在炼油、化工生产中,绝大多数的工艺过程都有加热、冷却和冷凝的过程,这些过程总称为换热过程。传热过程的进行需要一定的设备来完成,这些使传热过程得以实现的设备就称之为换热设备。据统计,在炼油厂中换热设备的投资占全部工艺设备总投资的35%~40%,因为绝大部分的化学反应或传质传热过程都与热量的变化密切相关,如反应过程中,有的要放热,有的要吸热,要维持反应的连续进行,就必须排除多余的热量或补充所需的热量;工艺过程中某些废热或余热也需要加以回收利用,以降低成本。另外,生产所得的油品或化工产品,需要将其冷却或冷凝,以便储存和运输。以上这些与热量有关的过程都需要使用换热设备。使用换热设备是为了达到加热或冷却的目的,如果将那些需要加热的流体与需要冷却的流体,经过换热设备相互换热,既可回收热量,又可降低冷却水的消耗。
综上所述,换热设备是炼油、化工生产中不可缺少的重要设备。换热设备在动力、原子能、冶金及食品等其他工业部门也有着广泛的应用。
1、效率要高。效率高就要求其传热系数大,传热系数是指在单位时间内、单位面积上温度每变化一度所传递的热量。
2、结构紧凑。要使换热设备的结构紧凑就要求其比表面积大,比表面积是指单位体积的换热设备所具有的传热面积,即传热面积与换热设备体积之比。
3、节省材料。要做到此点要求其比重量要小,所谓比重量是指单位传热面积所耗用的金属量,即换热设备总金属用量与传热面积之比。
1)热交换器:两种不同温度的介质进行热量交换,使一种介质降温而另一种介质升温,以满足各自的需要。
5)冷却器:如果热量不回收利用,完成用冷却剂(如水、空气)来冷却另外一种介质的操作的换热器称为冷却器。如用空气作为冷却剂的换热器称为空气冷却器,简称空冷器。
1)管壳式换热器:特点是圆形的外壳中装有管束。一种介质流经换热管内的通道及其相贯通部分(称为壳程)。它可分为:浮头式换热器、U型管式换热器、套管式换热器、固定管板式换热器等。
2)板式换热器:它是由压成各种形状的薄板组成传热面的,冷、热两种介质分别在相邻两板之间流动。常见的板式换热器有平板式换热器、伞板式换热器、螺旋板式换热器及板壳式换热器。
板式换热器的传热效率虽然较高,但由于其强度低,密封性能差,故其应用受到了限制。因此,在石油、化工工业中应用较多的是管壳式换热器,它已被当成传统的换热设备来加以使用。
浮头式换热器的一端管板是固定的。与壳体刚性连接,另一端管板是活动的,与壳体之间并不相连。活动管板一侧总称为浮头,浮头式换热器的管束可从壳体中抽出,故管外壁清洗方便,管束可在壳体中自由伸缩,所以无温差应力;但结构复杂、造价高,且浮头处若密封不严会造成两种流体混合。浮头式换热器适用于冷热流体温差较大(一般冷流进口与热流进口温差可达110℃),介质易结垢需要清洗的场合。在炼油厂中使用的各类管壳式换热器中浮头式最多。
这类换热器的结构简单,重量轻,造价较低,在相同的壳层情况下,可较其他型式的列管换热器多排一些传热管子。但是壳体与管层之间的流体的温差不能太大,因温差太大时,会产生较大的热应力,使管子与管板结合处松脱而产生泄漏。此外这类换热器因管板是固定的,所以在检修,更换管子或清洗壳层时,都比较困难。此换热器适用于壳程介质不易结垢,或是有结垢但可进行化学清洗的场合;壳壁与管壁因温度差而引起的膨胀量之差不大,或膨胀差虽大但壳程压力不高的情况。
