全焊寬通道板式換熱器在精餾裝置熱量耦合中的應用

［摘 要］寬通道板式換熱器的板束間距可調，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、漿狀物質及高粘度介質的流體換熱工藝場合。傳統的可拆卸寬通道板式熱交換器因為密封墊片受溫度、壓力及介質等方面約束，應用場合很受局限。已開發的全焊接寬通道板式換熱器雖在個別領域得到廣泛應用，但因其管側為焊接定位柱或壓成多觸點形式，不適用于雙介質均為高固含量、晶體、纖維等工況推廣應用。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，不但具承壓高的特點，而且易清洗，只需將盲板打開，即可對雙側流道進行清洗，具有廣泛的推廣應用前景。

［關鍵詞］板式換熱器；全焊接；開放式；無觸點；廢醪；應用

［中圖分類號］TP181 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0093–03

1 全焊寬通道板式換熱器簡介

20 世紀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行中間降溫，效果良好。2002年，我國首次從法國引進全焊寬通道板式換熱器，其設備熱介質通道為間距12 mm 的無觸點平板結構，冷介質為通道間距8 mm 的高效平板定距柱形式。該設備傳熱元件為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用[1]。

2014 年，全焊接寬通道板式換熱器在燃料乙醇行業得到了廣泛應用[2]。與氧化鋁工況不同，燃料乙醇行業用寬通道板式換熱器冷介質流道采用高效平板定距柱或窩狀結構，熱介質寬通道側無觸點或其他支撐。其換熱單元材質為304、316L 或2205 雙相鋼。

2 全焊寬通道板式換熱器的特點

（1）適用工況范圍廣。全焊寬通道板式換熱器板片間介質通道通過焊接形成密封結構，替代了傳統的的橡膠密封，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計上采用了可拆板式換熱器設計理念，裝而成的一種高效換熱器。板片波紋的設計以高度的薄膜導熱系統為目標，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生強烈的擾動流（湍流），固傳熱效率很高。

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

（4）阻力損失小。特有的板型設計使流體充滿了整個換熱器流道，板片表面幾乎全部參與了熱交換，在整個流道中實現無死區的流動，阻力小。

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

（6）結構緊湊，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）適應性強針。可根據安裝空間大小及具體工況參數的要求，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，國內外設計制造的全焊接寬通道板式換熱器無觸點側流通大量固體、晶體、纖維、漿狀物質及高粘度介質，有觸點側流通循環水[3]。當兩種介質均為含顆粒物、含纖維的漿狀流體進行換熱時，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熱器的現狀

廣西中糧生物能源有限公司燃料乙醇生產所用原材料為木薯，熱側介質為二精塔底部的廢糟液，固形物含量14%～17%，正常運行時，進口溫度為115～130℃。冷側介質為粗塔側采的含酒醪液，固形物含量為16%～18%，正常運行時，進口溫度為66～69℃。廢糟液通過換熱器熱交換來實現對粗塔側采的醪液進行升溫，使其滿足精餾所需的工藝溫度狀態。如冷側溫度達不到要求，還需通過蒸汽對醪液進行二次加熱，不僅浪費成本，同時增加了場地成本及設備成本。原有換熱設備為螺旋板換熱器、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流道光滑，流體流通順暢，有效防止介質中固體顆粒物或懸浮物的沉積、堵塞通道、磨損板等現象的發生，實現大處理量、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有工況需求。

4 開放式寬流道板式換熱器

4.1 板型設計

文章新開發的板型示意如圖1 所示。與傳統全焊寬通道板式換熱器不同，板側廢糟液側由板對與定距柱組成帶接觸流道，板片與定距柱采用多點焊焊接，最大承壓能力為2.6 MPa，因板對形式為開放式，可通過高壓水槍對板側進行維護清洗，使用方便。管程粗塔側采側為無觸點流道，因流道內無任何觸點，打開盲法蘭后可對管側流道進行清洗，此流道的間距為10～5 mm，可根據介質工況及流量進行調整，使設備具有更高的適應能力。

該換熱器換熱單元材質由304.316L.2205 等材質摸壓成型制造，適用于造紙紙漿及聚乙烯塑料等領域。

4.2 設備結構

寬通道板式換熱器結構見圖2。該設備板側及管側均可通過粘性大、易堵塞的流體。板程及管程設有可拆卸蓋板結構，定期打開設備蓋板對板程及管程進行清洗及維修。同時管側無觸點，長時間運行亦不會發生堵塞等現象，這是該設備的與其他全焊寬通道板式換熱器的另一個優勢。

5 開放式定距柱全焊寬流道板式換熱器應用案例

5.1 設計參數

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

目前，生物發酵法原料很多，包括木薯、玉米、水稻、小麥及工業淀粉等，其糖化后變小單糖，再經過發酵生成乙醇。木薯工藝過程中產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，因介質含有泥沙板片出現磨損泄漏，設備損耗率較高，維護成本較大。使用螺旋板板式換熱器（圖3），因木薯纖維鉤掛定距設備極易堵塞，設備運行一周就需要對設備進行拆卸清洗，維修成本較大。

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

以往采用螺旋板式換熱器需要兩臺設備并聯同時使用，運行一周后即發生堵塞等情況，需要拆除清洗。因物料含有大量木薯纖維及雜物，使設備清洗難度增加，清洗周期長，影響企業正常生產運轉。后期采用常規全焊寬通道板式換熱器，也因其設備結構問題，導致設備使用壽命及運行周期均減少。運用文章設計的單臺即可滿足工況要求，其換熱效率高，該設備可滿足介質換熱要求，同時板對之間無任何觸點，減少壓降損失，循環泵可進行變頻工作。同時該設備采用2205 雙相鋼，增加了設備的耐磨度，延長了使用壽命。目前看設備運行平穩，設備免維護周期為25 d 左右。

5.2 新版型解決的問題

定距柱設計在板側，可以根據介質顆粒物情況設計板間距，管側改為無任何觸點結構，使設備適用于兩種介質均為易堵塞、粘度大等工況。設備板程與管程均設有可拆卸蓋板結構，便于后期設備內部清洗、檢修，相對于螺旋板式換熱器，使用更加方便，維護成本低。

6 結束語

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到100℃以上，減少后續工段蒸汽使用量，提高了酒精產量，實現了企業節能減排、降本增效等理念。實踐表明，設備具備良好的推廣前景，同時在制糖、造紙、氧化鋁等含有大量固體、晶體、纖維、漿狀物質及高粘度介質領域具備廣闊的應用前景。

參考文獻

[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種子分解過程中的應用[J]. 中國有色冶金，2006（1）：52-54.

[2] 陳靜. 全焊接寬通道板式熱交換器設計與應用[J]. 價值工程，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用[J]. 石油化工設備，2017（3）：48-51.