制氫裝置常用的冷熱換熱設(shè)備的類型及作用

制氫裝置常用的冷熱換熱設(shè)備的類型及作用1．1冷熱換熱設(shè)備概況冷換設(shè)備是石油化工生產(chǎn)中使用很能廣泛的設(shè)備，它在石油化工生產(chǎn)中的投資約占20%，其鋼材用量約占40%。制氫裝置的冷換設(shè)主要有：轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器（余熱鍋爐），利用轉(zhuǎn)化爐下集合管出口的高溫轉(zhuǎn)化氣來(lái)產(chǎn)生蒸汽；鍋爐給水預(yù)熱器：利用要用于中、低變汽的冷卻及鍋爐水、汽的加熱；低壓蒸汽發(fā)生器及除氧用蒸汽發(fā)生器，即利用低變氣的熱量來(lái)產(chǎn)生低壓蒸汽；用于用于提高粗氫溫度和降低工業(yè)氫溫度的冷換設(shè)備，如工業(yè)氫/粗氫換熱器、中變氣/粗氫換熱器、工業(yè)氫空冷器和水冷器等；降低貧液液溫度的冷換設(shè)備及再生塔底重沸器等；開工用加熱器及冷卻器，壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器等。1．2常用冷換設(shè)備的類型冷換設(shè)備的種類繁多，可分為兩大類。其換熱面為管狀者，稱為管式換熱器；換熱面為板狀者，稱為板式換熱器。前者常用的有列管換熱器，蛇管換熱器，套管換熱器、翅片管式換熱器等。后者常用的有平板和螺旋板式換熱器等。制氫裝置換熱器的主要形式是列管式換熱器。1．2．1列管式換熱器列管式換熱器又名管殼式換熱器，常用的主要有以下幾種類型。固定管板式換熱器這種換熱器主要由殼體，管束，管板，封頭，折流擋板等部件組成。管束兩端用脹接法或焊接法固定在管板上。圖9-2具有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器1—折流板；2—補(bǔ)償圈；3—放氣口圖9-2為單殼程／四管程固定管板式換熱器。這是為了提高管程的流體流速，而采用的多管程。即在兩端封頭內(nèi)安裝隔板，使管子分成若干組，流體依次通過(guò)每組管子，往返多次。管程數(shù)增多，可提高管內(nèi)流速和對(duì)流傳熱系數(shù)，但流體的機(jī)械能損失相應(yīng)增大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故管程數(shù)不宜太多，以2、4、6程較為常見。同樣，為提高殼程流體流速，以提高對(duì)流傳熱系數(shù)，可在殼程內(nèi)安裝折流板，常用的有圓缺形和圓盤型兩種。換熱器因管內(nèi)、外的流體溫度不同，殼體和管束的溫度不同及其熱膨脹程度也不同。若兩者溫度相差較大（50℃以上），可引起很大的內(nèi)應(yīng)力，使設(shè)備變形，管子彎曲，甚至從管板上松脫。因此，必須采取消除或減少熱應(yīng)力的措施，稱為熱補(bǔ)償。對(duì)固定管板式換熱器，當(dāng)溫差稍大，而殼體內(nèi)壓力又不太高時(shí)，可在殼體上安裝熱補(bǔ)償圈（或稱膨脹節(jié)，見圖9-2）以減少熱應(yīng)力。當(dāng)溫差較大時(shí)，通常采用浮頭或U型管式換熱器。浮頭式換熱器圖9-3浮頭式換熱器1—浮頭；2—浮動(dòng)管板這種換熱器有一端管板不與殼體相連，可沿軸向自由伸縮，如圖9-3所示。這種結(jié)構(gòu)不但可以消除熱應(yīng)力，而且在清洗和檢修時(shí)，整個(gè)管束可以從殼體中抽出。因此，盡管其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)較高，但應(yīng)用仍較普遍。U型管式換熱器圖9-4U型管換熱器圖9-4所示為一U型管式換熱器，每根管子都彎成U形，兩端固定在同一塊管板上,因此，每根管子皆可自由伸縮，從而解決熱補(bǔ)償問(wèn)題。這種結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，適用于高溫高壓條件。1．2．2其它形式的冷換設(shè)備空冷式換熱器圖9-5鼓風(fēng)式空冷器空冷式換熱器（簡(jiǎn)稱空冷器）是由翅片管束、風(fēng)機(jī)和構(gòu)架組成，如圖9-5所示。