全错流X型换热器的设计与运用

严政 王俭 曾颖群

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

全错流X型换热器的设计与运用

严政 王俭 曾颖群

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

对X型换热器的结构特点进行了介绍，充分分析其优缺点，将其优点运用到特定换热器的设计中。对大气量的换热器特别是压缩机级间冷却器的设计具有一定的借鉴意义。

X型换热器；压降；温度交叉

换热器是广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业的一种通用设备。换热器的种类繁多，按工艺功能分类可分为冷却器、加热器、再沸器、冷凝器、蒸发器、过热器、废热锅炉；若按其传热方式和结构进行分类可分为套管式换热器、管壳式换热器、板式换热器、液膜式换热器及其他型式。在众多类型的换热器结构中，管壳式换热器是应用最广泛的一种换热器类型[1-4]。

在美国，管壳式换热器是依据TEMA规范进行分类和设计；在我国则是按照GB/T 151—2014热交换器进行分类和设计。与TEMA相比，我国的GB/T 151—2014取消了穿流壳体X型换热器。虽然在国标中被取消，但是在特定工艺流程里X型换热器仍然具有其他壳体所不具备的优势[1-4]。

1 X型壳体结构特点

评价一个换热器设计得是否合理，除了看传热面积够不够，还需要评判其综合性能，包括传热效率、管壳侧阻力降、振动报告设备尺寸以及经济性等。换热器内部结构、内部流体的流动状态是影响换热器综合性能的重要因素。

X型壳体的管束结构与其他管壳式换热器管束结构相似，但没有折流板，完全靠支撑板来固定换热管，避免振动。适用于壳侧大流量、低压降的情况，配合低翅片管可进一步提高换热器效率，减小换热器尺寸。物流从壳侧入口进入壳体后直接沿着支撑板向出口流动，故在壳侧只有Cross fl ow 而没有Window fl ow，一般在壳侧设分布器或多个进口来保证壳侧物流进入壳体后能均匀分布，如图1所示。

图1 X型换热器壳侧流体分布Fig. 1 Flow distribution of X-type shell

X型壳体与其他常用壳体的结构对比见表1。

表1 E、J、X三种壳体结构对比Tab. 1 Comparing of different type shell

2 实例运用

国内某分离装置的大型气体压缩机是整个装置最重要的设备同时也是能耗最大的设备，在各段出口压力固定的情况下，降低其各级间的阻力降，可以有效地降低压缩机二段和三段所需的功率。压缩机二段和三段功率下降，二段、三段后冷器的热负荷也就相应降低。表2、表3是通过Aspen模拟得出的级间冷却器阻力降分别对压缩机功率及后冷器热负荷的影响，可以明显地看出：级间冷却器的阻力降越小，整个压缩机所需总功率越小，后冷器总的热负荷也越小。因此，设计时首先要考虑的，就是尽量减小各级间冷却器的压降。

表2 各级间换热器阻力降对压缩机功率的影响Tab. 2 Effect of inter-stage pressure drops on compressor power

表3 各级间换热器阻力降对换热器热负荷的影响Tab. 3 Effect of inter-stage pressure drops on heat exchanger duty

本文介绍该压缩机一段后冷器的设计过程。原料气在经过压缩机一级压缩后压力仍只有1.7 bar，导致气体密度只有3 kg/m3，正常流量却有98.5 t/h，体积流量高达32 833.3 m3/h，反应气在换热器壳侧流速很快达到42.5 m/s，换热管振动剧烈、压降很大，要解决这些问题只能放大换热器尺寸，但由于受到占地面积及设备制造成本的限制，换热器又不可能做得很大。因此一段后冷器是三台后冷器中设计难度最大的。

