傳熱設備在石油化工行業(yè)中的應用

1、第3章傳熱設備在石油化工行業(yè)中的應用下面，以換熱器在石油化工行業(yè)中的應用為例，簡要介紹其工作原理及傳熱過程。3.1換熱器換熱的工藝流程上去才壓縮機中=150mmV-101寸圖3-1換熱器換熱工藝流程3.2余熱回收余熱是指受歷史、技術、理念等因素的局限性，在已投運的工業(yè)企業(yè)耗能裝 置中，原始設計未被合理利用的顯熱和潛熱。它包括高溫廢氣余熱、冷卻介質余 熱、廢汽廢水余熱、高溫產品和爐渣余熱、化學反應余熱、可燃廢氣廢液和廢料 余熱等。根據(jù)調查，各行業(yè)的余熱約占其燃料消耗總量的17%67%,可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的 60%。3.3換熱器3.3.1簡介在煤化工、煉油等化工行業(yè)中，絕大多數(shù)化工

2、工藝過程中均需要加熱、冷卻 和冷凝過程，這些過程總稱為換熱過程。換熱過程的進行需要一定的設備來完成， 這些使產熱過程得以實現(xiàn)的設備就稱之為換熱設備。因為絕大部分的化學反應或傳質傳熱過程都與熱量的變化密切相關，如反應過程中有的放熱、有的吸熱，要維持反應的連續(xù)進行，就必須排除多余的熱量 或者補充所需的熱量，另外，一些化工過程產生多余的熱量可以用于需要熱量補 充的其他化工過程，既可回收熱量又可降低能耗。以上與熱量交換有個的過程都 需要換熱設備。換熱設備在化工、動力、原子能、冶金等多個行業(yè)都有著廣泛的 應用。3.3.2分類換熱器按照用途分類分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器；按照 冷熱流體的熱

3、量交換方式分為：直接接觸式、蓄熱式和間壁式，直接接觸式換熱 器是在工藝上允許的條件下直接將冷熱流體混合實現(xiàn)熱量交換，方便有效且結構簡單，常用于氣體的冷卻或者水蒸氣的冷凝。 蓄熱式換熱器主要由熱容量較大的 蓄熱室構成，室內填充耐火磚等填料，冷熱流體交替通過蓄熱室通過填料實現(xiàn)熱 交換，這種換熱器結構簡單、可耐高溫，適于氣體熱余量或者冷量回收，但其設 備尺寸較大，且冷熱流體會在某種程度上混合。間壁式換熱器是目前化工行業(yè)內 使用較為普遍的換熱器，該換熱器冷熱流體用某種導熱性能較好的材料分開，以 保證冷熱流體在不混合的條件下實現(xiàn)熱交換。3.3.3原理及特點 板式換熱器的構造原理、特點：板式換熱器由高效傳

4、熱波紋板片及框架組成。 板片由螺栓夾緊在固定壓緊板及活 動壓緊板之間，在換熱器內部就構成了許多流道， 板與板之間用橡膠密封。壓緊 板上有本設備與外部連接的接管。板片用優(yōu)質耐腐蝕金屬薄板壓制而成，四角沖 有供介質進出的角孔，上下有掛孔。人字形波紋能增加對流體的擾動，使流體在 低速下能達到湍流狀態(tài)，獲得高的傳熱效果。并采用特殊結構，保證兩種流體介 質不會用漏。 列管式換熱器的構造原理、特點：列管式換熱器（又名列管式冷凝器），按材質分為碳鋼列管式換熱器，不銹鋼列 管式換熱器和碳鋼與不銹鋼混合列管式換熱器三種，按形式分為固定管板式、浮 頭式、U型管式換熱器，按結構分為單管程、雙管程和多管程，傳熱面積1

5、500mz 可根據(jù)用戶需要定制。 管殼式換熱器的構造原理、特點：管殼式換熱器是進行熱交換操作的通用工藝設備。廣泛應用于化工、石油、石油化工、電力、輕工、冶金、原子能、造船、航空、供熱等工業(yè)部門中。特別是在 石油煉制和化學加工裝置中，占有極其重要的地位。換熱器的型式。 浮頭式換熱器的構造原理、特點：浮頭式換熱器具一端管板與殼體固定，而另一端的管板可以在殼體內自由浮動。殼體和管束對熱膨脹是自由的，故當兩種介質的溫差較大時，管束與殼體之間不 會產生溫差應力。浮頭端設計成可拆結構，使管束可以容易地插入或抽出，這樣 為檢修和清洗提供了方便。這種形式的換熱器特別適用于殼體與換熱管溫差應力 較大，而且要求殼