這是一種用空氣來(lái)冷卻管內(nèi)工藝流體的換熱器。翅片管束的管材本身多采用碳鋼管，但翅片多為鋁制。翅片可用纏繞、鑲嵌或焊接等方法固定在管材上。熱流體由物料管線流入各管束中，冷卻后匯集于排出管排出。冷空氣由軸流式通風(fēng)機(jī)吹入，通風(fēng)機(jī)裝在管束下方稱為鼓風(fēng)式空冷器；通風(fēng)機(jī)裝在管束上方稱為引風(fēng)式空冷器。熱管式換熱器圖9-6吸液芯熱管圖熱管是一種新型換熱元件，如圖9-6所示。它是一根抽去不凝氣體的密閉金屬管，管子的內(nèi)表面覆蓋一層有毛細(xì)結(jié)構(gòu)材料作成的芯網(wǎng)，其中間是空的。管內(nèi)還裝有一定量的可凝液體（即載熱介質(zhì)），由于毛細(xì)力作用，液體可滲透到芯網(wǎng)中去。當(dāng)管子的熱端（蒸發(fā)器）被加熱時(shí)，液體即在芯網(wǎng)中吸收熱量汽化，所產(chǎn)生的蒸汽流向管子的冷端（冷凝器）時(shí)，蒸氣遇到冷表面則冷凝成液體放出熱量，而后在毛細(xì)力的作用下重新返回?zé)岫耍瑥亩磸?fù)循環(huán)，連續(xù)不斷地將熱端的熱量傳送到冷端。由于蒸發(fā)和冷凝都是有相變的對(duì)流傳熱過(guò)程對(duì)流傳熱系數(shù)很大，很小的表面積便可傳遞大量熱量。故可利用熱管的外表面（一般加翅片強(qiáng)化傳熱）進(jìn)行兩流體間的換熱。熱管的材質(zhì)可用不銹鋼、銅、鎳、鋁等，載熱介質(zhì)可用液氮、液氨、甲醇、水及液態(tài)金屬鉀、鈉、銀等。溫度在-200~2000℃之間都可應(yīng)用。多條熱管組合在一起即成為一臺(tái)熱管式換熱器，熱管式換熱器在石油化工裝置中應(yīng)用廣泛，常見的是利用加熱爐高溫?zé)煔鈦?lái)加熱助燃空氣的空氣預(yù)熱器，即熱管式空氣預(yù)熱器。1．3強(qiáng)化傳熱途徑所謂強(qiáng)化轉(zhuǎn)熱，就是采取措施提高單位面積的傳熱量Q/A，或減少單位熱負(fù)荷所需的傳熱面積A/Q，并改進(jìn)換熱器的結(jié)構(gòu)以增大單位體積的傳熱面積A/V,或在Q/A一定的條件下，減少兩流體之間的溫度差△tm，以減少有效能損失。為了提高Q/A或減少A/V,需要增大△tm，或更需要增大總傳熱系數(shù)K。為了減少△tm，以降低有效能損失，應(yīng)增大K值。為了增大A/V，需要提高K值的同時(shí)，改進(jìn)傳熱元件的結(jié)構(gòu)。下面分析討論增大平均溫度差△tm、單位體積的傳熱面積A/V及總傳熱系數(shù)K的措施。1．3．1增大傳熱平均溫度△tm△tm的增大，可以通過(guò)提高熱流體溫度或降低冷流體溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。但工藝流體的溫度是由生產(chǎn)工藝條件決定，一般不能隨意變動(dòng)。若采取冷卻或加熱介質(zhì)，可根據(jù)提高△tm的需要，選擇合適的介質(zhì)。應(yīng)注意的是，△tm增大，會(huì)使有效能損失增大。因此，以增大△tm來(lái)強(qiáng)化傳熱是有一定限度的。當(dāng)兩側(cè)流體為變溫度傳熱時(shí)，從結(jié)構(gòu)上盡可能保證逆流或接近逆流操作。因?yàn)槟媪鞑僮髋c并流相比，不僅△tm較大，而且有效能損失也較小。1．3．2增大單位體積的傳熱面積A/V增大傳熱面積是強(qiáng)化傳熱的有效途徑之一，但不能靠增大換熱器體積來(lái)實(shí)現(xiàn)。有些裝置上的換熱器設(shè)備要求輕巧緊湊，這應(yīng)與提高傳熱系數(shù)相結(jié)合，改進(jìn)傳熱面結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展傳熱面，提高單位的傳熱面積，工業(yè)上已經(jīng)使用的各種新型高效強(qiáng)化傳熱面，不僅擴(kuò)展了傳熱面積，而且增強(qiáng)了傳熱面附近流體的湍動(dòng)程度。最常見的擴(kuò)展表面是在管外表面加裝翅片的翅片管，用于對(duì)流傳熱系數(shù)α較小的氣體一側(cè)的傳熱面。