劉克安

中國石油化工股份有限公司天津分公司工程部 天津 300271

纏繞式換熱器節(jié)能特點(diǎn)分析

劉克安

中國石油化工股份有限公司天津分公司工程部 天津 300271

中石化天津分公司芳烴裝置是上世紀(jì)70年代末從日本揮發(fā)油公司引進(jìn)的，采用美國UOP分離技術(shù)生產(chǎn)對二甲苯（PX）。為了更好的降低裝置的能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，在芳烴裝置歧化反應(yīng)進(jìn)料用高效的纏繞管式換熱器代替換熱效果較差的U型管式換熱器，原來“U”型管式歧化反應(yīng)進(jìn)出料換熱器熱端溫差為87℃，纏繞管式換熱器歧化反應(yīng)進(jìn)出料熱端溫差降低為30℃，使換熱效率提高了30%以上，每年實(shí)際節(jié)約燃?xì)饪蛇_(dá)1245.6t，年創(chuàng)直接效益580萬元以上。

纏繞管式換熱器 高效換熱 岐化反應(yīng)

1 歧化工藝流程及“U”型管式換熱器分析

1.1 歧化工藝流程簡介

芳烴部芳烴裝置歧化反應(yīng)進(jìn)料工藝路線為來自歧化進(jìn)料儲(chǔ)罐（TK-501）的甲苯料與重整裝置的補(bǔ)充氫氣混合后，一同送歧化混合進(jìn)料換熱器（E-505A/B/C/D）殼程，與走管程的歧化反應(yīng)器出料進(jìn)行換熱升溫后，再由反應(yīng)進(jìn)料加熱爐（H-501）進(jìn)一步加熱，升溫至歧化反應(yīng)所需溫度后，進(jìn)入歧化反應(yīng)器（R-501）。采用串聯(lián)式換熱器進(jìn)行熱量交換，見表1。

1.2 “U”型管式換熱器換熱效率較低

1.2.1 目前歧化反應(yīng)進(jìn)出料換熱器熱端溫差為87℃（見表2），熱端溫差（即為熱流入口溫度－冷端出口溫度）可以看出目前歧化反應(yīng)進(jìn)出料換熱器（E-505A/B/C/D）換熱效率較低，兩種物料沒有進(jìn)行充分的熱交換，導(dǎo)致部分反應(yīng)熱量沒有利用，熱損失較大。

1.2.2 設(shè)備占地空間大，“U”型管式換熱器的安裝方式為地面，兩臺為一組上下布置，占地面積達(dá)60m2左右，管殼材質(zhì)分別為高溫合金鋼STBA23-SC和A204GrA。已經(jīng)使用30a，到了更換備臺的周期，所以更換為纏繞式換熱器經(jīng)濟(jì)上為最佳機(jī)會(huì)。

從表2中可以看出，歧化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，其反應(yīng)溫升為（463-448）15℃。根據(jù)上表目前歧化反應(yīng)進(jìn)出料換熱器熱端溫差為（466-379）87℃，按照通常衡量換熱器好壞的其中一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，即熱端溫差（即為熱流入口溫度－冷端出口溫度）可以看出目前歧化反應(yīng)進(jìn)出料換熱器E-505A/B/C/D共計(jì)4臺處于較低技術(shù)運(yùn)行水平，潛熱較高利用價(jià)值大，因此具有較大的節(jié)能改造空間。

表1 “U”型管換熱器的參數(shù)

表2 現(xiàn)場檢測操作參數(shù)

2 新型的纏繞式換熱器的特點(diǎn)及性能

2.1 纏繞式換熱器的特點(diǎn)

（1）纏繞式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊較大單位容積傳熱面積的特點(diǎn)，單位容積傳熱面積是普通換熱器的2倍以上。對管徑為8～21mm的傳熱管，每m3容積的傳熱面積可達(dá)100～170m2；而普通列管式換熱器，每m3容積的傳熱面積只有54～77m2，是繞管式換熱器的45%左右。

（2）繞管式換熱器層與層之間換熱管反向纏繞，這種特殊結(jié)構(gòu)極大地改變了流體流動(dòng)狀態(tài)，形成強(qiáng)烈的湍流效果，湍流狀態(tài)更強(qiáng)烈，提高了換熱系數(shù)，減小了傳熱面積，以最少的材料達(dá)到最佳的換熱效果，同時(shí)考慮壓降和換熱系數(shù)的最佳組合關(guān)系，以最小的壓降達(dá)到最好的換熱效果即高效換熱[1]。

表3 歧化進(jìn)料纏繞式換熱器(E-505)設(shè)計(jì)參數(shù)

（3）纏繞管式換熱器由于管端存在一定長度的自由彎曲段，因而具有很好的撓性，傳熱管的熱膨脹可部分自行補(bǔ)償，減輕了對管板焊接的應(yīng)力影響，減少了管頭與管板焊縫的泄漏可能性。同時(shí)，具有抗振動(dòng)、耐高低溫差大的特點(diǎn)，使用壽命可相對延長。