6、程與管程都要進行清洗的工況。 管式換熱器的構造原理、特點：DL加列管式換熱器利用熱傳導和熱輻射的原理，煙道氣通過管程與逆流通過殼 程的空氣進行能量交換，從而達到輸出潔凈熱空氣的目的。該換熱器結構緊湊， 運行可靠，列管采用耐高溫的薄壁波紋管，增加發(fā)傳熱面積和換熱效率。廣泛應 用于化工、制藥、輕工等行業(yè)廢氣余熱利用和空氣加熱。3.4影響間壁式換熱器性能的因素及強化措施3.4.1 影響間壁式換熱器傳熱性能的因素間壁式換熱器主要以熱傳導、 對流形式傳熱。但管壁導熱熱阻較小，對傳熱 影響不大，.影響其傳熱過程的因素主要來自對流傳熱過程，其中影響較大的有 以下幾方面。1流體的種類和相變：不同的液體、氣體或

7、蒸汽的對流傳熱系數(shù)都不相同， 牛頓型流體和非牛頓型流體也有區(qū)別。流體有相變的傳熱過程，其傳熱機理不同 于無相變過程，所以傳熱系數(shù)不同。2）流體的特性：對對流傳熱系數(shù)影響較大的流體物性有導熱系數(shù)、乳度、比 熱容、密度以及體積膨脹系數(shù)。對同一種流體，流體的物性不同，對流傳熱系數(shù) 亦不同。3）流體的流動狀態(tài)：由層流和湍流的傳熱機理可知，流體處于層流狀態(tài)，對 流傳熱系數(shù)較小，流體處于劇烈的湍流狀態(tài)時，對流傳熱系數(shù)大。4）流體流動的原因：按引起流動的原因分，對流傳熱分為自然對流和強制對 流。強制對流的傳熱系數(shù)較自然對流的傳熱系數(shù)大幾倍甚至幾十倍。5）傳熱面的形狀、位置和大?。簜鳠崦娴男螤睿ㄈ绻?、板、環(huán)隙

8、、翅片等卜傳 熱面方位和布置（水平或垂直放置，管束的排列方式等）及管道尺寸（如管徑和管長 等）都直接影響對流傳熱系數(shù)。6）流體的溫度:流體的溫度對對流傳熱的影響表現(xiàn)在流體溫度和壁面溫度之 差、流體物性隨溫度變化的程度以及附加自然對流等方面。止匕外，由于流體內部溫度分布不均勻，必然導致密度的差異，從而產生附加的自然對流，這種影響又 與熱流方向及管子排列情況等有關。止匕外，換熱器在實際操作中，傳熱表面上常有污垢積存，對傳熱產生附加 熱阻，所以生產用的換熱器要防止和減少污垢層的形成， 降低其對傳熱效果的影 響。3.4.2 間壁式換熱器傳熱過稱的強化路徑換熱器傳熱過程的強化就是力求使換熱器在單位時間內

9、，單位傳熱面積傳 遞的熱量盡可能增多。其意義在于：在設備投資及輸送功耗一定的條件下，獲得 較大的傳熱量，從而增大設備容量，提高勞動生產率；在設備容量不變的情況下使其結構更加緊湊，減少占地空間，節(jié)約材料，降低成本：在某種特定技術過程中使某些特殊工藝要求得以實施等。換熱設備傳熱計算的基本關系式揭示了換熱 設備的傳熱速率Q與總傳熱系數(shù)K、平均溫度差以及傳熱面積 A之間的關系。 因此，要使換熱設備的傳熱過程得到強化， 可以通過提高傳熱系數(shù)，增大換熱面 積和增大平均傳熱溫差來實現(xiàn)。3.4.2.1 增大傳熱面積A.增大傳熱面積，是指從設備的結構入手，通過改進傳熱面的結構來提高單 位體積的傳熱面積，而非靠增

10、大換熱器的尺寸 .使用多種高效能傳熱面，不僅使 傳熱面得到充分的擴展，而且還是流體的流動和換熱設備的性能得到相應的改 善。主要型式介紹如下：1）翅化面（肋化面）:用翅（肋）片來擴大傳熱面面積和促進流體的湍動，從而 提高傳熱效率，是最早提出的方法之一翅化面的種類和型式很多，用材廣泛，制造工藝多樣，翅片管式換熱器、板翅式換熱器等均采用此法強化傳熱。2）異形表面：用軋制、沖壓、打扁或爆炸成型等方法將傳熱面制造成各種凹 凸形、波紋形、扁平狀等，使流道截面的形狀和大小均發(fā)生變化。這不僅使傳熱表面有所增加，還使流體在流道中的流動狀態(tài)不斷改變， 增加擾動，減少邊界層 厚度，從而強化傳熱。3）多孔物質結構：將

