換熱器在煉化行業(yè)的應用進展

曾慶峰 魏翔 趙金海 郭彥 龔燕 劉富余 李向進 于型偉

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國石油華北石化分公司）

換熱器在煉化行業(yè)的應用進展

曾慶峰1魏翔2趙金海1郭彥1龔燕1劉富余1李向進1于型偉1

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國石油華北石化分公司）

換熱器是煉化行業(yè)重要的通用設備之一。在滿足工藝過程條件需要的同時，也是提高能量利用效率的主要節(jié)能設備之一。介紹了換熱器在實際應用中存在的一些問題、強化傳熱途徑及國內(nèi)外應用現(xiàn)狀，從技術原理、特點、應用效果等方面，對目前煉化行業(yè)中應用的換熱器進行了分析，并指出其未來發(fā)展方向。

換熱器；管殼式；連續(xù)螺旋折流板；板殼式；纏繞管；高通量管；強化傳熱

換熱器是非常重要的熱交換設備，是實現(xiàn)不同溫度介質(zhì)間熱量傳遞的節(jié)能設備。換熱器結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣，將會影響設備投資、節(jié)能效果及安全長周期運行，可能帶來一些實際問題，例如：換熱器傳熱效果差，將增加傳熱面積，造成材料浪費、設備投資增加，不能滿足設備安裝空間有限等特殊要求；換熱器使用一段時間后易產(chǎn)生污垢，傳熱系數(shù)將減??；高溫高壓環(huán)境下的承壓能力有限，設備可能發(fā)生變形；管材連接、焊接效果欠佳，容易造成換熱器泄漏；管殼式換熱器管束易存在震動問題；換熱器長期使用后，存在一定的清洗和維修難度。

1 強化傳熱途徑

傳熱方程表示如下：

式中：K——換熱器的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

A——換熱器傳熱面積，m2；

Δtm——對數(shù)平均溫差，K。

由式（1）可知，強化傳熱的途徑有提高總傳熱系數(shù)K、增加傳熱面積A等。

1.1 提高傳熱系數(shù)K

總傳熱系數(shù)方程為

式中：K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

由式（2）可知，增大總傳熱系數(shù)的途徑有加大雷諾數(shù)Re，增加管程或殼程數(shù)、折流板及必要的清洗頻率，加強管程和殼程兩方面的強化傳熱，提高管內(nèi)、管外流體給熱系數(shù)，降低管內(nèi)、管外污垢熱阻。

1.2 擴展傳熱面積A

在設備壓降滿足要求的前提下，合理地提高設備單位體積的傳熱面積，減小換熱管徑、改進傳熱面的結(jié)構(gòu)。例如，采用螺紋管、波紋管等代替常用普通光滑管，不僅增加換熱面積，還能強化邊界層湍流度提高傳熱系數(shù)，強化管程傳熱效果。

2 國內(nèi)外應用現(xiàn)狀

一直以來，換熱器強化傳熱技術的研究以及工業(yè)應用中存在的問題備受國內(nèi)外學者的關注，各種研究成果得以不斷涌現(xiàn)，技術含量在不斷提升。

國外在換熱器研發(fā)方面起步較早。歐美發(fā)達國家于19世紀90年代起開始競相開發(fā)各種型式的高效換熱器。德國Linden公司1895年在低溫甲醇洗、空分等工序開始研發(fā)使用高效緊湊式的纏繞管換熱器[1]；法國Packinox公司于20世紀80年代、90年代首次在催化重整裝置、加氫裝置應用大型板殼式換熱器替代傳統(tǒng)的管殼式換熱器[2]。

