换热器在炼化行业的应用进展

张伟

摘要：换热器是炼化行业重要的通用设备之一。在满足工艺过程条件需要的同时，也是提高能量利用效率的主要节能设备之一。介绍了换热器在实际应用中存在的一些问题、强化传热途径及国内外应用现状，从技术原理、特点、应用效果等方面，对目前炼化行业中应用的换热器进行了分析，并指出其未来发展方向

关键词：换热器；管壳式；连续螺旋折流板；板壳式

换热器是非常重要的热交换设备，是实现不同温度介质间热量传递的节能设备。换热器结构性能的优劣，将会影响设备投资、节能效果及安全长周期运行，可能带来一些实际问题，例如：换热器传热效果差，将增加传热面积，造成材料浪费、设备投资增加，不能满足设备安装空间有限等特殊要求；换热器使用一段时间后易产生污垢，传热系数将减小；高温高压环境下的承压能力有限，设备可能发生变形；管材连接、焊接效果欠佳，容易造成换热器泄漏；管壳式换热器管束易存在震动问题；换热器长期使用后，存在一定的清洗和维修难度。

1强化传热途径

传热方程表示如下：

Q=KAAt（1）

式中：K——换热器的总传热系数，W／（m•K）；——换热器传热面积，m；——对数平均温差，K。由式（1）可知，强化传热的途径有提高总传热系数K、增加传热面积A等。

1．1提高传热系数K

总传热系数方程为去=1+Reo++去鲁式中：——总传热系数，W／（m•K）；石油石化节能WWW．syshjq．com，．——管外、管内流体给热系数，W／（m•K）；d，d；——管外、管内径，m；R，R——管外、管内污垢热阻，W／（m•K）；A——换热管材料导热系数，W／（m•K）；d，6——换热管平均直径、壁厚，m。由式（2）可知，增大总传热系数的途径有加大雷诺数e，增加管程或壳程数、折流板及必要的清洗频率，加强管程和壳程两方面的强化传热，提高管内、管外流体给热系数，降低管内、管外污垢热阻。

1．2扩展传热面积

在设备压降满足要求的前提下，合理地提高设备单位体积的传热面积，减小换热管径、改进传热面的结构。例如，采用螺纹管、波纹管等代替常用普通光滑管，不仅增加换热面积，还能强化边界层湍流度提高传热系数，强化管程传热效果。

2国内外应用现状

一直以来，换热器强化传热技术的研究以及工业应用中存在的问题备受国内外学者的关注，各种研究成果得以不断涌现，技术含量在不断提升。国外在换热器研发方面起步较早。欧美发达国家于19世纪90年代起开始竞相开发各种型式的高效换热器。德国Linden公司1895年在低温甲醇洗、空分等工序开始研发使用高效紧凑式的缠绕管换热器；法国Packinox公司于2O世纪80年代、90年代首次在催化重整装置、加氢装置应用大型板壳式换热器替代传统的管壳式换热器。围内换热器的研发起步较晚，但随着内对石油化行业提高能效、降低排放要求的日趋迫切，高效换热器作为节能减排的利器作用愈加引起重视。围内大学及科研机构，如华南理T大学、西安交通大学、华东理I：大学、大连理1：大学、兰州石油机械研究所等，开展了系列攻关研究，促进了换热器的长足发展，加快了高效换热器的困产化进程．在传统管壳式换热器基础上，m现了一系列新型换热器，如连续螺旋折流板式换热器、板壳式换热器、缠绕管式换热器、高通量管换热器。1999年，同产大犁板壳式换热器开始在中石化等企业应用；2009年，产缠绕管式换热器在同内加氢裂化装置卜首次应用。

3主要换热器介绍

3．1管壳式换热器

管壳式换热器作为一种传统的换热设备，适应性广，结构较简单，操作可靠，造价低，清洗方便，适用于高温高压等条件，目前在内炼化生产中仍占有一定地位；但其传热效率低．同等换热负荷所需传热面积大．设备过重。当前对传统管壳式换热器的研究主要集中在j个方面：管程强化传热、壳程强化传热、整体强化传热。

