全錯流X型換熱器的設計與運用

嚴政 王儉 曾穎群

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

全錯流X型換熱器的設計與運用

嚴政 王儉 曾穎群

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

對X型換熱器的結構特點進行了介紹，充分分析其優(yōu)缺點，將其優(yōu)點運用到特定換熱器的設計中。對大氣量的換熱器特別是壓縮機級間冷卻器的設計具有一定的借鑒意義。

X型換熱器；壓降；溫度交叉

換熱器是廣泛應用于化工、石油化工、動力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)的一種通用設備。換熱器的種類繁多，按工藝功能分類可分為冷卻器、加熱器、再沸器、冷凝器、蒸發(fā)器、過熱器、廢熱鍋爐；若按其傳熱方式和結構進行分類可分為套管式換熱器、管殼式換熱器、板式換熱器、液膜式換熱器及其他型式。在眾多類型的換熱器結構中，管殼式換熱器是應用最廣泛的一種換熱器類型[1-4]。

在美國，管殼式換熱器是依據(jù)TEMA規(guī)范進行分類和設計；在我國則是按照GB/T 151—2014熱交換器進行分類和設計。與TEMA相比，我國的GB/T 151—2014取消了穿流殼體X型換熱器。雖然在國標中被取消，但是在特定工藝流程里X型換熱器仍然具有其他殼體所不具備的優(yōu)勢[1-4]。

1 X型殼體結構特點

評價一個換熱器設計得是否合理，除了看傳熱面積夠不夠，還需要評判其綜合性能，包括傳熱效率、管殼側(cè)阻力降、振動報告設備尺寸以及經(jīng)濟性等。換熱器內(nèi)部結構、內(nèi)部流體的流動狀態(tài)是影響換熱器綜合性能的重要因素。

X型殼體的管束結構與其他管殼式換熱器管束結構相似，但沒有折流板，完全靠支撐板來固定換熱管，避免振動。適用于殼側(cè)大流量、低壓降的情況，配合低翅片管可進一步提高換熱器效率，減小換熱器尺寸。物流從殼側(cè)入口進入殼體后直接沿著支撐板向出口流動，故在殼側(cè)只有Cross fl ow 而沒有Window fl ow，一般在殼側(cè)設分布器或多個進口來保證殼側(cè)物流進入殼體后能均勻分布，如圖1所示。

圖1 X型換熱器殼側(cè)流體分布Fig. 1 Flow distribution of X-type shell

X型殼體與其他常用殼體的結構對比見表1。

表1 E、J、X三種殼體結構對比Tab. 1 Comparing of different type shell

2 實例運用

國內(nèi)某分離裝置的大型氣體壓縮機是整個裝置最重要的設備同時也是能耗最大的設備，在各段出口壓力固定的情況下，降低其各級間的阻力降，可以有效地降低壓縮機二段和三段所需的功率。壓縮機二段和三段功率下降，二段、三段后冷器的熱負荷也就相應降低。表2、表3是通過Aspen模擬得出的級間冷卻器阻力降分別對壓縮機功率及后冷器熱負荷的影響，可以明顯地看出：級間冷卻器的阻力降越小，整個壓縮機所需總功率越小，后冷器總的熱負荷也越小。因此，設計時首先要考慮的，就是盡量減小各級間冷卻器的壓降。

表2 各級間換熱器阻力降對壓縮機功率的影響Tab. 2 Effect of inter-stage pressure drops on compressor power

表3 各級間換熱器阻力降對換熱器熱負荷的影響Tab. 3 Effect of inter-stage pressure drops on heat exchanger duty

本文介紹該壓縮機一段后冷器的設計過程。原料氣在經(jīng)過壓縮機一級壓縮后壓力仍只有1.7 bar，導致氣體密度只有3 kg/m3，正常流量卻有98.5 t/h，體積流量高達32 833.3 m3/h，反應氣在換熱器殼側(cè)流速很快達到42.5 m/s，換熱管振動劇烈、壓降很大，要解決這些問題只能放大換熱器尺寸，但由于受到占地面積及設備制造成本的限制，換熱器又不可能做得很大。因此一段后冷器是三臺后冷器中設計難度最大的。

