第3章传热设备在石油化工行业中的应用

第3章传热设备在石油化工行业中的应用下面，以换热器在石油化工行业中的应用为例，简要介绍其工作原理及传热过程。3.1换热器换热的工艺流程3.2余热回收余热是指受历史、技术、理念等因素的局限性，在已投运的工业企业耗能装置中，原始设计未被合理利用的显热和潜热。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热等。根据调查，各行业的余热约占其燃料消耗总量的17%~67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%。图3-1换热器换热工艺流程3.3换热器3.3.1简介在煤化工、炼油等化工行业中，绝大多数化工工艺过程中均需要加热、冷却和冷凝过程，这些过程总称为换热过程。换热过程的进行需要一定的设备来完成，这些使产热过程得以实现的设备就称之为换热设备。因为绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热量的变化密切相关，如反应过程中有的放热、有的吸热，要维持反应的连续进行，就必须排除多余的热量或者补充所需的热量，另外，一些化工过程产生多余的热量可以用于需要热量补充的其他化工过程，既可回收热量又可降低能耗。以上与热量交换有个的过程都需要换热设备。换热设备在化工、动力、原子能、冶金等多个行业都有着广泛的应用。3.3.2分类换热器按照用途分类分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器；按照冷热流体的热量交换方式分为：直接接触式、蓄热式和间壁式，直接接触式换热器是在工艺上允许的条件下直接将冷热流体混合实现热量交换，方便有效且结构简单，常用于气体的冷却或者水蒸气的冷凝。蓄热式换热器主要由热容量较大的蓄热室构成，室内填充耐火砖等填料，冷热流体交替通过蓄热室通过填料实现热交换，这种换热器结构简单、可耐高温，适于气体热余量或者冷量回收，但其设备尺寸较大，且冷热流体会在某种程度上混合。间壁式换热器是目前化工行业内使用较为普遍的换热器，该换热器冷热流体用某种导热性能较好的材料分开，以保证冷热流体在不混合的条件下实现热交换。3.3.3原理及特点■板式换热器的构造原理、特点：板式换热器由高效传热波纹板片及框架组成。板片由螺栓夹紧在固定压紧板及活动压紧板之间，在换热器内部就构成了许多流道，板与板之间用橡胶密封。压紧板上有本设备与外部连接的接管。板片用优质耐腐蚀金属薄板压制而成，四角冲有供介质进出的角孔，上下有挂孔。人字形波纹能增加对流体的扰动，使流体在低速下能达到湍流状态，获得高的传热效果。并采用特殊结构，保证两种流体介质不会串漏。■列管式换热器的构造原理、特点：列管式换热器（又名列管式冷凝器），按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1～500m2，可根据用户需要定制。■管壳式换热器的构造原理、特点：管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备。广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、轻工、冶金、原子能、造船、航空、供热等工业部门中。特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地位。换热器的型式。■浮头式换热器的构造原理、特点：浮头式换热器其一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不会产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出，这样为检修和清洗提供了方便。这种形式的换热器特别适用于壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程都要进行清洗的工况。■管式换热器的构造原理、特点：DLG型列管式换热器利用热传导和热辐射的原理，烟道气通过管程与逆流通过壳程的空气进行能量交换，从而达到输出洁净热空气的目的。