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焊接板式换热器及其应用

发布时间：2009-11-20 浏览：3550

摘要:介绍了多种类型的焊接板式换热器及其应用情况。焊接板式换热器保持了普通板式换热器传热效率高、结构紧凑的优点,并且可以在更高的温度和压力下使用。在石油炼制、化学、石油化工和钢铁等行业,焊接板式换热器正得到越来越广泛的应用。可用于许多工艺过程,例如加热、冷却、冷凝和蒸发等。关键词焊接板式换热器;结构特点;应用

　　板式换热器是一种高效紧凑式换热器。由于有传热系数高、压力损失小、结构紧凑、维修方便等诸多优点,并且随着结构的改进和大型化制造技术的提高,已得到越来越广泛的应用;除了高温、高压和特殊介质等条件外,用板式换热器代替管壳式换热器都可取得明显的效果。但是,一般的散装式板式换热器(可拆卸式板式换热器) ,由于本身结构的局限性,使用压力不超过215M Pa,使用温度不超过250℃[ 1 ] ,此外还存在流体与密封垫片的相容性问题。

　　因此,为了提高板式换热器的使用温度和压力,扩大其使用范围,国内外陆续开发、制造并使用了多种焊接板式换热器。这些焊接板式换热器已经越来越多地用于化工、石油、动力、冶金等领域的加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收等过程中。焊接板式换热器主要分为全焊式和半焊式两种,本文仅介绍一些全焊式焊接板式换热器及其应用情况。1AlfaRex换热器[ 2, 3 ]

　　A lfaRex换热器是AL FA 2LAVAL公司生产的全焊接板式换热器。由于不使用弹性垫片,使之可以在较高温度和压力下使用,并且可处理腐蚀性介质。设计温度- 50～350℃,设计压力5117M Pa (750p sig) ,高于普通的板式换热器。在给定的传热负荷下,安装费用仅为管壳式换热器的1/2～1/3 ,占地面积是其1/4～1/7。A lfaRex换热器的工作原理与常规的板式换热器是相同的,有交替的通道供冷、热流体通过,并且是完全的逆流流型。该换热器每单位面积的传热能力比其它的错流式全焊接板式换热器高出20%。

　　A lfaRex换热器采用激光焊接,热输入仅为普通焊接法的25% ,因此焊接热影响区和残余应力较小,焊缝优于普通的焊缝。A lfaRex换热器仅在板片平面的二个方向进行激光焊接;这样,当温度和压力变化时,板束能够沿长度方向膨胀并接触。板束的这种柔性使A lfaRex换热器在温度和压力迅速变化时仍可以使用;而在典型的三向焊接设计中,通常将产生疲劳裂纹。除了板束之外,A lfaRex换热器的接管均能随温度和压力的变化而弯曲。

　　A lfaRex换热器,由于流道内的湍流而产生高的剪应力,因此不易结垢。又由于滞留量少,因而易于原地清洗。AL FA 2LAVAL公司建议使用过滤器除去大颗粒或其它外来杂质。在某一应用中,曾连续使用18个月而仍然不需清洗。

　　A lfaRex换热器的流率可达15114m 3/m in( 4000GPM ) ,换热面积达27817m 2 (3000f t2)。板片材料采用316, 316L , T i,N i等。

　　A lfaRex换热器可应用于腐蚀性介质(例如有机溶剂、烃类等)的加热/冷却、间歇式反应、热回收、烃类气体冷却、溶剂回收、制冷等多种操作过程。2Compapla te换热器[ 2 ]

　　Compap late换热器是AL FA 2LAVAL公司生产的一种宽间距全焊接板式换热器。采用自由流动板片技术,主要用于含有高百分含量固体颗粒、悬浮物或纤维的高污垢流体的冷却或加热,或用于水质较差的冷却操作。该换热器将一系列带凹进物的波纹板片联结起来形成板束,并形成供污垢流体通过的波纹流道(板片间距为5～21mm )。由于没有接触点,自由流动通道允许换热器处理污垢流体而不会造成堵塞。加热或冷却流体在带凹进物的板侧流过,产生逆流或并流流动。Compap late换热器能形成最优的板间流速和压降,以减轻结构速率。换热器端部有二个可移动的门,能从板束的任一端用水冲洗污垢流体表面。板束采用100%的焊接设计,消除了使用垫片可能造成的问题,并可节省维修费用。

