甲醇裝置中的水冷器改進(jìn)設(shè)計(jì)

王 玉 李懷建 錢(qián) 江 黃偉昌

（1.沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司 2.七臺(tái)河寶泰隆煤化工股份有限公司)

某企業(yè)利用煉焦產(chǎn)生的副產(chǎn)品焦?fàn)t煤氣制甲醇。首先焦?fàn)t氣進(jìn)行增壓脫硫，然后再經(jīng)加氫轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的氣體成分滿足甲醇合成氣的基本成分要求[1]。轉(zhuǎn)化后的氣體，經(jīng)合成氣壓縮機(jī)加壓至6.0 MPa，進(jìn)入甲醇合成裝置。

在甲醇合成裝置中，須用循環(huán)水將反應(yīng)氣 （各組分體積百分?jǐn)?shù)分別為H277.52%、CO5.64%、CO23.07%、CH41.95%、N25.91%、H2O1.17%、CH3OH 4.73%）降溫，由約100℃降至小于等于40℃，得到粗甲醇液。然后，粗甲醇液再進(jìn)入甲醇分離器分離出甲醇，剩余氣體送至合成段循環(huán)使用。在合成裝置中，除甲醇合成塔、甲醇分離器外，水冷器也是甲醇合成的主要設(shè)備。

合成裝置內(nèi)原水冷器為U形管式，但在使用和維護(hù)過(guò)程中，暴露出一些問(wèn)題。于是，企業(yè)建議采用固定管板式水冷器，并根據(jù)負(fù)荷要求將原換熱面積再增加20%。

1 原水冷器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

原水冷器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

原水冷器具有如下一些主要特點(diǎn)：

（1）原水冷器結(jié)構(gòu)為雙殼程U形管式，最大尾端無(wú)支撐跨距1497 mm，接近國(guó)標(biāo)GB 151—1999[2]規(guī)定的極限值1500 mm，極易發(fā)生振動(dòng)損壞。如果對(duì)U形管段采用輔助支撐，會(huì)使制造成本和制造難度大為增加。

（2）管束清洗時(shí)，管束的抽插過(guò)程容易使殼程縱向密封墊片損壞，導(dǎo)致殼程流體短路，這樣換熱情況會(huì)迅速惡化。

（3）管板為堆焊結(jié)構(gòu)，有對(duì)接凸肩，制造復(fù)雜。對(duì)接凸肩與短節(jié)的焊接接頭需進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

（4）管箱球形封頭為非標(biāo)尺寸，須定制。

（5）換熱管很長(zhǎng)，最長(zhǎng)一組達(dá)14246 mm，因此制造、運(yùn)輸、彎管都不容易。

圖1 U形管式水冷器

表1 水冷器設(shè)計(jì)條件

（6）在抽插管束前后，需要拆裝48組M24緊固件，十分費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。如果要更換殼程墊片，就必須將管束與殼體徹底分離，套進(jìn)墊片，這樣就更加麻煩。

（7）U形管彎曲段處于流動(dòng)死區(qū)，不參與換熱，增加了無(wú)用成本。

2 改進(jìn)后水冷器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后水冷器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。除換熱面積增加至1190 m2外 （用戶(hù)要求增加20%），改進(jìn)后水冷器的運(yùn)行參數(shù)同表1。

圖2 固定管板式水冷器

改進(jìn)后水冷器具有如下一些主要特點(diǎn)：

（1）管口方位、鞍座關(guān)聯(lián)尺寸與原水冷器一致，不需要變更管線與基礎(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)安裝一次成功。

（2）結(jié)構(gòu)形式改為固定管板式[2]，且在殼程增加膨脹節(jié)，有利于換熱管受力狀況的改善。

（3）殼程縱向密封改為焊接，密封可靠。

（4）管板設(shè)計(jì)為無(wú)法蘭結(jié)構(gòu)，制造簡(jiǎn)單，厚度大為減薄，不帶對(duì)接凸肩，可直接采用整體不銹鋼材料，省去了一般的對(duì)接接頭無(wú)損檢測(cè)的要求。

（5）管箱球形封頭為標(biāo)準(zhǔn)封頭。

（6）換熱管為直管，長(zhǎng)度僅為U形管展開(kāi)長(zhǎng)的一半，無(wú)彎管段，因此制造、運(yùn)輸相對(duì)容易。

（7）雖然不能像U形管式換熱器那樣可將管束抽出來(lái)清洗，但可采用化學(xué)清洗除垢。省去了拆裝48組M24緊固件的辛勞，也無(wú)殼程縱向密封墊片損壞的擔(dān)憂，維護(hù)工作量大為減輕。

3 原水冷器與改進(jìn)水冷器比較

通過(guò)以上論述，可以進(jìn)行如下概括：

（1）原U形管式水冷器設(shè)計(jì)復(fù)雜、制造成本高、維護(hù)費(fèi)用高，如果殼程分程隔板縱向密封墊片有損壞，換熱效果將惡化。

（2）改進(jìn)后的固定管板式水冷器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制造成本低、維護(hù)費(fèi)用小，殼程分程隔板采用焊接結(jié)構(gòu)，不存在漏流，換熱效果穩(wěn)定。

4 結(jié)論

近數(shù)十年來(lái)，隨著新型催化劑的發(fā)明，使得原本需要高溫高壓才能合成的甲醇，通過(guò)低壓法即可合成。但同時(shí)也導(dǎo)致設(shè)備體積龐大，出現(xiàn)了一些新問(wèn)題。特別是由于處理量過(guò)大，使換熱設(shè)備的進(jìn)出口管徑和換熱面積都很大 （如本文涉及的水冷器，管、殼程的進(jìn)/出口公稱(chēng)直徑分別為DN450/DN400和DN500/DN500），制造難度大，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高，許多甲醇裝置中類(lèi)似的U形管式水冷器，均不同程度出現(xiàn)了振動(dòng)損壞換熱管問(wèn)題。

雖然本文所述的改進(jìn)的水冷器已安全運(yùn)行了兩年，但根據(jù)企業(yè)所提供的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)過(guò)相關(guān)的軟件模擬發(fā)現(xiàn)，水冷器仍可進(jìn)一步改進(jìn)。筆者建議，將原型號(hào)BEM1500-5.88/0.6-1190-6.7/19-2/2-Ⅰ水冷器改為2臺(tái)并聯(lián)的、且弓形區(qū)不布管的單殼程換熱器BEM1200-5.88/0.6-750-7.5/19-2-Ⅰ，這樣可更有效地降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和制造難度。

[1] 李建鎖，王憲貴，王曉琴.焦?fàn)t煤氣化制甲醇技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2] GB 151—1999管殼式換熱器 [S].

[3] JB/T 4717—1992 U形管式換熱器型式與基本參數(shù)[S].