焊接板式換熱器及其應用

發(fā)布時間：2009-11-20 瀏覽：3545

摘要:介紹了多種類型的焊接板式換熱器及其應用情況。焊接板式換熱器保持了普通板式換熱器傳熱效率高、結構緊湊的優(yōu)點,并且可以在更高的溫度和壓力下使用。在石油煉制、化學、石油化工和鋼鐵等行業(yè),焊接板式換熱器正得到越來越廣泛的應用�？捎糜谠S多工藝過程,例如加熱、冷卻、冷凝和蒸發(fā)等。關鍵詞焊接板式換熱器;結構特點;應用

　　板式換熱器是一種高效緊湊式換熱器。由于有傳熱系數(shù)高、壓力損失小、結構緊湊、維修方便等諸多優(yōu)點,并且隨著結構的改進和大型化制造技術的提高,已得到越來越廣泛的應用;除了高溫、高壓和特殊介質等條件外,用板式換熱器代替管殼式換熱器都可取得明顯的效果。但是,一般的散裝式板式換熱器(可拆卸式板式換熱器) ,由于本身結構的局限性,使用壓力不超過215M Pa,使用溫度不超過250℃[ 1 ] ,此外還存在流體與密封墊片的相容性問題。

　　因此,為了提高板式換熱器的使用溫度和壓力,擴大其使用范圍,國內外陸續(xù)開發(fā)、制造并使用了多種焊接板式換熱器。這些焊接板式換熱器已經越來越多地用于化工、石油、動力、冶金等領域的加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)和熱回收等過程中。焊接板式換熱器主要分為全焊式和半焊式兩種,本文僅介紹一些全焊式焊接板式換熱器及其應用情況。1AlfaRex換熱器[ 2, 3 ]

　　A lfaRex換熱器是AL FA 2LAVAL公司生產的全焊接板式換熱器。由于不使用彈性墊片,使之可以在較高溫度和壓力下使用,并且可處理腐蝕性介質。設計溫度- 50～350℃,設計壓力5117M Pa (750p sig) ,高于普通的板式換熱器。在給定的傳熱負荷下,安裝費用僅為管殼式換熱器的1/2～1/3 ,占地面積是其1/4～1/7。A lfaRex換熱器的工作原理與常規(guī)的板式換熱器是相同的,有交替的通道供冷、熱流體通過,并且是完全的逆流流型。該換熱器每單位面積的傳熱能力比其它的錯流式全焊接板式換熱器高出20%。

　　A lfaRex換熱器采用激光焊接,熱輸入僅為普通焊接法的25% ,因此焊接熱影響區(qū)和殘余應力較小,焊縫優(yōu)于普通的焊縫。A lfaRex換熱器僅在板片平面的二個方向進行激光焊接;這樣,當溫度和壓力變化時,板束能夠沿長度方向膨脹并接觸。板束的這種柔性使A lfaRex換熱器在溫度和壓力迅速變化時仍可以使用;而在典型的三向焊接設計中,通常將產生疲勞裂紋。除了板束之外,A lfaRex換熱器的接管均能隨溫度和壓力的變化而彎曲。

　　A lfaRex換熱器,由于流道內的湍流而產生高的剪應力,因此不易結垢。又由于滯留量少,因而易于原地清洗。AL FA 2LAVAL公司建議使用過濾器除去大顆�；蚱渌�外來雜質。在某一應用中,曾連續(xù)使用18個月而仍然不需清洗。

　　A lfaRex換熱器的流率可達15114m 3/m in( 4000GPM ) ,換熱面積達27817m 2 (3000f t2)。板片材料采用316, 316L , T i,N i等。

　　A lfaRex換熱器可應用于腐蝕性介質(例如有機溶劑、烴類等)的加熱/冷卻、間歇式反應、熱回收、烴類氣體冷卻、溶劑回收、制冷等多種操作過程。2Compapla te換熱器[ 2 ]