该换热器结构紧凑，运行可靠，列管采用耐高温的薄壁波纹管，增加发传热面积和换热效率。广泛应用于化工、制药、轻工等行业废气余热利用和空气加热。3.4影响间壁式换热器性能的因素及强化措施3.4.1影响间壁式换热器传热性能的因素间壁式换热器主要以热传导、对流形式传热。但管壁导热热阻较小，对传热影响不大，.影响其传热过程的因素主要来自对流传热过程，其中影响较大的有以下几方面。1)流体的种类和相变:不同的液体、气体或蒸汽的对流传热系数都不相同，牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别。流体有相变的传热过程，其传热机理不同于无相变过程，所以传热系数不同。2)流体的特性:对对流传热系数影响较大的流体物性有导热系数、乳度、比热容、密度以及体积膨胀系数。对同一种流体，流体的物性不同，对流传热系数亦不同。3)流体的流动状态:由层流和湍流的传热机理可知，流体处于层流状态，对流传热系数较小，流体处于剧烈的湍流状态时，对流传热系数大。4)流体流动的原因:按引起流动的原因分，对流传热分为自然对流和强制对流。强制对流的传热系数较自然对流的传热系数大几倍甚至几十倍。5)传热面的形状、位置和大小:传热面的形状(如管、板、环隙、翅片等)、传热面方位和布置(水平或垂直放置，管束的排列方式等)及管道尺寸(如管径和管长等)都直接影响对流传热系数。6)流体的温度:流体的温度对对流传热的影响表现在流体温度和壁面温度之差、流体物性随温度变化的程度以及附加自然对流等方面。此外，由于流体内部温度分布不均匀，必然导致密度的差异，从而产生附加的自然对流，这种影响又与热流方向及管子排列情况等有关。此外，换热器在实际操作中，传热表面上常有污垢积存，对传热产生附加热阻，所以生产用的换热器要防止和减少污垢层的形成，降低其对传热效果的影响。3.4.2间壁式换热器传热过称的强化路径换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量尽可能增多。其意义在于:在设备投资及输送功耗一定的条件下，获得较大的传热量，从而增大设备容量，提高劳动生产率;在设备容量不变的情况下使其结构更加紧凑，减少占地空间，节约材料，降低成本:在某种特定技术过程中使某些特殊工艺要求得以实施等。换热设备传热计算的基本关系式揭示了换热设备的传热速率Q与总传热系数K、平均温度差以及传热面积A之间的关系。因此，要使换热设备的传热过程得到强化，可以通过提高传热系数，增大换热面积和增大平均传热温差来实现。3.4.2.1增大传热面积A.增大传热面积，是指从设备的结构入手，通过改进传热面的结构来提高单位体积的传热面积，而非靠增大换热器的尺寸.使用多种高效能传热面，不仅使传热面得到充分的扩展，而且还是流体的流动和换热设备的性能得到相应的改善。主要型式介绍如下:1)翅化面(肋化面):用翅(肋)片来扩大传热面面积和促进流体的湍动，从而提高传热效率，是最早提出的方法之一翅化面的种类和型式很多，用材广泛，制造工艺多样，翅片管式换热器、板翅式换热器等均采用此法强化传热。2)异形表面:用轧制、冲压、打扁或爆炸成型等方法将传热面制造成各种凹凸形、波纹形、扁平状等，使流道截面的形状和大小均发生变化。这不仅使传热表面有所增加，还使流体在流道中的流动状态不断改变，增加扰动，减少边界层厚度，从而强化传热。3)多孔物质结构:将细小的金属颗粒烧结或涂敷于传热表面或填充于传热表面间，以实现扩大传热面积的目的。4)采用小直径管:在管壳式换热器设计中，减小管子直径，可增加单位体积的传热面积。据测算，在壳径为100011.以下的管壳式换热器中，把换热管直径由。改为.，传热面积可增加3溅以上。另一方面，减小管径后，使管内湍流换热的层面内层减薄，有利于传热的强化。2.2增大平均温度差。增大平均温度差，可以提高换热设备的传热效率。平均温度差的大小主要取决于两流体的温度条件和两流体在换热器中的流动形式。可以从以下两方面增大平均温度差:一是在冷流体和热流体进出口温度一定时，利用不同的换热面布置来改变平均温度差.