（4）介質(zhì)溫度端差?。河捎谄洫?dú)特的螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，介質(zhì)在換熱管束中停留更長時(shí)間，換熱更加充分,故冷熱介質(zhì)溫度端差小，實(shí)際熱端溫差可達(dá)10℃左右[2]。

（5）高壓下采用管道式八角墊自緊式密封，纏繞管換熱器徹底改變了大型高壓換熱器的密封結(jié)構(gòu)、提高了密封可靠性，保證了裝置安穩(wěn)長周期運(yùn)行；繞管結(jié)構(gòu)采用換熱管與殼體組合結(jié)構(gòu)，耐壓性能好，具備在22MPa下使用。

（6）管內(nèi)介質(zhì)以螺旋方式通過，殼程介質(zhì)逆流橫向交叉通過繞管，避免了螺紋鎖緊環(huán)折流板結(jié)構(gòu)換熱器在折流板背面存在的換熱死區(qū)和垢物積聚沉淀，因此介質(zhì)流暢、不存在換熱死區(qū)；同時(shí)流體在相鄰管之間、層與層之間不斷地分離和匯合，使殼體側(cè)流體的湍流加強(qiáng)，減少層流，降低了壁面附著的可能性、換熱器結(jié)垢傾向低。

（7）纏繞管結(jié)構(gòu)可以滿足多種介質(zhì)同時(shí)換熱的要求，與板式換熱器相比，通過調(diào)整管間距、層差距可以使介質(zhì)流動(dòng)阻力僅十多kPa，達(dá)到板式換熱器的阻力降水平，而且對于各種介質(zhì)之間不存在壓差限制的要求、優(yōu)于板式換熱器，在同等條件下，適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)僅略增大換熱器直徑即可采用纏繞管式換熱器替代進(jìn)口設(shè)備、打破國外技術(shù)壟斷，且降低了工藝介質(zhì)的操作難度。

（8）設(shè)備重量小、占地少、配管簡單、安裝檢維修便捷、設(shè)備投資相對較低。

（9）纏繞管結(jié)構(gòu)避免了大型管箱等大型鍛件的生產(chǎn)加工，降低了主要材料因生產(chǎn)廠家少、進(jìn)口、生產(chǎn)能力不足等導(dǎo)致的長周期，從而有效縮短整個(gè)設(shè)備的制造周期。

2.2 纏繞式換熱器的性能要求

根據(jù)芳烴裝置歧化反應(yīng)的現(xiàn)場設(shè)備布置空間和工藝要求，按照熱交換的技術(shù)參數(shù)計(jì)算所需的設(shè)備換熱面積，采用一臺立式纏繞式換熱器替代四臺“U”型管式換熱器。

表4 換熱器實(shí)際進(jìn)出料溫度參數(shù)

2.3 改造后換熱器工況

芳烴裝置將歧化反應(yīng)器的4臺進(jìn)出料換熱器更換為1臺高效能新式纏繞式換熱器后，由于管內(nèi)介質(zhì)的螺旋運(yùn)動(dòng)、殼程介質(zhì)的橫向錯(cuò)流，使得換熱器傳熱性能得到非常好的加強(qiáng)，換熱系數(shù)較高，換熱效果得到很大的提高。

從表3、4中可以看出，進(jìn)出料換熱器改用纏繞管式換熱器后進(jìn)料和出料的設(shè)計(jì)溫差為25℃（463/448℃），由于實(shí)際工況發(fā)生了變化，進(jìn)料（殼程/管程）為440/27℃，出料（殼程/管程）為65/410℃，實(shí)際得到的溫差為30℃。改造前后對比，改造前（殼程/管程）進(jìn)出料溫差為87℃（466/379），則改造后（殼程/管程）進(jìn)出料溫差為30℃（440/410）。

3 結(jié)論

（1）換熱效果明顯提高，物料反應(yīng)熱量得到了較充分的利用。通過運(yùn)行觀察，當(dāng)初所提供給纏繞式換熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)出料量和操作溫度與實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)存在一定的偏差，殼程和管程的進(jìn)出料溫度為440/410℃，差值為30℃。

表5 燃料氣消耗年統(tǒng)計(jì)表

（2）燃料氣消耗明顯降低。根據(jù)裝置加熱爐消耗的燃?xì)饬拷y(tǒng)計(jì)，投用后可節(jié)約燃料氣155.7kg/hr，按年運(yùn)行8000hr計(jì)算，共可節(jié)約燃料氣1200t以上。以2010年燃料氣均價(jià)4642元/t計(jì)算（不含稅），可節(jié)省燃料氣費(fèi)用500萬元/a以上。一年半的運(yùn)行時(shí)間即可收回全部投資。

1 《換熱器設(shè)計(jì)手冊》錢頌文主編.

2 《換熱器》蘭州石油機(jī)械研究所主編.

TE969

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1672-9323（2011）06-0078-02

2011-09-11)