　　Compap late換熱器是AL FA 2LAVAL公司生產的一種寬間距全焊接板式換熱器。采用自由流動板片技術,主要用于含有高百分含量固體顆粒、懸浮物或纖維的高污垢流體的冷卻或加熱,或用于水質較差的冷卻操作。該換熱器將一系列帶凹進物的波紋板片聯(lián)結起來形成板束,并形成供污垢流體通過的波紋流道(板片間距為5～21mm )。由于沒有接觸點,自由流動通道允許換熱器處理污垢流體而不會造成堵塞。加熱或冷卻流體在帶凹進物的板側流過,產生逆流或并流流動。Compap late換熱器能形成最優(yōu)的板間流速和壓降,以減輕結構速率。換熱器端部有二個可移動的門,能從板束的任一端用水沖洗污垢流體表面。板束采用100%的焊接設計,消除了使用墊片可能造成的問題,并可節(jié)省維修費用。

　　Compap late換熱器寬間隙側的設計壓力為真空～1.03M Pa (150p sig) ,板側的設計壓力為真空～1.1M Pa (165p sig)。設計溫度為- 28.9～232.2℃(- 20～450u ) ,流率為0～22.7m 3/m in(6000GPM ) ,表面積為0～209m 2 (2250f t2)。標準板材料采用316L、碳鋼:特殊板材料采用304L ,317L , 254SMO。3MAXCHANGER換熱器[ 4, 5 ]

　　MAXCHAN GER焊接板式換熱器是一種具有專利技術的換熱器(美國專利號: U SP5469914,U SP 5487427)。由t ran ter公司生產。這種換熱器的主要特征是,在板片的端部形成流體通道的入口和出口;板片的端部為三角形或V形,延長了沿每個V形邊的開口長度。對于每個流動通道,將兩個板片之一形成的開口端部邊緣折彎并與相鄰的板片焊接在一起,進一步將出入口擴大。由于板片之間流道的入口和出口擴大,大大減少了壓降和泵送費用。

　　MAXCHAN GER換熱器的傳熱情況與板框式換熱器基本相同,但沒有墊片。換熱器非常緊湊,其所占據(jù)的空間只有管殼式換熱器的30%～50%。由于板式間隙可變并具有獨特的幾何形狀,這種換熱器的傳熱系數(shù)(“U”值)很高、壓降很低。

　　MAXCHAN GER換熱器采用全焊接結構,每個板片上有很多凸起的凹進物或傾斜的波紋,提供了大量的抗壓傳熱接觸點。這種設計能夠使MAXCHAN GER換熱器用于高溫、高壓操作。標準型號的換熱器,最高使用溫度為260℃(500u ) ,標準工作壓力為1103M Pa (150p sig) ;定制的換熱器,設計壓力可達617M Pa (975p sig) ,設計溫度可達538℃(1000u )。

　　MAXCHAN GER換熱器采用逆流流動,接近溫度可達111℃(2u )以下�？捎糜谝后w2液體、蒸汽2液體、氣體2液體、氣體2氣體和制冷劑(包括氨)的換熱。

　　MAXCHAN GER換熱器有多種型號。單臺換熱器的最大換熱面積為4m 2 (44f t2)。當需要較大的換熱面積時,經常將多個換熱器排列在一起使用,使用共用的入口和出口總管。

　　MAXCHAN GER換熱器的接管有多種設置方式,在安裝時具有很大的靈活性。換熱器所使用的材料有T i, Hastelloy, Inconel,Monel以及其它材料。4“雙板”結構焊接板式換熱器[ 6 ]

