高通量管換熱器在乙苯裝置中的應用

郭曉園

（中國石化工程建設有限公司，北京 100101）

乙苯作為一種重要的芳香族有機化合物，主要用途是作為生產苯乙烯的中間體，進而生產苯乙烯均聚物以及含苯乙烯的共聚物。近年來，隨著全球苯乙烯衍生物需求增速加快，對苯乙烯及乙苯的需求持續擴大。為滿足國內日益增長的乙苯需求，研究乙苯裝置的工藝設計優化具有重要意義。

大型乙苯裝置通常以乙烯為原料，通過乙烯和苯的液相烷基化反應生產乙苯和多乙苯。該反應為強放熱反應，反應熱通過發生蒸汽和苯精餾塔熱進料的形式進行回收。乙苯精餾系統所需熱量由高壓蒸汽提供，各精餾塔塔頂氣相通過發生低壓蒸汽的形式回收熱量[1]。大型乙苯裝置典型工藝流程見圖1。

圖1 大型乙苯裝置典型工藝流程

1 乙苯裝置的節能降耗途徑

乙苯裝置工藝中，包括烷基化反應熱的撤除、苯/乙苯及多乙苯的分離等工序，需要大量換熱設備。由于裝置規模較大，換熱設備的熱負荷較高，其換熱效果的好壞直接影響裝置的能耗。通過強化傳熱以提高換熱設備的換熱效率，實現整個裝置換熱網絡的能量優化，是降低乙苯裝置能耗的重要途徑。

通常，提高換熱器的傳熱系數，增加換熱通量是最有效的強化傳熱手段。高通量管是一種強化傳熱管，采用特定的噴涂設備，利用粉末冶金工藝在普通換熱管表面燒結一層特定結構的多孔金屬涂層，通過增加換熱面上的汽化核心提高傳熱系數[2]。乙苯裝置中苯/乙苯分離塔是裝置的用能及產汽大戶，因此在工程設計中苯/乙苯塔塔頂冷凝器及塔釜再沸器采用高通量管換熱器提高傳熱效率，以降低裝置能耗，節省操作費用。

2 高通量換熱器的工藝特點和傳熱機理

2.1 高通量管換熱器工藝特點

高通量管換熱器[2-5]是利用各種型式的高通量管制造的不同結構類型的管殼式換熱器，傳熱效果大幅提升，實現了強化傳熱。高通量管換熱器可廣泛用于強化沸騰或冷凝傳熱過程，滿足較大負荷的換熱需求，顯著提高換熱效率。另外，由于高通量管可以在光滑表面覆蓋多孔層，從而在實際運用中可根據不同強化需求加工為管內多孔表面或管外多孔表面。

具體來說，高通量管換熱器傳熱特點主要有以下幾方面：

1）傳熱溫差小。研究發現，液體在高通量管中以薄液膜形式傳熱和汽化，大量汽化核心的存在使氣泡曲率半徑增大，在相同熱負荷下傳熱溫差僅為普通表面的1/7～1/4。特別是在0.6～1.0℃傳熱溫差下即可開始沸騰，且小溫差下的強化效果更為明顯，因此，高通量管可廣泛用于生物和醫藥工程中不宜高溫沸騰的物料場合。

2）傳熱系數高。有研究認為，在高通量管傳熱過程中，由于始終保持泡核沸騰狀態，給熱系數為光管的3～8倍，所以提高了沸騰設備的總傳熱系數，有效減少了熱能損耗。對于相同的換熱面積，整體換熱效果和熱負荷均有較大提升。

3）防結垢能力強。高通量管是多孔表面管，最大優勢是流體在多孔表面的循環量為光管的10～15倍，大量液體循環對換熱管表面起到了清洗作用，與光管相比抗污特性更強，且不易結垢。高通量換熱管的強化傳熱使沸騰側傳熱系數提高，管壁溫度降低，介質不易發生結焦，適用于熱敏性物料。同時，由于污垢顆粒的直徑遠大于高通量管表面多孔層的孔徑，可有效阻止污垢顆粒進入多孔層。毛細作用還可以使管壁保持濕潤狀態，有效避免了燒干結垢。

