热交换器-工艺设计原理

热交换器-工艺设计原理第一页，共64页。工艺设计基础实用强化传热技术空气冷却器内容概要第二页，共64页。工艺设计基础工艺设计基础第三页，共64页。

前言管壳式热交换器适用于冷却、冷凝、加热、蒸发和余热回收等，具有结构简单、操作弹性大、可靠度高、技术成熟等优点，但其传热效率不如紧凑式热交换器高。管壳式热交换器的设计，要考虑的因素很多，如：介质性质、操作压力、操作温度、选用设备材料的性质等。第四页，共64页。基本概念

能量平衡方程热交换器中发生的热量传递和变化，符合热力学第一定律。其能量平衡方程

总传热速率方程：以换热管外表面积为基准的总传热系数K。

第五页，共64页。基本概念流体定性温度：粗算热交换器时，用于确定物性数据的温度点。当流体处于过渡及湍流区（Re＞2100时）：

当流体处于层流区（Re≤2100时）：对数平均温差：用于表达总传热速率方程的平均温度差，其值等于热交换器两端处温度差的对数平均值。第六页，共64页。基本概念当量直径：定义为4倍管际空间的面积除以管子的润湿周边当管子呈正方形排列时：当管子呈正三角形排列时：总传热系数：表示一台热交换器的传热能力，等于各项热阻和的倒数。垢阻：垢阻是考虑沉淀和传热材料表面腐蚀引起的附加热阻。热阻大小取决于介质类型、温度条件、流动速度、壁面材料和清洗周期

第七页，共64页。常用准数努塞尔特准数：表示对流传热系数的准数雷诺准数Re：确定流动状态的准数。普兰特准数：表示物性影响的准数。格拉斯霍夫准数：表示自然对流影响的准数。

第八页，共64页。基本概念所谓强化传热，就是指提高换热器的传热速率Q。传热基本方程式为：

从传热基本方程式中可以看出，提高传热系数、增大传热面积或提高平均温度差，均可提高传热速率。因此，学术研究、工业设计和生产实践都从这三方面考虑强化措施。第九页，共64页。基本概念强化传热手段之一

——增加传热面积S提高单位体积内的传热面积紧凑式换热器：板式二次扩展传热面积：翅片第十页，共64页。基本概念强化传热手段之二

——提高流体有效平均温差关键：温差校正系数第十一页，共64页。基本概念强化传热手段之三

——提高总传热系数途径：提高膜传热系数降低污垢热阻第十二页，共64页。工艺设计基础-管壳式换热器-无相变传热管内外膜传热系数的通用表达式均可表达为：

Kern公式：第十三页，共64页。工艺设计基础-管壳式换热器-冷凝传热热阻分配法：将冷凝传热分为冷凝液膜传热和汽相传热两部分分别计算，再组合而成冷凝侧的综合传热系数

管程汽相显热传热系数一般按通用公式计算：

壳程采用单弓形折流板时，计算方法同上。第十四页，共64页。工艺设计基础-管壳式换热器-冷凝传热冷凝液膜传热系数的计算随其所在位置不同而不同

水平管内冷凝液膜传热系数

剪力控制区重力控制区过渡区第十五页，共64页。工艺设计基础-管壳式换热器-冷凝传热冷凝液膜传热系数的计算随其所在位置不同而不同

水平管外冷凝液膜传热系数

过渡区：分别计算重力控制下的冷凝液膜传热系数和剪力控制下的冷凝液膜传热系数，获得过渡区冷凝液膜传热系数

——加权系数，，无因次第十六页，共64页。工艺设计基础-管壳式换热器-沸腾传热卧式热虹吸重沸器出口管线较长、压降较大，不适用于低压和真空操作工况，以及结垢较严重的场合。为避免发生“干壁”现象，卧式热虹吸重沸器的汽化率不应过大。立式热虹吸重沸器一般采用固定管板、单管程，在管内汽化、壳侧为加热介质。出口管一般与塔体相接。适用于低压和真空操作，在换热面积较小或中等的工况，单位换热面积的费用较低，并且占地少。第十七页，共64页。工艺设计基础-管壳式换热器-沸腾传热卧式重沸器的沸腾传热系数：：管壁与沸腾液之间的传热温差，℃第十八页，共64页。工艺设计基础-管壳式换热器-沸腾传热立式热虹吸重沸器蒸发段流动沸腾传热系数第十九页，共64页。工艺设计基础-管壳式换热器-沸腾传热立式热虹吸重沸器显热段传热系数：按管程液体的通用公式计算