　　Compap late换热器宽间隙侧的设计压力为真空～1.03M Pa (150p sig) ,板侧的设计压力为真空～1.1M Pa (165p sig)。设计温度为- 28.9～232.2℃(- 20～450u ) ,流率为0～22.7m 3/m in(6000GPM ) ,表面积为0～209m 2 (2250f t2)。标准板材料采用316L、碳钢:特殊板材料采用304L ,317L , 254SMO。3MAXCHANGER换热器[ 4, 5 ]

　　MAXCHAN GER焊接板式换热器是一种具有专利技术的换热器(美国专利号: U SP5469914,U SP 5487427)。由t ran ter公司生产。这种换热器的主要特征是,在板片的端部形成流体通道的入口和出口;板片的端部为三角形或V形,延长了沿每个V形边的开口长度。对于每个流动通道,将两个板片之一形成的开口端部边缘折弯并与相邻的板片焊接在一起,进一步将出入口扩大。由于板片之间流道的入口和出口扩大,大大减少了压降和泵送费用。

　　MAXCHAN GER换热器的传热情况与板框式换热器基本相同,但没有垫片。换热器非常紧凑,其所占据的空间只有管壳式换热器的30%～50%。由于板式间隙可变并具有独特的几何形状,这种换热器的传热系数(“U”值)很高、压降很低。

　　MAXCHAN GER换热器采用全焊接结构,每个板片上有很多凸起的凹进物或倾斜的波纹,提供了大量的抗压传热接触点。这种设计能够使MAXCHAN GER换热器用于高温、高压操作。标准型号的换热器,最高使用温度为260℃(500u ) ,标准工作压力为1103M Pa (150p sig) ;定制的换热器,设计压力可达617M Pa (975p sig) ,设计温度可达538℃(1000u )。

　　MAXCHAN GER换热器采用逆流流动,接近温度可达111℃(2u )以下。可用于液体2液体、蒸汽2液体、气体2液体、气体2气体和制冷剂(包括氨)的换热。

　　MAXCHAN GER换热器有多种型号。单台换热器的最大换热面积为4m 2 (44f t2)。当需要较大的换热面积时,经常将多个换热器排列在一起使用,使用共用的入口和出口总管。

　　MAXCHAN GER换热器的接管有多种设置方式,在安装时具有很大的灵活性。换热器所使用的材料有T i, Hastelloy, Inconel,Monel以及其它材料。4“双板”结构焊接板式换热器[ 6 ]

　　“双板”结构焊接板式换热器是t ran ter公司发明的一种焊接板式换热器(参见美国专利U SP5487424)。这种换热器由二组板对组成,第一组板对与第二组板对按叠置的方式交替布置。每个板对有两块板片,板片上有突起的凹进物,使两个板片之间具有一定的间隙,形成流体流动通道,并使流动的流体产生湍流。可使用改变高度的凹进物以减少压降,同时仍能维持湍流以使传热良好。密封的板对相对的板片之间留有较小的间隙,以便可能出现的泄漏物排出,防止一种流体被另一种流体污染。

　　每个板对的流体入口和出口位于板对端部的两侧。板对的入口和出口被扩大,能够提高流量、减少压降和泵送费用。每一组板对的入口和出口分别与集流箱相连,用于输入和抽出流体。每个集流箱分别与接管相连。

　　该焊接板式换热器采用全焊接结构;这样的结构更为紧凑、重量更轻、费用更少,可在较低的流体体积下操作,并具有更高的操作压力和操作性能以及更高的效率。此外,本换热器的结构简单,更为坚固和耐用,并且易于制造和组装。5PLATULAR换热器[ 7 ]

　　PLA TULAR换热器是BARR IQUANDECHAN GEU RS公司生产的系列全焊接板式换热器。可用于多种工业过程,尤其是化学(加热器、冷却器、冷凝器、重沸器等)、钢铁、造纸、食品等工业。PLA TULAR换热器的传热性能优良,传热系数高。此外,其流量较高,且十分紧凑,可达到200m 2/m 3。近年来, PLA TULAR换热器的设计范围得到扩展,着重应用于处理悬浮液、含纤维流体和粘性流体以及污垢介质。还有一些特殊设计的换热器,用于减压条件下的蒸汽冷凝和VOC回收。

