新技術(shù)在常減壓蒸餾裝置中的應(yīng)用—板式換熱器

梁澤濤，王雪蓮，劉統(tǒng)華，李愛凌，韓 冰

（中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司，山東 青島266071）

新技術(shù)在常減壓蒸餾裝置中的應(yīng)用—板式換熱器

梁澤濤，王雪蓮，劉統(tǒng)華，李愛凌，韓 冰

（中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司，山東 青島266071）

簡要介紹了板式換熱器的結(jié)構(gòu)，分析了板式換熱器的特點，針對在常減壓蒸餾裝置中的應(yīng)用，同管殼式換熱器在傳熱效率及經(jīng)濟性做了對比。結(jié)果表明，在常減壓裝置中某些特定換熱臺位使用板式換熱器代替常規(guī)管殼式換熱器，既能降低設(shè)備投資，又能增加熱能回收，實現(xiàn)節(jié)能減排。

常減壓蒸餾；板式換熱器；節(jié)能減排

近幾年來，在常減壓蒸餾裝置的設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，高品質(zhì)原油的供應(yīng)量逐漸減少，劣質(zhì)化明顯，尤其是進口原油，其硫含量和酸值也呈上升趨勢，這些原油對設(shè)備的腐蝕性迫使煉廠設(shè)備材質(zhì)升級。而產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，也提高了煉廠加工成本。另一方面國家對能耗的限制也日趨嚴(yán)格，各大煉廠均在積極節(jié)能降耗，常減壓裝置的能耗占全廠能耗的20%左右，降低常減壓裝置的能耗具有重要意義。板式換熱器的應(yīng)用，既能降低煉廠的設(shè)備投資，提高盈利性，又能提高熱能回收率，降低裝置能耗。目前，管殼式換熱器的市場份額在換熱設(shè)備中達到98%以上，板式換熱器的市場份額很小，甚至在石油化工裝置中的應(yīng)用量僅占約1‰。因此，板式換熱器的應(yīng)用在節(jié)能減排方面具有極大潛力。

1 板式換熱器結(jié)構(gòu)

管殼式換熱器中，冷流體和熱流體分別在管程或殼程中流動實現(xiàn)傳熱。板式換熱器與其類似，也是間壁式換熱器，主要有框架和板片兩大部分組成。板片由各種材料制成，由各種不同形式的模具壓成形狀各異的波紋，并在板片的四個角上開有角孔，用于介質(zhì)的流道。板片的周邊及角孔處用橡膠墊片加以密封或焊接。各種板片之間形成薄矩形通道，通過板片進行熱量交換。冷熱流體在板片間也是逆流換熱，與管殼式換熱器相同，可根據(jù)需要，實現(xiàn)單流程及多流程換熱。金屬片的材質(zhì)一般是不銹鋼，其厚度隨操作介質(zhì)腐蝕成分及含量的差異而變化。板式換熱器的原理示意圖如圖1所示。

圖1 板式換熱器原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of plat heat exchanger

2 板式換熱器特點

2.1 傳熱系數(shù)高

板式換熱器傳熱系數(shù)更高，一般在3 000~4 500(kcal/m2)·℃·h，比管殼式提高3~5倍。具體表現(xiàn)在：

（1）可以在較低流速下達到湍流，增強傳熱效果。板式換熱器的板片均帶有一定規(guī)格波紋，如人字形波紋板、水平平直波紋板、瘤形板等，流體在換熱器的傳熱板片沿流體方向的流道斷面形狀不斷變化，大大加強了流動的擾動，與管殼式換熱器相比，流體在板式換熱器內(nèi)，可在很低的雷諾數(shù)下形成湍流，從而增加了流體的傳熱性能，如表1所示。

表1 板式與管殼式換熱器流態(tài)對比Table 1 Flow state of plat and T&S heat exchanger

（2）膜熱阻更小。與管殼式換熱器相比，板式傳熱元件沒有管內(nèi)膜阻放大效應(yīng)。管殼式換熱器與板式換熱器傳熱系數(shù)如下所示：

管式換熱器傳熱系數(shù)：

可見，管殼式換熱器換熱管壁厚的增加，不僅僅簡單理解為增加了金屬熱阻，而更主要是增大管內(nèi)膜阻放大效應(yīng)[1]。

（3）污垢熱阻更小。由于板片上溝槽的湍流和混合，板式換熱器結(jié)構(gòu)大大減少，板式換熱器的污垢熱阻通常僅為列管式換熱器的1/4~1/5，可以確認(rèn)的是無論在什么情況下，污垢系數(shù)不超過0.000 12 m2·W·℃·h/kcal。

