嚴(yán)政 王儉 曾穎群

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

全錯(cuò)流X型換熱器的設(shè)計(jì)與運(yùn)用

嚴(yán)政 王儉 曾穎群

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

對(duì)X型換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，充分分析其優(yōu)缺點(diǎn)，將其優(yōu)點(diǎn)運(yùn)用到特定換熱器的設(shè)計(jì)中。對(duì)大氣量的換熱器特別是壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器的設(shè)計(jì)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(yīng)用于化工、石油化工、動(dòng)力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕工等行業(yè)的一種通用設(shè)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(guò)熱器、廢熱鍋爐；若按其傳熱方式和結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)中，管殼式換熱器是應(yīng)用最廣泛的一種換熱器類型[1-4]。

在美國(guó)，管殼式換熱器是依據(jù)TEMA規(guī)范進(jìn)行分類和設(shè)計(jì)；在我國(guó)則是按照GB/T 151—2014熱交換器進(jìn)行分類和設(shè)計(jì)。與TEMA相比，我國(guó)的GB/T 151—2014取消了穿流殼體X型換熱器。雖然在國(guó)標(biāo)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(shì)[1-4]。

1 X型殼體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

評(píng)價(jià)一個(gè)換熱器設(shè)計(jì)得是否合理，除了看傳熱面積夠不夠，還需要評(píng)判其綜合性能，包括傳熱效率、管殼側(cè)阻力降、振動(dòng)報(bào)告設(shè)備尺寸以及經(jīng)濟(jì)性等。換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部流體的流動(dòng)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(jié)構(gòu)與其他管殼式換熱器管束結(jié)構(gòu)相似，但沒有折流板，完全靠支撐板來(lái)固定換熱管，避免振動(dòng)。適用于殼側(cè)大流量、低壓降的情況，配合低翅片管可進(jìn)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(jìn)入殼體后直接沿著支撐板向出口流動(dòng)，故在殼側(cè)只有Cross fl ow 而沒有Window fl ow，一般在殼側(cè)設(shè)分布器或多個(gè)進(jìn)口來(lái)保證殼側(cè)物流進(jìn)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(jié)構(gòu)對(duì)比見表1。

表1 E、J、X三種殼體結(jié)構(gòu)對(duì)比Tab. 1 Comparing of different type shell

2 實(shí)例運(yùn)用

國(guó)內(nèi)某分離裝置的大型氣體壓縮機(jī)是整個(gè)裝置最重要的設(shè)備同時(shí)也是能耗最大的設(shè)備，在各段出口壓力固定的情況下，降低其各級(jí)間的阻力降，可以有效地降低壓縮機(jī)二段和三段所需的功率。壓縮機(jī)二段和三段功率下降，二段、三段后冷器的熱負(fù)荷也就相應(yīng)降低。表2、表3是通過(guò)Aspen模擬得出的級(jí)間冷卻器阻力降分別對(duì)壓縮機(jī)功率及后冷器熱負(fù)荷的影響，可以明顯地看出：級(jí)間冷卻器的阻力降越小，整個(gè)壓縮機(jī)所需總功率越小，后冷器總的熱負(fù)荷也越小。因此，設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的，就是盡量減小各級(jí)間冷卻器的壓降。

表2 各級(jí)間換熱器阻力降對(duì)壓縮機(jī)功率的影響Tab. 2 Effect of inter-stage pressure drops on compressor power

表3 各級(jí)間換熱器阻力降對(duì)換熱器熱負(fù)荷的影響Tab. 3 Effect of inter-stage pressure drops on heat exchanger duty

本文介紹該壓縮機(jī)一段后冷器的設(shè)計(jì)過(guò)程。原料氣在經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)一級(jí)壓縮后壓力仍只有1.7 bar，導(dǎo)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(dá)32 833.3 m3/h，反應(yīng)氣在換熱器殼側(cè)流速很快達(dá)到42.5 m/s，換熱管振動(dòng)劇烈、壓降很大，要解決這些問(wèn)題只能放大換熱器尺寸，但由于受到占地面積及設(shè)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(tái)后冷器中設(shè)計(jì)難度最大的。

