三维肋管式换热设备在石油化工装置的应用.pdf

第 3 8卷第 3 期 2 0 0 9 年 5月 石油化工设备 PE TRO CHEMI CAl EQUI PMENT Vo L 3 8 No ． 3 M a y 2 00 9 文章编 号1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 0 9 0 3 0 0 8 4 0 3 三维肋管式换热设备 在石油化工装置的应用 张庆 武 中国石油化工股份有限公司 荆 门分公司 ，湖北 荆 门4 4 8 0 3 9 摘要 介 绍 了三 维肋 管式换 热设备 的结 构特 点、 制造 以及在 某润 滑油加 氢精 制装 置 中的试 用情况 ， 结合 试 用效果提 出在石 化行 业推广 使 用的建议 。 关键 词 换热器；三维肋管；结构特点；应用 中图分 类号 T Q O 5 1 ． 5 文献标 志码 B Ap p l i c a t i o n o f 3D Ri b b e d Tu b u l a r He a t Ex c h a n g e r i n Pe t r o l e u m Ch e mi c a l I nd u s t r y ZHANG Qi n g - wu S I NOPEC J i n g me n B r a n c h Co mp a n y，J i n g me n 4 4 8 0 3 9 ，Ch i n a 5 结 语 1 将实际的管程冷凝换热器分为纯粹冷却段 和纯粹冷凝段， 从管程流型过渡、 传热方式和传热系 数的角度来看可能不够准确 ， 但从 热平衡的角度来 看是 合理 的 。 2 对传热系数不同的两换热段串联或多换热 段串联的换热器 ， 权系数可以表示各段传热负荷对 整体换热量 的贡献， 热负荷加权平 均温差可反 映换 热器 的宏 观换 热温差 情况 。 3 某一段 热负荷 权 系数越 接 近 l ， 热负 荷 加权 平均 温差 越接 近该 段对 数 平 均 温差 ， 故热 负 荷 加权 平 均 温差 计算 方法适 合 以冷凝过 程为 主的冷凝 器 。 4 对 已知总换 热面积 的冷 凝器 ， 通 过热 负荷加 权， 可算 出总的加权平均温差 △ ￡ 和基于加权平均 温差的综合传热系数。以后设计新冷凝器时 ， 由经 验查取综合传热系数 ， 并算 出热负荷加权平均温差 △ ￡ ， 就可初 步算 出冷凝 器 所 需 的换 热 面 积 。这 特 别适合于未能充分获取各换热段参数时的冷凝器设 计 和分析 。 5 热负荷加权平均温差扩大 了对数平均温差 的应 用范 围， 适 用 于有相变 的换 热过 程 ， 可 以推广应 用到过热冷却 、 冷凝及过冷冷却 3种换热过程都存 在 的情况 。 参考文献 [ 1 ] 路德维希 [ 美] ． 化工装置实用工 艺设计 ， 第 三卷[ M] ， 北京 化 学工业出版社 ， 2 0 0 6 7 1 7 2 ． [ 2 ] 郭瑞琪 ， 张传聚 ， 裘烈钧． 换热器热工性能指标计算方 法的探讨 [ J ] ． 煤气与热力 ， 1 9 9 9 ， 1 9 2 5 0 5 2 ． [ 3 ] 刘巍． 冷换设备工艺计算手册[ M] ． 北京 中国石化出版社 ， 2 0 0 3 1 1 0 1 1 5 ． E 4 ] 丁英萍 ， 黄文瀛． 单程 固定管板式换 热器强度设计 中平均温度 差的计算 [ J ] ． 南昌大学学报 工科版 ， 2 0 0 0 ， 1 5 1 l 9 6 1 0 0 ． [ 5 ] 王宁惠 ， 孟繁桢． 对数平均温差 对换热器 传热面积影 响[ J ] ． 石 油化工设备 ， 1 9 9 9 ， 2 8 5 1 3 1 5 ． [ 6 ] Un d e r wo o d A V J ． S i mp l e F o r mu l a t o C a l c u l a t e Me a n Te mp e r a t u r e Di f f e r e n c e[ J ] ． Ch e m． E n g n g ． ， 1 9 7 0 ， 1 5 1 9 2 ． [ 7 3 P a t e r s o n W R ． A Re p l a c e me n t f o r t h e L o g a r i t h mi c me a n[J ] ． Ch e m． En g n g ． S c i ．