如尽可能使冷、热流体相互逆流流动，或采用换热网络技术，合理布置多股流体流动与换热;二是扩大冷、热流体进出口温度的差别以增大平均传热温差。但此法受生产工艺限制，不能随意变动，只能在有限范围内采用。3.4.2.2提高总传热系数K。提高换热设备的传热系数以增加换热量，是传热强化的重要途径，也是当前研究传热强化的重点.当换热设备的平均传热温差和换热面积给定时，提高传热系数将是增大换热设备传热量的唯一方法。提高传热系数的方法大致可分为主动强化(有源强化)和被动强化(无源强化).主动强化:只需要采用外加的动力(如机械力、电磁力等)来增强传热的技术。主要强化包括:对换热介质做机械搅拌、使换热表面震动或流体振动、将电磁场作用于流体以促使换热表面附近流体的混合、将异种或同种流体喷入换热介质或将流体从换热表面抽吸走等技术。被动强化:指除了输送传热介质的功率消耗外不再需要附加动力来增强传热的技术。被动强化主要包括:涂层表面、粗糙表面、扩展表面、扰流元件、涡流发生器、射流冲击、螺旋管以及添加物等手段。由于主动强化传热技术要求外加能量等因素的限制，工程中采用更多的是被动强化传热技术。3.4.2.3小结总之，间壁式换热器设计过程中要考虑尽可能多的影响因素，其中污垢的影响不容忽视，同时结合强化传热过程的方法，向尺寸小、重量轻、换热能力大的换热器方向发展。另外，实际生产过程中，也要考虑换热器使用的经济性和合理性。强化传热要全面要全面考虑，不能顾此失彼，因此，在采取具体的强化措施时，应对设备结构、制造费用、动力消耗、检修操作等方面权衡考虑，以求得经济合理的方案。3.4.3换热器的技术经济性分析以列管换热器为例讨论高温大容量热风炉用换热器的换热特性，找到采用两级换热的热风炉合理分配换热量的有效方法。在热风炉中的列管换热器常采用烟气为管程，被加热空气为壳程，即空气在烟气管外绕流进行换热的方式。目前常用的列管换热器大多采用多排钢制光滑管作为换热管，壳程的对流换热系数按空气绕流多排圆管束的对流换热系数计算。列管换热器的结构参数如图所示，采用48×3.5的无缝光滑钢管400根，在空气流方向上为棋盘式布置，且在平面上排成矩形。采用20×20的排列方式，列管换热器总体上是叉流逆流式。在入换热器的空气量ＶＫ＝26000ｍ３／ｈ，烟气量Ｖｙ＝10000ｍ３／ｈ和烟气温度分别为1100，1000℃条件下，将空气从0℃加热到200℃，使用ＬＭＴＤ法对列管换热器进行传热计算，换热器管壁温度都超过600℃。考虑到换热器的寿命，取换热器入口烟气温度900℃，由于其入口烟气温度受限制，列管换热器仅适用于作为单级换热的低温热风炉或者采用两级换热的高温热风炉的二级换热部分。实践中空气入口温度较低，取初始温度ｔ１＝0，100℃的空气进入列管换热器，当空气温度升高到ｔ２时，计算温差Δｔ＝ｔ２－ｔ１与空气平均每升高１℃所需的换热面积（平均换热面积）Ｆ／（ｔ２－ｔ１），其关系曲线如图所示。列管换热器管组布置图列管换热器换热曲线图由图可以看出，空气入口温度为0℃时，空气上升温差Δｔ≥300℃后所需的平均换热面积开始急剧增长，很快到达无穷大。即列管换热器在Δｔ≤300℃时经济性较好。换热器在此温度区域内工作时，空气每升高１℃所需的换热面积及总换热面积较少。超出此温度区域工作时所需的换热面积飞速增加，造成了换热器使用材料及投资的大幅增加，所以在设计和选用换热器时，应尽量使其工作在经济温度区域之内。如果高温大容量热风炉采用一级换热，换热器已经工作在经济温度区域以外应考虑采用两级换热。换热入口空气温度为100℃时，列管换热器的经济温度区域为280℃。随入口空气温度的升高，经济温度区域减小。在入口空气温度不同的情况下，即使被加热空气温度差值相同，平均换热面积亦不同，随着空气起始温度的升高，平均换热面积增大。在入口空气温度相同的情况下，升高到不同的温度，平均换热面积不同，随空气升高温度差值的增大，平均换热面积逐渐增大，超过经济温度区域后，所需平均换热面积急剧增大，很快达到无穷大。理想逆流换热器的温度效率极限为41％，当换热器入口空气温度为0℃时，列管换热器的经济温度区域为300℃，此时换热器的温度效率为33％，为理想逆流换热器温度效率极限的80％。即列管换热器实际温度效率小于理想逆流换热器温度效率的80％时，能保证