換熱器設計中無相變溫度交叉問題的技術措施

邴柳潔

(北京石油化工工程有限公司,北京 100107)

換熱器是廣泛用于石油化工等行業一種通用設備,主要進行熱量的傳遞。在石化行業,其主要目的是使物料達到規定的工藝溫度以及實現能量的回收和利用。換熱器各種流體的流動形式直接影響傳熱效果的好壞,相對流動形式都可以近似地看成逆流、并流、錯流三種形式的不同組合[1-2]。流動形式不同溫度變化規律不同,工業上,我們應避免溫度交叉的同時,還應保證傳熱有足夠的溫差推動力,除此之外,還應考慮設備制造的經濟性。羅明輝等[2]以某烴類氣體混合物的冷卻過程為例,分析了換熱器的溫度交叉和逆向傳熱問題。作者最先使用單殼程、雙管程結構的換熱器,結果表明在換熱器的第1管程冷、熱物料呈并流形式流動。在第2管程冷、熱物料呈逆流形式流動,這樣可以使兩端的換熱溫差比較接近,進而使得對數平均溫差最大。接下來,作者使用管、殼側均為單程的換熱器,結果表明雖然冷物料出口溫度高于熱物料出口溫度,但此時冷物料出口遠離熱物料出口,所以不會存在熱交換,故而該種型式的換熱器可以允許存在冷物料的溫度交叉。談沖等[3]通過工程實例,指出單程順流或逆流型換熱器改為多管程時應充分注意溫度交叉這種現象,其先是使用溫度效率(P)及熱容量比(R)列線圖法計算出該折流型換熱器存在溫度交叉問題,證明了雖然將BES改為BEU,換熱面積增加了一倍,而BEU方案因溫度交叉問題,使得推動力幾乎為零,故并達不到工藝操作溫度。接下來,作者通過改變冷熱流體進出口溫度、保持總傳熱系數K值不變等方式,使用傳熱效率(ε)-傳熱單元數法(NTU)來驗證自己的結論,進一步證明了只要存在溫度交叉問題,在增加傳熱面積后,雖然可以提高處理量、傳熱量,但是對于溫度來說,依舊無法滿足工藝要求。

值得注意的是,換熱器內部流體的流動形式,還與接管位置有關,這直接影響了對數平均溫差,我們一般默認為冷流體下進上出、熱流體上進下出、管側氣體軸向進出等,在設計工作中,要結合工藝要求并考慮工程實際。除此之外,談沖[4]等也在設計中指出,換熱器設計中要考慮冷熱流體進出口接管方位,應避免兩流體在同一端,工藝若對流體終溫無特殊要求,一般宜采用逆流傳熱方式而不是并流方式。

如上所述,是否因存在溫度交叉就不采用多管程換熱器了呢?若需要采用多管程,該如何盡量避免溫度交叉?通過一個工程實例,分別采用單管程、單殼程和多管程、單殼程的兩種方案,來解決上述問題,最后綜合考慮經濟實用性,給出最佳設計方案。項目背景如下:某公司輕油加工裝置脫乙炔/氧反應器進出口,為滿足工藝要求,需設計一臺換熱器,管殼側進出口均為氣相即整個過程無相變,要求該換熱器能夠平穩運行。經計算,該換熱器左側端部溫差為18.74 ℃,溫度條件苛刻,設計過程中應避免溫度交叉,基于工程實際,還應考慮經濟實用性。該換熱器管殼側污垢系數分別為0.000 5,0.000 4 m2·kW,還應便于換熱器抽芯及殼程檢修清理;殼程進出口溫度分別為48,213 ℃,管程進出口溫度分別為213.6,69.9 ℃,溫差較大,還應注意溫差應力問題。

1 技術方案

1.1 技術背景

已知的工藝參數為:管殼側允許壓力降分別為0.007,0.04 MPa;管殼側設計溫度分別為260,280 ℃;管殼側設計壓力均為1.95 MPa;整個傳熱過程均為氣相,即無相變。冷熱流體物性參數均已知,具體如表1～2。

表1 熱流體進出口物性

表2 冷流體進出口物性

1.2 熱量衡算

殼程:

Qc=Wc(T2-T1)

(1)

CP=99 770×165×2.289=3.77×107 kJ/h

(2)

管程:

Qh=Wh(t1-t2)

(3)

(4)

綜上所述,熱量的平衡的。傳熱若想順利進行,那就需要有足夠的推動力。

1.3 傳熱溫差計算

1)在相同條件下,純逆流情況下,傳熱溫差最大。故該換熱器的設計應優先考慮1管程、純逆流的情形。

我們直接使用對數平均溫度差公式[1]進行求解。

△t1=T2-T1=213-48=165 ℃

(5)

△t2=t1-t2=213.6-69.9=143.7 ℃

(6)

(7)

其中△t1為殼程流體溫差,△t2為管程流體溫差,△tm為對數平均溫差。

(8)

令溫度效率為P,熱容量比為R。可根據對數平均溫差校正系數算圖即P-R列線圖查得?△t,在換熱器設計過程中?△t值應大于0.8,若該值過小,經濟上不合理[2-4]。

(9)

(10)

(11)

(12)

很顯然,P=0.996>0.626,這說明方程(9)無解,在P-R列線圖中無法查到?△t,說明存在溫度交叉。

綜上所述,該臺換熱器不推薦使用2管程以上型式,1管程為最佳選擇。初步判斷,若強行使用2管程以上型式,只能采取多臺串聯的方法來避免溫度交叉問題,使流體的流動無限接近于純逆流。

1.4 換熱器型式的選擇

由于殼程溫差為165 ℃,管程溫差為143.7 ℃,由此可見會存在溫差應力問題,初步選擇T型。雖然S和T型均可解決溫差應力問題,但根據GB/T 151—2014,S型最少只能做到2管程。

