新型高效换热器在石油化工生产中的应用

周 锋

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川 750026）

0 引言

在石油、化工等领域中，换热器具有非常重要的应用，是应用最广泛的单元设备。相关研究显示，在现代石油化学工业之中，在换热器方面投入的资金占设备总投资的40%。换热器的效率和能源的消耗有着密切关系，从当前我国石油化工行业的实际情况来看，大部分企业应用的都是传统结构形式的换热设备，都存在传热效率低、流体阻力大的问题，增加了能耗，导致生产成本的增加。随着我国大型石油化工企业生产规模的不断扩大，原有的换热器已难以满足生产的需要，需要进行更新和改造。从节能降耗，提高企业经济效益的考虑，应用先进的高效换热器替换原有设备非常必要。

1 新型高效换热器

1.1 螺旋折流板换热器

螺旋折流板换热器是管壳式换热器的一种，该型换热器的开发企业是美国ABB 公司，基本原理：首先，该类型换热器的圆截面特制板安装在拟螺旋折流系统中，且每块折流板在换热器壳程中横剖面所占的比例为25%，其倾角设计为朝向换热器的轴线，倾角和换热器之间存在一定的倾斜度。再将相邻的折流板衔接起来，和外圆处成连续螺旋状。每块折流板都会和壳程流体的流动方向呈现出一定的角度，使壳程流体进行螺旋运动，这种方式能降低管板和壳体之间的死角，提升换热效率。研究显示，在气-水换热的情况下，应用螺旋折流板换热器能提高换热效率，在传递同样热量的情况下，换热器的传热面积能降低40%左右，减少材料的使用。此外，螺旋折流板换热器还具有以下优点：与弓形折流板相比，螺旋折流板不存在返混现象，也不存在卡门涡结，有效提升传热温差，而且不会出现流动诱导振动的问题；在流速一致的情况下，其壳程流动压降比较小；在低雷诺数的条件下，即当Re＜1000 时，传热效果更佳。

1.2 折流杆式换热器

折流杆式换热器由飞利浦公司研发，应用传统管壳式换热器时会出现天然气流动振动的问题，为解决这一问题该公司对管壳式换热器进行了改进，更换其中的折流板，应用杆式支撑结构，即折流杆式换热器。根据相关数据显示，折流杆式换热器不仅在防振方面具有非常好的性能，而且具有较高的传热系数。当前，折流杆式换热器在化工生产中主要应用于单项沸腾和冷凝等工况。为改进的性能，人们对折流杆式换热器进行了多次改进。其中，外导流筒折流杆换热器就是其中之一，通过这样的改进方式，管壳式换热器挡板导致的传热不活跃区得到最大程度的消除，使单位体积设备的传热效率得到提升。另外，人们还对折流杆换热器的支撑结构进行了改进，研制了直扁钢条支撑、波浪形扁钢支撑等结构，应用新的支撑结构，不仅促进了折流杆换热器有效换热面积的增大，还能有效抑制管子振动。

1.3 空心环管壳式换热器

空心环管壳式换热器是一种国内研发的新型换热器，由华南理工大学研发。所谓空心环是以较小直径的钢管截成短节后，将其在换热管管间的同一截面上进行均匀分布，使其以线性关系接触，用螺栓紧密固定管束，起到支撑管束的作用，同时促进流体的扰动。在实际的应用过程中，空心环支撑通常是和强化管组合应用，通过组合使其具备以下优点：首先，具有较低的壳程流阻，主要是由于空心环管壳式换热器在壳程轴向流道孔隙率可达80%，因此对纵向流体所产生的阻力非常小；另一方面，由于这种换热器的结构特点，能使粗糙型强化传热管的性能得到充分发挥，通过利用传热管的周向粗糙肋，有效提升纵向流体在传热界面上滞流层的湍流度，达到较高的传热膜系数。

1.4 纵流管束换热器

在管壳式换热器中，流体最适合的流动是纵向流动。传统的壳式换热器，弓形折流板支撑使流体做横向流动，将其改成纵向流动能降低滞留死区的面积，因此将其由横向流动转变成纵向流动成了研究的重点，近年来出现了其他结构的折流板，如矩形孔和梅花孔等，应用这些特殊结构，能使折流板不仅具有支撑管子的作用，同时还能消除管子结垢的情况。在这些研究的基础上，德国的GRIMMA 公司研发了一种新型的折流板换热器，即网状整圆形换热器，在换热性能上，这种换热器明显优于圆缺型折流板换热器。这类换热器结构的特点是通过在折流板上开横排管孔，并且利用4个管孔铣通管桥，在管桥处实现壳侧流体的纵向流动，消除了由于流体转折而形成的的滞留区，提高传热效率。此外，瑞典的研究人员应用针翅管，不仅实现了增大传热面的作用，而且还能使流体出现强烈的扰动，实现了传热的强化，同时压降又比较小，减少了支撑板材料的使用量，具有非常好的性能。

