王志坤等
摘要：介绍了国家大型焊接板壳式换热器在重整装置的应用情况，总结了焊接板壳式换热器在使用中的优点和经济性。
板壳式换热器结构形式介于管壳式换热器和板式换热器之间，结合了这两种换热器的优点，被广泛应用于食品、化工、轻工、医药和电力行业。但由于炼油装置中使用的换热设备大多处于高温、高压条件下，操作条件波动大，在炼油行业中并未得到广泛应用。20世纪80年代起欧美国家开始开发应用于炼油化工行业的板壳式换热器，其中法国PACKINOX公司开发的新型板焊式换热器在重整、加氢等炼油装置带到了广泛的应用。国内在90年代开始由兰州石油机械研究所与中国石化北京设计院根据国内炼油、化工领域生产装置的要求共同研制开发了大型板壳式换热器。
一、大型焊接板壳式换热器简介
华北石化公司30万t/a催化重整装置，在重整二段混氢进料／反应产物换热器（E202）选用了兰州石油机械研究所生产的焊接板壳式换热器。换热器的规格参数见表1。
换热器由板束和壳体组成，结构见图1。冷流由设备底部进入板束板程，由设备顶部流出；热流由设备上侧开口进入板束壳程，由设备下侧开口流出，两流体在板束中呈全逆流换热。在板束下端设置膨胀节用于解决热膨胀问题。
换热器板束（长6m）是由0.8mm不锈钢板经模具压制成型后叠合焊接而成。采用程控自动氢弧焊焊接板片两侧纵向长焊缝组成板管。再将设计要求数量的板管叠合组成板束，在板束的两端焊接板管与板管间的横焊缝，最后将板束与分隔连接板焊接。换热器板束结构见图2。
板壳式换热器采用波纹板片做为传热元件，物料在两件波纹板之间的缝隙通过。这些波纹使流体不断改变流动方向，产生旋转和扭转，形成许多微细的涡流，从而使流体内各部分的质点不断迅速转移，使热交换迅速进行，表面压成波纹也增大了实际换热面积，这些因素都显著加强了传热过程。一般情况下临界雷诺数为400时就可达到旺盛湍流，传热效率是管壳式换热器的23倍。
兰州石油机械研究所生产的板壳式换热器首创了可拆卸结构，维修方便。和国外PACKINOX公司换热器的主要区别见表2。
二、板壳式换热器在重整装置的使用情况
华北石化公司30万t/a催化重整装置的简要工艺流程如图3。
该换热器自2003年4月重整装置开工运行以来，一直运行良好，换热器的工艺参数见表3。
使用一年多来，由于装置处理量较小，没有达到换热器的设计负荷，但从运行情况来看效果良好，板壳式换热器具有以下特点：
1．传热效率高。由于采用波纹板片做为传热元件，使它的传热系数比一般管式加热器高几倍。另外，板壳式换热器可实现真正的“纯逆流”换热，与管壳式换热器相比，冷端及热端温差可以由通常的50~80℃降低到12~30℃，可以多回收热量，大大节约了装置的操作费用。
2．压力降小。由于管束直通，无须设置折流板，一般换热器压降小于0.05MPa。另外，在存在气、液两相流的情况下，还克服了管壳式换热器由于介质折流“翻转”造成的气、液两相分离。
3．污塞倾向小。流体的强烈湍流还减少了悬浮微粒在换热面上的沉积和结垢，另外结构中不存在死角，使设备的维护和清扫非常方便。
4．结构紧凑。由于传热系数高，在完成同样换热任务的情况下，板壳式换热器的体积小、重量轻，耗用金属量少，从而可大大节约用户的设备安装空间及安装费用。
5．安全可靠。与管壳式换热器一样，除了受压力容器设计级别限制外，板壳式换热器的使用压力没有绝对的限制。另外，采用焊接结构，消除了部分静密封点，减少了泄漏的发生，提高了设备安全系数。目前重整装置板壳式换热器已经有连续运转10年无故障的经验。
三、板壳式换热器的经济性分析
首先，节约设备初期投资。以公司30万t/a催化重整装置二段混氢换热器E202为例，采用板壳式换热器与采用管壳式换热器相比，传热面积节省168m2，总高度减少7m，设备本身重量减少13t，数据见表4，可节省设备投资32.5万元。
由于设备体积减少，重量减轻，相应的钢结构和附属管线的安装费用及设备安装费用有所降低。由于该设备换热效率高，因此可相应地减少加热炉及其后冷却器的热负荷，减少加热炉和后冷却器的设备投资。
其次，设备运行效益提高，维护费用降低。由于板壳式换热器比立管式换热器的传热效率高，对30万t/a重整装置按热流出口温度降低10℃计算，可多回收热量357925kg，相应地减少加热炉及其后冷却器的热负荷，按加热炉燃料低热值33528kJ/kg,每小时节约燃料10.7kg。按年操作时间8400h，每吨燃料费830元计算，板式换热器与管壳式换热器相比，每年节省燃料90t，每年节省燃料费7.47万元。每年节约空冷器电费4万元。
另外，板壳式换热器压降低，减少循环氢压缩机的功率损失，在相同情况下可以相应提高装置处理量。
四、结语
装置应用板壳式换热器一年多来，效果良好，取得了良好的经济效益。随着国内炼油、化工装置的大型化和对关键换热设备增效节能要求的提高，尤其对于催化重整、加氢装置中的进料和反应产物换热器，由于其冷热流进口温差大（约为400℃），流量大，热负荷高，应用板壳式换热器可以降低装置能耗、节约投资和减少操作费用。国外板壳式换热器已成为炼油厂催化重整、加氢及芳烃车间的标准设备，Packinox公司生产的板壳式换热器单板最大尺寸可达1400mm×16000mm，单台设备最大传热面积可达8000m2。目前，国产最大的3000m2板壳式换热器已经在重整装置得到了成功应用。