　　“雙板”結構焊接板式換熱器是t ran ter公司發(fā)明的一種焊接板式換熱器(參見美國專利U SP5487424)。這種換熱器由二組板對組成,第一組板對與第二組板對按疊置的方式交替布置。每個板對有兩塊板片,板片上有突起的凹進物,使兩個板片之間具有一定的間隙,形成流體流動通道,并使流動的流體產生湍流。可使用改變高度的凹進物以減少壓降,同時仍能維持湍流以使傳熱良好。密封的板對相對的板片之間留有較小的間隙,以便可能出現(xiàn)的泄漏物排出,防止一種流體被另一種流體污染。

　　每個板對的流體入口和出口位于板對端部的兩側。板對的入口和出口被擴大,能夠提高流量、減少壓降和泵送費用。每一組板對的入口和出口分別與集流箱相連,用于輸入和抽出流體。每個集流箱分別與接管相連。

　　該焊接板式換熱器采用全焊接結構;這樣的結構更為緊湊、重量更輕、費用更少,可在較低的流體體積下操作,并具有更高的操作壓力和操作性能以及更高的效率。此外,本換熱器的結構簡單,更為堅固和耐用,并且易于制造和組裝。5PLATULAR換熱器[ 7 ]

　　PLA TULAR換熱器是BARR IQUANDECHAN GEU RS公司生產的系列全焊接板式換熱器�？捎糜诙喾N工業(yè)過程,尤其是化學(加熱器、冷卻器、冷凝器、重沸器等)、鋼鐵、造紙、食品等工業(yè)。PLA TULAR換熱器的傳熱性能優(yōu)良,傳熱系數(shù)高。此外,其流量較高,且十分緊湊,可達到200m 2/m 3。近年來, PLA TULAR換熱器的設計范圍得到擴展,著重應用于處理懸浮液、含纖維流體和粘性流體以及污垢介質。還有一些特殊設計的換熱器,用于減壓條件下的蒸汽冷凝和VOC回收。

　　PLA TULAR換熱器有各種流動形式(逆流、并流、錯流) ,可用于液體2液體、液體2氣體、氣體2氣體之間的換熱、冷凝與蒸發(fā)。通用性好;其全部結構參數(shù)(例如高度、長度、寬度和傳熱流道間距)均分別進行優(yōu)化,允許采用不同類型流體、壓降和溫度。采用臥式或立式安裝,易于維護,可采用機械或化學方法清洗。PLA TULAR換熱器可用常規(guī)的不銹鋼、UB6、INCON EL、HA STELLO Y和T i等材料制造。其板片采用壓制成形,具有優(yōu)良的機械性能和抗腐蝕性能。需要時,板片可以采用電拋光制造。

　　PLA TULAR換熱器主要有二種類型: X型和IJS型。X型無殼體,一般具有二種類型的通道:一種通道是帶凹進物的;另一種通道是平滑的。分別供難處理流體或含纖維流體以及清潔流體通過。當二種物流均為清潔流體時,二種通道均可以是波紋形的,以提供最高的效率。IJS型的板束則安裝于一個殼體內。IJS型是一種全焊接、全不銹鋼結構的換熱器,使用壓力為1.2M Pa( 12bars)或2M Pa (20bars) ,使用溫度為200℃,流體體積低于100升,換熱面積為0.55～13.6m 2。6BAVEX公司焊接板式換熱器[ 1, 8 ]

　　德國BAV EX公司開發(fā)的適用于高溫、高壓的全焊接板式換熱器;日本千代田公司引進此技術,稱為千代田2BAV EX板式換熱器。這種結構的換熱器由厚0.2～0.8mm、寬360mm、長6m的不銹鋼壓制板片疊起后,四周用等離子或T IG焊等方法焊接而成。該換熱器在常壓下使用溫度可達1000℃,常溫下使用壓力可達610～810M Pa。與多管式換熱器相比,總傳熱系數(shù)高2～3倍,壓降僅為其1/2～1,污垢系數(shù)為1/10,重量為1/4～1/2,體積占地為1/3～1/2。這種全焊接板式換熱器已使用的最大傳熱面積為1900m 2,最高使用溫度720℃(傳熱面積290m 2 ) ,最高使用壓力4.5M Pa。不僅適用于液2液、液2氣、氣2氣換熱,也適用于蒸發(fā)和冷凝的相變傳熱。7SIGMAW IG換熱器[ 9 ]