2 螺旋扭曲管换热器

螺旋扭曲管换热器是国内多家企业和研发机构联合研制的一种新型高效管壳式换热器，经过多年的研发和实验，最终完成螺旋扭曲管换热器和性能方面的研究。

2.1 螺旋扭曲管换热器机构特点

（1）螺旋扭曲管换热器传热管为扁平的螺旋形，其任一横截面都是扁圆或椭圆形。

（2）螺旋扭曲管和管板之间以圆形连接，将多个螺旋扭曲管并排放置，使其组成换热器管束，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，管间隙形成换热器壳侧的螺旋通道，螺旋管之间的间距可以调节，通过调节间距使换热器壳侧流体通道面积发生改变，在实际应用中可以根据用户的需求进行调整。

（3）螺旋扭曲管换热器在结构上取消了折流板这一设计，通过这样的设计有效的降低了制造成本。

（4）螺旋扭曲管换热器应用了螺旋扭曲管，因此其管间距较小，是一种紧凑型换热器。通过这样的设计，使相同直径下，螺旋扭曲管换热器的管束可以放置更多的换热管，比普通换热器换热面积更大。

（5）防振效果良好。螺旋扭曲管换热器使用的螺旋扭曲管能起到相互支撑的作用，这种方式能抵消掉换热管的振动，使换热器的运行更安全，进而提升其使用寿命。

2.2 螺旋扭曲管换热器强化传热机理

换热过程实际就是管内外两种流体的能量交换，高温流体通过管壁将热量传递给温度较低的流体，影响流体和管壁之间热量传递的最主要因素是流体的流动状态。流体在管内流动时在管壁附近流速会有所下降，并且形成流动的边界层，边界层沿着流动的方向不断的变厚，贴近管壁的是层流边界层，而后是湍流边界层，贴近管壁附近的流体处于层流状态，湍流边界层的流体则处于湍流状态，二者之间为缓冲区，这两个边界层之间存在着对流传热。在湍流中心区域，流体在流动过程中质点的状态为强烈对流，这时其传热能力最强，这也是热量传递的最主要区域。而层流内的流体是通过传导的方式完成热量传递，传热能力远低于湍流区。由此，为提高传热效率，应提高流体的湍流程度，并且降低层流层厚度，以便降低传热阻力。

螺旋扭曲管换热器采用的螺旋扭曲管内侧是扁平的螺旋通道，当流体在管内流动时，受到这一结构的影响而进行连续的螺旋运动，使流体产生比较强烈的湍流，扩大湍流的区域；同时由于激烈的螺旋运行，流体会对管壁进行连续冲刷，这样能最大程度降低层流层的厚度，强化管内的传热效率。此外，还可以将圆管做成扁管或者是椭圆管，通过改变传热管的形状降低其传热的当量直径，提高对流传热系数，强化传热效率。由于流体的螺旋运动，加大了对于管内外壁的冲刷，使杂质等更加难以附着在管壁上，保证了管壁清洁，减小污垢热阻，保证传热效率。

3 螺旋扭曲管换热器在连续重整装置中的应用

连续重整装置是炼油生产的重要装置，由于重整反应是强吸热反应，需要加热保证反应的进行，需要消耗大量的能量，为降低能耗，对其工艺进行优化。应用螺旋扭曲管换热器能提高传热效率，降低能耗。

根据螺旋扭曲管换热器的特点，可以将其应用在重整再接触预冷器和重整脱戊烷塔进料/塔底产物换热器2 个位置。装置的工艺流程如图1 所示。

图1 重整再接触预冷器和重整脱戊烷塔进料/塔底产物换热器工艺流程

从图1 可以看出，在重整再接触预冷器壳程压降越小，重整氢增压机更节能，而管程介质是从操作压力高的二级再接触罐经过换热后被传送到操作压力低的一级再接触罐，因此工艺对管程的压降要求比较低。而对于重整脱戊烷塔进料/塔底产物换热器而言，该换热器的壳程压降越小，越有利于工艺操作，而且由于管程介质也是从压力较高的脱戊烷塔传送到压力较低的下游装置，因此其对压降的要求也不高。从这2 个位置的特点来看，应用螺旋扭曲管换热器能充分发挥出其特点，并且降低能耗。实验研究表明，在重整再接触预冷器、重整脱戊烷塔进料/塔底产物换热器应用螺旋扭曲管换热器，分别能传热效率增加52%和23%，起到良好的节能效果。