國內(nèi)換熱器的研發(fā)起步較晚，但隨著國內(nèi)對石油石化行業(yè)提高能效、降低排放要求的日趨迫切，高效換熱器作為節(jié)能減排的利器作用愈加引起重視。國內(nèi)大學及科研機構(gòu)，如華南理工大學、西安交通大學、華東理工大學、大連理工大學、蘭州石油機械研究所等，開展了系列攻關研究，促進了換熱器的長足發(fā)展，加快了高效換熱器的國產(chǎn)化進程。在傳統(tǒng)管殼式換熱器基礎上，出現(xiàn)了一系列新型換熱器，如連續(xù)螺旋折流板式換熱器、板殼式換熱器、纏繞管式換熱器、高通量管換熱器。1999年，國產(chǎn)大型板殼式換熱器開始在中石化等企業(yè)應用；2009年，國產(chǎn)纏繞管式換熱器在國內(nèi)加氫裂化裝置上首次應用。

3 主要換熱器介紹

3.1 管殼式換熱器

管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的換熱設備，適應性廣，結(jié)構(gòu)較簡單，操作可靠，造價低，清洗方便，適用于高溫高壓等條件，目前在國內(nèi)煉化生產(chǎn)中仍占有一定地位；但其傳熱效率低，同等換熱負荷所需傳熱面積大，設備過重。當前對傳統(tǒng)管殼式換熱器的研究主要集中在三個方面：管程強化傳熱、殼程強化傳熱、整體強化傳熱。

1）管程強化傳熱。通過螺紋管、波紋管等強化管代替光管改變傳熱面形狀，進而擴大傳熱面積強化管程傳熱效果，一般可提高傳熱系數(shù)15%左右。由于結(jié)構(gòu)較為簡單，容易加工，投資相對較低。

2）殼程強化傳熱。通過在殼側(cè)設置折流板等導流支撐元件而實現(xiàn)殼側(cè)傳熱效果的強化。弓形折流板換熱器是一種早期應用較為廣泛的傳統(tǒng)管殼式換熱器，殼程流體整體成“Z”型流動，結(jié)構(gòu)簡單，加工容易；但換熱效率較低，壓降大，振動大，存在流動死區(qū)，已經(jīng)逐漸被新型管殼式換熱器取代[3]。

螺旋折流板式換熱器通過采用一系列沿軸線展開的1/4螺旋折流板作為殼程側(cè)支撐結(jié)構(gòu)，形成近似螺旋柱塞流動，影響邊界層的形成；在強化傳熱的同時，一定程度上減少了流動死區(qū)，降低了壓降，比較適合高黏度介質(zhì)（能保持較高傳熱效率），但1/4螺旋折流板存在三角漏流區(qū)（圖1）。該技術在石化行業(yè)得到了推廣應用。中石化某企業(yè)常減壓裝置采用螺旋折流板換熱器替代了傳統(tǒng)管殼式換熱器后，原油換熱終溫平均提高了16℃，節(jié)能效果顯著[4]。

圖1 螺旋折流板換熱器殼體及折流板

連續(xù)螺旋折流板換熱器是通過采用連續(xù)螺旋折流板作為殼程側(cè)支撐結(jié)構(gòu)，消除了1/4螺旋折流板形成的漏流區(qū)，使流體形成了連續(xù)而不間斷的真正螺旋曲面運動，流體流速更大，且穩(wěn)定無脈沖，有效防止了換熱管束的振動，傳熱效率提高（圖2）。目前該技術已用于中石油、中石化等企業(yè)。中石油某企業(yè)原油穩(wěn)定工序采用該換熱器后，經(jīng)過4年的運行，顯示該連續(xù)螺旋折流板換熱器在緩解堵塞、提高換熱系數(shù)、減小壓力降、延緩清洗周期等方面，發(fā)揮了顯著作用[5]。

圖2 連續(xù)螺旋折流板換熱器殼體及折流板

3）整體強化傳熱。扭曲管換熱器是實現(xiàn)換熱器管程和殼程整體強化的一種換熱器。該類型換熱器采用螺旋扭曲管為傳熱元件，管程流體產(chǎn)生以旋轉(zhuǎn)擾動為主要特征的流動，殼程靠排列緊湊的扭曲管外緣點的接觸起到相互支撐作用，并在換熱管間形成連續(xù)的螺旋流動，殼程無折流板，流體無流動死區(qū)，強化了傳熱效果[6]（圖3、圖4）。

