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換熱器尺寸過大的隱患

文檔作者：郭楊文檔來源：中海石油煉化有限責任公司惠州煉化二期項目組		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年08月13日
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■■●● 年 ≯ sc- TjECHNOLO GiY j~ ， ：i
DOI：10．3969／j．issn．1001-8972．2011．1．027
換熱器尺寸過大的隱患
郭楊中海石油煉化有限責任公司惠州煉化二期項目組，廣東惠州51 6086
transfer effectively，and ensure heat exchanger
run reliably．
隳簿 謄蕊蕊
heat excbanger；heat tra~sfeP aPea；velocity of
flow potential hazard
換熱器是在具有不同溫度的兩種流體
之間傳遞熱量的設(shè)備。在煉油、化工等工
業(yè)生產(chǎn)中，為使工藝介質(zhì)溫度達到工藝流
程規(guī)定的指標，通常利用工藝介質(zhì)問溫度
的差異進行換熱，這樣既減少燃料消耗，
又充分利用了能源，有利于降低工廠能
耗，因此，換熱器被廣泛采用。在化工廠
中，換熱器的投資約占總投資的10～20％
在煉油廠中，約占總投資的35～40％I I，
可見換熱器是化工生產(chǎn)的重要操作單元之
選擇合適型號的換熱器是安全生產(chǎn)的
重要保障，在換熱器的設(shè)計中，一般在最
后確定傳換面積時，都加一定的富裕量進
行修正，因為有兩個因素需要考慮：一是
換熱器運行一段時間后，不可避免地會
結(jié)垢，導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降；二是選型設(shè)
計工況和實際運行工況有差距，但是換
熱器的傳熱面積不是越大越好。
1應(yīng)用案例
1．1案例描述
某煉油廠二甲苯塔頂冷凝器，型號
為BJS800-1．6-l70-6／25-1I，管程介
質(zhì)是循環(huán)水，循環(huán)水上水壓力0．4MPa
(絕壓)，溫度30℃，回水壓力0．35MPa
76一
(絕壓)，溫度4 0℃，該冷凝器循環(huán)水
上水管線管徑為DN l 50；殼程介質(zhì)是二
甲苯，冷凝器入口壓力0．1 2MPa (絕
壓)，溫度146~C，工藝要求將二甲苯冷卻
至43~C，一部分作為回流返回塔頂，一部
分作為產(chǎn)品送出裝置。該冷凝器在實際運
行中，二甲苯冷后溫度超標，造成二甲苯
塔頂溫度難以控制，影響二甲苯的產(chǎn)品
質(zhì)量，該冷凝器表現(xiàn)為冷卻能力不足，
需要增大冷凝器尺寸。
1．2原因分析
1．2．1核算循環(huán)水量
根據(jù)熱量衡算式核算循環(huán)水用量
Q=W．，．【r+C (TS—T，)】=W ·
C (t2 t1)
式中：Q一換熱器的熱負荷，kJ／h
W 流體的質(zhì)量流量，kg／h
C 流體的平均比熱容，kJ／(kg‘
T一熱流體的溫度，℃
t一冷流體的溫度， ℃
T 冷凝液的飽和溫度， ℃
r一冷凝熱，kJ／kg
下標h、c表示熱流體和冷流體，下標
1、2分別表示換熱器的進口和出口。
經(jīng)計算所需循環(huán)水量為248．9t／h，而
DN 1 50的管線提供的最大循環(huán)水量約1 90
t／h，滿足不了該臺冷凝器的需要。
1．2．2核算冷凝器
筆者對該臺冷凝器的運行狀態(tài)進行了
核算，發(fā)現(xiàn)該臺冷凝器的傳熱面積不是
過小而是過大， 由于冷凝器的尺寸過
大，使殼程流速過低，只有0．03m／S，
導(dǎo)致冷凝器的傳熱系數(shù)較低，影響冷凝
效果。
沒有經(jīng)驗的設(shè)計人員認為流速低可以
用增加傳熱面積的辦法來補償， 其理論
依據(jù)是：
Q K X A ×△ T
式中，Q一換熱器的熱負荷，kJ／h
