换热器组合形式的选择

2018-03-18王振华

山东化工 2018年14期

王振华

(中海油石化工程有限公司，山东青岛 266061)

1 换热器并联的应用工况

1.1 换热面积过大，单个换热器无法满足。

壳程的并联主要应用于换热面积较大，单壳程结构无法满足的情况。由于浮头换热器或U形管换热器的管束重量一般要限制在超重机的吊装荷载范围内。现代的大型炼油厂或化工厂中换热器管束的重量一般不超过10t，对应的换热面积约为450～500m2。更大的厂区可允许管束重量在15～20t。而固定管板换热器的管束，无须拆卸，没有换热面积方面的限制要求，固定管板换热器的单壳程换热器的换热面积可达到2000 m2，甚至更高。固定管板换热器的大型化限制条件主要是设备的焊接能力、运输能力及平面布置区域[1-2]。

1.2 各工况操作负荷差异大时的应用

壳程并联使用多应用于在多工况控制调节中。装置在各个工况操作过程中，流体的流速或换热负荷差异较大，当物流流速较小的工况运行时，如果不选择壳程并联结构的话，换热系统的流速会较正常工况下大大降低，壳程侧介质流速较低，较容易积聚污垢，降低传热系数。具体案例详细见表1。

表1 各工况下换热器操作参数

换热器在两种工况下运行时，上表中B工况的管壳程中的介质流速及热负荷是A工况的30%。设计过程中以A工况(全部进料)的相关数据进行换热器设备选型。当在工况B运行时，管壳程介质的流速都较低，总传热系数降低幅度大，且介质容易引起结垢，不利于长期低工况运行。

实际设计过程中，不采用单壳程而使用两个壳程并联的设计方案。在B工况下，仅使用一侧的壳程进行换热，壳程侧流体速度较高，换热效率会较之间的单壳程设计提高。

2 换热器串联的应用

2.1 换热介质有温度交叉时的应用

温度交叉的工况在换热过程中很常见，如塔进料与塔底物料换热；反应器产物与反应进料换热；塔顶气与低温热水换热等工况。按严格的换热理论，单壳程管程的换热器形式不存在温度交叉的情况，因为一个管程与壳程物流是顺流式换热，另一个管程与壳程物流是对流式换热。在管壳式换热器设计中，由于温度交叉引起的逆向传热对换热器的设计有极大的影响，不但会造成换热面积过大，甚至无法满足工艺要求。在压降允许的情况下，多壳程串联一般用于处理管壳程之间介质交叉的问题。单管程单壳程换热器可以实现换热的温度交叉，但单管程换热器的用途有限，因为管程侧的数量需要根据管程侧内流体的流速进行调整，以免流速过低，换热系数过低。单壳程双管程的换热器冷热物流出口温度相等, 单壳程与双壳程结构操作对比见表2。

因此，如果要实现换热温度交叉的工况，一般需要多壳程串联实现。壳程数取决于温度交叉的程度。温度交叉越多，需要的壳程数越多。

表2 单壳程与双壳程结构操作对比

2.2 提高换热效率的应用

加氢装置中，原料油与反应产物的换热器的操作条件为高温、高压，且两侧介质中氢气及H2S组分含量较高，所用管壳程侧的金属材质一般为Cr-Ni不锈钢和Cr-Mo抗氢钢，为提高换热器的传热效率，一般采用带隔板的双壳程结构。采用双壳程结构后，管壳程两侧介质由原单壳程的半程并流、半程逆流变全程纯逆流，温差校正系数接近于1，显著提升了温差；同时由于隔板的分隔使壳程侧的流体的流速提高了1倍。下表为两种换热器结构形式操作参数的对比。从表3中可以看出，加隔板双壳程换热器结构的传热系数远高于普通的单壳程换热器结构，换热面积仅为单壳程换热器的一半，大大节省了投资。

表3 反应产物/原料油换热器两种换热器结构操作参数对比

3 换热器串并联的组合应用

大部分工况下，换热器选择并联或串联的方式是比较明显的。然而，有些情况选择并联还串联都无法满足设计要求。表4中为气分装置改造项目，脱丙烷塔顶气的冷却器设计过程中，由于塔顶气C2组分含量较高，须冷却至34℃以下，需要约400吨的冷却水进行冷却。由于冷却温度低，换热器宜采用多组换热器串联形式，但由于冷却水量大，管程侧的压力降可达65kPa左右，增加了循环水的供应阻力大，引起供水量不足。经过讨论，决定采用壳程侧串联布置，管程侧并联布置的方案可解决上述问题。