新型高效換熱器在石油化工生產中的應用

周 鋒

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

0 引言

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

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，該型換熱器的開發企業是美國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，和外圓處成連續螺旋狀。每塊折流板都會和殼程流體的流動方向呈現出一定的角度，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點：與弓形折流板相比，螺旋折流板不存在返混現象，也不存在卡門渦結，有效提升傳熱溫差，而且不會出現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小；在低雷諾數的條件下，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，應用傳統管殼式換熱器時會出現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，應用桿式支撐結構，即折流桿式換熱器。根據相關數據顯示，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。當前，折流桿式換熱器在化工生產中主要應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得到最大程度的消除，使單位體積設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構進行了改進，研制了直扁鋼條支撐、波浪形扁鋼支撐等結構，應用新的支撐結構，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 空心環管殼式換熱器

空心環管殼式換熱器是一種國內研發的新型換熱器，由華南理工大學研發。所謂空心環是以較小直徑的鋼管截成短節后，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。在實際的應用過程中，空心環支撐通常是和強化管組合應用，通過組合使其具備以下優點：首先，具有較低的殼程流阻，主要是由于空心環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生的阻力非常小；另一方面，由于這種換熱器的結構特點，能使粗糙型強化傳熱管的性能得到充分發揮，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。

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的面積，因此將其由橫向流動轉變成縱向流動成了研究的重點，近年來出現了其他結構的折流板，如矩形孔和梅花孔等，應用這些特殊結構，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垢的情況。在這些研究的基礎上，德國的GRIMMA 公司研發了一種新型的折流板換熱器，即網狀整圓形換熱器，在換熱性能上，這種換熱器明顯優于圓缺型折流板換熱器。這類換熱器結構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，在管橋處實現殼側流體的縱向流動，消除了由于流體轉折而形成的的滯留區，提高傳熱效率。此外，瑞典的研究人員應用針翅管，不僅實現了增大傳熱面的作用，而且還能使流體出現強烈的擾動，實現了傳熱的強化，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多家企業和研發機構聯合研制的一種新型高效管殼式換熱器，經過多年的研發和實驗，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的螺旋通道，螺旋管之間的間距可以調節，通過調節間距使換熱器殼側流體通道面積發生改變，在實際應用中可以根據用戶的需求進行調整。

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

（4）螺旋扭曲管換熱器應用了螺旋扭曲管，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。流體在管內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，湍流邊界層的流體則處于湍流狀態，二者之間為緩沖區，這兩個邊界層之間存在著對流傳熱。在湍流中心區域，流體在流動過程中質點的狀態為強烈對流，這時其傳熱能力最強，這也是熱量傳遞的最主要區域。而層流內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。由此，為提高傳熱效率，應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側是扁平的螺旋通道，當流體在管內流動時，受到這一結構的影響而進行連續的螺旋運動，使流體產生比較強烈的湍流，擴大湍流的區域；同時由于激烈的螺旋運行，流體會對管壁進行連續沖刷，這樣能最大程度降低層流層的厚度，強化管內的傳熱效率。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，強化傳熱效率。由于流體的螺旋運動，加大了對于管內外壁的沖刷，使雜質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重整裝置中的應用

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

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

圖1 重整再接觸預冷器和重整脫戊烷塔進料/塔底產物換熱器工藝流程

從圖1 可以看出，在重整再接觸預冷器殼程壓降越小，重整氫增壓機更節能，而管程介質是從操作壓力高的二級再接觸罐經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，應用螺旋扭曲管換熱器能充分發揮出其特點，并且降低能耗。實驗研究表明，在重整再接觸預冷器、重整脫戊烷塔進料/塔底產物換熱器應用螺旋扭曲管換熱器，分別能傳熱效率增加52%和23%，起到良好的節能效果。