K一傳熱系數(shù)，k J／Ill 2·h ·℃
A 換熱器的傳熱面積，m
△T 一換熱器的對數(shù)平均溫差，℃
這種觀點是非常錯誤的， 低流速會
導(dǎo)致傳熱系數(shù)低，對于黏度大的流體如渣
油，甚至?xí)斐啥氯灾聸]有一點傳 此外，在選擇流速時，還必須考慮
熱表面能補償傳熱系數(shù)的降低。 結(jié)構(gòu)上的要求。為了避免設(shè)備的嚴重磨
1．3技改措施 損，所計算出的流速不應(yīng)超過最大允許
經(jīng)過核算，選用二臺BJS500的冷凝器 的經(jīng)驗流速。一般流體在換熱器中的流
串聯(lián)即可滿足要求；為保證循環(huán)水用量， 速可參考表2、3 。
兩臺冷凝器的管程循環(huán)水管線采用并聯(lián)方 下面重點論述在進行換熱器設(shè)計時如
式，分別從裝置的循環(huán)水總線引出。改造 何提高管殼程流速的方法。
前后冷凝器的計算結(jié)果對比見表l。 2。l怎樣設(shè)計高管程流速
運行效果：兩臺冷凝器投入運行后， 管程流速等于通過管程流體的流量除
效果良好，二甲苯冷后溫度可以降到40 以總管子根數(shù)。為保證換熱器的傳熱效
℃。 果，我們總是希望流體處于湍流狀態(tài)，在
2 換熱器管殼程流速設(shè)計 湍流狀態(tài)下，管程的傳熱系數(shù)、壓降與管
流速是換熱器設(shè)計的重要變量，采f程流速的關(guān)系如下：
用較高的流速有兩個好處：一是提高總 V ， △P叫 V L)
傳熱系數(shù)，從而減少傳熱面積；二是減 式中，0【為管程傳熱系數(shù)，V為管程
少在管子表面生成污垢的可能性。但是 流速，A P為管程壓降，L為管程流體流過
也相應(yīng)地增加了阻力和動力消耗，所以 陰長度。
需要進行經(jīng)濟比較才能最后確定適宜的流 當改變換熱器的連接方式， 由并聯(lián)
速。一般針對傳熱阻力大的一側(cè)來提高 改為串聯(lián)時，可以使管程的流速增加一
流速，可以顯著提高傳熱系數(shù)。 倍， 同時管程的壓降也變成原來的八
表1 冷凝器改造前后計算結(jié)果對比
改造前 改造后
型號 BJS800—1．6—1 70 6／25一II BJS500—1．6—55—6／25 I1
數(shù)最， 臺 1 2臺串聯(lián)
． 800 500
管子排列方式 JE方形旋轉(zhuǎn)45。 正方形旋轉(zhuǎn)45。
換熱管規(guī)格，Iilm 25×2．5 025×2．5
管間 ．，mm 32 ：j2
折流板間距，m邢 300 l00
面積．m 170 ll0
流速．m·S
殼程 0．03 0．77
曹靶 i 2 2．39／1．36 。
降．KPa
殼程 0．6 9．5
’ 攫 1- 43／17 ”
總傳熱系數(shù)，wⅦ ·K 296 358．5
面積富裕蹬．％ 40．7 32．3
注： ① 管程循環(huán)水并聯(lián)
表2 水在管內(nèi)的流速表
流體種類 般液體 易結(jié)垢液體 氣體
誨 ， 0．5～ 3．0 >l 5～30
流速，m／s
殼程 O．2～ 1．5 )0．5 3～15
表3 常用流體流速范圍
10
2
4
圖l 四管程浮頭式換熱器
Fig．1 Four tube passes float ing heat exchanger
1一管程入門；2-管程出門；3一殼程出l=_I：4一殼程入口；5一管箱
6一穰分配擋板；7-浮頭：8一頭益：9一糯分配擋板：lO一管扳：I】一折流擋板
類別 管材 最低流速，m／s 最高流速，m／s 適宜流速，m／s
循環(huán)水(處理的) 鋼臀 O．6～0．9 3．7
河水(干凈的) 鋼管 O．6～O．9 3．7 1．8～2．4
凝結(jié)水 鋼管 O．6～O．9 3．O
8
7
、
6 ，
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倍。壓降增加至八倍的原因是由于流動
的距離和流速都增大了一倍。
改變管程流速的另一個方法是改變管
程數(shù)。圖l表示出單臺換熱器怎樣由兩管
程改為四管程的辦法，管程數(shù)增加后，