在设计该换热器时，首先参考此前已成功运行的类似分离项目的设计。在该项目中此换热器采用的是J21型壳体。其分流式的壳体相当于两个并联的E型换热器。根据HTRI计算，采用J21型壳体单台换热器尺寸在φ1 800×6 000 mm时换热面积、管壳侧阻力降均满足要求。此时却碰到一个问题：参考项目的循环冷却水规定进水温度为30 ℃、回水温度为37 ℃；而本项目因为地处沙漠，水源紧张，所以项目规定的循环冷却水出水温度为30 ℃、回水温度为40 ℃。在设计该换热器时自然要充分利用循环冷却水的10 ℃温差，来降低循环冷却水的消耗，而压缩机一段后冷器需要将反应气冷却到38 ℃，此时就产生了温度交叉现象，影响换热效率。图2、图3、图4为冷却水出口温度为40 ℃情况下，分别按E型、J型、X型三种壳体设计的换热器管壳侧温度分布图。由图可以很明显地看出换热器局部存在温度交叉现象。要解决此问题，可将冷却水回水温度设定为37 ℃来避免温度交叉，但这样循环冷却水只用了7 ℃温差，循环冷却水的消耗量将增加42.9 %，极大地增加了能耗。

图2 E型壳体管壳侧温度分布Fig. 2 Bulk temperature map of E-type shell

图3 J型壳体管壳侧温度分布Fig. 3 Bulk temperature map of J-type shell

图4 X型壳体管壳侧温度分布Fig. 4 Bulk temperature map of X-type shell

若采用常规的E型壳体时，其壳程只能有一个入口，反应气的大流量使得单台E型换热器振动剧烈、压降也无法满足设计的要求，只能考虑并联多台换热器。而根据计算需要，并联4台φ1 200×4 000 mm的换热器才能消除振动满足压降要求，这大大增加了占地面积，且同样无法解决温度交叉现象。

最后我们以X型壳体进行模拟计算，计算结果见表4。X型壳体壳侧可以设置多个口，有效地分担了入口流量，全支撑板结构也能在很大程度上降低换热管振动，但单台X型换热器同样无法解决温度交叉。为解决温度交叉问题，设计将单个X型换热器拆成两台管壳侧串联的换热器，串联虽然会增加壳侧阻力降，但X型壳体由于其结构特点本身的压降就很小，两台串联壳侧压降也只有6.2 kPa，远低于其他壳体的压降。图5是串联的两个壳体温度分布图，有效地避免了温度交叉。

两台换热器壳侧串联如果在同一平面上会增加占地面积。考虑到管侧和壳侧进出口均可以对称设计的特点，采用上下管口对管口布置，如图6所示。不仅减少了占地面积，还大大降低了配管难度，这样所有的设计问题均得到解决。

表4 计算结果Tab. 4 Results of calculations

3 结论

通过对三种壳体的计算比较，不难发现，虽然X型换热器在传热效率上比E型和J型低，但在压降方面更能满足设计要求，且其相对较小的设备尺寸以及可以重叠布置的特点也大大减少了占地面积，同时还降低配管及施工的难度，较轻的设备重量也能降低换热器的制造成本。

最后计算得出采用X型结构的压缩机级间冷却器壳程压降为6.204 kPa， 将此压降代入压缩系统进行模拟计算，整个压缩系统可以节约能耗284 kW。对比三种壳体在压缩机级间冷却器上运用的优缺点，不难发现X型换热器比其他型式的换热器更适用于大气量的级间冷却器。

图5 串联的X型换热器两个壳体温度分布Fig. 5 Bulk temperature map of X-type shell in series

图6 串联的X型换热器重叠布置Fig. 6 Exchangers in series connected fl ange to fl ange

[1]GB/T 151—2014，热交换器[S].

[2]钱颂文. 换热器设计手册[M]. 北京：化工工艺出版社，2002.8.

[3]Tubular Exchanger Manufacturers Association Standard. 8th ed. New York，1998.

[4]尾花英郎. 热交换器设计手册[M]. 北京：烃加工出版社，1987.

Design and Application of Cross Flow X-Type Heat Exchanger

Yan Zheng, Wang Jian, Zeng Yingqun
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

The features in the structure of X-type heat exchanger were introduced in this article. The advantages and disadvantages of this equipment as well as utilization of the advantages were fully analyzed, which are meaningful in the heat exchanger with large gas volume, especially the design of the cooler used between two stage compressors.

X-type exchanger; pressure drop; temperature crossing

TQ 051.5

：A

：2095-817X（2017）02-0033-004

2016-05-16

严政 （1987—）， 男，工程师，主要从事乙烯、烯烃分离领域工艺设计。