　　S IGMAW IG換熱器由Schm idt2B ret ten公司生產。該系列焊接板式換熱器沒有墊片,所有與流體接觸的部件完全由不銹鋼制成。換熱器板片采用優(yōu)化的波紋結構,能達到最好的傳熱效果。

　　該公司新近生產的S IGMAW IG型焊接板式換熱器有ST 30和ST 40二種型號,具有更大的體積流量(達450m 3/h )和換熱面積(達75m 2) ,可用于較高的負荷。接管尺寸為DN 150。S IGMAW IG系列全焊接板式換熱器的優(yōu)點是:無墊片且結構緊湊,使用安全。采用T IG焊接和優(yōu)化的焊接裝置,使產品具有較高的質量。由于優(yōu)化了板片波紋,使傳熱性能較高。與介質接觸的所有部件均無填充物。對于危險介質使用特殊材料,例如HA STELLO Y, 904L。操作溫度較高,達250℃( 480u ) ,操作壓力較高,可達2.5M Pa(25bar)以上。操作周期較長,不需維護。8COMPABLOC換熱器[ 10 ]

　　COM PABLOC焊接板式換熱器由V ICARB公司生產,是一種緊湊、高效、具有專利技術的換熱器。這種換熱器由焊接板束、鋼框和面板等組裝而成,是一種四面體結構。

　　板束采用精密壓制、自動焊接制造,立柱襯里采用電阻焊接,換熱器的“核心”由焊接波紋板板束、立柱襯里和頂部、底部蓋板襯里組成,螺栓連接框架由四根立柱和頂部、底部蓋板以及4個帶有接管的面板組成。

　　板片、襯里材料有316L , T i, T i2Pd, HastelloyC2276, C222, B22, A vesta254SMO , Inco loy825,N ickel 200,Monel, Ta。面板墊圈材料有V ITEX,玻璃增強PTFE, GRA FO IL ,柔性石墨等。

　　COM PABLOC焊接板式換熱器具有如下幾個主要特點: 1)板片之間沒有墊圈,從而提高了使用溫度和壓力; 2)采用特種波紋,使COM 2PABLOC焊接板式換熱器的傳熱性能與常規(guī)的有墊圈的板式換熱器相當; 3)采用螺栓連接設計,容易分解,易于清洗、維修或更換; 4) COM 2PABLOC焊接板式換熱器的設計、制造和試驗均按照A SM E規(guī)范Sect ionÐ,D iv. 1進行; 5)采用錯流布置,產生整體上的逆流傳熱性能; 6)采用可調節(jié)和可移動的擋板,易使壓降適合于傳熱性能要求; 7)非常緊湊,因而占地很小,所要求的安裝和維修空間也小。一臺297.3m 2 ( 3200f t2 )的COM PABLOC焊接板式換熱器占地僅9.29m 2(100f t2)。

　　COM PABLOC焊接板式換熱器使用壓力達312M Pa (450p sig) ,使用溫度達315℃(600u )。規(guī)格有多種,其中的CP75系列,最多板片數(shù)達500片,換熱表面積達319.5m 2。

　　由于COM PABLOC焊接板式換熱器的傳熱性能好且使用溫度和壓力較高,所以可十分經濟地用這種換熱器取代在相應溫度范圍內使用的管殼式換熱器。用于油氣加工工業(yè),可用作原油冷卻器、塔頂冷凝器等;還可用于其它多種工業(yè)加工過程。9PACKINOX換熱器[ 11, 15 ]

