HTRI在PTFE装置四氟乙烯气体冷凝器中的应用

HTRI在PTFE装置四氟乙烯气体冷凝器中的应用

何浩娟

（上海市安装工程集团有限公司，上海 200437）

摘 要：在PTFE（聚四氟乙烯）生产中需要对TFE气体原料进行低温冷凝，本文探讨了TFE（四氟乙烯）低温冷凝冷媒及换热器形式的选择，并利用HTRI软件对TFE冷凝器进行Design计算。然后再利用HTRI的Rating模式进行校核，并调整换热器的几何参数，最终满足生产需求，实现节能环保。

关键词：四氟乙烯冷凝器；冷媒选择；HTRI

引言

聚四氟乙烯（PTFE）的生产以四氟乙烯（TFE）为原料，TFE一般均由TFE装置提供。由TFE装置供给的TFE气体温度为-17℃、压力为0.98MPa，根据PTFE聚合工艺要求，需将TFE气体冷凝后作为聚合反应原料使用。因此需要设计一台冷凝器将TFE气体冷凝至沸点10℃以下，即：0.98Mpa下-28℃。四氟乙烯冷凝器的运行情况直接关系到TFE及PTFE两个装置的正常运行，甚至影响产品质量危及生产安全。因此为满足工艺需求，提高生产效率，降低综合能耗，需要对TFE冷凝器进行合理设计。

1  TFE理化性质

TFE常温常压下为无色无臭的气体，有毒，沸点-76.3℃，比空气重，不溶于水，溶于丙酮、乙醇。常温常压自燃极限为11%-60%（体积），引燃温度180℃。易与氧气形成不稳定易爆炸的过氧化物。可加压液化，临界温度33.3℃，临界压力3.92MPa。TFE温度、饱和蒸汽压表，见表1。

表1   TFE温度、饱和蒸汽压表

2冷媒选择

由TFE装置来的TFE气体原料温度为-17℃，压力为0.98MPa，流量为1300kg/h。PTFE装置要求将TFE装置来的TFE气体原料恒压冷凝至-28℃。

由于0.98MPa下TFE的恒压冷凝温度为-17℃，TFE冷凝后还需进一步冷却至    -28℃，需要更低温度的冷媒。工程上有两种供冷方案供选择，即：选用制冷剂直冷和选用载冷剂间冷。

第一种方案：采用制冷剂直接与物料换热，如采用R22、氨等载冷剂直接与TFE在换热器内通过蒸发吸收TFE冷凝、冷却产生的热量完成换热。制冷剂与物料一次换热即可达到工艺要求，具有系统简单、节能、投资少等优点。但该方案存在制冷剂单位容积制冷量小，体积较大，压缩后密度大，流动阻力大，价格昂贵，有毒，且不环保，极易泄漏但又不易被发现。当制冷机与换热器距离较远时，冷媒管长度较长、气相管直径较大、厚度较厚，增加了投资及运行成本。

第二种方案：载冷剂在制冷机组内被制冷剂冷却后再与物料换热。制冷机组内制冷剂用量较少，取而代之的是长距离载冷剂管道，从而缩短了制冷剂管道长度、有效降低制冷剂需用量及泄漏几率。杜绝了将有毒、有害、易泄漏的制冷剂引入装置，避免安全隐患。载冷剂相比制冷剂具有无毒、无腐蚀、比热高、粘度低、传热系数大、价格便宜等特点。 因此，采用载冷剂间冷的方案，符合节能环保、安全经济的要求。

常用载冷剂有水、氯化钙溶液、乙二醇、二氯甲烷（R30）和一氟三氯甲烷（R11）等。纯水凝固温度为0℃，仅适用于5℃以上工况；二氯甲烷凝固温度为-97℃，适用温度范围为-50~-90℃；一氟三氯甲烷凝固温度为-111℃，适用温度范围为-50℃~-100℃；氯化钙溶液、乙二醇的水溶液的凝固温度随浓度升高而降低，最低约-55℃左右，适用温度范围为5℃~-50℃。根据以上各载冷剂的适用温度范围，TFE冷凝可选用氯化钙溶液或乙二醇水溶液。

表2   氯化钙及乙二醇水溶液优缺点对比

根据表2 氯化钙及乙二醇水溶液优缺点对比，乙二醇虽然腐蚀性较小，但价格昂贵、易挥发损耗严重，且存在爆炸危险。氯化钙价格便宜，损耗小、无毒、工艺成熟。虽对金属有强烈的腐蚀性，但腐蚀性与氯化钙的纯度和溶液中的含氧量有关，可采用高纯度的氯化钙、闭式循环系统、添加缓蚀剂等方式以降低盐水对换热器及管道的腐蚀。

通过对上述的论述，选用价格便宜、损耗小、无毒、工艺成熟的氯化钙水溶液作为载冷剂，与TFE间接换热。

3 热量估算

TFE装置来TFE气体为单组分饱和蒸汽，PTFE装置要求将TFE冷凝为过冷液体。该工况热负荷包含两部分：一部分是TFE饱和蒸汽冷凝为饱和液体，Q1；另一部分为TFE饱和液体冷凝为过冷液体，Q2。

TFE装置来TFE饱和气体流量为1300kg/h，根据资料查得TFE 在0.98MPa下的汽化潜热为125.12kJ/kg，-17℃~-28℃的液态TFE比热约为1.27KJ/kg·K。则TFE完全冷凝并降至-28℃放出的热量为：