圖3 扭曲管雙殼程換熱器殼程結(jié)構(gòu)

圖4 扭曲管外形

該技術目前在國內(nèi)中石化等企業(yè)有一定范圍應用，并取得了較好效果。在某企業(yè)25×104t/a加氫裂化裝置應用后，傳熱效率提高約35%，節(jié)省材料費用約30%。

3.2 板殼式換熱器

近年來，隨著國內(nèi)外煉化裝置規(guī)模不斷大型化，對關鍵換熱器設備節(jié)能降耗、占地面積、質(zhì)量、投資等方面要求也在不斷提高，傳統(tǒng)的管殼式換熱器在一定程度上已不能滿足大型化裝置的需要。

板式換熱器是由一系列具有波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，其傳熱效率較高、體積較小、質(zhì)量較輕、末端溫差較小、拆卸方便，但易堵塞，耐高溫高壓性能較弱。

板殼式換熱器是以波紋板管作為傳熱元件的換熱器，集中了板式換熱器換熱元件的高效性與管殼式換熱器承壓能力較強的優(yōu)點，具有傳熱效率高、端部溫差小、壓降小及節(jié)省占地面積等特點；同時耐高溫高壓性能好，密封性能好，安全可靠，主要應用于催化重整、芳烴歧化、異構(gòu)化等裝置。該技術已在國內(nèi)數(shù)十家企業(yè)重整、歧化、異構(gòu)化等裝置上應用，取得了顯著節(jié)能效果。例如，中石化某企業(yè)60×104t/a催化重整裝置擴能改造中采用了板殼式換熱器，換熱器熱端溫差降低了22.7℃，換熱面積節(jié)省了1450 m2，年節(jié)約燃料6215 t[7]。

3.3 纏繞管式換熱器

傳統(tǒng)的加氫裂化裝置采用高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器，換熱器數(shù)量多，流程復雜，裝置泄露點多，熱端溫差大，加熱爐數(shù)量多，裝置能耗較大。纏繞管式換熱器早期應用于空分裝置和化肥裝置低溫甲醇洗系統(tǒng)，近年來作為重要的傳熱設備在國內(nèi)加氫裂化等裝置工藝變革中開始應用。

纏繞管式換熱器是在芯筒與外筒之間的空間內(nèi)將傳熱管按螺旋線形狀交替纏繞而成，相鄰兩層螺旋狀傳熱管的螺旋方向相反，并采用一定形狀的定距件使之保持一定的間距（圖5、圖6）。它利用反應流出物的高品位熱能對進入加熱爐前的混合原料（原料油和氫）進行預熱，由于換熱效率高，使得預熱后的混合進料溫度接近反應器內(nèi)物料反應溫度，從而大大降低加熱爐熱負荷，同時反應流出物得到冷卻。

與管殼式換熱器相比，纏繞管式換熱器傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，抗振動、耐高溫差引起的熱膨脹性能好，密封性好，可適應介質(zhì)壓力高的工況；大幅減少換熱死區(qū)，介質(zhì)之間無壓差要求[8]，但制造難度較大。

圖5 纏繞管束剖面

圖6 纏繞管式換熱器局部

目前，纏繞管式換熱器已經(jīng)在國內(nèi)中石化鎮(zhèn)海煉化、茂名石化、廣州石化、中石油遼陽石化等數(shù)十個企業(yè)加氫裂化、催化重置等裝置中應用，節(jié)能效果顯著。中石化某新建項目150×104t/a加氫裂化裝置上，采用2臺纏繞管式換熱器替代7臺高壓螺紋鎖緊環(huán)換熱器，裝置換熱流程得以大幅簡化，熱端溫差平均減少約28℃，加熱爐的負荷顯著降低，年節(jié)省燃料費用1100萬元，折合標準煤每年約為4015 t，節(jié)能效果明顯。