　　PLA TULAR换热器有各种流动形式(逆流、并流、错流) ,可用于液体2液体、液体2气体、气体2气体之间的换热、冷凝与蒸发。通用性好;其全部结构参数(例如高度、长度、宽度和传热流道间距)均分别进行优化,允许采用不同类型流体、压降和温度。采用卧式或立式安装,易于维护,可采用机械或化学方法清洗。PLA TULAR换热器可用常规的不锈钢、UB6、INCON EL、HA STELLO Y和T i等材料制造。其板片采用压制成形,具有优良的机械性能和抗腐蚀性能。需要时,板片可以采用电抛光制造。

　　PLA TULAR换热器主要有二种类型: X型和IJS型。X型无壳体,一般具有二种类型的通道:一种通道是带凹进物的;另一种通道是平滑的。分别供难处理流体或含纤维流体以及清洁流体通过。当二种物流均为清洁流体时,二种通道均可以是波纹形的,以提供最高的效率。IJS型的板束则安装于一个壳体内。IJS型是一种全焊接、全不锈钢结构的换热器,使用压力为1.2M Pa( 12bars)或2M Pa (20bars) ,使用温度为200℃,流体体积低于100升,换热面积为0.55～13.6m 2。6BAVEX公司焊接板式换热器[ 1, 8 ]

　　德国BAV EX公司开发的适用于高温、高压的全焊接板式换热器;日本千代田公司引进此技术,称为千代田2BAV EX板式换热器。这种结构的换热器由厚0.2～0.8mm、宽360mm、长6m的不锈钢压制板片叠起后,四周用等离子或T IG焊等方法焊接而成。该换热器在常压下使用温度可达1000℃,常温下使用压力可达610～810M Pa。与多管式换热器相比,总传热系数高2～3倍,压降仅为其1/2～1,污垢系数为1/10,重量为1/4～1/2,体积占地为1/3～1/2。这种全焊接板式换热器已使用的最大传热面积为1900m 2,最高使用温度720℃(传热面积290m 2 ) ,最高使用压力4.5M Pa。不仅适用于液2液、液2气、气2气换热,也适用于蒸发和冷凝的相变传热。7SIGMAW IG换热器[ 9 ]

　　S IGMAW IG换热器由Schm idt2B ret ten公司生产。该系列焊接板式换热器没有垫片,所有与流体接触的部件完全由不锈钢制成。换热器板片采用优化的波纹结构,能达到最好的传热效果。

　　该公司新近生产的S IGMAW IG型焊接板式换热器有ST 30和ST 40二种型号,具有更大的体积流量(达450m 3/h )和换热面积(达75m 2) ,可用于较高的负荷。接管尺寸为DN 150。S IGMAW IG系列全焊接板式换热器的优点是:无垫片且结构紧凑,使用安全。采用T IG焊接和优化的焊接装置,使产品具有较高的质量。由于优化了板片波纹,使传热性能较高。与介质接触的所有部件均无填充物。对于危险介质使用特殊材料,例如HA STELLO Y, 904L。操作温度较高,达250℃( 480u ) ,操作压力较高,可达2.5M Pa(25bar)以上。操作周期较长,不需维护。8COMPABLOC换热器[ 10 ]

　　COM PABLOC焊接板式换热器由V ICARB公司生产,是一种紧凑、高效、具有专利技术的换热器。这种换热器由焊接板束、钢框和面板等组装而成,是一种四面体结构。

　　板束采用精密压制、自动焊接制造,立柱衬里采用电阻焊接,换热器的“核心”由焊接波纹板板束、立柱衬里和顶部、底部盖板衬里组成,螺栓连接框架由四根立柱和顶部、底部盖板以及4个带有接管的面板组成。

