新型列管式换热器在氯乙烯精馏系统中的应用

王各义，孙旺盛，樊丽萍，林亚伟

（天辰化工有限公司，新疆 石河子832000）

天辰化工有限公司于2007年11月投产一期20万t/a PVC，次年完成二期筹建，建设完成后拥有年产40万t PVC产能。装置连续化生产，其配套氯乙烯精馏装置中的换热器随着使用年限增长，列管泄漏频繁发生，维修成本逐年增加，严重制约着企业的安全稳定运行。

1 换热器的使用情况

氯乙烯车间精馏系统所使用的换热器种类较多，包括蒸发式换热器、全凝器、氯乙烯低、高沸塔塔顶分凝器、成品换热器、尾气换热器、氯乙烯低、高进料换热器等。除蒸发式换热器外均为列管式换热器，只是冷却介质上存在差异。氯乙烯精馏系统大部分换热器均使用7℃水进行氯乙烯的冷却降温，换热器在氯乙烯精馏系统中至关重要。氯乙烯精馏系统换热器的壳程为7℃水（冬季为厂内集中供应的循环水），7℃水经循环水泵加压后送往精馏系统，由设备位置较低处的管口进入冷却器内，在设备内折流管板的作用下折流来增加湍流，减少死区，加长流程提高换热器的换热效果。7℃水由位置较高的回水管口回流至冷却水池，实现冷却水相低进高出和氯乙烯单体由高向低的逆向换热，提高换热效率，氯乙烯换热器壳程操作压力约为0.3 MPa，操作温度为5～10℃，管程为压缩后的氯乙烯气体或氯乙烯蒸馏塔塔顶蒸出的氯乙烯气体，管程操作压力为0.22～0.50 MPa，操作温度为15～35℃。

氯乙烯装置自2007年底投用至今，每隔两三年换热器就会出现列管换热效果差的现象，需要对换热器进行清洗、维修、打压试漏等维修步骤，有的在投用几个月后泄漏，对系统正常稳定生产造成很大影响。换热器维修时，打开换热器循环冷却水进出口短管，可以看到设备列管外壁结上有大量的淤泥、水垢等淡黄色物质，经化验检测附着在换热器列管表面淡黄色物质为氧化铁和钙类物质等。冷却水流经列管壁时，列管内的氯乙烯气体就通过列管传热将管内的氯乙烯气体冷却到30℃以下变成氯乙烯液态单体（简称VCM），达到冷凝液化的目的。7℃冷却水从换热器进水管进入设备后分流到列管间流动，使得流速降低，同时由于7℃循环水泵离氯乙烯精馏系统较远，管道阻力较大，换热器安装位置较高并且处于末端，因此水垢容易富集在列管间，列管外壁杂质沉积，降低换热系数，影响换热器的换热效果。部分换热器列管之间的空隙已经被淤泥、水垢和氧化铁等物质填满，导致换热器内冷却水短路或沿设备筒体壁流到回水管，造成氯乙烯精馏系统的列管式换热器在运行过程中换热效果逐渐变差。出现氯乙烯压缩机出口温度高、精馏系统压力高、精馏尾气冷凝器负荷大等问题，一般使用半年以后，换热效果明显下降。

2 换热效果差的解决方法

在正常生产负荷下，解决换热器换热效果差的方法就是对换热器进行冲洗或反冲洗，以排除沉积在换热器列管间的杂质，甚至将换热器与系统断开，使用专业设备和药剂对换热器循环冲洗。在药剂循环清洗过程中剥离壳程列管之间的部分杂质。换热器使用两三年后，单纯的药剂循环清洗达不到效果，而且还会造成换热器大面积泄漏，维修困难，实际换热效果不理想，需要对换热设备进行批次替换。

2.1 换热器介质

氯乙烯精馏系统中所有的换热器自上线运行到下线维修、报废等过程中，在换热器列管中通氯乙烯气体的一侧，均未发现自聚堵塞现象。

氯乙烯为无色，有麻醉性的芳香气体，常温常压下比空气重一倍并微溶于水。分子式为C2H3Cl，分子量为62.5，沸点－13.9℃，熔点－159.7℃，临界温度为142℃，临界压力为5.22 MPa，稍加压到0.5 MPa以上时，就可以用工业水冷却得到比水略轻的液态氯乙烯。