在設(shè)計(jì)該換熱器時(shí)，首先參考此前已成功運(yùn)行的類似分離項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。在該項(xiàng)目中此換熱器采用的是J21型殼體。其分流式的殼體相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的E型換熱器。根據(jù)HTRI計(jì)算，采用J21型殼體單臺(tái)換熱器尺寸在φ1 800×6 000 mm時(shí)換熱面積、管殼側(cè)阻力降均滿足要求。此時(shí)卻碰到一個(gè)問(wèn)題：參考項(xiàng)目的循環(huán)冷卻水規(guī)定進(jìn)水溫度為30 ℃、回水溫度為37 ℃；而本項(xiàng)目因?yàn)榈靥幧衬?，水源緊張，所以項(xiàng)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(shè)計(jì)該換熱器時(shí)自然要充分利用循環(huán)冷卻水的10 ℃溫差，來(lái)降低循環(huán)冷卻水的消耗，而壓縮機(jī)一段后冷器需要將反應(yīng)氣冷卻到38 ℃，此時(shí)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(shè)計(jì)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(wèn)題，可將冷卻水回水溫度設(shè)定為37 ℃來(lái)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(shí)，其殼程只能有一個(gè)入口，反應(yīng)氣的大流量使得單臺(tái)E型換熱器振動(dòng)劇烈、壓降也無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的要求，只能考慮并聯(lián)多臺(tái)換熱器。而根據(jù)計(jì)算需要，并聯(lián)4臺(tái)φ1 200×4 000 mm的換熱器才能消除振動(dòng)滿足壓降要求，這大大增加了占地面積，且同樣無(wú)法解決溫度交叉現(xiàn)象。

最后我們以X型殼體進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。X型殼體殼側(cè)可以設(shè)置多個(gè)口，有效地分擔(dān)了入口流量，全支撐板結(jié)構(gòu)也能在很大程度上降低換熱管振動(dòng)，但單臺(tái)X型換熱器同樣無(wú)法解決溫度交叉。為解決溫度交叉問(wèn)題，設(shè)計(jì)將單個(gè)X型換熱器拆成兩臺(tái)管殼側(cè)串聯(lián)的換熱器，串聯(lián)雖然會(huì)增加殼側(cè)阻力降，但X型殼體由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)本身的壓降就很小，兩臺(tái)串聯(lián)殼側(cè)壓降也只有6.2 kPa，遠(yuǎn)低于其他殼體的壓降。圖5是串聯(lián)的兩個(gè)殼體溫度分布圖，有效地避免了溫度交叉。

兩臺(tái)換熱器殼側(cè)串聯(lián)如果在同一平面上會(huì)增加占地面積。考慮到管側(cè)和殼側(cè)進(jìn)出口均可以對(duì)稱設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，采用上下管口對(duì)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(shè)計(jì)問(wèn)題均得到解決。

表4 計(jì)算結(jié)果Tab. 4 Results of calculations

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三種殼體的計(jì)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(shè)計(jì)要求，且其相對(duì)較小的設(shè)備尺寸以及可以重疊布置的特點(diǎn)也大大減少了占地面積，同時(shí)還降低配管及施工的難度，較輕的設(shè)備重量也能降低換熱器的制造成本。

最后計(jì)算得出采用X型結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器殼程壓降為6.204 kPa， 將此壓降代入壓縮系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，整個(gè)壓縮系統(tǒng)可以節(jié)約能耗284 kW。對(duì)比三種殼體在壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器上運(yùn)用的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jí)間冷卻器。

圖5 串聯(lián)的X型換熱器兩個(gè)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(shè)計(jì)手冊(cè)[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(shè)計(jì)手冊(cè)[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(yán)政 （1987—）， 男，工程師，主要從事乙烯、烯烴分離領(lǐng)域工藝設(shè)計(jì)。