Q=Q1+Q2

=1300kg/h×125.12kJ/kg+1300kg/h×[(-17℃)-(-28℃)]×1.27kJ/kg·K

=180817kJ/h

根据《化工工艺设计手册》查得，工作温度为-35℃的氯化钙溶液质量浓度为28.5%，比热为2.7 kJ/kg·K。设计氯化钙溶液供水温度为-35℃，回水温度为-30℃，则冷媒需要量为：

W=180817kJ/h÷2.7 kJ/kg·K÷[(-30℃)-(-35℃)]=13393.85kg/h

V=13393.85kg/h÷1270kg/m³=10.55 m³/h

综上，本项目总需要冷量为180817kJ/h约50.22kW，28.5%的氯化钙溶液的冷媒流量为10.55 m³/h。

4 换热器选型

化工装置中常用的换热器型式主要有：板式换热器和管壳式换热器。

板式换热器具有传热效率高，对数温差大，重量轻、占地面积小，清洗方便，而且容易改变换热面积或流程组合，适用于工作压力≤2MPa、工作温度≤200℃的工况。但密封性差、易泄露、需要经常更换垫圈，不适用于易气化、易堵塞介质，。

管壳式换热器具有的传热面积较大，传热效果较好、结构简单、制造的材料范围广、操作弹性较大等，广泛应用于化工生产中。由于TFE气体易燃、20℃下饱和蒸汽压力已达到2.81MPa，为防止TFE气体泄露，在满足换热面积的前提下，管壳式换热器较板式换热器具有较大的优势。

管壳式换热器在选择换热通道时，要遵循以下规则：

（1）易燃、有毒流体走管程，以减少泄漏风险；

（2）易结垢、粘度大或有洁净度要求的流体走管程，以提高流速、减少结垢、方便清洗；

（3）高压流体走管程，管程承压能力强，可降低壳体密封要求。

TFE气体为高压易燃气体，为避免直接泄漏到外界引起火灾、爆炸危险，TFE气体应走管程；同时列管内TFE流体为全冷凝，为便于冷凝液快速排出，选用立式管壳式换热器。管外氯化钙冷媒压力较低，可选用固定管板式。综上，TFE冷凝器选用立式固定管板管壳式换热器（BEM）。

5  换热器计算机设计

换热器计算机设计选用HTRI换热器设计软件，HTRI是Heat Transfer Research Institute（美国传热研究学会）的简称，主要致力于传热设备研究，软件采用了在全球处于领导地位的工艺热传递及换热器技术。

因HTRI未预设TFE及氯化钙的物性参数，需要通过在Aspen中建立相同工况的TFE及28.5%氯化钙水溶液换热流程模拟以获取相关物性参数。

本项目TFE冷凝器工艺参数及初步估算结构参数见表3。

表3                        TFE冷凝器工艺及结构参数

注：*为充分降低TFE温度，适度增加28.5%氯化钙水溶液流量；

    **软件根据工艺条件，自动计算28.5%氯化钙水溶液出口温度；

    ***物性数据参数较多，不再一一列出。

利用HTRI软件进行TFE冷凝器设计，先采用设计（DESIGN）模式，利用表3给出的初步估算参数进行初步计算。

按要求，输入TEMA类型、管程参数、壳程参数、污垢系数、冷热流体物性等参数，然后点击运行，运行结果如图1：

图1   设计（DESIGN）模式运行结果

根据运行结果分析：

（1）冷热流体出口温度满足设计要求，冷热流体压降满足设计要求；

（2）换热面积为34.9㎡，设计裕量（Overdesign）为130.17%，换热器面积偏大；

（3）管程流速0.079m/s，管程流速偏低；

（4）Crossflow与Window流速比为1.17，接近1在0.8~1.2区间内，折流板间的流通面积与圆缺部位的流通面积相差不大，避免流速波动造成无谓的压力损失；

（5）B流路的分率为0.495，小于0.6，未充分利用换热面积，不利于换热效果，需调整折流板。

图2 流体示意图

综合以上运行结果，需将换热器直径缩小一档，根据《化工工艺设计手册》（第四版下册）换热器选型表，选用公称直径DN300，管程数为1，换热管长度3000mm，计算换热面积为17.1㎡的固定管板式换热器，并重新采用软件进行校核计算。

利用校核（Rating）模式反复运行，并根据运行结果调整、补充输入换热器参数。如：调整折流板形式、间距、切割率等方式，使B流路的分率大于0.6以上、Crossflow和Windows两处流趋于相等，最终得到如图3结果：

图3 校核（Rating）模式运行结果

6小 结

根据计算结果，最终选择立式BEM管壳式换热器，换热器外壳采用公称直径DN300的钢管制圆筒，外径325mm。列管为φ19×2碳钢管，45°布置，列管总数90根，总传热面积16.12㎡。总传热系数285.37W/（㎡▪K），对数平均温差为12.7℃，换热器总需用换热功率为48kW，设计余量为18.10%，最大重量约853.41kg（水压试验）。

由于TFE冷凝后还有一段冷却过程，为保证换热器冷却效果，可在TFE冷凝液出口管道设置U形弯，使换热器列管中存有一定液位，从而充分冷却TFE液体；也可在TFE冷凝液出口管道上设置调节阀连锁TFE出料温度。

综上，本文通过运用HTRI软件，解决工艺设计中的换热器设计问题。采用软件的设计（DESIGN）模式先进行初步估算，再利用校核（Rating）模式反复模拟，最终设计出合理、高效的换热器。

参考文献:

[1] 中华人民共和国国家标准《热交换器》（GB 151 -2014）.

[2] 中国石化集团上海工程有限公司.《化工工艺设计手册》（第四版）北京：化学工业出版社,2009.

[3] 杨少越. HTRI软件在LNG管壳式换热器设计中的应用[J]. 低温与特气,2018,36(02):17-20.

1