缠绕式换热器节能特点分析

刘克安

中国石油化工股份有限公司天津分公司工程部 天津 300271

缠绕式换热器节能特点分析

刘克安

中国石油化工股份有限公司天津分公司工程部 天津 300271

中石化天津分公司芳烃装置是上世纪70年代末从日本挥发油公司引进的，采用美国UOP分离技术生产对二甲苯（PX）。为了更好的降低装置的能耗，提高经济效益，在芳烃装置歧化反应进料用高效的缠绕管式换热器代替换热效果较差的U型管式换热器，原来“U”型管式歧化反应进出料换热器热端温差为87℃，缠绕管式换热器歧化反应进出料热端温差降低为30℃，使换热效率提高了30%以上，每年实际节约燃气可达1245.6t，年创直接效益580万元以上。

缠绕管式换热器 高效换热 岐化反应

1 歧化工艺流程及“U”型管式换热器分析

1.1 歧化工艺流程简介

芳烃部芳烃装置歧化反应进料工艺路线为来自歧化进料储罐（TK-501）的甲苯料与重整装置的补充氢气混合后，一同送歧化混合进料换热器（E-505A/B/C/D）壳程，与走管程的歧化反应器出料进行换热升温后，再由反应进料加热炉（H-501）进一步加热，升温至歧化反应所需温度后，进入歧化反应器（R-501）。采用串联式换热器进行热量交换，见表1。

1.2 “U”型管式换热器换热效率较低

1.2.1 目前歧化反应进出料换热器热端温差为87℃（见表2），热端温差（即为热流入口温度－冷端出口温度）可以看出目前歧化反应进出料换热器（E-505A/B/C/D）换热效率较低，两种物料没有进行充分的热交换，导致部分反应热量没有利用，热损失较大。

1.2.2 设备占地空间大，“U”型管式换热器的安装方式为地面，两台为一组上下布置，占地面积达60m2左右，管壳材质分别为高温合金钢STBA23-SC和A204GrA。已经使用30a，到了更换备台的周期，所以更换为缠绕式换热器经济上为最佳机会。

从表2中可以看出，歧化反应为放热反应，其反应温升为（463-448）15℃。根据上表目前歧化反应进出料换热器热端温差为（466-379）87℃，按照通常衡量换热器好坏的其中一个判断标准，即热端温差（即为热流入口温度－冷端出口温度）可以看出目前歧化反应进出料换热器E-505A/B/C/D共计4台处于较低技术运行水平，潜热较高利用价值大，因此具有较大的节能改造空间。

表1 “U”型管换热器的参数

表2 现场检测操作参数

2 新型的缠绕式换热器的特点及性能

2.1 缠绕式换热器的特点

（1）缠绕式换热器具有结构紧凑较大单位容积传热面积的特点，单位容积传热面积是普通换热器的2倍以上。对管径为8～21mm的传热管，每m3容积的传热面积可达100～170m2；而普通列管式换热器，每m3容积的传热面积只有54～77m2，是绕管式换热器的45%左右。

（2）绕管式换热器层与层之间换热管反向缠绕，这种特殊结构极大地改变了流体流动状态，形成强烈的湍流效果，湍流状态更强烈，提高了换热系数，减小了传热面积，以最少的材料达到最佳的换热效果，同时考虑压降和换热系数的最佳组合关系，以最小的压降达到最好的换热效果即高效换热[1]。

表3 歧化进料缠绕式换热器(E-505)设计参数

（3）缠绕管式换热器由于管端存在一定长度的自由弯曲段，因而具有很好的挠性，传热管的热膨胀可部分自行补偿，减轻了对管板焊接的应力影响，减少了管头与管板焊缝的泄漏可能性。同时，具有抗振动、耐高低温差大的特点，使用寿命可相对延长。

（4）介质温度端差小：由于其独特的螺旋缠绕结构，介质在换热管束中停留更长时间，换热更加充分,故冷热介质温度端差小，实际热端温差可达10℃左右[2]。

（5）高压下采用管道式八角垫自紧式密封，缠绕管换热器彻底改变了大型高压换热器的密封结构、提高了密封可靠性，保证了装置安稳长周期运行；绕管结构采用换热管与壳体组合结构，耐压性能好，具备在22MPa下使用。

（6）管内介质以螺旋方式通过，壳程介质逆流横向交叉通过绕管，避免了螺纹锁紧环折流板结构换热器在折流板背面存在的换热死区和垢物积聚沉淀，因此介质流畅、不存在换热死区；同时流体在相邻管之间、层与层之间不断地分离和汇合，使壳体侧流体的湍流加强，减少层流，降低了壁面附着的可能性、换热器结垢倾向低。

（7）缠绕管结构可以满足多种介质同时换热的要求，与板式换热器相比，通过调整管间距、层差距可以使介质流动阻力仅十多kPa，达到板式换热器的阻力降水平，而且对于各种介质之间不存在压差限制的要求、优于板式换热器，在同等条件下，适当调整结构参数仅略增大换热器直径即可采用缠绕管式换热器替代进口设备、打破国外技术垄断，且降低了工艺介质的操作难度。

（8）设备重量小、占地少、配管简单、安装检维修便捷、设备投资相对较低。

（9）缠绕管结构避免了大型管箱等大型锻件的生产加工，降低了主要材料因生产厂家少、进口、生产能力不足等导致的长周期，从而有效缩短整个设备的制造周期。

2.2 缠绕式换热器的性能要求

根据芳烃装置歧化反应的现场设备布置空间和工艺要求，按照热交换的技术参数计算所需的设备换热面积，采用一台立式缠绕式换热器替代四台“U”型管式换热器。

表4 换热器实际进出料温度参数

2.3 改造后换热器工况

芳烃装置将歧化反应器的4台进出料换热器更换为1台高效能新式缠绕式换热器后，由于管内介质的螺旋运动、壳程介质的横向错流，使得换热器传热性能得到非常好的加强，换热系数较高，换热效果得到很大的提高。

从表3、4中可以看出，进出料换热器改用缠绕管式换热器后进料和出料的设计温差为25℃（463/448℃），由于实际工况发生了变化，进料（壳程/管程）为440/27℃，出料（壳程/管程）为65/410℃，实际得到的温差为30℃。改造前后对比，改造前（壳程/管程）进出料温差为87℃（466/379），则改造后（壳程/管程）进出料温差为30℃（440/410）。

3 结论

（1）换热效果明显提高，物料反应热量得到了较充分的利用。通过运行观察，当初所提供给缠绕式换热器的设计进出料量和操作温度与实际运行的参数存在一定的偏差，壳程和管程的进出料温度为440/410℃，差值为30℃。

表5 燃料气消耗年统计表

（2）燃料气消耗明显降低。根据装置加热炉消耗的燃气量统计，投用后可节约燃料气155.7kg/hr，按年运行8000hr计算，共可节约燃料气1200t以上。以2010年燃料气均价4642元/t计算（不含税），可节省燃料气费用500万元/a以上。一年半的运行时间即可收回全部投资。

1 《换热器设计手册》钱颂文主编.

2 《换热器》兰州石油机械研究所主编.

TE969

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1672-9323（2011）06-0078-02

2011-09-11)