制氢装置常用的冷热换热设备的类型及作用

1、制氢装置常用的冷热换热设备的类型及作用11 冷热换热设备概况冷换设备是石油化工生产中使用很能广泛的设备， 它在石油化工 生产中的投资约占 20%，其钢材用量约占 40%。制氢装置的冷换设主要有：（1）转化气蒸汽发生器 （余热锅炉），利用转化炉下集合管出口的高 温转化气来产生蒸汽；（2）锅炉给水预热器：利用要用于中、低变汽的冷却及锅炉水、汽 的加热；（3）低压蒸汽发生器及除氧用蒸汽发生器，即利用低变气的热量来产生低压蒸汽；（4）用于用于提高粗氢温度和降低工业氢温度的冷换设备，如工业氢 /粗氢换热器、中变气 /粗氢换热器、工业氢空冷器和水冷器等；（5）降低贫液液温度的冷换设备及再生塔底重沸器等 ；

2、（6）开工用加热器及冷却器，压缩机级间冷却器等。12 常用冷换设备的类型冷换设备的种类繁多，可分为两大类。其换热面为管状者，称为 管式换热器；换热面为板状者，称为板式换热器。前者常用的有列管 换热器，蛇管换热器，套管换热器、翅片管式换热器等。后者常用的 有平板和螺旋板式换热器等。 制氢装置换热器的主要形式是列管式换 热器1. 2. 1列管式换热器列管式换热器又名管壳式换热器，常用的主要有以下几种类型。(1) 固定管板式换热器这种换热器主要由壳体，管束，管板，封头，折流挡板等部件组 成。管束两端用胀接法或焊接法固定在管板上。图9-2 具有补偿圈的固定管板式换热器1折流板；2补偿圈；3放气口图9-

3、2为单壳程/四管程固定管板式换热器。 这是为了提高管程 的流体流速，而采用的多管程。即在两端封头内安装隔板，使管子分 成若干组，流体依次通过每组管子，往返多次。管程数增多，可提高 管内流速和对流传热系数，但流体的机械能损失相应增大，结构复杂, 故管程数不宜太多，以2、4、6程较为常见。同样，为提高壳程流体 流速，以提高对流传热系数，可在壳程内安装折流板，常用的有圆缺 形和圆盘型两种。换热器因管内、外的流体温度不同，壳体和管束的温度不同及其 热膨胀程度也不同。若两者温度相差较大(50C以上)，可引起很大 的内应力，使设备变形，管子弯曲，甚至从管板上松脱。因此，必须 采取消除或减少热应力的措施，称

4、为热补偿。对固定管板式换热器， 当温差稍大，而壳体内压力又不太高时，可在壳体上安装热补偿圈（或 称膨胀节，见图9-2）以减少热应力。当温差较大时，通常采用浮头 或U型管式换热器。（2）浮头式换热器图9-3浮头式换热器1浮头；2浮动管板这种换热器有一端管板不与壳体相连，可沿轴向自由伸缩，如图9-3所示。这种结构不但可以消除热应力，而且在清洗和检修时，整 个管束可以从壳体中抽出。因此，尽管其结构较复杂，造价较高，但 应用仍较普遍。（3）U型管式换热器图9-4 U型管换热器图9-4所示为一 U型管式换热器，每根管子都弯成 U形，两端 固定在同一块管板上，因此，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补 偿问

5、题。这种结构较简单，质量轻，适用于高温高压条件。1. 2. 2其它形式的冷换设备（1）空冷式换热器流体入口管棗图9-5鼓风式空冷器空冷式换热器（简称空冷器）是由翅片管束、风机和构架组成，如图9-5所示。这是一种用空气来冷却管内工艺流体的换热器。翅片 管束的管材本身多采用碳钢管，但翅片多为铝制。翅片可用缠绕、镶 嵌或焊接等方法固定在管材上。热流体由物料管线流入各管束中， 冷却后汇集于排出管排出。冷 空气由轴流式通风机吹入，通风机装在管束下方称为鼓风式空冷器； 通风机装在管束上方称为引风式空冷器。（2）热管式换热器图9-6 吸液芯热管图热管是一种新型换热元件，如图 9-6 所示。它是一根抽去不凝气