立式热虹吸重沸器平均总传热系数按对流段和蒸发段的长度加和得到

第二十页，共64页。工艺设计基础-空冷式热交换器空冷式热交换器传热原理和流体动力学与管壳式热交换器是一样的，只是由于没有壳体，管束外的流体流动不同于管壳式热交换器。其总传热速率方程、热量平衡守则、传热面积计算方法与管壳式热交换器一样，管内传热、压降计算方法与管壳式热交换器管内的一致，可以根据管内介质是无相变冷却还是冷凝工况，分别按照本节选择合适的公式计算。

第二十一页，共64页。工艺设计基础-强化传热机理强化总传热系数的关键

第二十二页，共64页。实用强化传热技术实用强化传热技术第二十三页，共64页。实用强化传热技术第二十四页，共64页。各种内翅管各种外翅管缩放管螺旋槽管横纹管波纹管C管多孔管实用强化传热技术-强化传热管第二十五页，共64页。管外纵槽管内多孔表面高通量管厚壁碳钢波纹管高通量波纹管厚壁不锈钢波纹管薄壁不锈钢波纹管螺旋波纹管铝多孔表面高通量管不锈钢多孔表面高通量管实用强化传热技术-强化传热管第二十六页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器强化传热手段之一

——增加传热面积S目前已经成功应用于生产装置上的有管型有：螺纹管、横纹槽管、螺旋槽管、纵槽管、T型翅片管、表面多孔管、锯齿形翅片管。第二十七页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器螺纹管、横纹槽管、螺旋槽管第二十八页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器纵槽管、T型翅片管第二十九页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器制氢装置重整气-锅炉给水换热器：壳体和换热管材质：均为1.25Cr-0.5Mo-Si，特点：该卧式换热器的壳侧进出口嘴子设计为上进上出，要求严格控制壳侧介质不得带液进入后续设备。问题：壳程气体横向冲刷引发严重的弹性失稳振动及声振。消除振动最有效的方法是采用折流杆替代弓形折流板，但工艺要求壳侧介质同侧进出，折流杆结构会导致短路危险，解决方案：最后采用螺旋折流板解决了问题。第三十页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器制氢装置重整气-锅炉给水换热器：第三十一页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器针对管程的强化传热研究包括内插件和传热管。内插件技术简便易行，内插件是一种扰流子，强化流体扰动、破坏管壁壁面的边界层，从而达到强化传热的目的，并具有防垢、除垢的作用。第三十二页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器常用的内插件形式是扭带形内插件第三十三页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器CalGavin有限公司（CalGavinLimited）拥有专利的产品HiTRAN的强化传热效果更加显著。第三十四页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器HiTRAN应用：催化裂化装置的重循环气油冷却器（HeavyCycleGasOilCooler）工艺条件：用入口温度为46℃的冷却水将11.76kg/s的HCGO从138℃冷却至66℃。效果：减少75%的传热管。第三十五页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器

有、无HiTRAN内插件的结构对比壳径

传热管管程数传热面积

热力学计算结果mm外径X长度mm根数m2管程膜传热系数W/m2.K管程压降kPa普通光管152425.4X6090182888745170HiTRAN68925.4X60903711178.529570第三十六页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器缠绕管式换热器第三十七页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器双面强化传热的换热管有：波纹管、内波纹外螺纹管、扭曲管、高通量管……第三十八页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器波纹管的波峰与波谷之间有一定的高度差，管内流动呈等直径流束和弧形流束。流体沿流动方向在波峰处速度降低、静压增大，波谷处速度增加、静压减小，导致流速和压力呈现周期性的变化、冷热流体流动达到湍流，从而破坏了边界层和污垢层的厚度，显著提高传热系数

。扭曲管使管、壳程流体均呈螺旋状流动，第三十九页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器第四十页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器第四十一页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器美国联合碳化物公司制造了高通量（Higll—Flux）商用表面多孔管,日立公司生产了E管。即：烧结型表面多孔管。强化传热机理：多孔管的表面有大量内凹型的空穴，可以产生大量的汽泡核心第四十二页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器高通量管多用于小温差的重沸器中以某60万吨/年芳烃联合装置为例，在其304万吨/年吸附分离装置中采用了3台、113万吨/年岐化装置和244万吨/年异构化装置中各采用1台。使用高通量管8500根，传热面积3800m2，最大壳径达2300mm。第四十三页，共64页。实用强化传热技术其中抽余液塔底重沸器作对比设计，其基本工艺参数见表。第四十四页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器效果：采用普通光管立式重沸器，需多台并联，传热面积至少3600m2；采用高通量管作为换热管，只需要1台，传热面约1135m2即可满足要求。结论：由二者的对比可见，具有双面强化功能的高通量管在解决大负荷、小温差沸腾的问题上，具有显著的优势。

