新型高效換熱器在石油化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

周 鋒

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

0 引言

在石油、化工等領(lǐng)域中，換熱器具有非常重要的應(yīng)用，是應(yīng)用最廣泛的單元設(shè)備。相關(guān)研究顯示，在現(xiàn)代石油化學工業(yè)之中，在換熱器方面投入的資金占設(shè)備總投資的40%。換熱器的效率和能源的消耗有著密切關(guān)系，從當前我國石油化工行業(yè)的實際情況來看，大部分企業(yè)應(yīng)用的都是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的換熱設(shè)備，都存在傳熱效率低、流體阻力大的問題，增加了能耗，導致生產(chǎn)成本的增加。隨著我國大型石油化工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，原有的換熱器已難以滿足生產(chǎn)的需要，需要進行更新和改造。從節(jié)能降耗，提高企業(yè)經(jīng)濟效益的考慮，應(yīng)用先進的高效換熱器替換原有設(shè)備非常必要。

1 新型高效換熱器

1.1 螺旋折流板換熱器

螺旋折流板換熱器是管殼式換熱器的一種，該型換熱器的開發(fā)企業(yè)是美國ABB 公司，基本原理：首先，該類型換熱器的圓截面特制板安裝在擬螺旋折流系統(tǒng)中，且每塊折流板在換熱器殼程中橫剖面所占的比例為25%，其傾角設(shè)計為朝向換熱器的軸線，傾角和換熱器之間存在一定的傾斜度。再將相鄰的折流板銜接起來，和外圓處成連續(xù)螺旋狀。每塊折流板都會和殼程流體的流動方向呈現(xiàn)出一定的角度，使殼程流體進行螺旋運動，這種方式能降低管板和殼體之間的死角，提升換熱效率。研究顯示，在氣-水換熱的情況下，應(yīng)用螺旋折流板換熱器能提高換熱效率，在傳遞同樣熱量的情況下，換熱器的傳熱面積能降低40%左右，減少材料的使用。此外，螺旋折流板換熱器還具有以下優(yōu)點：與弓形折流板相比，螺旋折流板不存在返混現(xiàn)象，也不存在卡門渦結(jié)，有效提升傳熱溫差，而且不會出現(xiàn)流動誘導振動的問題；在流速一致的情況下，其殼程流動壓降比較?。辉诘屠字Z數(shù)的條件下，即當Re＜1000 時，傳熱效果更佳。

1.2 折流桿式換熱器

折流桿式換熱器由飛利浦公司研發(fā)，應(yīng)用傳統(tǒng)管殼式換熱器時會出現(xiàn)天然氣流動振動的問題，為解決這一問題該公司對管殼式換熱器進行了改進，更換其中的折流板，應(yīng)用桿式支撐結(jié)構(gòu)，即折流桿式換熱器。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，折流桿式換熱器不僅在防振方面具有非常好的性能，而且具有較高的傳熱系數(shù)。當前，折流桿式換熱器在化工生產(chǎn)中主要應(yīng)用于單項沸騰和冷凝等工況。為改進的性能，人們對折流桿式換熱器進行了多次改進。其中，外導流筒折流桿換熱器就是其中之一，通過這樣的改進方式，管殼式換熱器擋板導致的傳熱不活躍區(qū)得到最大程度的消除，使單位體積設(shè)備的傳熱效率得到提升。另外，人們還對折流桿換熱器的支撐結(jié)構(gòu)進行了改進，研制了直扁鋼條支撐、波浪形扁鋼支撐等結(jié)構(gòu)，應(yīng)用新的支撐結(jié)構(gòu)，不僅促進了折流桿換熱器有效換熱面積的增大，還能有效抑制管子振動。