4）臨界熱負荷高。高通量管的臨界熱負荷比光管高1.5～2.0倍，從而大幅提高了熱能利用效率。

5）性價比高。高通量管的使用大幅提高了傳熱效率，使設備體積減小，因而在降低設備投資的同時，減少了建設費用。

6）節能。因傳熱效率高，在設計及操作中可適當降低加熱蒸汽的品質，合適位置也可采用低溫熱源加熱，減少能量消耗，實現節能目標。

2.2 強化沸騰機理

根據沸騰傳熱原理[6-7]，液體沸騰狀態下的傳熱速率與傳熱面產生氣泡的速度密切相關。高通量管強化沸騰主要通過形成大量人造汽化核心，增加氣泡成核速度來實現。利用在普通換熱管內表面增涂具有微孔結構和相互連通的多孔金屬涂層，形成人造汽化核心，極大地加速了氣泡成核速度。由于多孔層互相連通，在氣泡增大和溢出的同時，受到虹吸作用的影響，加速局部液體的擾動，產生整體對流傳熱。高通量管的沸騰傳熱可通過多孔隧道內的液膜和壁面之間形成的對流傳熱、薄膜蒸發及整體對流3種形式同時進行。

實驗發現，不僅在初始起泡階段，高通量換熱管比光滑表面提前發生起泡，且起泡位置遍布整個表面。在沸騰階段，光滑表面氣泡稀疏，單個氣泡體積大，而高通量管表面形成大量汽化核心，沸騰劇烈，氣泡細密，效率明顯高于普通換熱管，更有利于介質的傳質傳熱。

2.3 強化冷凝機理

根據格雷高里戈效應[6-7]，通過加強冷凝液膜疏導，減小冷凝液膜厚度，可以有效強化冷凝傳熱。高通量管利用在換熱管表面加工的鋸齒頂端產生薄膜冷凝，并通過底部凹槽加快液膜的疏導，有效減小了液膜熱阻，實現強化冷凝。同時，縱向鋸齒結構有效增加了傳熱面積，這也是表面多孔型高通量管可以強化冷凝的另一個重要原因。

實驗發現，高通量管相對普通光管在冷凝狀態及冷凝能力上均有較大優勢。冷凝狀態上，高通量管表面沒有液膜覆蓋，冷凝液在重力和毛細虹吸的共同作用下，順溝槽迅速排出；光管表面呈珠狀、膜狀冷凝，大部分換熱面積被冷凝液長期覆蓋，平均液膜較厚，隨著冷凝負荷的增大，光管表面珠狀冷凝迅速轉化為膜狀冷凝，冷凝效率降低。冷凝能力上，在同條件、同時間內，高通量管冷凝量明顯多于光管，高通量管表面自然對流形成的“熱浪”強度明顯優于光管。

3 應用分析

大型乙苯裝置的塔釜再沸器及塔頂冷凝器多采用普通管殼式換熱器，由于其傳熱效率有限，與高通量管換熱器相比，所需傳熱面積較大，造成設備體積龐大，給設備制造、裝置布置及檢維修操作帶來困難。同時，隨著裝置規模不斷大型化，采用兩臺或多臺并聯的方式操作，需要在設計過程中，采取適當措施以保證并聯設備物料及熱負荷的均勻分配，避免發生偏流現象，影響裝置正常生產；且換熱設備占地面積較大，金屬材料消耗量多，也會因設計的不同而造成能耗差異。

對乙苯裝置而言，苯/乙苯塔分離系統的大型冷凝器和再沸器在殼程或管程有相變要求，且換熱介質溫差較小，適合采用高通量管，可以提高換熱效率、節約材料、減少占地、降低設備投資及操作費用。

3.1 苯/乙苯塔工藝流程

乙苯裝置中苯/乙苯塔的作用是將進料混合物中的苯從塔頂分離出來，粗乙苯從塔釜送出，在塔頂冷凝器冷凝下來的液態苯進入塔頂回流罐。苯塔底部含有乙苯、二乙苯、三乙苯及其他較重組分的熱粗乙苯，在壓力作用下進料至精餾單元的乙苯塔中。苯/乙苯塔工藝流程見圖2。

圖2 苯/乙苯塔工藝流程

3.2 再沸器

苯/乙苯分離塔釜再沸器以高壓蒸汽為熱源，物料走管程，在管內汽化，蒸汽走殼側，在管外發生冷凝。乙苯裝置苯/乙苯分離塔再沸器主要工藝參數見表1。

表1 苯/乙苯塔再沸器主要工藝參數

從表1看出，該換熱器的管殼側傳熱溫差較小，且管內乙苯及多乙苯混合物有汽化沸騰的相變要求，而高通量管換熱器恰有在較小溫差下達到穩定泡核沸騰的傳熱優勢；且高通量換熱管的多孔表面具有內凹型空穴，可以形成大量能夠長期穩定存在的汽化核心，保持物料沸騰狀態為泡核沸騰。同時，高通量換熱管表面的空穴之間互相連通，氣泡在脫離后，液體在虹吸作用下迅速進入空穴中，保證了極高的循環倍率，促進了氣泡生長，極大提高了沸騰傳熱系數。此外，多孔表面產生的大量汽泡核心，能夠高頻率、連續地發射氣泡，發射頻率越高，帶走的熱量則越多，傳熱效率就越高；氣泡脫離表面后，大量氣柱在管表面形成蜂窩狀的自然對流，液體與管表面的層流層變薄，傳熱效果增強。