2.2 回收更多熱能

在熱流溫度一定情況下，板式換熱器能回收更多熱能。由于流體在板式換熱器換熱板組內(nèi)呈錯流和逆流換熱以及其良好的傳熱性能，使得冷介質(zhì)能夠加熱到非常接近熱介質(zhì)的進口溫度（稱為溫度端差），這對于熱回收工作非常重要。在單臺板式換熱器中，液液工況下可以實現(xiàn)3 ℃的溫度端差，而兩相工況下溫度端差最小可達5 ℃。這就可以使原油達到更高的換熱終溫。以一套1 000萬t/a常減壓原油預(yù)熱系統(tǒng)來說，一般的換熱網(wǎng)絡(luò)可將原油預(yù)熱到290~300 ℃，其余的熱量就只有通過加熱爐來完成。如果爐前溫度每升高5 ℃，則加熱爐的熱負(fù)荷消耗可減少3.7 MW，相應(yīng)的燃料節(jié)省及減少溫室氣體排放成本將非?？陀^，總計每年超過一百萬美元。美國一家煉廠，通過在原油換熱網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置板式換熱器，通過對比分析，原油進爐溫度比調(diào)整前使用管殼式換熱器提高37.8 ℃，節(jié)能效果非常明顯[2,3]。

2.3 可顯著降低設(shè)備投資，縮短投資回收期

隨著加工原油硫含量和酸值提高，換熱器材質(zhì)升級極大提高了設(shè)備投資，在換熱網(wǎng)絡(luò)中某些臺位采用板式換熱器，可以顯著降低投資。我院設(shè)計的某500萬t/a常壓蒸餾裝置中，對常頂油氣和高溫常壓渣油與原油的換熱采用了板式換熱器，對比如表2。

表2 板式與管殼式換熱器投資對比（一）Table 2 Investment of plat and T&S heat exchanger(1st)

在一套1 000萬t/a年常減壓裝置中，對常頂油氣和減三減三中換熱器與原油的換熱采用了板式換熱器，對比如表3。

表3 板式與管殼式換熱器投資對比（二）Table 3 Investment of plat and T&S heat exchanger(2nd)

通過對比，合理采用板式換熱器替代管殼式換熱器，可以有效降低設(shè)備投資，提高裝置盈利能力，縮短投資回收期[4]。

2.4 可顯著降低設(shè)備安裝面積

板式換熱器比列管式換熱器更緊湊，在相同體積下，板式換熱器換熱面積是列管式數(shù)倍，列管式換熱器緊湊度一般是78 m2/m3,板式換熱器一般是220 m2/m3。這就使得在相同換熱面積前提下，板式換熱器金屬耗量大大降低。

3 結(jié) 論

板式換熱器比管殼式換熱器具有更高的傳熱系數(shù)；可以提高換熱終溫，回收更多熱能；能夠降低裝置設(shè)備投資，縮短投資回收期；安裝面積小，維修維護方便，對煉廠節(jié)能減排效果明顯。

［1］徐志明，郭進生，郭軍生,等.板式換熱器熱阻和阻力特性的實驗研究[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2010,9(3)：11-16.

［2］江鎮(zhèn)海.高效板式換熱器在煉油廠的應(yīng)用[J].化工裝備技術(shù)，2010,(3)：61.

［3］江鎮(zhèn)海.高效板式換熱器在煉油廠的節(jié)能應(yīng)用[J].節(jié)能，2010,(3)：60-61.

［4］楊雨松，沈濤，官木松.緊湊型板式換熱器在煉油廠的應(yīng)用[J].煉油技術(shù)與工程，2009,39(10)：44-46.

Application of New Technology in Crude Distillation Unit—Plat Heat Exchanger

LIANG Ze-tao，WANG Xue-lian，LIU Tong-hua，LI Ai-ling，HAN Bing
（ CPECC East-China Design Branch，Shandong Qingdao 266071，China）

The structure and specialty of plat heat exchanger were introduced and compared with tube and shell heat exchanger in the crude distillation unit. The result shows that the plat heat exchanger can reduce investment, recovery more energy, achieve energy saving and emission reduction.

Crude distillation unit; Plat heat exchanger; Energy saving and emission reduction

TQ 051.5

A

1671-0460（2011）11-1161-03

2011-08-22

梁澤濤（1982-），男，山東青島人，工程師，碩士，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工藝專業(yè)，從事煉油設(shè)計工作。E-mail：liangzetao@cnpccei.cn，電話：0532-80950762。