换热器在石油化工中的应用及维护

张建路

摘要：换热器在石油化工工业生产设备中居于重要地位，换热器对于石油化工生产工作发挥重要作用，本文主要介绍了螺旋缠绕管式换热器在石油化工中的应用，仅供参考。

关键词：换热器；螺旋缠绕管；石油化工

一、換热器主要类型

单相流换热器在石油化工生产中有较为广泛的应用，此种换热器主要用于液体到液体、液体到气体以及气体到气体的换热，流体在换热过程中不出现相变，在实际工业生产中单相流换热的主要形式为对流传热。对流传热使用的换热管有内波外螺旋管、波纹管以及螺纹管等，其中内波外螺旋管、波纹管的传热操作是通过增加对壁面边界层的扰动来进行强化，螺纹管主要依靠扩大表面积强化传热效果。内波外螺旋管与厚壁波纹管的加工方法比较接近，均是由滚轧方式制成，区别在于波纹管内外双面均有波纹，而内波外螺旋管内壁为波纹状，外管壁则是螺纹状。内波外螺旋管与波纹管相比，波距和波谷相应减小，内波纹高0.5m m，波距1～6m m。在雷诺数5000～50000的范围内，管内换热系数是光管的1.8～2.8倍，略高于波纹管，压降是光管的3.3～4.1倍，压降比波纹管低。两者的换热效果基本相当，螺旋外壁在抗结垢能力方面有一些优势。另外，外螺旋结构更加有利于管外的冷凝液体的排出，减少积液滞留现象，增进换热效果。

二、换热器的技术原理

目前，石油化工工业领域内换热器的应用最为普遍，在石油化工生产中换热器的主要用途是加热、预热、过热、蒸发以及制冷等。换热器的工作原理是将热流体的部分热量传递给冷流体，使工业生产中所需要的流体能够达到科学适宜的温度，换热器换热操作的实现有多种途径，包括表面式换热、蓄热式换热、流体连接式换热、直接接触式换热以及复合型换热等多种方式。在石油化工工业生产中换热器的应用需要一定的换热设备以及科学规范的换热工艺流程。

三、螺旋缠绕管式换热器在石油化工中的应用

1、螺旋缠绕管式换热器介绍

1.1结构特点

该换热器主要由壳体、管束和中芯管组成。换热管与管板连接后，再与壳体焊接固定。在壳体和两端封头上有流体进出口接管。缠绕管束由多层螺旋管缠绕而成，且缠绕多层，层与层之间、管与管之间保持均匀一致的间隙，层间缠绕方向相反，中芯管的外径由最内一层螺旋缠绕管的弯曲半径以及工艺计算所需的流体流通面积所决定，在使用过程中起到分流导流的作用，使流体分布均匀，防止短流现象的出现。

这种结构的换热器管束可以整体拆出，方便后期维护。同时，为了适应石油化工行业处理量大、物料成分复杂的特点，可设计区别于医药化工小管径（一般为φ8，φ10，φ12）的大管径换热管（φ19，φ25，φ32）换热器。

1.2性能优势

1.2.1换热效率

相比传统换热器直管或者U型管，螺旋缠绕管式换热器采用独特的反向螺旋管束设计，流体A在弯曲的管道中流动时连续改变方向，产生的径向二次环流（垂直于主流方向的流动）不断扰乱边界层（图3、4所示），管侧的膜传热系数得到极大提高；流体B逆流朝上横向交叉通过缠绕管束（图3所示），使得壳程也具有较高的膜传热系数，从而提高了总传热系数。

1.2.2使用及维护

原理上依据CFD、FEM及OWEN湍流抖振原理设计，保证产品的品质。对大温差操作的工艺，螺旋缠绕管束结构，完全消除了换热管与管板之间的拉脱力，可以实现应力自消除，大大延长了设备的使用寿命；螺旋缠绕结构垢及换热管表面处理工艺，使得流体对管壁形成一个自动冲刷的过程，有效降低了污垢的沉积速率，结垢周期延长；另外，体积小、重量轻，可以节约出更多的空间，同时节省了基建费用，便于安装与拆卸，减少了维护费用，性价比非常高。

3、应用分析

换热器在石油化工行业中占有重要地位，加强传热强化和过程节能对化工行业节能减排意义重大。下面以螺旋缠绕管式换热器在海科瑞林化工有限公司中的成功应用为例，介绍其在节能减排方面的突出优势。此换热器应用在分馏塔后轻石脑油的冷凝冷却工艺中，该工艺原先设计为2984㎡空冷换热器初冷，再加165㎡列管式换热器冷凝冷却；螺旋缠绕管式换热器设计换热面积100㎡。

螺旋缠绕管式换热器中的物料流动方式与传统列管式换热器相反，设计热阻较大的有机蒸汽走管程，循环水走壳程，提高了总传热系数，同时方便壳程水垢的清洗。在工艺方面，处理量不变的情况下，冷凝液出口温度降低了18℃，与循环水进口温度仅有2～3℃的温差，物料在此温度下进入下一工序或者储存备用都是有利的，同时对循环水的水量要求也降低了，可以通过控制循环水实现比较理想的冷凝液出口温度。另外，省去了一个22kW的电机带动的空冷器，每年仅电费即可节约十几万，在节能降耗方面做出了突出贡献。

四、换热器在石油化工生产中的具体应用策略

1、换热器的扩能改造

换热器的扩能改造是石油化工生产中比较常见的技术操作，在换热器扩能改造中一般需要在原换热器热负荷的基础上提升20%～50%的比例，如果原有的光管换热器无法满足实际生产需求，则要对光管换热器进行重新设计或是在原来基础上进行技术改造。应当在保证换热器壳体直径不变的情况下要将换热面的表面积增加20%，管长也应适当增加，避免直接增加壳体的直径，带来不必要的麻烦。在换热器改装安装时如果遇到工厂厂房的限制，可以考虑采用新型高效换热管。

2、换热器在节能中的应用

在石油化工行业原油精馏是所有精馏单元中热能消耗最大的，如果尽可能多地使用高效特型管换热器代替普通光管换热器，将从产品物流中回收更多的热量，提高原油进入加入炉时的温度，节省燃料，减少有害气体与C O 2的排放。

3、换热器的维护方式

（1）换热器表面的维护在换热器运行一定时间之后，换热外表面与换热管的外层容易形成大量的污垢堆积，这样的情况会使换热器的传热系数大大降低，相关研究数据表明，污垢量较大时污垢的热阻会占到总热阻的一半以上，形成大量的浪费。所以在换热器使用过程中应当及时清理换热管外表面，也可以进行技术改进，为换热器设置自行除尘设备。

（2）换热器内部的维护在波纹管换热器使用过程中与其他光管相比更不易结垢，所以在波纹管高等换热器运行过程中应尽量保持较高的传热系数，增进节能效果。另外，需要定期对换热器各组件进行性能检测，保证换热器运行的节能性。

结束语

综上所述，技术人员应当加深对换热器的了解研究，掌握正确的换热器应用方法与维护策略，以保障换热器的工作效率与质量。随着科学技术的发展，新型高效加热器出现，并且解热功能与加热质量不断提升，因此石油化工单位应当积极引进新型加热设备，技术人员通过研讨学习掌握新型加热设备的应用方法与维护策略，提高石油化工工业生产效率与质量并且充分节约能源，提升生产效益。

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