3.1.1管程强化传热。通过螺纹管、波纹管等强

化管代替光管改变传热面形状，进而扩大传热面积强化管程传热效果，一般可提高传热系数l5％左右、于结构较为简单，容易加_T，投资相对较低。

3.1.2壳程强化传热。通过在壳侧设置折流板等导流支撑元件而实现壳侧传热效果的强化。弓形折流板换热器是一种甲．期应用较为广泛的传统管壳式

换热器，壳程流体整体成“z”型流动，结构简单，加工容易；但换热效率较低，压降大，振动大，存在流动死区，已经逐渐被新型管壳式换热器取代。螺旋折流板式换热器通过采用一系列沿轴线展开的1／4螺旋折流板作为壳程侧支撑结构，形成近似螺旋柱塞流动，影响边界层的形成；在强化传热的同时，一定程度上减少了流动死区，降低了压降，比较适合高黏度介质（能保持较高传热效率），但1／4螺旋折流板存在i角漏流区。该技术在石化行业得到了推广应用。中石化某企业常减压装置采用螺旋折流板换热器替代了传统管壳式与换热器后，原油换热终温平均提高rl6：，节能效果显著。

图1螺旋折流板换热器壳体及折流板

连续螺旋折流板换热器是通过采用连续螺旋折流板作为壳程侧支撑结构，消除了l／4螺旋折流板形成的漏流区，使流体形成了连续不问断的真正螺旋曲面运动，流体流速更大，且稳定无脉冲，有效防止了换热管束的振动．传热效率提高（冈2）。日前该技术已用于中石油、中石化等企业中石油某企业原油稳定‘r序采用该换热器后，经过4年的运行，显示该连续螺旋折流板换热器在缓解堵塞、提高换热系数、减小压力降、延缓清洗周期等方而，发挥了显著作用。

3．2板壳式换热器

近年来，随着国内外炼化装置规模不断大型化，对关键换热器设备节能降耗、占地面积、质量、投资等方面要求也在不断提高，传统的管壳式换热器在一定程度上已不能满足大型化装置的需要。板式换热器是由一系列具有波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器。与传统的管壳式换热器相比，其传热效率较高、体积较小、质量较轻、末端温差较小、拆卸方便，但易堵塞，耐高温高压性能较弱。板壳式换热器是以波纹板管作为传热元件的换热器，集中了板式换热器换热元件的高效性与管壳式换热器承压能力较强的优点，具有传热效率高、端部温差小、压降小及节省占地面积等特点；同时耐高温高压性能好，密封性能好，安全可靠，主要应用于催化重整、芳烃歧化、异构化等装置。该技术已在国内数十家企业重整、歧化、异构化等装置上应用，取得了显著节能效果。例如，中石化某企业60×10t／a催化重整装置扩能改造中采用了板壳式换热器，换热器热端温差降低了22．7℃，换热面积节省了1450m，年节约燃料6215t。

4结论

近年来，高效换热器国产化取得了较大的进展，在节能增效等方面取得了显著成绩。但随着炼化行业节能减排及装置生产运行精细化要求的日益高温外输”低1_3℃。在集输方式选择时，除考虑以上能耗因素外，也应考虑外界温度对油气集输、热损失的影响等，综合考量，选取最为合理的集输方式。在油田生产进入高含水后期阶段，由于集油温度要求逐步降低，而后续污水处理因为来液更加复杂，必须有温度作为保证，这样就为油田集输节能提出了新的课题。通过降低集油管网温度，减少热量损失，再通过后段输油加热，用较少能量保证水质处理，实现了综合节能，为以后油田的高效开发和建设提供借鉴。

参考文献：

[1]肖娟，简冠平，王家瑞，等．缠绕管式换热器性能及应研究进展『J1．化工机械，2016，43（4）：423—428．

[2]支浩，汤慧萍，朱纪磊．换热器的研究发展现状IJI．化lr进展，2009，28（S1）：338—342．