多孔層的空穴集存一定量的不凝氣體或沸騰介質蒸汽，凹穴中的氣泡所需表面功較小，因而其液體過熱度降低。同時，多孔層金屬顆粒具有較高的比表面積，使液體與固體的傳熱量增加，液體蒸發加速，氣泡成長速率增高。因此，多孔表面上沸騰傳熱中的氣泡形成和成長所需的過熱度較光滑表面低。降低過熱度會使傳熱面積減小，不僅節省材料，還能增大傳熱系數，提高傳熱效果[8]，從而實現強化傳熱。

綜合考慮高通量管的特點，選取內表面燒結多孔層的高通量管優化再沸器設計，實現尺寸減小，重量降低，節省投資。表2為普通再沸器與高通量管再沸器的設計參數對比。

表2 普通與高通量管再沸器設計參數對比

3.3 冷凝器

苯/乙苯塔塔頂熱量通過發生低壓蒸汽進行回收，冷凝器為釜式換熱器，塔頂氣相在管側發生冷凝，鍋爐水在殼程產生蒸汽。乙苯裝置苯/乙苯塔冷凝器主要工藝參數見表3。

表3 苯/乙苯塔冷凝器主要工藝參數

從表3可以看出，該換熱器的管殼側傳熱溫差較小，管內發生冷凝，管外的水有相變要求，需汽化為氣體。該情況下，管殼側熱阻減小可以起到強化傳熱的效果。設計中應選取外表面燒結多孔結構的高通量管換熱器，利用表面多孔層的凹穴，增加泡核沸騰的汽化核心數量。眾多尺寸相當且互相連通的微孔可形成一個面積較大的微孔，液體借表面張力作用不斷進入孔中補充汽化的液體。氣泡底部微層液體受熱蒸發和微孔通道中薄層液體蒸發，以及液膜與通道間的對流和因氣泡成長、脫離時攪動力引起的外表面整體對流，進一步強化了沸騰傳熱。表4為普通冷凝器與高通量管冷凝器的設計參數對比。

表4 普通與高通量管冷凝器設計參數對比

采用不同流程的乙苯裝置中，相同位置的冷凝器采用普通換熱器，在設計尺寸基本相同的情況下，殼側產生0.2 MPaG低壓蒸汽，主要運行參數對比見表5。

表5 普通與高通量管冷凝器運行參數對比

圖3為換熱器采用高通量管開車之后的實際運行參數，運行數據與設計參數對比見表6。

表6 冷凝器、再沸器設計與運行參數對比

圖3 苯/乙苯塔塔釜蒸汽和汽包產汽流量對比

通過對比可以看出，高通量管冷凝器、再沸器較普通光管冷凝器、再沸器具有如下優勢：

1）傳熱系數有較大提高，強化傳熱效果顯著。

2）相同條件下換熱面積大幅下降，換熱器體積減小，利于設備平面布置，節省空間，優化占地。

3）設備重量減少，可節省設備一次性投資約12%。

4）相同條件下，產生蒸汽壓力可由0.2 MPaG調整為0.4 MPaG，高通量管換熱器發生蒸汽壓力較高，且發生的蒸汽量增加，按照GB/T 50441-2016《石油化工設計能耗計算標準》[9]推薦的能耗計算標準，裝置單位產品能耗降低2.6 kgoe，能耗降低10%左右。

5）相同條件下，高通量管再沸器使用蒸汽量減少，按照GB/T 50441-2016推薦的能耗計算標準，裝置單位產品能耗降低3.6 kgoe，能耗降低15%左右。

4 結語

在苯/乙苯塔塔頂冷凝器及塔釜再沸器等系統中，采用高通量管的高效換熱器，可以提高傳熱效率，實現生產過程中傳質、傳熱過程效率的優化，實現節能降耗目標。在現有工藝條件下，通過對裝置的優化設計，乙苯裝置的能耗共下降6.2 kgoe/t乙苯，節能效果十分明顯；通過對乙苯裝置各系統運行負荷進行深度分析和研究，可以探索結構節能潛力，增加裝置市場競爭力。