蘆德龍

（上海運(yùn)曜熱能科技有限公司，上海 200030）

換熱器是能源、石化、醫(yī)藥等領(lǐng)域常用的傳熱設(shè)備，具有非常廣泛的應(yīng)用。換熱器因其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中介質(zhì)特點(diǎn)紛繁復(fù)雜，通常具有高溫差、高壓差、有毒有害、腐蝕性、物性復(fù)雜等特點(diǎn)，換熱器結(jié)垢、腐蝕是必然的。產(chǎn)生的污垢附在設(shè)備上，輕則影響換熱器的效率，重則會(huì)產(chǎn)生污垢腐蝕，減少換熱器的使用壽命。因此，換熱器的定期清洗檢維修是必要的運(yùn)維工作[1]。

纏繞管換熱器傳熱原理與常規(guī)管殼式換熱器一樣為管式間壁式換熱器，它與常規(guī)管殼式換熱器最大的不同即是換熱管為多層螺旋纏繞布置，且管束中心設(shè)置有中心圓筒用于順利繞制管束和保證管束剛性，其他殼體、管板、管箱等主要部件與常規(guī)管殼式換熱器類似[2]。相鄰兩層纏繞管之間用墊條隔開(kāi)，保證其間距，換熱管間的間隙構(gòu)成了殼程通道[3]，纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

隨著國(guó)內(nèi)裝備能力和材料應(yīng)用能力逐漸增強(qiáng)，纏繞管式換熱器在能源、石化、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域使用也越來(lái)越普遍。相比于其他類型的換熱器，纏繞管式換熱器具有高效緊湊、多股物流傳熱、大負(fù)荷運(yùn)行、高壓運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。由于相鄰纏繞層之間纏繞方向相反，這樣既增強(qiáng)了殼程流體的湍流程度，又與管內(nèi)不斷交叉換熱，增加了局部單元的傳熱溫差，提高了傳熱效率[4]。纏繞管式換熱器與固定管板管殼式換熱器類似，都是換熱管束兩端分別與管板固定焊接連接，它最大的缺點(diǎn)就是殼程清洗困難，因此該種結(jié)構(gòu)的換熱器通常用于殼程流體清潔、不易結(jié)垢的場(chǎng)合[5]，所以纏繞管式換熱器設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中都要充分考慮其防垢除垢防泄漏等問(wèn)題。圖2 為纏繞管式換熱器問(wèn)題照片。

圖2 螺旋纏繞管式換熱器問(wèn)題照片

據(jù)統(tǒng)計(jì)，纏繞管式換熱器主要問(wèn)題有堵塞，管束泄漏，管束穿孔等，造成這些問(wèn)題的原因有介質(zhì)雜質(zhì)、清洗不當(dāng)、制造質(zhì)量、間隙腐蝕等[6]。第217 頁(yè)表1是纏繞管式換熱器主要問(wèn)題、原因及比例。

表1 纏繞管式換熱器主要問(wèn)題、原因及比例

在以上這些問(wèn)題中，占比最高的問(wèn)題是由介質(zhì)雜質(zhì)引起的設(shè)備堵塞。例如在費(fèi)托合成工藝中，費(fèi)托合成產(chǎn)物進(jìn)入下游循環(huán)換熱分離器，在循環(huán)換熱分離器底部分離器取樣發(fā)現(xiàn)介質(zhì)夾帶催化劑問(wèn)題非常嚴(yán)重，催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)200×10-6～300×10-6，催化劑與反應(yīng)產(chǎn)物聚結(jié)形成堵塞[7]。

纏繞管式換熱器在C4 異構(gòu)工藝上大量的工程應(yīng)用實(shí)踐證明，纏繞管式換熱器在設(shè)備運(yùn)行可靠性、投資成本低、可操作性和管道配置等方面，具有很好的優(yōu)勢(shì)[8]。某C4 異構(gòu)化原料產(chǎn)物換熱器為纏繞管式換熱器，由于特殊原因，介質(zhì)雜質(zhì)滯留在換熱器內(nèi)部，導(dǎo)致?lián)Q熱大面積結(jié)垢甚至腐蝕，造成了嚴(yán)重的管殼程短路，嚴(yán)重影響換熱器使用壽命和整套裝置生產(chǎn)運(yùn)行。設(shè)備結(jié)垢堵塞腐蝕照片見(jiàn)圖3。介質(zhì)產(chǎn)生雜質(zhì)是整個(gè)系統(tǒng)工藝流程和介質(zhì)本身等復(fù)雜因素導(dǎo)致，本文從換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化角度著手，優(yōu)化現(xiàn)有換熱器結(jié)構(gòu)緩解換熱器堵塞乃至腐蝕問(wèn)題。