， 1 9 8 4， 3 91 6 3 5 1 6 3 6 ， I s ] C h e n j l J ． C o mme n t s o n I m p r o v e me n t o n a R e p l a c e me n t f o r t h e L o g a r i t h mi c Me a n[ J ] ． C h e m． E n g n g ． S c i ． ， 1 9 8 7 ， 4 2 2 4 8 8 2 4 8 9 ． 张编 收稿 日期 2 0 0 8 1 2 l 2 作者简介 张庆武 1 9 6 7 一 ， 男 ． 湖北宜城人 ， 高级工程师， 工程硕士 ， 从事设备管理和工程建设管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 张庆 武 三维肋管式换热设备 在石油化工装置 的应用 c h a n g e r we r e i n t r o d u c e d ． Th e a p p l i c a t i o n e f f e c t o f t r y o u t i n l u b e h y d r o g e n a t i o n u n i t wa s u n i f i e d ． Ke y wo r d s h e a t e x c h a n g e r ；3 D r i b b e d t u b e ；s t r u c t u r e f e a t u r e ； a p p l i c a t i o n 换热设备是石化行业广泛应用 的一种设备 ， 通 过其进 行 热 量 交 换 以 满 足 生 产 工 艺 的需 要 。据 统 计 ， 换热设备在化工厂建设 中约 占总投资 的 2 0 ％， 在装置检修 中其检修工作量可超过 6 0 ％l 1 ] ， 因此换 热设备的研制开发备受重视。尤其在设备大型化、 低能耗的发展趋势下 ， 研制、 开发和应用高效节能强 化 传热元 件对 企业 节 能具有 重要 意义 。文 中对 三 维 肋 管式 换热 设备 的 结 构 特点 、 制造 及 其 在 石 油 化 工 装 置上 的应 用进行 了简要叙 述 。 1 三维肋 管单管结构 特点 1 ． 1 结构 三维肋管是一种新型的管内 外 侧强化传热元 件 ， 是对 表面有 针状 、 鳞 状肋 片 的各种 强化 换热 管 件 的总称， 其热力性能优 于 目前 已广泛用于各类换热 器 的螺纹 管 、 二 维 内肋 及 波纹 管 等 j 。只 要 管 材 壁厚不 小 于 0 ． 8 mi t t ， 各 种 普 通 金 属 光 管 包 括 铜 、 铝、 不锈钢等 都可以通过专用机床加工成三维内肋 a 三维 内_ 夕 肋 管 管、 外肋管或 内一 外肋管。三维 内肋管结构示意见图 1 ， 各种三维肋管单管样 品见 图 2 。 内肋 钢 图 1三维内肋 管结构示 图 1 ． 2 传热机理 三维肋 管传 热 机理 是 ， 介 质在 流经 翅 高 1 ～ 8 mn - i 、 0 ． 5 mm0 ． 5 mm 的针 状 肋后形 成 卡曼 涡街 流动 状 态 ， 这 种流 动促 进 了流 体 的湍 流 ， 三维 肋 的存 在引起肋 内加速 ， 加速度的方向平行于热边界层， 减 少 了边界 层 的厚度 从 而强 化管 内无 相变 传热 。由于 液体在翅上表面张力减小 ， 液体疏导容易 ， 液膜厚度 减薄 ， 因而强 化 了冷凝 传热 。 b 三维内肋管 c 三维外肋管 图 2 三维肋 管单 管样品 一 般说来 ， 三维肋管单相流体的对 流传热系数 可达光管 的2 ． 5 ～ 6倍 ， 沸腾 传热 系数 可达光 管 的 2 ～5倍 ， 冷凝传热系数可达光管的3 ～5倍。