1.3 空心環(huán)管殼式換熱器

空心環(huán)管殼式換熱器是一種國內(nèi)研發(fā)的新型換熱器，由華南理工大學研發(fā)。所謂空心環(huán)是以較小直徑的鋼管截成短節(jié)后，將其在換熱管管間的同一截面上進行均勻分布，使其以線性關(guān)系接觸，用螺栓緊密固定管束，起到支撐管束的作用，同時促進流體的擾動。在實際的應(yīng)用過程中，空心環(huán)支撐通常是和強化管組合應(yīng)用，通過組合使其具備以下優(yōu)點：首先，具有較低的殼程流阻，主要是由于空心環(huán)管殼式換熱器在殼程軸向流道孔隙率可達80%，因此對縱向流體所產(chǎn)生的阻力非常小；另一方面，由于這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點，能使粗糙型強化傳熱管的性能得到充分發(fā)揮，通過利用傳熱管的周向粗糙肋，有效提升縱向流體在傳熱界面上滯流層的湍流度，達到較高的傳熱膜系數(shù)。

1.4 縱流管束換熱器

在管殼式換熱器中，流體最適合的流動是縱向流動。傳統(tǒng)的殼式換熱器，弓形折流板支撐使流體做橫向流動，將其改成縱向流動能降低滯留死區(qū)的面積，因此將其由橫向流動轉(zhuǎn)變成縱向流動成了研究的重點，近年來出現(xiàn)了其他結(jié)構(gòu)的折流板，如矩形孔和梅花孔等，應(yīng)用這些特殊結(jié)構(gòu)，能使折流板不僅具有支撐管子的作用，同時還能消除管子結(jié)垢的情況。在這些研究的基礎(chǔ)上，德國的GRIMMA 公司研發(fā)了一種新型的折流板換熱器，即網(wǎng)狀整圓形換熱器，在換熱性能上，這種換熱器明顯優(yōu)于圓缺型折流板換熱器。這類換熱器結(jié)構(gòu)的特點是通過在折流板上開橫排管孔，并且利用4個管孔銑通管橋，在管橋處實現(xiàn)殼側(cè)流體的縱向流動，消除了由于流體轉(zhuǎn)折而形成的的滯留區(qū)，提高傳熱效率。此外，瑞典的研究人員應(yīng)用針翅管，不僅實現(xiàn)了增大傳熱面的作用，而且還能使流體出現(xiàn)強烈的擾動，實現(xiàn)了傳熱的強化，同時壓降又比較小，減少了支撐板材料的使用量，具有非常好的性能。

2 螺旋扭曲管換熱器

螺旋扭曲管換熱器是國內(nèi)多家企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)聯(lián)合研制的一種新型高效管殼式換熱器，經(jīng)過多年的研發(fā)和實驗，最終完成螺旋扭曲管換熱器和性能方面的研究。

2.1 螺旋扭曲管換熱器機構(gòu)特點

（1）螺旋扭曲管換熱器傳熱管為扁平的螺旋形，其任一橫截面都是扁圓或橢圓形。

（2）螺旋扭曲管和管板之間以圓形連接，將多個螺旋扭曲管并排放置，使其組成換熱器管束，管子通常以正三角形或者是正方形的形式排列。在螺旋管外，管間隙形成換熱器殼側(cè)的螺旋通道，螺旋管之間的間距可以調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)間距使換熱器殼側(cè)流體通道面積發(fā)生改變，在實際應(yīng)用中可以根據(jù)用戶的需求進行調(diào)整。

（3）螺旋扭曲管換熱器在結(jié)構(gòu)上取消了折流板這一設(shè)計，通過這樣的設(shè)計有效的降低了制造成本。

（4）螺旋扭曲管換熱器應(yīng)用了螺旋扭曲管，因此其管間距較小，是一種緊湊型換熱器。通過這樣的設(shè)計，使相同直徑下，螺旋扭曲管換熱器的管束可以放置更多的換熱管，比普通換熱器換熱面積更大。