圖3 C4 異構(gòu)化纏繞管式換熱器結(jié)垢堵塞腐蝕照片

1 設(shè)計(jì)條件

現(xiàn)有C4 異構(gòu)化纏繞管換熱器，管側(cè)介質(zhì)為正丁烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)約40%、不含異丁烯的C4 原料，殼程側(cè)介質(zhì)為正丁烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)約20%、異丁烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)約17%的C4 異構(gòu)反應(yīng)產(chǎn)物。管殼側(cè)設(shè)計(jì)溫度均為540℃，設(shè)計(jì)壓力均為0.9 MPa，允許C4 原料側(cè)壓降0.1 MPa、C4 異構(gòu)反應(yīng)產(chǎn)物側(cè)0.03 MPa，主材為S32168 不銹鋼。該換熱器設(shè)計(jì)條件見(jiàn)表2。

表2 C4 異構(gòu)化纏繞管換熱器設(shè)計(jì)條件

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有C4 異構(gòu)化纏繞管換熱器主要由纏繞管束、殼體、管板、管箱、耳式支座等部件組成。管程上進(jìn)下出、殼程下進(jìn)上出：上管箱布置管程入口N1，下管箱布置管程出口N2，殼體下側(cè)布置殼程入口N3，殼體上側(cè)布置殼程出口N4，管殼程逆流布置。纏繞管束由多層逐層反向的相同規(guī)格換熱管螺旋繞制，纏繞角度相同，且換熱管間的徑向間距和軸向間距不變?，F(xiàn)有C4 異構(gòu)化纏繞管換熱器總體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 現(xiàn)有C4 異構(gòu)化纏繞管換熱器總體結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)垢堵塞原因分析

由于纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)特殊，無(wú)法進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部檢查返修，經(jīng)纏繞管換熱器相關(guān)設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用方面的專家分析，結(jié)垢堵塞原因有以下兩點(diǎn)：

1）現(xiàn)有C4 異構(gòu)化纏繞管式換熱器實(shí)際介質(zhì)清潔度與原設(shè)計(jì)存在差距。該設(shè)備換熱介質(zhì)為C4 原料和C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物，C4 原料潔凈度可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物可能因反應(yīng)副產(chǎn)物、催化劑等復(fù)雜因素影響，如果在流程及配管方面存在不合理現(xiàn)象，極有可能會(huì)將C4 異構(gòu)化反應(yīng)后產(chǎn)生的組分不清晰的副產(chǎn)物及催化劑等雜質(zhì)帶入該換熱器。

2）現(xiàn)有C4 異構(gòu)化纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有待優(yōu)化。經(jīng)筆者查閱該換熱器纏繞管束結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化影響換熱器結(jié)垢堵塞的幾個(gè)重要參數(shù)有介質(zhì)位置；換熱管參數(shù)；管間距（軸向/徑向）；介質(zhì)流速；壓降；換熱能力。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 介質(zhì)分配

現(xiàn)有參數(shù)：管程介質(zhì)C4 原料；殼程介質(zhì)C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物。

C4 原料潔凈度可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物可能因反應(yīng)副產(chǎn)物、催化劑等復(fù)雜因素影響，會(huì)存在組分不清晰的副產(chǎn)物及催化劑等雜質(zhì)，如果在流程及配管方面存在不合理現(xiàn)象，極有可能將產(chǎn)生的組分不清晰的副產(chǎn)物及催化劑等雜質(zhì)連同C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物一起帶入該換熱器。因纏繞管式換熱器殼程內(nèi)部結(jié)構(gòu)比管程結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，如果C4異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物走殼程，將很容易在殼程產(chǎn)生結(jié)垢，如果介質(zhì)流速不大，則結(jié)垢會(huì)很容易形成堵塞，甚至發(fā)生腐蝕。所以將介質(zhì)分配做出調(diào)整。

優(yōu)化后：管程介質(zhì)C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物，殼程介質(zhì)C4 原料。

4.2 換熱管參數(shù)

現(xiàn)有參數(shù)：外徑及壁厚OD14 mm×1.2 mm；換熱管總根數(shù)1 075 根；換熱管長(zhǎng)度25 500 mm。

因?qū)в须s質(zhì)的C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物分配走管程，所以需要放大換熱管直徑、減少換熱管數(shù)量、匹配實(shí)際換熱面積。