管程的流速增大一倍，當然也使壓降增
大八倍。
綜上所述，在選擇換熱器管程流速
時，應(yīng)兼顧傳熱與流體壓降兩方面的因
素。
2．2怎樣設(shè)計高殼程流速
殼程流體流動要比管程復(fù)雜得多，
這是因為殼程的設(shè)計參數(shù)包括：
(1)殼體類型：TEM A 定義了E、
F、G 、H 、J、K 、X 等7種類型。
(2)換熱管規(guī)格和管間距：換熱管
直徑越小，換熱器單位容積的傳換熱面積
越大，因此對于潔凈的流體管徑可取得小
些；但對于不潔凈或易結(jié)垢的流體，管徑
應(yīng)取得大些，以免堵塞。El前我國實行的
換熱器系列標準規(guī)定采用中25×2．5mm
的管子，管心距為32ram和中19 X 2ram
的管子，管心距為25mm兩種規(guī)格．對一
般流體都是適用的I 。
(3)管子排列方式：有正三角形30。、
正三角形旋轉(zhuǎn)60。、正方形90。和正方形
旋轉(zhuǎn)45。四種。與正方形相比，正三角形
排列比較緊湊，管外流體湍流程度高，傳
熱系數(shù)大；正方形排列雖然比較松散，傳
熱系數(shù)也較差，但管外清洗方便，對易
結(jié)垢流體更為適用。如將正方形排列的
管束旋轉(zhuǎn)45。安裝，可在一定程度上提
高傳熱系數(shù)。在煉油、化工工業(yè)中，最
常用的是正三角形3O。和正方形旋轉(zhuǎn)45
(4)折流板類型：有單弓，雙弓，三
弓和折流桿，單弓最常用。
(5)折流板間距：折流板間距是殼
程設(shè)計最重要的參數(shù)， 只要調(diào)整好折流
板間距，就可得到任意的流速。但是，
折流板間距不能太大，太大不能保證流
體垂直流過管束，使管外傳熱系數(shù)下
降；折流板間距也不能太小，太小不便
于制造和檢修，阻力損失也大。一般最
佳間距尺寸在殼徑的0．3～0．d倍之間 ，
在換熱器設(shè)計中，可根據(jù)《浮頭式換熱
器和冷凝器小型式與參數(shù)》JB／T 4714
92、JB／T 4715-92系列標準中采用的折
流板間距試算，以流速合適時的間距為
最佳方案。
(6)折流板切缺率：在我國現(xiàn)行的
年第t期 CHfNA SCi￡NCE AND n-C卜 of OGY fNFORMATION Jan 201，
換熱器系列標準中，圓缺形的折流板被
廣泛采用，對這種型式的折流板而言，
弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況影
響很大。弓形缺口太大或太小都會產(chǎn)生
“死區(qū)”，既不利于傳熱，又增加流體
阻力。一般折流板的切缺率為殼徑的1 0
％ ～40％，最常用的是20％和25％兩種
【3 I
。
3結(jié)論
流速是換熱器設(shè)計的重要變量，在
進行換熱器設(shè)計時，要密切關(guān)注管殼程
流體流速是否在適宜的流速范圍內(nèi)，超
出范圍外的流速，工藝設(shè)計師應(yīng)持懷疑
的態(tài)度，在壓力降允許的范圍內(nèi)盡量保
持高流速，以提高傳熱系數(shù)，確保換熱
器運行可靠。
參蔫}： [獻 ” L 0_蔓 》 ：¨¨j
? 董其伍．石油化工設(shè)備設(shè)計選用手冊
一換熱器[M]．北京．化學(xué)工業(yè)出版社．
2OO8
[2】劉巍．冷換設(shè)備工藝計算手冊(第二
版)[M]．北京中國石化出版社．2O08
[5】陳敏恒，叢德滋，方圖南， 等． 化
工原理【M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2：006
[4】李漢．優(yōu)化設(shè)計管殼式換熱器[J]．化工
設(shè)計．2 0 0 5，1 5 (4)：1 5—1 8
獺麟 簿 ：蔫 簿磷勰 潞-
郭楊《1 9 6 7一)．女，工程師．遼寧撫
順人．1 990年畢業(yè)于撫順石油學(xué)院石油加工
專業(yè)． 目前從事煉油裝置設(shè)計與技術(shù)管理工
作。
78

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