6、 体的密闭金属管，管子的内表面覆盖一层有毛细结构材料作成的芯 网，其中间是空的。管内还装有一定量的可凝液体（即载热介质） ， 由于毛细力作用，液体可渗透到芯网中去。当管子的热端（蒸发器） 被加热时， 液体即在芯网中吸收热量汽化， 所产生的蒸汽流向管子的 冷端（冷凝器）时，蒸气遇到冷表面则冷凝成液体放出热量，而后在 毛细力的作用下重新返回热端， 从而反复循环， 连续不断地将热端的 热量传送到冷端。 由于蒸发和冷凝都是有相变的对流传热过程对流传 热系数很大， 很小的表面积便可传递大量热量。 故可利用热管的外表 面（一般加翅片强化传热）进行两流体间的换热。热管的材质可用不锈钢、铜、镍、铝等，载热介质

7、可用液氮、液氨、甲醇、水及液态金属钾、钠、银等。温度在-2002000C之间都可应用。 多条热管组合在一起即成为一台热管式换热器， 热管式换热 器在石油化工装置中应用广泛， 常见的是利用加热炉高温烟气来加热 助燃空气的空气预热器，即热管式空气预热器。13 强化传热途径所谓强化转热， 就是采取措施提高单位面积的传热量Q/A ，或减少单位热负荷所需的传热面积 A/Q,并改进换热器的结构以增大单位 体积的传热面积A/V,或在Q/A 一定的条件下，减少两流体之间的温 度差 tm，以减少有效能损失。为了提高Q/A或减少A/V,需要增大 tm,或更需要增大总传热 系数K。为了减少厶tm，以降低有效能损失，

8、应增大K值。为了增大A/V ，需要提高 K 值的同时，改进传热元件的结构下面分析讨论增大平均温度差厶tm、单位体积的传热面积AN及 总传热系数 K 的措施。1. 3. 1增大传热平均温度 tm tm 的增大，可以通过提高热流体温度或降低冷流体温度来实 现。但工艺流体的温度是由生产工艺条件决定，一般不能随意变动。 若采取冷却或加热介质，可根据提高 tm的需要，选择合适的介质。 应注意的是， tm增大，会使有效能损失增大。因此，以增大厶tm来 强化传热是有一定限度的。当两侧流体为变温度传热时， 从结构上尽可能保证逆流或接近逆 流操作。因为逆流操作与并流相比，不仅 tm较大，而且有效能损失 也较小。

9、1. 3. 2增大单位体积的传热面积 A/V增大传热面积是强化传热的有效途径之一， 但不能靠增大换热器 体积来实现。 有些装置上的换热器设备要求轻巧紧凑， 这应与提高传 热系数相结合， 改进传热面结构， 扩展传热面， 提高单位的传热面积， 工业上已经使用的各种新型高效强化传热面，不仅扩展了传热面积， 而且增强了传热面附近流体的湍动程度。 最常见的扩展表面是在管外 表面加装翅片的翅片管，用于对流传热系数a较小的气体一侧的传热 面。此外，还有伯文冠、 螺纹槽管等各种高效强化传热管， 如图所示。 用于板翅式换热器的各种翅片结构如图所示。1 . 3. 3 增大总传热系数 K强化传热的最有效途径是增大总

10、传热系数。要想增大 K 值，就 必须减少金属壁污垢及两侧流体等热阻中较大者的热阻。 当金属壁很 薄，其导热系数较大，且壁面无污垢时，则减少两侧流体的对流热阻 就成为强化热阻的主要方面。若两侧流体的对流传热系数a相差较大 时，增大较小的a至，对提高 K值、增强传热最有效。一般无相变流体的a值较小，提高其值得措施有：（1）增大流体流速增大流速U可增大流体湍动程度，减少层流底层厚度，提高a效 果显著。例如列管式换热器，管程流体湍流a*u0.8，层流a* u1/3,壳程流体a* u0.55。为了增大管程和壳程流速，可分别增加管程输和 壳内的挡板数。流速的增大，也会使流体通过换热器的压力降p增大，湍流时厶p* u0.8，层流时厶p* u1.0。因此，U的增大受到一定限 制。（2）管内插入旋流元件属于这些远见的有金属螺旋圈、麻花铁、纽带 （见图）等，它们 能增大壁面附近流体的扰动程度，减少层流底层厚度，增大a值。这