强化管 外冷凝膜系数最高可达光管的 1 7倍 强化管内冷凝 效 果 同样 显 著 ， 强化 管 内冷 凝 膜 系数 可 达 光 管 的 2 ～3倍 ， 总 传 热 系数 至 少 提 高 3 5 ， 综 合 换 热 性 能 是其 它强 化换热 元件 不 可 比拟 的 。 1 ． 3 特点 1 扩大了单管的换热面积 ， 但三维内肋管的当 量 直径 变小 。 2 每个肋都是扰动源， 增加 了流动的紊动度 ， 同时也具有了 自清洗作用 。 3 流体在肋问的近壁面加速 ， 减薄了热边界层 厚度 。 4 流体在管内做周期性振动， 流体横 向冲刷三 维肋 ， 流体与肋的传热系数增大 。 5 在加工三维肋的同时， 管壁也被粗糙化 ， 增 强了换热效果。 2 三维肋 管换热设备制造 2 ． 1 三维肋管单管 使用三维肋管专用加工机床可对各种金属材质 的圆管 内 外 壁进行刻切加工 ， 在 圆管 内 外 壁形 成排列有序的针肋 或鱼鳞肋 及 凹槽 ， 构成三维 内 外 肋 管 ， 且 不 改变 管材 的物 理化 学性 质 。 用于加工三维肋管的专用机床是一种新型机械 加工设备 ， 由主轴箱、 床身 、 电控柜、 进给机构和刀具 组成 。其 中主轴箱体前后开有一个可穿过加工管子 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 0 9年第 3 8卷 的通 孔 。 主轴箱 中控制往 复运 动 的连 杆机构 包括 左 、 右连 杆 ， 带 动左 、 右 连仟 运 动 的轴 分 开成 两 段 ， 这 两 段 轴之 间存在一定 的距 离 。 专用机床具有加工范围大、 加工效率高、 结构简 单及操作 方便 的特点 。三维 肋管 的加工 长度 不受 限 制 ， 可 以按 需要 加 工任 意 长 。管 径 三维 肋 管 加工 范 围为 ， 内 肋 管 内 径 6 ～ 1 0 0 H 1 H 1 ， 外 肋 管 外 径 8 ～ 9 0 I T I H 1 ， 肋 宽 0 ． 5 ～ 3 mm， 肋 高 0 ． 5 ～ 5 mm， 肋 厚 0 ． 2 mm， 肋顺排 时轴 向肋 间 距 1 ～ 5 mm， 肋叉 排 时 轴 向肋 问距 2 ～ 8 mm， 肋 螺旋 排 时轴 向肋 问距 3 ～ l 2 mE 1 。 2 ． 2 三维叻管折流板 三维 内肋管式换热器的折流板与普通换热设备 的折 流板制 造 方 法 相 同 。但 由 于外 肋 管 和 内 外 肋 管 结构特 殊 ， 其 折流板 必须 是分 片式 ， 因此先 机加工 然后切 割成 3 ～4片 ， 穿入肋 管后 再焊 接在一起 构成 1 块 整体折 流 板 。焊 接 时 应 当 尽 可能 多 焊 一 些 ， 以 保 证折 流板 的强度 ， 同时 也 町以减 少 折 流板 本 身 的 内漏 。 3应用实例及效果 根据某企业的实际情况 ， 决定在润滑油加氢精 制装置中冷却效果不是很好 的新氢压缩 机配套设 备中间二级冷却器 位号冷 1 0 2 以及润滑油半 成 晶出装置 冷却器 位号 冷 2 0 3 上 进行 三 维 肋管 式 换热管束的试 用。这 2台冷却器 由于冷却面积不 足 ， 夏季经常需要在壳体 上喷淋大量 的冷水以降低 介 质温度 ， 既浪 费水 也 严 重影 响现 场 工作 环 境 。因 此 ， 决定 在不更换 壳 体 的情 况 下 应 用三 维 肋 管式 换 热 管束 。冷 1 0 2为进 口设 备 ， 型号 为 I K V一 3 0 ／ 3 6 6 ， 壳 程介质 为氢气 ， 壳 程体积流 量 7 6 0 0 1T I 。 ／ h 标 准状 态下 ， 管程介质为循环水。冷却器冷 2 0 3的型号为 F RH7 0 0 1 3 0 1 6 4 Ⅱ， 壳程介 质 为循 环 水 ， 管 程 介质 为润滑油半成 品， 管程质量流量 1 8 t ／ h 。2台设备 换热 管均 为正三 角形排 列 。2台冷 却器 的有关 技 术 参数 见表 1 。 以冷却器冷 1 0 2为例 ， 在冷却器壳体没有改变 的情 况下 ， 用 8 2根 1 9 mm2 mm 的不 锈 钢三 维 外肋 管替代 1 4 2根 1 2 mm3 mm 的铜 管 。