板式换热器在苯乙烯行业的应用

　　摘要：环氧丙烷/苯乙烯单体装置联产工艺中，α-甲基苯甲醇经脱水反应生成苯乙烯和水，反应产物在脱水气洗涤塔塔顶以气相形式回收，具有流量大、冷凝过程易附着换热器管壁等特性。针对此工况，需选用大通量、易清洗和压降小的板式换热器。

　　关键词：a-甲基苯乙烯;苯乙烯;板式换热器;

　　苯乙烯（SM）生产方法主要有乙苯脱氢法、C8抽提法、环氧丙烷(PO)/苯乙烯单体(SM)装置(以下简称PO/SM)联产法。其中，乙苯脱氢法技术最成熟，产能占比最大；C8抽提法产品纯度和质量较差，产能占比极小；PO/SM近几年发展迅猛，产能占比正迅速攀升。本文主要论述板式换热器的特点和分类，及PO/SM联产法工艺中，脱水反应的尾气冷却使用板式换热器的要求、维护及故障处理。

　　1 α-甲基苯乙烯（MBA）脱水反应介绍

　　1.1 反应原理

　　MBA脱水反应是以PTAS水溶液为催化剂的吸热反应，在真空状态下进行。

　　主反应：

　　副反应：

　　脱水反应主反应产物为SM和水，主要副反应产物为乙苯、α-甲基苯乙烯和二苯基丁烯等。

　　SM和水从反应器顶部流出，以气相进入脱水气洗涤塔，塔顶气相经冷却器冷凝后，不凝气送至真空系统，凝液送至有竖直隔板的回流罐进行油水分离，分离出的油相为粗SM。

　　1.2 反应影响因素

　　1）温度：温度越高，MBA的转化率越大，但重组分、乙苯（EB）和聚合物的形成导致选择性下降。

　　2）压力：压力越低，重组分的产量越小，苯乙烯的选择性越大。

　　3）进料组成：进料中MBA含量越大，反应速率和EB选择性越大。反应物料中高浓度的MBA能导致重组分产生；较低浓度的MBA能增大苯乙烯的选择性，还会增加惰性物质(如苯乙酮)的循环量，加大操作成本。

　　4）停留时间：较高的停留时间可提高MBA的转化率，同时会增加重组分的形成，降低苯乙烯的产量。

　　5）流量比：较低的流量比使粗SM中产生高含量的MBA、苯乙酮和重组分；较高的流量比导致塔液增多，可稀释反应器进料，影响MBA的分离。

　　2 板式换热器特点与分类

　　2.1 板式换热器特点

　　板式换热器的传热面为波纹板片，板片流道呈网状分布，流体沿网络结构在迷宫式通道中不断流动，流动速度和方向不断改变，形成强烈的湍流，使边界液膜不断破裂，减少热阻，同时固体颗粒悬浮，不易沉积，有效地强化了传热[1]。

　　相较管壳式换热器，板式换热器特点如下：

　　1）传热系数高。不同板片相互倒置，构成复杂网络通道，形成强烈湍流，传热系数为管壳式的3～5倍。

　　2）温差小。由于较高的传热系数和湍流效应，使换热器的相邻次流体温度接近，温差在1～3℃以内。

　　3）热损小。热损为1%时，一般无需保温，相同换热面积下，热损为管壳式的1/5,重量不到1/2。

　　4）布局紧凑。板片厚度为0.8～2mm，流道宽度4mm，波纹增加其换热面积，相同换热面积下，占地面积为管壳式的1/3。

　　5）易清洗。拆卸两端的压紧螺栓，打开管箱盖，从侧面用高压水进行清洗，另一侧可排出清洗的杂质。

　　6）污垢系数低。板式换热器板片上的湍流效应使杂质不易沉积，网络通道四通八达，死区少，污垢系数为管壳式的1/3。

　　但是，板式换热器气水换热温度较高，换热效率高，水侧易结垢。结垢后内部通道截面变小甚至堵塞，造成传热效率降低，影响生产和安全。因此，需定期进行化学/物理清洗，除掉污垢，确保换热效率正常，维持生产稳定。

　　2.2 板式换热器分类

　　板式换热器（PHE）分为框架式（可拆卸式）和钎焊式两大类，传热板片类型多种多样，目前已设计并使用的板片型式有60余种，主要有水平平直波纹板、人字形波纹板、倾斜波纹板、锯齿形波纹板和凹凸板片。国外自19世纪60年代起已经普遍应用；国内发展较晚，20世纪70年代才逐步在食品和工业领域兴起使用[2]。

　　框架式又包括热混合式、非对称流道板式、自由流板式、双壁板式、浅密波纹板式、石墨板式等；钎焊式包括半焊式、全焊式等。自20世纪80年代以来，我国板式换热器在品种、密封型式、设计制造、生产加工等领域均取得突出进展，逐步朝着专业化、多元化、装置化方向发展[3]。常用板式换热器参数及特点见表1[4]。

表1 常用板式换热器参数及特点[4]

　　2.3 MBA脱水气冷却选用板换

　　在PO/SM工艺中，MBA脱水气具有较强腐蚀性，设备和管道材质已设计为双相钢，SM在冷凝相变过程中，又易发生聚合，因此选用全焊接式板换更符合工艺需求[5]。

　　针对MBA脱水气的腐蚀、易聚合、负压工况，选用全焊接板换建议为：1）板层选用材质为S31803双相钢，厚度至少为1.5mm，以延长其使用寿命；2）换热器同介质接触部件均采用和板层相同的材质；3）物料侧采用间隙大的完全自由流道，使压降变小，降低能耗；4）板片采用平板结构，使气体在传热表面冷凝时成滴流动，不在板片上聚集；5）减少整台设备垫片连接，降低后期维护成本；6）端门设置铰链连接结构，不再额外设置提升装置，简化现场检测和清洗工作；7）制定清洗周期，严格进行化学/物理清洗，确保换热效果稳定。