此外，還有伯文冠、螺紋槽管等各種高效強(qiáng)化傳熱管，如圖所示。用于板翅式換熱器的各種翅片結(jié)構(gòu)如圖所示。1．3．3增大總傳熱系數(shù)K強(qiáng)化傳熱的最有效途徑是增大總傳熱系數(shù)。要想增大K值，就必須減少金屬壁污垢及兩側(cè)流體等熱阻中較大者的熱阻。當(dāng)金屬壁很薄，其導(dǎo)熱系數(shù)較大，且壁面無(wú)污垢時(shí)，則減少兩側(cè)流體的對(duì)流熱阻就成為強(qiáng)化熱阻的主要方面。若兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱系數(shù)α相差較大時(shí)，增大較小的α至，對(duì)提高K值、增強(qiáng)傳熱最有效。一般無(wú)相變流體的α值較小，提高其值得措施有：增大流體流速增大流速u可增大流體湍動(dòng)程度，減少層流底層厚度，提高α效果顯著。例如列管式換熱器，管程流體湍流α∝u0.8，層流α∝u1/3,殼程流體α∝u0.55。為了增大管程和殼程流速，可分別增加管程輸和殼內(nèi)的擋板數(shù)。流速的增大，也會(huì)使流體通過(guò)換熱器的壓力降△p增大，湍流時(shí)△p∝u0.8，層流時(shí)△p∝u1.0。因此，u的增大受到一定限制。管內(nèi)插入旋流元件屬于這些遠(yuǎn)見的有金屬螺旋圈、麻花鐵、紐帶（見圖）等，它們能增大壁面附近流體的擾動(dòng)程度，減少層流底層厚度，增大α值。這種方法對(duì)強(qiáng)化其降低Re數(shù)，使高粘度流體的傳熱更有效，它們能降低流體油層流向湍流過(guò)渡的Re數(shù)，從而強(qiáng)化傳熱。在底R(shí)e下插入旋流元件，要比湍流時(shí)能收到更為顯著的效果。改變傳熱面形狀和增加粗糙度即把傳熱面加工成波紋狀、螺旋槽狀、翅片狀等，或擠壓成鄒紋、小凸起，或燒結(jié)一層多孔金屬層，增加粗糙程度。它們能改變流體流動(dòng)方向，增加流體擾動(dòng)程度，產(chǎn)生渦流，小壁面層流膜厚度，以增大α值，而且也擴(kuò)展了傳熱面積，適用于管外熱阻為主的單相流體強(qiáng)化傳熱。綜上所述，強(qiáng)化傳熱的途徑，隨著科技的發(fā)展日趨增多和完善。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)針對(duì)具體傳熱過(guò)程采用可靠的技術(shù)措施，并對(duì)設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)全面分析，使傳熱過(guò)程的強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)合理。1．4冷換設(shè)備的操作1．4．1使用前的檢查制造或檢修完后的換熱器，應(yīng)檢查其附件齊全、安裝符合規(guī)定。并按規(guī)定進(jìn)行壓力試驗(yàn)（一般為水壓試驗(yàn)），試驗(yàn)合格后必須放凈換熱器的存水。1．4．2換熱器的投用投用前檢查換熱器存水是否放凈，以免大量水存在時(shí)蒸汽及油進(jìn)入時(shí)引起水擊或汽化損壞內(nèi)件。在投用過(guò)程中，換熱器先開冷源再開熱源，先開出口再開進(jìn)口。一些操作溫度較高的換熱器還需要熱緊。采用循環(huán)水冷卻的冷卻器投用過(guò)程除與換熱器投用方法一樣外，在控制油品溫度時(shí)，應(yīng)用出口閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。1．4．3換熱器的日常檢查與維護(hù)換熱器在使用過(guò)程中，尤其是在操作條件變化后，應(yīng)注意檢查換熱器本身的變化及其冷熱流介質(zhì)的溫度與壓力的變化。檢查換熱器的外觀及保溫情況，檢查螺栓連接、大蓋及法蘭有無(wú)滲漏（外漏）。通過(guò)分析對(duì)比冷熱流介質(zhì)的參數(shù)或定時(shí)察看各程介質(zhì)有無(wú)特殊異常來(lái)判斷換熱器是否存在內(nèi)部泄漏。1．4．4冷換設(shè)備的停用換熱器