　　PACK INOX換熱器是法國PACK INOX公司生產的一種全焊接結構的大型板式換熱器。這種換熱器主要由一個傳熱板束和一個壓力容器殼體組成,板束裝封在壓力容器殼體中,所有的傳熱過程都在板束內進行,采用純逆流的操作方式。在較熱的不銹鋼板束與相對較冷的壓力容器殼體之間設有膨脹節(jié),以補償二者之間的熱膨脹差。液體進料通過噴淋棒的小孔噴出,從容器底部進來的循環(huán)氣通過一個專門設計的文丘里管后能充分和噴淋棒噴出的液體混合并均勻地分配在板束上。壓力容器用循環(huán)氣充壓,以減少板束二側的壓差、保護板束。PACK INOX換熱器采用立式安裝。

　　板束由數(shù)百片波紋不銹鋼薄板通過爆炸成型、逐層堆疊并在二側整體焊接制成。板片上具有特殊的人字形波紋,使PACK INOX換熱器成為高效的靜態(tài)混合器,為二相流動提供了最優(yōu)的傳熱效果。板片間相互交叉的波紋頂端形成接觸點,用以承受冷熱流換熱介質的壓差,并使流體在整個換熱過程中處于湍流狀態(tài),能保持高的傳熱效率。板片采用水下爆炸成型,具有成形精確、質量高、費用低等優(yōu)點。爆炸成型的板片表面光滑,板壁厚度均勻。同時,因爆炸的沖擊波有消除殘余應力的作用,板片的應變硬化程度小,僅有較低水平的殘余應力,保持了板片的抗腐蝕性能。板片長度可達15m ,單片面積一般在10m 2以上[ 11, 13 ]。板束的焊接采用T IG (鎢極惰性氣體保護電弧焊)自動焊接。

　　PACK INOX換熱器的板束材料包括各種類型的奧氏體不銹鋼、T i和高抗腐蝕的6Mo奧氏體不銹鋼。壓力容器一般采用低合金鋼或其它材料制造。膨脹節(jié)采用Inconel, Inco loy或其它材料制造。

　　PACK INOX換熱器的單臺換熱面積為1000m 2至16000m 2以上。一臺PACK INOX換熱器就可取代幾臺立式管殼換熱器(根據(jù)PACK I2NOX公司的一份資料,根據(jù)應用情況,可取代多達12臺的立式管殼式換熱器)。典型設計溫度為300～550℃,最高設計溫度曾達到650℃(1200u ) ;可承受進料和流出物之間很大的溫度差。壓力降為0.035～0.15M Pa (0.35～1.5bar,取決于不同的操作)。流體壓力可以很高,其設計限度與壓力容器殼體相同。該公司的一份參考清單所列出的換熱器,設計壓力為0.3～12M Pa (3～120bar) ,壓差達4M Pa (40bar) [ 11 ]。

　　PACK INOX換熱器是一種傳熱效率高、結構非常緊湊(表面積/體積比高)的焊接板式換熱器。其壓力降明顯低于立式管殼式換熱器,因此可以降低工藝加熱爐、循環(huán)氣壓縮機和制冷負荷。加熱爐、壓縮機和冷卻器的尺寸可以減小,從而節(jié)省投資。由于PACK INOX換熱器結構緊湊、重量輕,還可以節(jié)省空間以及建筑和安裝費用。由于PACK INOX換熱器的熱回收率較高,可以通過減小壓降而不改變現(xiàn)有的加熱爐和循環(huán)氣壓縮機的方式解決工藝裝置壓縮機的瓶頸問題。在某一應用中,使用一臺PACK INOX換熱器,使加氫脫硫裝置的生產能力增加50%。由于換熱效率高,可減輕工藝加熱爐、冷卻器和壓縮機的工作負荷,節(jié)省了能量和燃料消耗,進而節(jié)省了操作費用。此外, PACK INOX換熱器還具有可靠性高和耐用性好、易于維護和操作安全的特點。