11、細小的金屬顆粒燒結或涂敷于傳熱表面或填充于傳熱表 面問，以實現(xiàn)擴大傳熱面積的目的。4）采用小直徑管：在管殼式換熱器設計中，減小管子直徑，可增加單位體積 的傳熱面積。據(jù)測算，在殼徑為 100011以下的管殼式換熱器中，把換熱管直徑 由。改為.，傳熱面積可增加3濺以上。另一方面，減小管徑后，使管內湍流換 熱的層面內層減薄，有利于傳熱的強化。2.2增大平均溫度差。增大平均溫度差，可以提高換熱設備的傳熱效率。平均溫度差的大小主要取決于兩流體的溫度 條件和兩流體在換熱器中的流動形式?？梢詮囊韵聝煞矫嬖龃笃骄鶞囟炔睿阂皇窃诶淞黧w和熱流體進出口溫度一定時，利用不同的換熱面布置來改變平均溫度差 如盡可能使冷、

12、熱流體相互逆流流動，或采用換熱網絡技術，合理布置多股流體 流動與換熱；二是擴大冷、熱流體進出口溫度的差別以增大平均傳熱溫差。但此 法受生產工藝限制，不能隨意變動，只能在有限范圍內采用。3.4.2.2 提高總傳熱系數(shù)K。提高換熱設備的傳熱系數(shù)以增加換熱量， 是傳熱強化的重要途徑，也是當前 研究傳熱強化的重點.當換熱設備的平均傳熱溫差和換熱面積給定時，提高傳熱 系數(shù)將是增大換熱設備傳熱量的唯一方法。提高傳熱系數(shù)的方法大致可分為主動 強化（有源強化）和被動強化（無源強化）.主動強化：只需要采用外加的動力（如機械力、電磁力等）來增強傳熱的技 術。主要強化包括：對換熱介質做機械攪拌、使換熱表面震動或流體

13、振動、將電 磁場作用于流體以促使換熱表面附近流體的混合、將異種或同種流體噴入換熱介質或將流體從換熱表面抽吸走等技術。被動強化：指除了輸送傳熱介質的功率消耗外不再需要附加動力來增強傳熱 的技術。被動強化主要包括：涂層表面、粗糙表面、擴展表面、擾流元件、渦流 發(fā)生器、射流沖擊、螺旋管以及添加物等手段。由于主動強化傳熱技術要求外加 能量等因素的限制，工程中采用更多的是被動強化傳熱技術。3.4.2.3 小結總之，間壁式換熱器設計過程中要考慮盡可能多的影響因素，其中污垢的影響不容忽視，同時結合強化傳熱過程的方法，向尺寸小、重量輕、換熱能力大 的換熱器方向發(fā)展。另外，實際生產過程中，也要考慮換熱器使用的經

14、濟性和合 理性。強化傳熱要全面要全面考慮，不能顧此失彼，因此，在采取具體的強化措 施時，應對設備結構、制造費用、動力消耗、檢修操作等方面權衡考慮，以求得 經濟合理的方案。3.4.3 換熱器的技術經濟性分析以列管換熱器為例討論高溫大容量熱風爐用換熱器的換熱特性，找到采用兩級換熱的熱風爐合理分配換熱量的有效方法。在熱風爐中的列管換熱器常采用煙 氣為管程，被加熱空氣為殼程，即空氣在煙氣管外繞流進行換熱的方式。目前常用的列管換熱器大多采用多排鋼制光滑管作為換熱管，殼程的對流換熱系數(shù)按空氣繞流多排圓管束的對流換熱系數(shù)計算。列管換熱器的結構參數(shù) 如圖所示，采用48X3.5的無縫光滑鋼管400根，在空氣流方

15、向上為棋盤式布置， 且在平面上排成矩形。采用20X20的排列方式，列管換熱器總體上是叉流逆流 式。在入換熱器的空氣量V K = 26000m 3 / h ,煙氣量V y = 10000m 3 / h和煙氣溫度分別為1100, 1000c條件下，將空氣從0c加熱到200C,使用L MTD法對列管換熱器進行傳熱計算，換熱器管壁溫度都超過600 C o考慮到換熱器的壽命，取換熱器入口煙氣溫度 900C,由于其入口煙氣溫度受限制，列管 換熱器僅適用于作為單級換熱的低溫熱風爐或者采用兩級換熱的高溫熱風爐的 二級換熱部分。實踐中空氣入口溫度較低，取初始溫度t 1= 0, 100c的空氣進 入列管換熱器，當

