图1  板壳设计原理图。

全焊接板式换热器结合了管式换热器与密封式板式换热器的优点。Cognis和Gesmex公司按照上述优点，以其严格的执行力，使之在有关水化过程的节能合作中起到了决定性的作用。

催化作用的过程大都十分耗能。在能源费用不断上涨的今天，化工企业也在不断寻找节能的途径。目前在换热行业中，并不多见的一种方法是将一种介质的过剩能源在放热反应后尽量全部传导至反应前的同种介质上。

板壳设计的全焊接板式换热器由于结构紧凑和应用领域广泛，非常适合于这种用途。不过，当工作压力>100bar时，现有的管式换热器几乎是无法取代的。这种缺陷由Cognis和Gesmex两家公司共同研制的新产品而得以克服。

Cognis在Düsseldorf-Holthausen工厂生产多种以可再生的原料（如棕榈仁油和可可油）为基础的产品。在以衍生物为主要产品的企业业务领域中，甲基酯是借助催化剂（镍，钯，铂）与氢转化为饱和脂肪醇的。

任务

向Gesmex公司提出的热力学任务是设计一种从放热反应过程中回收能源的换热器，用以最大限度回收释放给反应混合料的热能。其边界条件如下：
原始介质：氢气/甲基酯混合物；
二次介质：氢气/脂肪醇混合物；
过程压力：200~300bar；
过程温度：50~300℃；
体积流量：50~640 dm3/h。

作为循环气体使用的氢气同时完成双重作用，即反应物和“运输工具”。它将与投入的甲基酯在井式反应器里借固定床催化剂发生反应，然后再把提取的脂肪醇从反应器里“运出”。因此，氢气的使用在化学计量上是过剩的。此外，它带走了放热过程中的能量。为了把反应前制备的大约50℃的氢气/甲基脂混合物加热到300℃的反应温度，采用二步加热。

图2 相互排成行连接在一起的换热板组在S&T外壳里的安装。

第一步，先把氢气/甲基酯混合物放热反应的反应热用于氢气/脂肪醇混合物的预热；

第二步则把这种经过预热的循环气体混合物的温度利用高压蒸气提升到需要的反应温度。

预热器里热能传递给氢气/甲基酯混合物的越多，则接下来对高压蒸气的需求就越少。因此在设计新设备时，必要的预热器传热面积以及峰值加热器的传热面积就可以做得相应小一些，因而降低了成本。

解决方案

提出的设计任务是，取代现有高压管束换热器的平滑管束，继续使用现有的换热器外壳（直径615mm，长15700mm）。与Cognis企业工程师一起，Gesmex专门为这样的用途设计了一种新型换热板样式，因此将其XPS型全焊接板式换热器的结构按照现有的高压换热器外壳做了调整。最终得到了XPS 100 – 172 G 11型换热器：
板壳结构的全焊接板式设计；
传热面积：约300m2；
换热板材料：1.4404/AISI 316L；
板厚：0.8mm。

除提高板式设计的传热功率之外，还必须把其他要求也纳入到新研制的产品里，比如压力损失不能过高；固体部分（催化剂磨损的颗粒）也能够通过等。为此制作了换热板样板，对模拟的各种不同的流通状况进行比较，对方案进行优化，并研发了冲压和焊接换热板束及其连接器件的加工方法。

图3  改装前与改装后的原理简图。

整个研制工作都是在Cognis公司经验丰富的企业人员和Gesmex的研发工程师之间的密切合作中进行的。最终开发出了XPS气体换热板，由于它们的介质通道加深了45%，宽度加大了100%，因而特别适合于两种气体介质之间的热交换。而由于其通道横截面积大，因而比过去使用的板壳设计的标准板更适合固体颗粒的无沉积通过。

在273bar和226℃的实际工作条件下，激光焊缝在换热板束的压力与温度稳定性上起着决定性作用，保证了可达板厚3.5倍的连接截面的可靠性，而对焊接连接头上的弹性不会造成限制。原先的扁平管束现在可以用全焊接的板组予以替换，而不必担心在超强压力损失或沉积趋势加强的情况下产生负面影响。

由于使用了这种已经申报了专利的新产品，峰值加热器中额外的高压蒸气的消耗从运行情况比较来看，已经减少了50%~80%。当放热较高时，甚至可达100%。自从2009年1月全焊接板式换热器投入运营以来，设备运行可靠且无故障。

换热器的优点

同过去使用的管式换热器相比，其换热面积可增加2.5倍左右；
同原先使用的管式换热器相比，传热功率可提高4倍左右；
价格昂贵的高压外壳面积的减小，可以有效降低成本；
能效明显提高，并在后续加热过程中节约能源费用；
从热力学上可靠地设计传热功率和压力损失；
全焊接换热板组的规范设计按照当前的技术水平（DGRL 97/23/EG – AD2000）进行，根据要求亦可按照其他标准进行设计，如ASME XIII Div. 1；
腐蚀性介质可采用抗腐蚀能力更高的材料质地进行加工。