　　3 板式换热器注意事项与维护

　　3.1 注意事项

　　1）对新装置中安装的板式换热器，确保管道吹扫过程中板换介质进出口封堵，防止吹扫过程将杂物带进板片间，卡住、堵塞通道，影响使用效果。

　　2）冬季未运转的换热器应及时排空设备或投用循环水，使换热器处于排净或冷介质循环状态，避免死水存于设备造成上冻。

　　3）气水换热的板式换热器，气相介质进口管线下方应妥善考虑支撑，避免运行过程中应力过大影响管道和换热器间连接。

　　4）投用循环水后，应及时对循环水管线排气，在设备运转后的一定时间内定期排气，确保循环水管线排气合格，降低管线振动。

　　5）定期监测循环水水质，确保浊度、铁离子符合要求。当浊度高于控制指标时，严格监测板式换热器换热效果，做好提前清洁的准备。

　　6）板式换热器若以循环水为冷却介质，需在进水管道上安装过滤器并定期清理，可减少带入板换的杂质量。

　　3.2 板式换热器清洁

　　依据运行工况和循环流体的性质,换热器冷热介质两侧有不同程度的结垢和堵塞。在正常工况下，流道不会很快堵塞。但较厚的沉积物较难清洁，会不均匀甚至完全堵塞部分流道，导致气或液循环困难,产生不同膨胀和受压,造成板片老化和形变，甚至破坏板片。

　　换热效果变差、进出口压差增大，代表板式换热器冷/热介质污垢较多，已影响运行，需进行清洁，确保换热效果、延长换热器寿命。定期通过DCS数据、现场表数据进行分析，检查堵塞情况，制订合理的定期清洁计划非常重要。

　　MBA脱水气冷却用的板式换热器，水侧为循环水，气侧为脱水气。为防止苯乙烯相变过程中发生聚合，进入换热器前向气相管道注入阻聚剂，但部分黏度较高的重油杂质仍会造成板层间堵塞，使换热效果变差。PO/SM工艺中MBA脱水气所用的板式换热器，需考虑两侧的结垢和堵塞。水侧循坏水结垢需定期通过化学清洗清洁；气侧粗SM及重油堵塞需定期通过物理清洗清洁，由于选用全焊接板换，所以无法进行拆卸清洗。

　　3.2.1 水侧清洁方法

　　水侧介质为循环水，水中溶解的各种盐类在换热过程中受热分解，造成溶解度降低，结晶析出沉积在板片上，通常为碳酸盐、硫酸盐等，构成坚硬的水垢；受循环水水质影响，部分细小泥沙、不溶盐泥浆、管道腐蚀产物、菌藻类尸体及其分泌物等，构成体积较大、质地疏松的污垢。可通过化学清洗中的循环酸洗，对水侧板片进行清洗。

　　清洗前，应确保换热器两侧介质已处理合格并排净。关闭换热器水侧进出口阀门，清洗装置连接至换热器水侧清洗接口，加药、开泵，进行循环酸洗。清洗过程中，定期分析清洗剂浓度，确保在安全有效范围内，过低时需补加清洗剂来保证清洗效果。连续清洗时，可暂停循环泵进行浸泡清洗。清洗至清洗剂浓度连续2h基本无变化时，可停止循环清洗。再用清水进行循环冲洗，直至换热器内不再排出垢渣为止。

　　3.2.2 气侧清洁方法

　　气侧介质为粗SM，进入换热器温度已在控制范围，阻聚剂已加入气相管中，但是SM相变过程中发生的聚合还会有少量发生，粗SM中含有部分脱水副产的重油，黏度较大、流动性较差，会影响换热器的效果。通过高压水对气侧板片进行物理清洗。

　　打开换热器两侧端门，通过铰链连接结构将端门移至一侧，使用高压水枪通过换热器板层两侧进行原位高压清洗。清洗前，应确保换热器气侧介质已化工处理合格，避免因物料未处理干净，现场高压清洗造成环境危害。同时，对清洗出的污垢，做到妥善处理和安置。水侧的化学清洗和气侧的物理清洗可以同时进行，以减少总清洗时间。

　　4 板式换热器故障处理（见表2)

表2

　　5 结束语

　　MBA脱水反应作为PO/SM工艺线路的主要组成部分，利用上游氧化、环氧化副产的MBA为原料生产SM产品，反应过程中以高温气相状态进行冷却，极易发生聚合。选用板式换热器，增大流道和传热效率，方便定期清理，相较管壳式换热器，日常运行、操作和维护更便捷。若能充分掌握板式换热器的特点、维护保养和故障判断，有助装置长周期稳定运行。

　　参考文献

　　[1]文继卿，任子荣.板式换热器应用与选型计算[J].甘肃科学学报，1998, 10(3):49-52.

　　[2]邹同华,杜建通，刘晓东板式换热器设计选型及使用中应注意的问题[J].建筑热能通风空调, 1999(4):54-56,45.

　　[3]曾文良,林培森，王世平等板式换热器作为压缩机冷却器的传热和流阻性能试验研究[J]流体机械, 1999,27(12);5-8.

　　[4]张金萍,张强板式换热器及其在供热工程中的应用分析[J].甘肃科技2004,20(11):114-118.

　　[5]张洪彦.板式换热器的工作特点及应用[J].东北电力学院学报, 1994(3):130-134.