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

　　COM PABLOC焊接板式换热器具有如下几个主要特点: 1)板片之间没有垫圈,从而提高了使用温度和压力; 2)采用特种波纹,使COM 2PABLOC焊接板式换热器的传热性能与常规的有垫圈的板式换热器相当; 3)采用螺栓连接设计,容易分解,易于清洗、维修或更换; 4) COM 2PABLOC焊接板式换热器的设计、制造和试验均按照A SM E规范Sect ionÐ,D iv. 1进行; 5)采用错流布置,产生整体上的逆流传热性能; 6)采用可调节和可移动的挡板,易使压降适合于传热性能要求; 7)非常紧凑,因而占地很小,所要求的安装和维修空间也小。一台297.3m 2 ( 3200f t2 )的COM PABLOC焊接板式换热器占地仅9.29m 2(100f t2)。

　　COM PABLOC焊接板式换热器使用压力达312M Pa (450p sig) ,使用温度达315℃(600u )。规格有多种,其中的CP75系列,最多板片数达500片,换热表面积达319.5m 2。

　　由于COM PABLOC焊接板式换热器的传热性能好且使用温度和压力较高,所以可十分经济地用这种换热器取代在相应温度范围内使用的管壳式换热器。用于油气加工工业,可用作原油冷却器、塔顶冷凝器等;还可用于其它多种工业加工过程。9PACKINOX换热器[ 11, 15 ]

　　PACK INOX换热器是法国PACK INOX公司生产的一种全焊接结构的大型板式换热器。这种换热器主要由一个传热板束和一个压力容器壳体组成,板束装封在压力容器壳体中,所有的传热过程都在板束内进行,采用纯逆流的操作方式。在较热的不锈钢板束与相对较冷的压力容器壳体之间设有膨胀节,以补偿二者之间的热膨胀差。液体进料通过喷淋棒的小孔喷出,从容器底部进来的循环气通过一个专门设计的文丘里管后能充分和喷淋棒喷出的液体混合并均匀地分配在板束上。压力容器用循环气充压,以减少板束二侧的压差、保护板束。PACK INOX换热器采用立式安装。

　　板束由数百片波纹不锈钢薄板通过爆炸成型、逐层堆叠并在二侧整体焊接制成。板片上具有特殊的人字形波纹,使PACK INOX换热器成为高效的静态混合器,为二相流动提供了最优的传热效果。板片间相互交叉的波纹顶端形成接触点,用以承受冷热流换热介质的压差,并使流体在整个换热过程中处于湍流状态,能保持高的传热效率。板片采用水下爆炸成型,具有成形精确、质量高、费用低等优点。爆炸成型的板片表面光滑,板壁厚度均匀。同时,因爆炸的冲击波有消除残余应力的作用,板片的应变硬化程度小,仅有较低水平的残余应力,保持了板片的抗腐蚀性能。板片长度可达15m ,单片面积一般在10m 2以上[ 11, 13 ]。板束的焊接采用T IG (钨极惰性气体保护电弧焊)自动焊接。

　　PACK INOX换热器的板束材料包括各种类型的奥氏体不锈钢、T i和高抗腐蚀的6Mo奥氏体不锈钢。压力容器一般采用低合金钢或其它材料制造。膨胀节采用Inconel, Inco loy或其它材料制造。

　　PACK INOX换热器的单台换热面积为1000m 2至16000m 2以上。一台PACK INOX换热器就可取代几台立式管壳换热器(根据PACK I2NOX公司的一份资料,根据应用情况,可取代多达12台的立式管壳式换热器)。典型设计温度为300～550℃,最高设计温度曾达到650℃(1200u ) ;可承受进料和流出物之间很大的温度差。压力降为0.035～0.15M Pa (0.35～1.5bar,取决于不同的操作)。流体压力可以很高,其设计限度与压力容器壳体相同。该公司的一份参考清单所列出的换热器,设计压力为0.3～12M Pa (3～120bar) ,压差达4M Pa (40bar) [ 11 ]。