除此之外,根據GB/T 151—2014,U型最少只能做到2管程。管殼側污垢系數分別為0.000 5,0.000 4 m2·kW,管殼側還應滿足機械清洗要求,所以不選擇U型管式。

綜上所述,初步判斷T型1管程為最佳方案。

2 結果與討論

2.1 方案-AET型1管程3臺串聯

2.1.1 解決溫度交叉問題

圖1為該換熱器在此設計方案下的操作線,圖2為該換熱器在此設計方案下的串聯示意圖。根據工藝要求,冷流體走殼程,熱流體走管程。接管方位規定管側熱流體上進下出,管側兩接管異側布置;殼側冷流體下進上出,殼側兩接管也異側布置,具體見圖3。由圖1可知,殼程冷流體升溫過程與管程熱流體降溫過程均獨立進行,兩條直線平行,不存在溫度交叉。由圖2可知,1管程3臺串聯情形下,冷熱流體以純逆流的形式流動[2],殼程冷流體的溫度變化過程為:48→104.944→160.287→213 ℃;管程熱流體的溫度變化過程為:213.6→179.989→125.759→69.9 ℃。

圖1 AET型換熱器操作線

圖2 AET 1管程3臺串聯示意圖

T1a,b,c為管程進口,T2a,b,c為管程出口,S1a,b,c為殼程進口,S2a,b,c為殼程出口,V1,2,3為殼程放空口,D1,2,3為殼程放凈口,V4為管程放空口,D4,5為管程放凈口。圖3 AET 1管程 3臺串聯型式下的換熱器設計簡圖

2.1.2 結構設計

AET型為平蓋管箱、可抽式浮頭,還可以解決由于管殼側溫差過大產生的溫差應力問題,可滿足管內機械清洗以及殼程清洗要求[10]。基于已知的工藝參數,使用HTRI換熱器專業工程設計軟件[5-7],對AET進行結構設計[10],圖3為該換熱器簡圖,表3為具體結構參數。

表3 AET型結構設計參數

2.2 方案二 AES型2管程8臺串聯

2.2.1 解決溫度交叉問題

2管程,混合流傳熱[8-9],端部溫差為18.74 ℃,溫度條件苛刻,存在溫度交叉溫度,經計算,只有8臺串聯才能避免此情況。圖4為該換熱器在此設計方案下的操作線,圖5為該換熱器在此設計方案下的串聯示意圖,在該條件下,8臺串聯使得流體的流動無限接近于逆流。

圖4 AES型換熱器操作線

圖5 AES型2管程8臺串聯示意圖

2.2.2 結構設計

基于工藝條件,對該方案進行結構設計。表4為AES型結構設計參數,圖7為單臺AES結構示意圖以表明管口方位,如圖所示管殼側接管均為異側布置,管程熱流體上進下出,殼程冷流體下進上出。雖然S型可以解決溫差應力問題,滿足管殼側機械清洗的需求,但8臺串聯,設備造價太大,經濟性差,現場設備安裝困難。圖6為GB/T 151—2014中,AES型換熱器的設備簡圖。

圖6 AES型換熱器設備簡圖

圖7 AES 2管程 8臺串聯型式下的換熱器設計簡圖

表4 AES型結構設計參數

圖6中32為換熱管,59為殼體,44為膨脹節,11為折流板,15為支持板,42為分程隔板。其他零部件名稱詳見GB/T 151-2014“表6-1 管殼式熱交換器零部件及名稱”。由圖6可以看出,AES為平蓋管箱、勾圈式浮頭型式,管束一端可活動,即可抽芯檢修,但該型式最少只能做到2管程。

圖7中,T1為管程進口,T2為管程出口,S1為殼程進口,S2為殼程出口,V1為殼程放空口,D1為殼程放凈口,應特別注意管殼側接管方位的布置。

對比兩個方案,從傳熱面積角度來看,方案一3臺串聯,總傳熱面積5 467.5 m2,單臺換熱器尺寸為7 500×2 000,方案二8臺串聯,總傳熱面積6 282.3 m2,單臺換熱器尺寸為6 000×2 200。方案一需要的換熱器臺數少,可以在相對較小的傳熱面積下,達到工藝溫度,而方案二換熱器臺數比方案一多增加5臺,這明顯地增加了設備造價。從管程壓降來看,由于換熱器臺數的增多,方案二管程計算壓降為0.036 4 MPa,而方案一管程計算壓降僅有0.007 MPa。從設備結構來看,由于方案二8臺串聯需要考慮殼程壓降需滿足工藝要求,故只能采用窗口不布管的型式,每塊折流板之間還需均布2塊支撐,共10塊支撐,以滿足GB/T 151—2014無支撐最大跨距要求,以防換熱管振動。而方案一只需要普通的單弓型折流板,垂直布置即可,故方案二較方案一在結構上也更加復雜,造價更高。綜上所述,無論是從傳熱角度還是從設備造價角度,方案一是最優解。

3 結論

1)使用兩種方案解決溫度交叉問題,方案一為采用1管程3臺串聯的型式,1管程保證了工藝介質以純逆流的形式流動,該情況下不存在溫度交叉問題且傳熱推動力最大。方案二為采用2管程8臺串聯的型式,2管程情形下,工藝介質折流、錯流并存,流動復雜,為使無限接近于純逆流的理想狀態,只能采用串聯、增加換熱器臺數的方法,但該方案在工程上造價太高,不推薦使用。

2)T、S型換熱器適用于管殼側溫差較大、管殼側有機械清洗需求的場景。值得注意的是,T型可做1管程使用而S型一般做多管程使用。