周 鋒
(中國石油寧夏石化公司,寧夏銀川 750026)
在石油、化工等領(lǐng)域中,換熱器具有非常重要的應(yīng)用,是應(yīng)用最廣泛的單元設(shè)備。相關(guān)研究顯示,在現(xiàn)代石油化學工業(yè)之中,在換熱器方面投入的資金占設(shè)備總投資的40%。換熱器的效率和能源的消耗有著密切關(guān)系,從當前我國石油化工行業(yè)的實際情況來看,大部分企業(yè)應(yīng)用的都是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的換熱設(shè)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(chǎn)成本的增加。隨著我國大型石油化工企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大,原有的換熱器已難以滿足生產(chǎn)的需要,需要進行更新和改造。從節(jié)能降耗,提高企業(yè)經(jīng)濟效益的考慮,應(yīng)用先進的高效換熱器替換原有設(shè)備非常必要。
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(fā)企業(yè)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(tǒng)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(shè)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(xù)螺旋狀。每塊折流板都會和殼程流體的流動方向呈現(xiàn)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(yīng)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(yōu)點:與弓形折流板相比,螺旋折流板不存在返混現(xiàn)象,也不存在卡門渦結(jié),有效提升傳熱溫差,而且不會出現(xiàn)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?。辉诘屠字Z數(shù)的條件下,即當Re<1000 時,傳熱效果更佳。
折流桿式換熱器由飛利浦公司研發(fā),應(yīng)用傳統(tǒng)管殼式換熱器時會出現(xiàn)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(yīng)用桿式支撐結(jié)構(gòu),即折流桿式換熱器。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)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(shù)。當前,折流桿式換熱器在化工生產(chǎn)中主要應(yīng)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(qū)得到最大程度的消除,使單位體積設(shè)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(jié)構(gòu)進行了改進,研制了直扁鋼條支撐、波浪形扁鋼支撐等結(jié)構(gòu),應(yīng)用新的支撐結(jié)構(gòu),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。
空心環(huán)管殼式換熱器是一種國內(nèi)研發(fā)的新型換熱器,由華南理工大學研發(fā)。所謂空心環(huán)是以較小直徑的鋼管截成短節(jié)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(guān)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(yīng)用過程中,空心環(huán)支撐通常是和強化管組合應(yīng)用,通過組合使其具備以下優(yōu)點:首先,具有較低的殼程流阻,主要是由于空心環(huán)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(chǎn)生的阻力非常小;另一方面,由于這種換熱器的結(jié)構(gòu)特點,能使粗糙型強化傳熱管的性能得到充分發(fā)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(shù)。
在管殼式換熱器中,流體最適合的流動是縱向流動。傳統(tǒng)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(qū)的面積,因此將其由橫向流動轉(zhuǎn)變成縱向流動成了研究的重點,近年來出現(xiàn)了其他結(jié)構(gòu)的折流板,如矩形孔和梅花孔等,應(yīng)用這些特殊結(jié)構(gòu),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(jié)垢的情況。在這些研究的基礎(chǔ)上,德國的GRIMMA 公司研發(fā)了一種新型的折流板換熱器,即網(wǎng)狀整圓形換熱器,在換熱性能上,這種換熱器明顯優(yōu)于圓缺型折流板換熱器。這類換熱器結(jié)構(gòu)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(xiàn)殼側(cè)流體的縱向流動,消除了由于流體轉(zhuǎn)折而形成的的滯留區(qū),提高傳熱效率。此外,瑞典的研究人員應(yīng)用針翅管,不僅實現(xiàn)了增大傳熱面的作用,而且還能使流體出現(xiàn)強烈的擾動,實現(xiàn)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。
螺旋扭曲管換熱器是國內(nèi)多家企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)聯(lián)合研制的一種新型高效管殼式換熱器,經(jīng)過多年的研發(fā)和實驗,最終完成螺旋扭曲管換熱器和性能方面的研究。
(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(cè)的螺旋通道,螺旋管之間的間距可以調(diào)節(jié),通過調(diào)節(jié)間距使換熱器殼側(cè)流體通道面積發(fā)生改變,在實際應(yīng)用中可以根據(jù)用戶的需求進行調(diào)整。
(3)螺旋扭曲管換熱器在結(jié)構(gòu)上取消了折流板這一設(shè)計,通過這樣的設(shè)計有效的降低了制造成本。
(4)螺旋扭曲管換熱器應(yīng)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(shè)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。
換熱過程實際就是管內(nèi)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(tài)。流體在管內(nèi)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(tài),湍流邊界層的流體則處于湍流狀態(tài),二者之間為緩沖區(qū),這兩個邊界層之間存在著對流傳熱。在湍流中心區(qū)域,流體在流動過程中質(zhì)點的狀態(tài)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(qū)域。而層流內(nèi)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(qū)。由此,為提高傳熱效率,應(yīng)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(nèi)側(cè)是扁平的螺旋通道,當流體在管內(nèi)流動時,受到這一結(jié)構(gòu)的影響而進行連續(xù)的螺旋運動,使流體產(chǎn)生比較強烈的湍流,擴大湍流的區(qū)域;同時由于激烈的螺旋運行,流體會對管壁進行連續(xù)沖刷,這樣能最大程度降低層流層的厚度,強化管內(nèi)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(shù),強化傳熱效率。由于流體的螺旋運動,加大了對于管內(nèi)外壁的沖刷,使雜質(zhì)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。
連續(xù)重整裝置是煉油生產(chǎn)的重要裝置,由于重整反應(yīng)是強吸熱反應(yīng),需要加熱保證反應(yīng)的進行,需要消耗大量的能量,為降低能耗,對其工藝進行優(yōu)化。應(yīng)用螺旋扭曲管換熱器能提高傳熱效率,降低能耗。
根據(jù)螺旋扭曲管換熱器的特點,可以將其應(yīng)用在重整再接觸預(yù)冷器和重整脫戊烷塔進料/塔底產(chǎn)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(yù)冷器和重整脫戊烷塔進料/塔底產(chǎn)物換熱器工藝流程
從圖1 可以看出,在重整再接觸預(yù)冷器殼程壓降越小,重整氫增壓機更節(jié)能,而管程介質(zhì)是從操作壓力高的二級再接觸罐經(jīng)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(chǎn)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(zhì)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(yīng)用螺旋扭曲管換熱器能充分發(fā)揮出其特點,并且降低能耗。實驗研究表明,在重整再接觸預(yù)冷器、重整脫戊烷塔進料/塔底產(chǎn)物換熱器應(yīng)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(jié)能效果。