　　PACK INOX换热器是一种传热效率高、结构非常紧凑(表面积/体积比高)的焊接板式换热器。其压力降明显低于立式管壳式换热器,因此可以降低工艺加热炉、循环气压缩机和制冷负荷。加热炉、压缩机和冷却器的尺寸可以减小,从而节省投资。由于PACK INOX换热器结构紧凑、重量轻,还可以节省空间以及建筑和安装费用。由于PACK INOX换热器的热回收率较高,可以通过减小压降而不改变现有的加热炉和循环气压缩机的方式解决工艺装置压缩机的瓶颈问题。在某一应用中,使用一台PACK INOX换热器,使加氢脱硫装置的生产能力增加50%。由于换热效率高,可减轻工艺加热炉、冷却器和压缩机的工作负荷,节省了能量和燃料消耗,进而节省了操作费用。此外, PACK INOX换热器还具有可靠性高和耐用性好、易于维护和操作安全的特点。

　　自第一台PACK INOX换热器于1982年在法国Elf石油公司Donges炼油厂催化重整装置中投入使用以来,世界上已有很多套催化重整装置(新建或改建)使用了PACK INOX换热器,主要是用于催化重整装置的进料预热。近年来,其应用又扩展到加氢处理(HDT )和加氢脱硫(HDS)等领域,用做进料换热器。例如在我国金陵石化公司炼油厂和美国雪弗龙公司埃尔塞贡多炼油厂催化重整装置中应用、在比利时炼油公司石脑油加氢精制装置中应用,均取得了良好的效果[ 12, 15 ]。比如在金陵石化公司炼油厂重整装置上应用后,由于焊接板式换热器的压力降明显低于立式管壳式换热器,不仅降低了重整的反应压力,而且降低了重整循环压缩机的压缩比。焊接板式换热器的能量回收率明显高于立式换热器,能多回收热量,起到节能增效的作用;加热炉每小时节约燃料气0.311t,一年节约燃料气所带来的经济效益为97万元。使用焊接板式换热器时,反应流出物的换热后温度降到了103℃,比使用立式管壳式换热器低12.1℃,从而降低了空冷器的负荷,这在一定程度上也达到了节能增效的效果。此外,用做重整装置的重整原料2流出物换热器,原需几台立式换热器,现在只要一台PACK INOX焊接板式换热器即可[ 12 ]。

　　目前,在炼油、石油化工、气体处理工业中,PACK INOX换热器已经应用于十几个不同的工艺过程,用作联合进料2流出物换热器。例如: 1)催化重整过程(包括半再生催化重整和连续催化重整) ,可用于新建或改建装置; 2)二甲苯异构化过程; 3)甲苯歧化过程; 4)热解汽油加氢过程; 5)石蜡脱氢过程; 6)瓦斯油加氢脱硫和石脑油加氢处理。用于加氢脱硫过程,还可以用作汽提塔底部的换热器;这种换热器与标准的PACK INOX换热器有所不同,省去了压力容器、膨胀节和中间板束的注水系统,适用于中等的操作温度和压力; 7)M TBE装置,用于冷却反应器流出物。此时对PACK INOX换热器进行改进,使其成为多物流的反应器流出物冷却器。包括四种物流:反应器流出物、冷却器分离罐液体、冷却器分离罐气体和丙烷致冷剂; 8) EB脱氢制苯乙烯单体; 9)甲醇合成;10)气体脱硫。此外, PACK INOX换热器还可以用作丙烷2丙烯冷凝器、胺溶液换热器,以及用于气体加工、海水冷却、气体预热等过程。值得指出的是,为适用于不同的工艺过程,往往对标准结构的PACK INOX换热器进行适当的改造,从而衍生出一些改进型[ 11 ]。

　　上述德国DEG公司、瑞典SW EP公司、美国F lat P lat公司、A P I传热公司、澳大利亚MUL 2T ISTACK等公司还生产有多种其它的焊接板式换热器[ 16 ]。除了全焊接板式换热器,还有多种类型的半焊接板式换热器(如AL FA 2LAVAL公司生产的半焊接板式换热器)。国内也有一些生产厂生产焊接板式换热器;还有一些具有专利技术的焊接板式换热器,例如中国专利ZL 91202623和ZL 95230391所介绍的焊接板式换热器。在旧装置改造和新装置建造中,推广使用各类焊接板式换热器可实现节能降耗的目的,取得明显的经济效益。随着焊接板式换热器结构的发展和制造技术的进步,以及节能、节材的需要,焊接板式换热器在石油化工等行业的应用将一定是越来越广泛的。