16、空氣溫度升高到t 2時，計算溫差A t = t 2 t 1與空氣平 均每升高1 C所需的換熱面積(平均換熱面積)F/ (t 2 t 1 ),其關系曲 線如圖所示。廣*rE害列管換熱器管組布置圖列管換熱器換熱曲線圖由圖可以看出，空氣入口溫度為 0c時，空氣上升溫差A 300c后 所需的平均換熱面積開始急劇增長，很快到達無窮大。即列管換熱器在 A t < 300c時經濟性較好。換熱器在此溫度區(qū)域內工作時，空氣每升高1C所需的換熱面積及總換熱面積較少。超出此溫度區(qū)域工作時所需的換熱面積飛速增加，造 成了換熱器使用材料及投資的大幅增加，所以在設計和選用換熱器時，應盡量使其工作在經濟溫度區(qū)域之內。

17、如果高溫大容量熱風爐采用一級換熱， 換熱器已經 工作在經濟溫度區(qū)域以外應考慮采用兩級換熱。換熱入口空氣溫度為100c時，列管換熱器的經濟溫度區(qū)域為280 C o隨入口空氣溫度的升高，經濟溫度區(qū)域減 小。在入口空氣溫度不同的情況下，即使被加熱空氣溫度差值相同，平均換熱面 積亦不同，隨著空氣起始溫度的升高，平均換熱面積增大。在入口空氣溫度相同 的情況下，升高到不同的溫度，平均換熱面積不同，隨空氣升高溫度差值的增大， 平均換熱面積逐漸增大，超過經濟溫度區(qū)域后，所需平均換熱面積急劇增大，很 快達到無窮大。理想逆流換熱器的溫度效率極限為 41%,當換熱器入口空氣溫度為0c 時，列管換熱器的經濟溫度區(qū)域為

18、 300C,此時換熱器的溫度效率為33%,為理 想逆流換熱器溫度效率極限的80%。即列管換熱器實際溫度效率小于理想逆流 換熱器溫度效率的80%時，能保證其工作在經濟溫度區(qū)域內，在實際設計中可 以用下式來近似確定列管換熱器的經濟溫度區(qū)域：A t =4溫 X80%X t y ( 2)式中 A -經濟溫度區(qū)域，C；“溫理想換熱器的溫度效率；y入換熱器的煙氣溫度，C。當列管換熱器用于單級換熱的低溫熱風爐或者兩級換熱的高溫熱風爐 的二級換熱部分時，可用式(2)估算列管換熱器的經濟溫度區(qū)域。3.4.3.1 換熱器技術經濟分析案例結構板式換熱器螺旋板換熱器列管式換熱器板翅式換熱器板翅式換熱器列管式換熱器材料

19、不銹耐酸鋼316L聚四氟乙烯石墨板材：耐酸耐熱不銹鋼不銹鋼復合材料墊材：丁睛橡膠NBR類型BR20波紋板片不可拆式G1000-1-1.6-3DK472003|DK472003GH90-17555-錯流錯流流體流動類型通道排列方式1 X 35/1 X 35定距柱正三角形排列，短軸線沿軸向正三角形排列24X2420X20正三角形排列實際換熱量/kW503.65505.14520.04415.92435.57657.21實際換熱面積/m214.4919.70355.1038.43(H)/38.44175|(C)39.65(H)/39.65(C)質量/kg176.63458.707823.19273.

20、0296.864002體積/m30.230.604.570.290.34.10比表面積/m2 - m-3120.5332.6877.74 262.26264.3342.68壓P等/kPa1.52(H)/10.76(C)5.33(H)/18.78(C|SC)1.70(TH)/1.45(J0.18(H)/0.36(C0.17(H)/0.34(C)3.52(TH)/0.66(SC)設備費萬元4.2112.8810.496.553.206.04費用現(xiàn)值/費用年值/萬元6.90/0.89119.73/2.5817.23/2.2610.28/1.355.13/0.6711.21/1.47表3-1換熱器的技

21、術經濟分析、評價案例3.4.3.2 設備維修費及設備折舊費根據(jù)換熱設備的不同情況，維修費及折舊費估算數(shù)據(jù)如下表:換熱器類型折舊費（占設備購置費的分數(shù)）/%維修費（占總投資的分 數(shù)）/%板式換熱器50.8螺旋板式換熱器50.8板翅式換熱器61熱管換熱器60.8翅片管式換熱器61管殼式換熱器61表3-2換熱器的維修折舊費的估算數(shù)據(jù)心得體會我們組這次的作業(yè)課題是對過程機械中的傳熱過程及傳熱設備進行討論和 學習。通過對這些知識的概括和總結，我們組對于傳熱過程，石油煉制過程，傳 熱設備在石油化工行業(yè)中的應用有了一定的認識和了解。同時，我們也通過本次作業(yè)提升了小組成員對知識的搜集和篩選能力，獲益匪淺。在探索和學習的過程中難免有批漏和不盡如人