（5）防振效果良好。螺旋扭曲管換熱器使用的螺旋扭曲管能起到相互支撐的作用，這種方式能抵消掉換熱管的振動，使換熱器的運行更安全，進而提升其使用壽命。

2.2 螺旋扭曲管換熱器強化傳熱機理

換熱過程實際就是管內(nèi)外兩種流體的能量交換，高溫流體通過管壁將熱量傳遞給溫度較低的流體，影響流體和管壁之間熱量傳遞的最主要因素是流體的流動狀態(tài)。流體在管內(nèi)流動時在管壁附近流速會有所下降，并且形成流動的邊界層，邊界層沿著流動的方向不斷的變厚，貼近管壁的是層流邊界層，而后是湍流邊界層，貼近管壁附近的流體處于層流狀態(tài)，湍流邊界層的流體則處于湍流狀態(tài)，二者之間為緩沖區(qū)，這兩個邊界層之間存在著對流傳熱。在湍流中心區(qū)域，流體在流動過程中質(zhì)點的狀態(tài)為強烈對流，這時其傳熱能力最強，這也是熱量傳遞的最主要區(qū)域。而層流內(nèi)的流體是通過傳導的方式完成熱量傳遞，傳熱能力遠低于湍流區(qū)。由此，為提高傳熱效率，應(yīng)提高流體的湍流程度，并且降低層流層厚度，以便降低傳熱阻力。

螺旋扭曲管換熱器采用的螺旋扭曲管內(nèi)側(cè)是扁平的螺旋通道，當流體在管內(nèi)流動時，受到這一結(jié)構(gòu)的影響而進行連續(xù)的螺旋運動，使流體產(chǎn)生比較強烈的湍流，擴大湍流的區(qū)域；同時由于激烈的螺旋運行，流體會對管壁進行連續(xù)沖刷，這樣能最大程度降低層流層的厚度，強化管內(nèi)的傳熱效率。此外，還可以將圓管做成扁管或者是橢圓管，通過改變傳熱管的形狀降低其傳熱的當量直徑，提高對流傳熱系數(shù)，強化傳熱效率。由于流體的螺旋運動，加大了對于管內(nèi)外壁的沖刷，使雜質(zhì)等更加難以附著在管壁上，保證了管壁清潔，減小污垢熱阻，保證傳熱效率。

3 螺旋扭曲管換熱器在連續(xù)重整裝置中的應(yīng)用

連續(xù)重整裝置是煉油生產(chǎn)的重要裝置，由于重整反應(yīng)是強吸熱反應(yīng)，需要加熱保證反應(yīng)的進行，需要消耗大量的能量，為降低能耗，對其工藝進行優(yōu)化。應(yīng)用螺旋扭曲管換熱器能提高傳熱效率，降低能耗。

根據(jù)螺旋扭曲管換熱器的特點，可以將其應(yīng)用在重整再接觸預(yù)冷器和重整脫戊烷塔進料/塔底產(chǎn)物換熱器2 個位置。裝置的工藝流程如圖1 所示。

圖1 重整再接觸預(yù)冷器和重整脫戊烷塔進料/塔底產(chǎn)物換熱器工藝流程

從圖1 可以看出，在重整再接觸預(yù)冷器殼程壓降越小，重整氫增壓機更節(jié)能，而管程介質(zhì)是從操作壓力高的二級再接觸罐經(jīng)過換熱后被傳送到操作壓力低的一級再接觸罐，因此工藝對管程的壓降要求比較低。而對于重整脫戊烷塔進料/塔底產(chǎn)物換熱器而言，該換熱器的殼程壓降越小，越有利于工藝操作，而且由于管程介質(zhì)也是從壓力較高的脫戊烷塔傳送到壓力較低的下游裝置，因此其對壓降的要求也不高。從這2 個位置的特點來看，應(yīng)用螺旋扭曲管換熱器能充分發(fā)揮出其特點，并且降低能耗。實驗研究表明，在重整再接觸預(yù)冷器、重整脫戊烷塔進料/塔底產(chǎn)物換熱器應(yīng)用螺旋扭曲管換熱器，分別能傳熱效率增加52%和23%，起到良好的節(jié)能效果。