優(yōu)化后：外徑及壁厚OD16 mm×1 mm；換熱管總根數(shù)768 根；換熱管長(zhǎng)度28 000 mm。

4.3 管間距（徑向/軸向）

現(xiàn)有參數(shù)：徑向管間距17.5 mm；軸向管間距19 mm。

為增加殼程流通面積、降低殼程介質(zhì)壓降，須擴(kuò)大徑向及軸向管間距。

優(yōu)化后：徑向管間距20 mm；軸向管間距22 mm。

4.4 介質(zhì)流速

現(xiàn)有參數(shù)：C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物介質(zhì)流速7.9 m/s，C4 原料介質(zhì)流速9.0 m/s。

優(yōu)化后：

1）C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物分配在管程，該介質(zhì)流速ut按式（1）計(jì)算。

式中：ut為管程介質(zhì)流速，m/s；Gct為管程介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；ρ 為管程介質(zhì)密度，kg/m3；N 為換熱管總根數(shù)；di為換熱管內(nèi)徑，m。

計(jì)算得到管程介質(zhì)流速ut=22.3 m/s。

2）C4 原料分配在殼程，計(jì)算該介質(zhì)流速us需要計(jì)算殼程當(dāng)量直徑Deo和殼程有效流通截面積Areff。

殼程當(dāng)量直徑Deo 按式（2）計(jì)算。

式中：Deo為殼程當(dāng)量直徑，mm；la為纏繞管束長(zhǎng)度，mm；D 為設(shè)備內(nèi)徑，mm；Dc為換熱管束中心筒外徑，mm；N 為換熱管總根數(shù)；do為換熱管外徑，mm，l 為換熱管長(zhǎng)度，mm。

計(jì)算得到殼程當(dāng)量直徑Deo=19.6 mm。

殼程有效流通截面積Areff按式（3）計(jì)算。

式中：Areff為殼程有效流通截面積，m2；D 為設(shè)備內(nèi)徑，m；Dc為換熱管束中心筒外徑，m；reff為有效面積比，經(jīng)計(jì)算，reff=0.28。

計(jì)算得到殼程當(dāng)量直徑Areff=0.29 m2。

C4 原料介質(zhì)流速us按式（4）計(jì)算。

式中：us為殼程介質(zhì)流速，m/s；Ghs為殼程介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；ρ 為殼程介質(zhì)密度，kg/m3；Areff為殼程當(dāng)量直徑，m2。

計(jì)算得到C4 原料介質(zhì)流速us=3.1 m/s。

4.5 壓降

現(xiàn)有參數(shù)：C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物壓降0.02 MPa，C4 原料壓降0.01 MPa。

優(yōu)化后：

1）C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物壓降ΔPt按式（5）計(jì)算。

式中：ΔPt為管程壓降，kPa；ft為管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，ft=0.024；l 為換熱管長(zhǎng)度，mm；di為換熱管內(nèi)徑，m；Gct為管程介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；ρ 為管程介質(zhì)密度，kg/m3；g 為重力加速度，9.8 m/s2；ΔHt為管程高度，m。

計(jì)算得到管程壓降ΔPt=26.8 kPa=0.026 8 MPa。

2）C4 原料壓降ΔPs按式（6）計(jì)算.

式中：ΔPs為殼程壓降，kPa；Ci為管內(nèi)換熱管傾斜修正系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，Ci=0.92；Cn為管排修正系數(shù)，摩擦阻力系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，Cn=0.95；feff為換熱管布置修正系數(shù)，經(jīng)查閱文獻(xiàn)[5]，feff=2.5；ω 為殼程流體流動(dòng)方向管排數(shù)，經(jīng)計(jì)算，ω=246；ΔHs為殼程高度，m。

計(jì)算得到殼程壓降ΔPs=6.4 kPa=0.006 4 MPa。

4.6 換熱能力

4.6.1 實(shí)際換熱面積

現(xiàn)有參數(shù)：實(shí)際換熱面積1 111 m2。

為保證換熱能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的實(shí)際換熱面積不應(yīng)有太大變化。

優(yōu)化后：實(shí)際換熱面積A 按式（7）計(jì)算。

式中：A 為實(shí)際換熱面積，m2；N 為換熱管總根數(shù)；do為換熱管外徑，mm，l 為換熱管長(zhǎng)度，mm。

計(jì)算得到實(shí)際換熱面積A=1 042 m2，為現(xiàn)有實(shí)際換熱面積的94%。

4.6.2 傳熱系數(shù)

