓋板結(jié)構(gòu)，便于后期設(shè)備內(nèi)部清洗、檢修，相對(duì)于螺旋板式換熱器，使用更加方便，維護(hù)成本低。

6 結(jié)束語(yǔ)

開放式定距柱全焊寬流道板式換熱器在廢糟液與醪液熱量耦合中換熱效果較好，含酒醪液出料溫度能達(dá)到100℃以上，減少后續(xù)工段蒸汽使用量，提高了酒精產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)節(jié)能減排、降本增效等理念。實(shí)踐表明，設(shè)備具備良好的推廣前景，同時(shí)在制糖、造紙、氧化鋁等含有大量固體、晶體、纖維、漿狀物質(zhì)及高粘度介質(zhì)領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 金亞利，張曼麗，王新燕. 寬通道板式熱交換器在氧化鋁生產(chǎn)種子分解過程中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)有色冶金，2006（1）：52-54.

[2] 陳靜. 全焊接寬通道板式熱交換器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 價(jià)值工程，2014（4）：65-66.

[3] 常春梅，孫海生，盧芳，等. 寬通道全焊接板式熱交換器在廢糖水余熱回收中的應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備，2017（3）：48-51.