纏繞式換熱器節能特點分析

劉克安

中國石油化工股份有限公司天津分公司工程部天津300271

摘要：中石化天津分公司芳烴裝置是上世紀70年代末從日本揮發油公司引進的，采用美國UOP分離技術生產對二甲苯（PX）。為了更好的降低裝置的能耗，提高經濟效益，在芳烴裝置歧化反應進料用高效的纏繞管式換熱器代替換熱效果較差的U型管式換熱器，原來“U”型管式歧化反應進出料換熱器熱端溫差為87℃，纏繞管式換熱器歧化反應進出料熱端溫差降低為30℃，使換熱效率提高了30%以上，每年實際節約燃氣可達1245.6t，年創直接效益580萬元以上。
    關鍵詞：纏繞管式換熱器 高效換熱 岐化反應
    中圖分類號：TE969 文獻標識碼：B 文章編號：1672-9323（2011）06-0078-02
    1·歧化工藝流程及“U”型管式換熱器分析
    1.1歧化工藝流程簡介
    芳烴部芳烴裝置歧化反應進料工藝路線為來自歧化進料儲罐（TK-501）的甲苯料與重整裝置的補充氫氣混合后，一同送歧化混合進料換熱器（E-505A/B/C/D）殼程，與走管程的歧化反應器出料進行換熱升溫后，再由反應進料加熱爐（H-501）進一步加熱，升溫至歧化反應所需溫度后，進入歧化反應器（R-501）。采用串聯式換熱器進行熱量交換，見表1。

    1.2“U”型管式換熱器換熱效率較低
    1.2.1目前歧化反應進出料換熱器熱端溫差為87℃（見表2），熱端溫差（即為熱流入口溫度－冷端出口溫度）可以看出目前歧化反應進出料換熱器（E-505A/B/C/D）換熱效率較低，兩種物料沒有進行充分的熱交換，導致部分反應熱量沒有利用，熱損失較大。
    1.2.2設備占地空間大“，U”型管式換熱器的安裝方式為地面，兩臺為一組上下布置，占地面積達60m2左右，管殼材質分別為高溫合金鋼STBA23-SC和A204GrA。已經使用30a，到了更換備臺的周期，所以更換為纏繞式換熱器經濟上為最佳機會。
    從表2中可以看出，歧化反應為放熱反應，其反應溫升為（463-448）15℃。根據上表目前歧化反應進出料換熱器熱端溫差為（466-379）87℃，按照通常衡量換熱器好壞的其中一個判斷標準，即熱端溫差（即為熱流入口溫度－冷端出口溫度）可以看出目前歧化反應進出料換熱器E-505A/B/C/D共計4臺處于較低技術運行水平，潛熱較高利用價值大，因此具有較大的節能改造空間。
    2·新型的纏繞式換熱器的特點及性能
    2.1纏繞式換熱器的特點
    （1）纏繞式換熱器具有結構緊湊較大單位容積傳熱面積的特點，單位容積傳熱面積是普通換熱器的2倍以上。對管徑為8～21mm的傳熱管，每m3容積的傳熱面積可達100～170m2；而普通列管式換熱器，每m3容積的傳熱面積只有54～77m2，是繞管式換熱器的45%左右。
    （2）繞管式換熱器層與層之間換熱管反向纏繞，這種特殊結構極大地改變了流體流動狀態，形成強烈的湍流效果，湍流狀態更強烈，提高了換熱系數，減小了傳熱面積，以最少的材料達到最佳的換熱效果，同時考慮壓降和換熱系數的最佳組合關系，以最小的壓降達到最好的換熱效果即高效換熱[1]。
    （3）纏繞管式換熱器由于管端存在一定長度的自由彎曲段，因而具有很好的撓性，傳熱管的熱膨脹可部分自行補償，減輕了對管板焊接的應力影響，減少了管頭與管板焊縫的泄漏可能性。同時，具有抗振動、耐高低溫差大的特點，使用壽命可相對延長。
    （4）介質溫度端差小：由于其獨特的螺旋纏繞結構，介質在換熱管束中停留更長時間，換熱更加充分,故冷熱介質溫度端差小，實際熱端溫差可達10℃左右[2]。
    （5）高壓下采用管道式八角墊自緊式密封，纏繞管換熱器徹底改變了大型高壓換熱器的密封結構、提高了密封可靠性，保證了裝置安穩長周期運行；繞管結構采用換熱管與殼體組合結構，耐壓性能好，具備在22MPa下使用。
    （6）管內介質以螺旋方式通過，殼程介質逆流橫向交叉通過繞管，避免了螺紋鎖緊環折流板結構換熱器在折流板背面存在的換熱死區和垢物積聚沉淀，因此介質流暢、不存在換熱死區；同時流體在相鄰管之間、層與層之間不斷地分離和匯合，使殼體側流體的湍流加強，減少層流，降低了壁面附著的可能性、換熱器結垢傾向低。
    （7）纏繞管結構可以滿足多種介質同時換熱的要求，與板式換熱器相比，通過調整管間距、層差距可以使介質流動阻力僅十多kPa，達到板式換熱器的阻力降水平，而且對于各種介質之間不存在壓差限制的要求、優于板式換熱器，在同等條件下，適當調整結構參數僅略增大換熱器直徑即可采用纏繞管式換熱器替代進口設備、打破國外技術壟斷，且降低了工藝介質的操作難度。
    （8）設備重量小、占地少、配管簡單、安裝檢維修便捷、設備投資相對較低。
    （9）纏繞管結構避免了大型管箱等大型鍛件的生產加工，降低了主要材料因生產廠家少、進口、生產能力不足等導致的長周期，從而有效縮短整個設備的制造周期。

                
    2.2纏繞式換熱器的性能要求
    根據芳烴裝置歧化反應的現場設備布置空間和工藝要求，按照熱交換的技術參數計算所需的設備換熱面積，采用一臺立式纏繞式換熱器替代四臺“U”型管式換熱器。
    2.3改造后換熱器工況
    芳烴裝置將歧化反應器的4臺進出料換熱器更換為1臺高效能新式纏繞式換熱器后，由于管內介質的螺旋運動、殼程介質的橫向錯流，使得換熱器傳熱性能得到非常好的加強，換熱系數較高，換熱效果得到很大的提高。

    

    從表3、4中可以看出，進出料換熱器改用纏繞管式換熱器后進料和出料的設計溫差為25℃（463/448℃），由于實際工況發生了變化，進料（殼程/管程）為440/27℃，出料（殼程/管程）為65/410℃，實際得到的溫差為30℃。改造前后對比，改造前（殼程/管程）進出料溫差為87℃（466/379），則改造后（殼程/管程）進出料溫差為30℃（440/410）。
    3·結論
    （1）換熱效果明顯提高，物料反應熱量得到了較充分的利用。通過運行觀察，當初所提供給纏繞式換熱器的設計進出料量和操作溫度與實際運行的參數存在一定的偏差，殼程和管程的進出料溫度為440/410℃，差值為30℃。
    （2）燃料氣消耗明顯降低。根據裝置加熱爐消耗的燃氣量統計，投用后可節約燃料氣155.7kg/hr，按年運行8000hr計算，共可節約燃料氣1200t以上。以2010年燃料氣均價4642元/t計算（不含稅），可節省燃料氣費用500萬元/a以上。一年半的運行時間即可收回全部投資。

               
    參考文獻
    1·《換熱器設計手冊》錢頌文主編.
    2·《換熱器》蘭州石油機械研究所主編.