現(xiàn)有參數(shù)：傳熱系數(shù)180 W/（m2·K）。

優(yōu)化后：計(jì)算傳熱系數(shù)K 需要計(jì)算管程給熱系數(shù)αct和殼程給熱系數(shù)αhs。

管程給熱系數(shù)αct按式（8）計(jì)算[9]。

式中：αct為管程給熱系數(shù)，W/（m2·K）；di為換熱管內(nèi)徑，m；Dˉ為平均纏繞直徑，經(jīng)計(jì)算，Dˉ=0.762 5 m；Re為管程雷諾數(shù)，經(jīng)計(jì)算，Rect=51 000；Pr 為管程普朗特?cái)?shù)，經(jīng)計(jì)算，Prct=0.86；λct為管程介質(zhì)導(dǎo)熱率，W/（m·K）。

計(jì)算得到管程給熱系數(shù)αct=453.1 W/（m2·K）。

殼程給熱系數(shù)αhs按式（9）計(jì)算[9]。

式中：αhs為殼程給熱系數(shù)，W/（m2·K）；Fa為換熱管排列修正系數(shù)，經(jīng)查閱文獻(xiàn)[9]，F(xiàn)a=1.01；Fi為換熱管傾斜修正系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)i=0.97；Fn為換熱管排數(shù)修正系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)n=1；Rehs為殼程雷諾數(shù)，經(jīng)計(jì)算，Rehs=31 100；Pr 為殼程普朗特?cái)?shù)，經(jīng)計(jì)算，Prhs=0.84；λhs為殼程介質(zhì)導(dǎo)熱率，W/（m·K）。

計(jì)算得到殼程給熱系數(shù)αhs=339.2 W/（m2·K）。

傳熱系數(shù)K 按式（10）計(jì)算。

式中：α1為熱側(cè)給熱系數(shù)即管程給熱系數(shù)，α1=αct=453.1 W/（m2·K）；α2為冷側(cè)給熱系數(shù)即殼程給熱系數(shù)，α1=αhs=339.2 W/（m2·K）；R1為殼程污垢熱阻，（m2·K）/W；R2為管程污垢熱阻，（m2·K）/W；δ 為換熱管壁厚，m；λ 為換熱管導(dǎo)熱率，W/（m·K）；d1為換熱管內(nèi)徑，d1=di，m；d2為換熱管外徑，d2=do，m；dm為換熱管壁平均直徑，dm=（d1+d2）/2，m。

計(jì)算得到傳熱系數(shù)K=159.2 W/（m2·K）。

4.6.3 所需最小換熱面積

現(xiàn)有參數(shù)：所需最小換熱面積758 m2。

優(yōu)化后：所需最小換熱面積A′按式（11）計(jì)算。式中：A′為所需最小換熱面積，m2；Q 為換熱量，W；K 為傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；ΔT 為平均傳熱溫差，℃。

計(jì)算得到所需最小換熱面積A′=861 m2。

4.6.4 換熱裕量

現(xiàn)有參數(shù)：換熱裕量46%。

優(yōu)化后：換熱裕量η 按式（12）計(jì)算。

計(jì)算得到換熱裕量η=21%。

C4 異構(gòu)化原料產(chǎn)物纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化前、后比較見(jiàn)表3。

表3 C4 異構(gòu)化原料產(chǎn)物換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化前后比較

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后：

1）管程分配了易產(chǎn)生雜質(zhì)的C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物介質(zhì)。

2）在C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物允許壓降不高于0.03MPa的要求下，C4 異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)物流速?gòu)脑瓉?lái)的9.0 m/s提升到22.3 m/s。

3）換熱管軸向管間距由原來(lái)的19 mm 增加到22 mm；換熱管徑向管間距由原來(lái)的17.5 mm 增加到20 mm；C4 原料壓降減小至6.4 kPa。

4）最小換熱面積由原來(lái)的758 m2增加到861 m2；實(shí)際換熱面積由原來(lái)的1 111 m2減小到1 042 m2；傳熱系數(shù)由原來(lái)的180 W/（m2·K）減小到159 W/（m2·K）；所需最小換熱面積由原來(lái)的758 m2增加到861 m2；換熱裕量由原來(lái)的46%減小到21%。

雖然傳熱系數(shù)減小、所需最小換熱面積增加、實(shí)際換熱面積減小導(dǎo)致?lián)Q熱裕量減小，但設(shè)備尺寸及重量變化不大，且換熱能力依然可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均優(yōu)于現(xiàn)有參數(shù)，所以本文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案可行，對(duì)該C4 異構(gòu)化纏繞管式換熱器優(yōu)化改造有參考意義，且本文對(duì)繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，適用于同類型設(shè)備的常規(guī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)。