摘要

作為一種高活性不飽和醛類化合物，在化工生產中廣泛應用于合成丙烯酸、戊二醛等高附加值產品。然而，其強腐蝕性、高毒性和易聚合特性對換熱設備的設計與運行提出嚴峻挑戰。本文系統分析了列管換熱設備的核心參數（包括結構參數、工藝參數、材料參數），結合熱力學計算與工程案例，提出了針對工況的參數優化策略，旨在提升設備安全性、傳熱效率與運行經濟性。

1. 引言

（C?H?O）在常溫下為無色或淡黃色液體，具有刺激性氣味，沸點52.7℃，熔點-87℃。其分子結構中的碳碳雙鍵（C=C）和醛基（-CHO）使其化學性質活潑，易發生氧化、聚合及腐蝕反應。在生產、儲存及后續加工過程中，換熱設備需同時滿足以下要求：

耐腐蝕性：抵抗及其氧化產物（如丙烯酸）的腐蝕；

防聚合控制：避免因局部過熱引發聚合，堵塞管路；

高效傳熱：滿足工藝對溫度控制的嚴格要求（如反應器進料溫度精度±1℃）。

列管式換熱器因其結構緊湊、傳熱效率高、適應性強，成為工況下的設備類型。本文重點探討其關鍵參數設計方法。

2. 列管換熱設備核心參數分類

2.1 結構參數

管程參數

管徑（d）與壁厚（δ）：

小管徑（如Φ19×2mm）可增加單位體積傳熱面積，但易被聚合物堵塞；

壁厚需滿足耐壓要求（通常≥2mm），同時考慮腐蝕余量（建議附加1-2mm）。

管長（L）與排列方式：

管長通常為3-6m，過長會導致壓降過大；

排列方式（正三角形或正方形）影響殼程流體分布，正三角形排列可提高殼程傳熱系數10%-15%。

管內流速（u）：

推薦流速范圍：1.5-3.0m/s，以強化湍流并抑制聚合；

流速過低（<1m>4m/s）會增加壓降和磨損。

殼程參數

殼體直徑（D）：

根據管束外徑和折流板間距確定，需預留10%-15%的膨脹空間；

折流板類型與間距（B）：

弓形折流板可提高殼程湍流程度，但易產生死角；

推薦折流板間距為殼體直徑的0.2-0.5倍，最小間距≥50mm以防止聚合物沉積。

換熱面積（A）

其中，$ Q $為熱負荷（kW），$ K $為總傳熱系數（W/(m2·K)），$ \Delta T_m $為對數平均溫差（K）。

工況下，K值通常取300-600 W/(m2·K)，需根據實際腐蝕與污垢情況修正。

2.2 工藝參數

溫度控制

聚合反應速率隨溫度升高呈指數增長，需嚴格控制換熱溫差：

管程出口溫度建議≤60℃；

殼程冷卻介質溫度需低于沸點10℃以上，以避免汽化。

壓力設計

設計壓力應高于操作壓力的

1.1-1.5倍；

側操作壓力通常為0.1-0.5MPa，需考慮其飽和蒸氣壓（52.7℃時為0.101MPa）。

流體力學參數

在20℃時的動力粘度（μ）約為0.3mPa·s，需確保$ Re > 10^4 $以維持湍流狀態。

壓降（ΔP）：

管程壓降計算需考慮的密度（ρ≈0.84g/cm3）和粘度變化；

推薦總壓降≤0.1MPa，以降低泵功消耗。

2.3 材料參數

管材選擇

不銹鋼（316L、321）：適用于中等濃度工況，耐均勻腐蝕但易發生點蝕；

哈氏合金（C-276、C-22）：適用于高濃度或含氧化性雜質（如Cl?）的，耐局部腐蝕性能優異；

鈦材（TA2）：適用于高溫高腐蝕工況，但成本較高。

殼體材料

通常采用碳鋼內襯橡膠或玻璃鋼，以降低成本；

高腐蝕工況下可選用不銹鋼或鈦材。

表面處理

管內表面拋光（Ra≤0.4μm）可減少聚合物附著；

電化學拋光或涂層（如聚四氟乙烯）可進一步降低腐蝕速率。

3. 工況下的特殊參數設計

3.1 防聚合控制參數

溫度均勻性

采用多管程設計（如2-4管程）以縮小管程溫差；

殼程設置導流筒或分布式折流板，避免流體短路。

抑制劑添加

在中添加對苯二酚（0.01%-0.1%）或氫醌單甲醚（MEHQ）可顯著抑制聚合；

換熱設備需預留抑制劑注入接口，并考慮其與管材的相容性。

3.2 腐蝕防護參數

腐蝕裕量

管壁厚度需附加1-2mm腐蝕余量；

殼體腐蝕裕量建議為3-5mm。

電化學保護

對不銹鋼設備，可采用犧牲陽極（如鋁鎂合金）或外加電流陰極保護；

需監測保護電位（-0.85V至-1.2V vs. SCE）以確保有效性。

4. 案例分析：某生產裝置換熱器優化

4.1 原始設計問題

設備：Φ800×8000mm列管換熱器，316L不銹鋼管（Φ25×2.5mm），正三角形排列，弓形折流板間距400mm。

問題：運行6個月后管程壓降上升30%，拆檢發現管內附著大量聚合物，局部管壁減薄至1mm。

4.2 優化措施

結構優化：

管徑減小至Φ19×2mm，流速提高至2.5m/s；

折流板改為螺旋式，間距縮小至300mm。

工藝優化：

管程出口溫度控制在55℃以下；

添加0.05% MEHQ抑制劑。

材料優化：

管材升級為哈氏合金C-276；

管內表面拋光至Ra≤0.2μm。

4.3 優化效果

運行12個月后，壓降僅上升8%，無聚合物堵塞現象；

傳熱系數提高20%，設備壽命延長至5年以上。

5. 結論與展望

列管換熱設備的參數設計需綜合考慮傳熱、腐蝕與聚合控制的多重約束。未來研究可聚焦于：

新型抗腐蝕-抗聚合涂層開發；

基于數字孿生的實時參數優化系統；

低溫等離子體或超聲波防聚合技術應用。