3.4 高通量管換熱器

重沸器作為提供裝置工藝生產(chǎn)所需熱能的關鍵設備，流量大、熱負荷大，其換熱效果對降低裝置能耗、節(jié)約投資及減少操作費用有重要作用。

在以往的芳烴、乙二醇等裝置中，塔底重沸器多采用普通立置管殼式換熱器，存在傳熱效率低、同等換熱負荷所需傳熱面積大及設備過于龐大等缺點。對于單套規(guī)模較大的裝置須采用2臺以上并聯(lián)的方式，而多臺設備并聯(lián)運行時，熱負荷及物流很難均衡分配，成為裝置改造的瓶頸。

應用一種高通量管換熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管殼式換熱器可以解決上述問題，但這種高通量管制造技術長期以來被國外專利商壟斷。近年來，隨著國內(nèi)煉化技術整體水平的提高，國產(chǎn)高通量管換熱器得到長足發(fā)展。

高通量管換熱器是通過采用粉末冶金等特殊加工方法，在普通換熱管表面均勻地覆蓋一層具有眾多微孔和相互連通隧道的多孔金屬薄涂層，形成多孔表面，增加汽化核心數(shù)，使沸騰傳熱得以強化；因而，其傳熱系數(shù)較大，為光管的3～8倍。由于多孔結(jié)構(gòu)較強的毛細作用和較高的再流通率，液體在微孔內(nèi)受氣泡不斷膨脹、收縮而持續(xù)循環(huán)作用，流體在多孔表面循環(huán)量為光管的10～15倍，大量的液體循環(huán)對換熱管表面起到了清洗作用，具有較強的阻垢能力（圖7）。

圖7 高通量換熱管

目前，該技術已經(jīng)在國內(nèi)鎮(zhèn)海煉化、天津石化、賽科石化、武漢石化等企業(yè)芳烴、乙烯、氣分裝置中應用，取得了顯著的節(jié)能效果[9]。

4 結(jié)論

近年來，高效換熱器國產(chǎn)化取得了較大的進展，在節(jié)能增效等方面取得了顯著成績。但隨著煉化行業(yè)節(jié)能減排及裝置生產(chǎn)運行精細化要求的日益提高，進一步提高傳熱效率，減小流體阻力，增加強度、剛度、穩(wěn)定性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料、降低成本，便于制造、裝拆、檢修等將是未來換熱器的發(fā)展方向[10]。

[1]肖娟，簡冠平，王家瑞，等.纏繞管式換熱器性能及應用研究進展[J].化工機械，2016，43（4）：423-428.

[2]支浩，湯慧萍，朱紀磊.換熱器的研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].化工進展，2009，28（S1）：338-342.

[3]王小翠.管殼式換熱器強化傳熱技術的途徑及應用[J].化工設計通訊，2016，42（3）：60.

[4]徐彬，張麥貴.螺旋折流板換熱器在常減壓裝置中的應用[J].石油化工設備，2003，32（5）：53-54.

[5]齊洪洋，高磊，張瑩瑩，等.管殼式換熱器強化傳熱技術概述[J].壓力容器，2012，29（7）：73-77.

[6]宋丹，蹇江海，張迎愷.扭曲管雙殼程換熱器的研究及性能分析[J].石油化工設備技術，2012，33（5）：1-3.

[7]王黎明，蘇敏，鄒小平，等.板殼式換熱器在連續(xù)重整裝置的應用[J].石油化工設備，2010，39（1）：73-74.

[8]陳永東，陳學東.我國大型換熱器的技術進展[J].機械工程學報，2013，49（10）：134-143.

[9]林學君.高效換熱器在百萬噸乙烯裝置上的應用[J].乙烯工業(yè)，2009，21（1）：25-27.

[10]高廣超，張鑫，李超.換熱器的研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].當代化工研究，2016（4）：83-84.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.017

2016-12-19

（編輯 王艷）

曾慶峰，工程師，2010年畢業(yè)于中國石油大學（北京），從事石油石化節(jié)能節(jié)水技術研究工作，E-mail：zengqingfeng@petrochina.com.cn，地址：北京市海淀區(qū)志新西路3號，100083。