第四十五页，共64页。实用强化传热技术-管壳式换热器种类适用工况强化效果螺纹管对流沸腾提高1倍内波纹外螺纹管对流沸腾提高1倍波纹管对流沸腾冷凝提高1倍纵槽管管外冷凝提高30%表面多孔管沸腾提高10倍第四十六页，共64页。实用强化传热技术-紧凑式换热设备目前螺旋板式换热器、板框式换热器、板焊式换热器均可在炼油装置中找到应用。如催化重整装置中的进料热交换器，由于其冷热流进出口温差400℃左右，流量较大，需交换的热负荷高，其换热效果对降低全套装置能耗、节约投资和减少操作费用有着重要的作用。第四十七页，共64页。实用强化传热技术-紧凑式换热设备催化重整装置进料热交换器特点：冷热流进出口温差大：400℃左右；流量较大，需交换的热负荷高；允许压降低；介质含有很高比例的不凝气，换热器传热系数比较低。若采用普通管壳式换热器，只能采用阻力降较小的立式单管程热交换器第四十八页，共64页。实用强化传热技术-紧凑式换热设备目前的解决方案是采用大型板壳式热交换器。国外板壳式热交换器单台最大规模已达到16000m2。第四十九页，共64页。实用强化传热技术-紧凑式换热设备以某200万吨/年催化重整装置为例，反应器进料换热器进料的允许压降仅为0.034MPa，热流体的允许压降也仅仅为0.052MPa，而需完成的热负荷为121MW。其基本工艺参数见表第五十页，共64页。实用强化传热技术-紧凑式换热设备若采用普通立式管壳式换热器，需要的管束重量约为450,000kg，按照国内目前的制造能力，应该是4台并联；采用板焊式（Packinox）换热器，则管束（板束）尺寸为2800x11000mm，管束重量仅99,000kg。第五十一页，共64页。实用强化传热技术-紧凑式换热设备各种板式换热器性能对比可拆式半焊式全焊板框式板壳式钎焊式结构所有板片和垫片密封在框架内两片板片焊接在一起，构成板片对，板片对之间以垫片密封全部板片通过焊接形成密封通道，无密封垫片在管壳式换热器壳体内，用板片焊接形成板束取代管束无框架、密封垫，板片以铜、镍或不锈钢直接焊接在一起适用温度垫片决定垫片决定-30~300ºC-45~500ºC-160~220ºC适用压力0~2.5MPa0~1.6MPa0~3.0MPa0~4.5MPa0~4.5MPa维护可全拆开清洗焊接板对CIP清洗；垫片侧拆开清洗CIP清洗壳体拆开清洗，焊接板片CIP清洗CIP清洗特点清洗简单根据介质特点确定流程适合中温、中压工况适合高温、高压工况性价比较高第五十二页，共64页。实用强化传热技术-空气冷却器一、强化传热随着装置处理能力的增强，考虑气候变暖的影响，空气冷却器的重量越来越大，尤其在缺水地区，往往空冷器后不再设置水冷却器，这个问题更加突出。例：某装置的一台主分流塔顶空冷器，热负荷大、热流体出口温度与空气入口的温差小；湿H2S工况需要控制流速。核算结果需要40片15X3m，占地面积1800m²，迫切需要采用高效技术。第五十三页，共64页。实用强化传热技术-空气冷却器目前国内采用最多的是表面蒸发湿空冷器，板式空冷器也已经获得了成功的应用，国外采用HiTRAN内插件强化传热，并解决高倾点问题。表面蒸发湿空冷适用于炼油化工厂的低温位油品冷却，其原理是通过蒸发管外水膜来强化传热，可使介质冷却至环境湿球温度+5℃。具有结构紧凑、传热效率高等特点第五十四页，共64页。实用强化传热技术-空气冷却器第五十五页，共64页。实用强化传热技术-空气冷却器以南方某厂产物空冷器为例，其热流体工艺参数见表第五十六页，共64页。实用强化传热技术-空气冷却器按照空气入口温度36℃进行设计，需要10片9X3m的空冷器管束，但是由于介质出口温度为46℃，当空气温度达到38℃时，冷却效果就很难保证了。采用6台6X3的表面蒸发湿空冷，就可以满足设计需要，而且由于水雾的使用，可以保证空气入口温度的稳定性。第五十七页，共64页。实用强化传热技术-空气冷却器二、高倾点、冻凝问题:如果采用普通空冷器结构，即使设置百叶窗、蒸汽加热排管，仍无法避免介质沉积结蜡问题。按照API的规定，这种工况只能采用热风外循环的措施。热风外循环结构复杂，占地面积很大，而且限制了空冷器的性能，并可能因此而影响产品质量。第五十八页，共64页。实用强化传热技术-空气冷却器热风外循环:第五十九页，共64页。实用强化传热技术-空气冷却器英国