换热器列管间因管间距较小，且结构紧凑，水在列管间折返流动，流速不均、流速较慢的地方易造成杂质堆积，拐角的地方特别明显。

2.2 换热器材质

目前聚氯乙烯行业精馏系统使用的换热器有碳钢和不锈钢2种材质。碳钢材质具有价格低廉、换热系数高、制造工艺成熟等优点，但是碳钢材质换热器长时间使用后会锈蚀，杂质沉积堵塞管路、滋生细菌加速换热器列管腐蚀等问题，影响系统的换热效果。由于管材的长时间腐蚀，管材有效壁厚变薄会引起设备的安全问题。不锈钢材质具有优越的机械加工性能和耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的腐蚀能力。但是不锈钢的导热系数要比碳钢的低15%～20%，材料成本和加工成本远高于碳钢材质，不锈钢也会在氯离子环境中发生应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀等。

2.3 换热器换型

根据氯乙烯的理化性质，氯乙烯在低温、脱水后不会造成与设备接触面锈蚀，也不会因流速降低等原因而自聚阻塞。不锈钢材质的换热器成本太高，而且冷却水中的杂质也会造成不锈钢设备列管结垢堵塞。通过技术交流和考察，确定采用新型列管式换热器，根据精馏系统使用的换热器结构，对设备进行换型，将原来的氯乙烯气体由换热器上封头一端进入，从换热器下封头排出，7℃冷却水从壳程下端进入，上端流出的传统方式，改为氯乙烯气体从换热器壳程上端进入，下端排出，7℃冷却水从换热器下封头进入，上封头流出。同时将设备内部的折流管板重新设计，以达到气液分离和降低阻力的目的，最终实现换热器的高效利用。普通列管式换热器和新型列管式换热器分别见图1和图2。

图1 普通列管式换热器

图2 新型列管式换热器

3 新型列管式换热器的使用情况

新型列管式换热器投用以来，查看换热器在同等工况下运行6个月的情况，换热效果也略有下降，但并不明显。将新型列管换热器拆开检查，发现换热器列管内表面并没有附着大量泥沙、水垢、氧化铁等物质，因此换热器换热系数变化不大，换热效果较好。通过分析，由于换热器的7℃冷却水是走列管内，直上直下流动，阻力相对较小，流速较高，换热器列管表面泥沙、水垢无法在列管间大量沉积，只有少量挂壁现象，换热器列管冷却水流通性整体情况优于改型前。新型列管式换热器使用1年后，将换热器拆开进行维修，发现挂壁杂质。经过高压清洗后有金属光泽，同时未发现明显腐蚀痕迹，说明垢下腐蚀速率比以前有所降低。目前还没有发生新型列管式换热器泄漏现象，相比普通换热器使用寿命可延长至少1倍。

3.1 新型列管式换热器使用对比

通过换热器的使用数据可以看出新型列管式换热器使用后所需要的冷却水用量也较以前有所减少，换热效率有所提高。新老设备使用水量及下料温度分别见表1和表2。

表1 普通换热器使用数据

表2 新型换热器使用数据

3.2 预防新型换热器换热效果差采取的措施

（1）在冷却水中添加阻垢缓蚀剂、杀菌灭藻剂，并定期进行清洗，去除污垢，降低冷却水的总硬度。（2）如果短时间内停止使用某台换热器，将该换热器进、回水管道阀门关闭，如果阀门内漏在换热器与阀门连接法兰处加装盲板，并用氮气吹扫。（3）在换热器投用时，打开换热器的顶部排气阀进行排气，并在运行过程中不定期进行排气检查。（4）在换热器投入系统运行后定期检查冷却水水量、水压是否正常，发现不足及时联系调度进行调整。（5）7℃水在夏季高温时间，长周期运行后，可能存在冷却效果差、降温难度大等问题，及时联系调度或公用工程工段进行调整。

3.3 新型列管式换热器使用效益

使用新型列管式换热器可以使设备使用寿命延长1倍以上，每年都会减少换热器检维修、更换等费用。换型前每年夏季都要对换热效果差的换热器进行清洗、检维修，每次维修费用约为1万元/台、共计12台换热器，换型后减少检维修每年可以节约换热器检维修费用约12万元；产生的节能费用、减少腐蚀穿孔引起的停工费用等每年可节约10万元。换型前后换热器所使用的材质均为碳钢，成本基本一致。新型换热器使用年限长，将减少一半以上的换热器维修、更换费用，同时换热效率维持在较高的水平。

4 结语

新型列管式换热器在运行中提高了换热器的换热效果，减少了水垢和污垢在换热器列管间的沉积，避免了结垢造成的换热效率下降等安全风险，降低了换热器维修和更换费用，延长了设备使用寿命，降低了能耗。将换热器封头、列管以及折流板等重新设计，攻克了冷却水中泥沙和水垢沉积堵塞换热器列管影响换热效率的难题，实现了换热器在连续生产过程中进行排泥排沙的操作。