若 按 01 9 mm2 mn 光管计算 ， 改造后的换热面积只是 改 造前换 热面 积 的 9 1 。而 按 照 01 9 mm2 mm 的不锈 钢三维 外肋 管计 算 ， 加 肋 后 的换 热 面积 是 改 造前换热面积 的 1 9 0 ， 换热面积几乎扩大了一倍 。 改造 后的 氢气 最 大 流速 是 改 造 前 氢 气 最 大 流 速 的 1 4 7 ， 流 速几乎 扩大 了 5 0 ； 改 造后 水 流通 截 面积 是改 造前水 流 通 截 面 积 的 3 6 0 ， 流通 截 面积 几 乎 扩 大 了2 ． 5 倍 。 设 备运行 的实 践 也证 明 ， j维 肋 管式 冷却器投用后效果非常好 ， 完全达到了预期 目标 。 表 1冷却器技术 参数 设 备位 号 冷 1 0 2 冷 2 0 3 换热管肜式 换热管规格／ minx mm 换热管数量／ 根 换热管材质 壳程介质入口温度／ ℃ 壳程介质出口温度／ ／ C 管程介质人u温度／ ℃ 管程介质出口温度／ ℃ 肋宽／ m m 肋高／ ra m 肋 间距 ／ mm 肋数／ 肋 周 普通光管 i 维外肋普通光管 O1 23 1 9 2 D2 5 2 ． 5 1 4 2 8 2 2 5 6 铜管1 8 8不锈钢 2 O钢 1 1 5 1 1 5 3 2 5 4 3 8 3 4 6 3 2 8 2 2 0 0 4 0 4 0 7 0 1 ． 2 5 ≥ 2 ． 5 5 1 ． 5 2 4 4 结 语 三维肋管式换热设备在润滑油加氢精制装置中 的成功应用说明其具有很大的优势 ， 随着节能减排 的实施 ， 笔 者建议 在 石 化行 业 中积极 推 广 使 用三 维 肋 管 ， 尤其是 在 以下情况 ①工 艺介 质 比较 清洁 的场 所 。②扩能 改造 项 目中换热 面积 不足需更 新冷换 设 备时 ， 可采用 肋 管式 芯 子 ， 既 能满 足 工 艺需 要 ， 也 可 以节 约资金 。③ 安 装位 置 受 空 间 限制 的 场所 ， 在 同 等换 热面 积 的情 况 下 ， 三维 肋 管 式换 热 器 占地 比普 通 列管式 换热器 占地 小得 多 。 参考文献 [ 1 ] 化工厂机械手册 编辑委员会． 化工厂 机械手册 ， 化工设备 的 维护检修分册 [ M] ． 北京 化学工业出版社 ， l 9 8 9 ． [ 2 ] 贺运初， 潘树林． 新型 u形管换热器的结构特点及应用[ J ] ． 石 油化工设备 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 7 5 7 7 ． [ 3 ] 汪光胜 ， 周建新 ． 板壳式换热 器在歧化装 置中的选用[ J ] ． 石油 化工设备 ， 2 0 0 8 ， 3 7 5 8 6 8 7 ． [ 4 ] 周建新 ， 宋秉棠 ， 陈韶范， 等． 钛板 壳式换热器及 其在常压塔顶 的应 用[ J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 0 6 ， 3 5 4 4 6 4 7 ． [ 5 ] 赵文阁， 韩新春． 套管式列管换热 器[ J ] ． 石油化工设 备， 2 0 0 8 ， 3 7 增 6 2 6 4 ． [ 6 ] 陈俊． 板翅式换热器在天然 气处理装置中的应用 与故障诊断 E J ] ． 石油化工没备 ， 2 0 0 8 ， 3 7 2 6 4 6 7 ． [ 7 ] 魏超 ， 周丽纯． 热管换热器应 用中热管 问题 分析及对策[ J ] ． 石油化] 设备， 2 0 0 7 ， 3 6 3 8 7 9 O ． [ 8 ] 李建 国， 白建军 ， 向 凯． 空冷式换 热器翅片 管腐蚀失 效分析 [ J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 0 8 ， 3 7 增 6 7 6 9 ． 张编 一 ～ 娜 蝴 船 撇 一 ～ ∞ 三 p 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m