　　自第一臺PACK INOX換熱器于1982年在法國Elf石油公司Donges煉油廠催化重整裝置中投入使用以來,世界上已有很多套催化重整裝置(新建或改建)使用了PACK INOX換熱器,主要是用于催化重整裝置的進料預熱。近年來,其應用又擴展到加氫處理(HDT )和加氫脫硫(HDS)等領域,用做進料換熱器。例如在我國金陵石化公司煉油廠和美國雪弗龍公司埃爾塞貢多煉油廠催化重整裝置中應用、在比利時煉油公司石腦油加氫精制裝置中應用,均取得了良好的效果[ 12, 15 ]。比如在金陵石化公司煉油廠重整裝置上應用后,由于焊接板式換熱器的壓力降明顯低于立式管殼式換熱器,不僅降低了重整的反應壓力,而且降低了重整循環(huán)壓縮機的壓縮比。焊接板式換熱器的能量回收率明顯高于立式換熱器,能多回收熱量,起到節(jié)能增效的作用;加熱爐每小時節(jié)約燃料氣0.311t,一年節(jié)約燃料氣所帶來的經濟效益為97萬元。使用焊接板式換熱器時,反應流出物的換熱后溫度降到了103℃,比使用立式管殼式換熱器低12.1℃,從而降低了空冷器的負荷,這在一定程度上也達到了節(jié)能增效的效果。此外,用做重整裝置的重整原料2流出物換熱器,原需幾臺立式換熱器,現(xiàn)在只要一臺PACK INOX焊接板式換熱器即可[ 12 ]。

　　目前,在煉油、石油化工、氣體處理工業(yè)中,PACK INOX換熱器已經應用于十幾個不同的工藝過程,用作聯(lián)合進料2流出物換熱器。例如: 1)催化重整過程(包括半再生催化重整和連續(xù)催化重整) ,可用于新建或改建裝置; 2)二甲苯異構化過程; 3)甲苯歧化過程; 4)熱解汽油加氫過程; 5)石蠟脫氫過程; 6)瓦斯油加氫脫硫和石腦油加氫處理。用于加氫脫硫過程,還可以用作汽提塔底部的換熱器;這種換熱器與標準的PACK INOX換熱器有所不同,省去了壓力容器、膨脹節(jié)和中間板束的注水系統(tǒng),適用于中等的操作溫度和壓力; 7)M TBE裝置,用于冷卻反應器流出物。此時對PACK INOX換熱器進行改進,使其成為多物流的反應器流出物冷卻器。包括四種物流:反應器流出物、冷卻器分離罐液體、冷卻器分離罐氣體和丙烷致冷劑; 8) EB脫氫制苯乙烯單體; 9)甲醇合成;10)氣體脫硫。此外, PACK INOX換熱器還可以用作丙烷2丙烯冷凝器、胺溶液換熱器,以及用于氣體加工、海水冷卻、氣體預熱等過程。值得指出的是,為適用于不同的工藝過程,往往對標準結構的PACK INOX換熱器進行適當?shù)母脑?從而衍生出一些改進型[ 11 ]。

　　上述德國DEG公司、瑞典SW EP公司、美國F lat P lat公司、A P I傳熱公司、澳大利亞MUL 2T ISTACK等公司還生產有多種其它的焊接板式換熱器[ 16 ]。除了全焊接板式換熱器,還有多種類型的半焊接板式換熱器(如AL FA 2LAVAL公司生產的半焊接板式換熱器)。國內也有一些生產廠生產焊接板式換熱器;還有一些具有專利技術的焊接板式換熱器,例如中國專利ZL 91202623和ZL 95230391所介紹的焊接板式換熱器。在舊裝置改造和新裝置建造中,推廣使用各類焊接板式換熱器可實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的,取得明顯的經濟效益。隨著焊接板式換熱器結構的發(fā)展和制造技術的進步,以及節(jié)能、節(jié)材的需要,焊接板式換熱器在石油化工等行業(yè)的應用將一定是越來越廣泛的。