在設計該換熱器時，首先參考此前已成功運行的類似分離項目的設計。在該項目中此換熱器采用的是J21型殼體。其分流式的殼體相當于兩個并聯(lián)的E型換熱器。根據(jù)HTRI計算，采用J21型殼體單臺換熱器尺寸在φ1 800×6 000 mm時換熱面積、管殼側(cè)阻力降均滿足要求。此時卻碰到一個問題：參考項目的循環(huán)冷卻水規(guī)定進水溫度為30 ℃、回水溫度為37 ℃；而本項目因為地處沙漠，水源緊張，所以項目規(guī)定的循環(huán)冷卻水出水溫度為30 ℃、回水溫度為40 ℃。在設計該換熱器時自然要充分利用循環(huán)冷卻水的10 ℃溫差，來降低循環(huán)冷卻水的消耗，而壓縮機一段后冷器需要將反應氣冷卻到38 ℃，此時就產(chǎn)生了溫度交叉現(xiàn)象，影響換熱效率。圖2、圖3、圖4為冷卻水出口溫度為40 ℃情況下，分別按E型、J型、X型三種殼體設計的換熱器管殼側(cè)溫度分布圖。由圖可以很明顯地看出換熱器局部存在溫度交叉現(xiàn)象。要解決此問題，可將冷卻水回水溫度設定為37 ℃來避免溫度交叉，但這樣循環(huán)冷卻水只用了7 ℃溫差，循環(huán)冷卻水的消耗量將增加42.9 %，極大地增加了能耗。

圖2 E型殼體管殼側(cè)溫度分布Fig. 2 Bulk temperature map of E-type shell

圖3 J型殼體管殼側(cè)溫度分布Fig. 3 Bulk temperature map of J-type shell

圖4 X型殼體管殼側(cè)溫度分布Fig. 4 Bulk temperature map of X-type shell

若采用常規(guī)的E型殼體時，其殼程只能有一個入口，反應氣的大流量使得單臺E型換熱器振動劇烈、壓降也無法滿足設計的要求，只能考慮并聯(lián)多臺換熱器。而根據(jù)計算需要，并聯(lián)4臺φ1 200×4 000 mm的換熱器才能消除振動滿足壓降要求，這大大增加了占地面積，且同樣無法解決溫度交叉現(xiàn)象。

最后我們以X型殼體進行模擬計算，計算結果見表4。X型殼體殼側(cè)可以設置多個口，有效地分擔了入口流量，全支撐板結構也能在很大程度上降低換熱管振動，但單臺X型換熱器同樣無法解決溫度交叉。為解決溫度交叉問題，設計將單個X型換熱器拆成兩臺管殼側(cè)串聯(lián)的換熱器，串聯(lián)雖然會增加殼側(cè)阻力降，但X型殼體由于其結構特點本身的壓降就很小，兩臺串聯(lián)殼側(cè)壓降也只有6.2 kPa，遠低于其他殼體的壓降。圖5是串聯(lián)的兩個殼體溫度分布圖，有效地避免了溫度交叉。

兩臺換熱器殼側(cè)串聯(lián)如果在同一平面上會增加占地面積?？紤]到管側(cè)和殼側(cè)進出口均可以對稱設計的特點，采用上下管口對管口布置，如圖6所示。不僅減少了占地面積，還大大降低了配管難度，這樣所有的設計問題均得到解決。

表4 計算結果Tab. 4 Results of calculations

3 結論

通過對三種殼體的計算比較，不難發(fā)現(xiàn)，雖然X型換熱器在傳熱效率上比E型和J型低，但在壓降方面更能滿足設計要求，且其相對較小的設備尺寸以及可以重疊布置的特點也大大減少了占地面積，同時還降低配管及施工的難度，較輕的設備重量也能降低換熱器的制造成本。

最后計算得出采用X型結構的壓縮機級間冷卻器殼程壓降為6.204 kPa， 將此壓降代入壓縮系統(tǒng)進行模擬計算，整個壓縮系統(tǒng)可以節(jié)約能耗284 kW。對比三種殼體在壓縮機級間冷卻器上運用的優(yōu)缺點，不難發(fā)現(xiàn)X型換熱器比其他型式的換熱器更適用于大氣量的級間冷卻器。

圖5 串聯(lián)的X型換熱器兩個殼體溫度分布Fig. 5 Bulk temperature map of X-type shell in series

圖6 串聯(lián)的X型換熱器重疊布置Fig. 6 Exchangers in series connected fl ange to fl ange

[1]GB/T 151—2014，熱交換器[S].

[2]錢頌文. 換熱器設計手冊[M]. 北京：化工工藝出版社，2002.8.

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

[4]尾花英郎. 熱交換器設計手冊[M]. 北京：烴加工出版社，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

嚴政 （1987—）， 男，工程師，主要從事乙烯、烯烴分離領域工藝設計。