这种换热器不同于固定管板式和浮头式,只有一块管板,换热管作为U字形、两端都固定在同一块管板上;管板和壳体之间通过螺栓固定在一起。这种换热器结构简单、造价低,管束可在壳体内自由伸缩,无温差应力,也可将管束抽出清洗且还省了一块管板;但U形管管内清洗困难且管子更换也不方便,由于U形弯管半径不能太小,故与其他管壳式换热器相比布管较少,结构不够紧凑。它适用于冷热流体温差较大、管内走清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较大的流体的场合。
这种换热器的壳体直径一般为管束直径的1.5~2.0倍,管束偏置于壳体的下方,液面淹没管束,使管束上部形成一定的汽液分离空间。此换热器多用来做蒸发器、精馏塔的重沸器或简单的废热锅炉。根据需要,管束可以是固定管板型、浮头型或U型管型。
管壳式换热器的主要组合部件有前端管箱,壳体和后端结构(包括管束)三部分,详细分类以及代号(英文字母)如下所示:
平盖管箱,公称直径500mm,管程和壳程设计压力均为1.6MPa,公称换热面积54㎡,较高级冷拔换热管外径25mm,管长6m,4管程单壳程的浮头式换热器。
封头管箱,公称直径700mm,管程设计压力2.5MPa,壳程设计压力1.6MPa,公称换热面积200 ㎡,较高级冷拔换热管外径25mm,管长9m,4管程单壳程的固定管板式换热器。
封头管箱,公称直径500mm,管程设计压力4.0MPa,壳程设计压力1.6MPa,公称换热面积75 ㎡,较高级冷拔换热管外径19mm,管长6m,2管程单壳程的U型管式换热器。
平盖管箱,管箱内直径600mm,圆筒内直径1200mm,管程设计压力2.5MPa,壳程设计压力1.0MPa,公称换热面积90㎡,普通级冷拔换热管外径25mm,管长6m,2管程釜式重沸器。
封头管箱,公称直径1200mm,管程设计压力2.5MPa,壳程设计压力1.0MPa,公称换热面积610㎡,普通级冷拔换热管外径25mm,管长9m,4管程单壳程的浮头式冷凝器。
换热管是管壳式换热器的传热元件,它直接与两种介质接触,所以换热管的形状和尺寸对传热有很大的影响。小管径利于承受压力,因而管壁较薄且在相同的壳径内可以排列较多的管子,使换热器单位体积的传热面积增大、结垢紧凑,单位传热面积金属耗量少,传热效率也稍高一些,但制造麻烦,且小直径管子易结垢,不易清洗。所以一般对清洁流体用小直径管子,粘性较大的或污染的流体采用大直径管子。我国管壳式换热器常用换热管为:碳钢、低合金钢管有Φ19×2、 Φ25×2.5、 Φ38×3、 Φ57×3.5;不锈钢管有Φ25×2、 Φ38×2.5。
在相同的传热面积的情况下,换热管越长则壳体、封头的直径和壁厚就越小,经济性越好;但换热管过长,经济效果不再显著且清洗、运输、安装都不太方便。换热管的长度规格有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m,在炼油厂所用的换热器中最常用的是6m管长。换热管一般都用光管,为了强化传热,也可用螺纹管、带钉管及翅片管。
换热管在管板上的排列形式有正三角形、转角正三角形、正方形和转角正方形等。如图所示。三角形排管多,结构紧凑,但管外清洗不方便;正方形排管少,结构不够紧凑,但管外清洗较方便。一般在固定管板式换热器中多用三角形排列,浮头式换热器多用正方形排列。
管板一般采用圆形平板,在板上开孔并装设换热管,在多管程换热器中管板上还设置分程隔板。管板还起分隔管程和壳程空间,避免冷热流体混合的作用。管板与换热管间可采用胀接、焊接或二者并用的连接方式。
管板与换热管的胀接连接是利用管子与管板材料的硬度差(选材时管板材料硬度要高于管子材料硬度),使管子在管孔中在胀管器的作用下直径扩大并产生塑性变形,而管板只产生弹性变形,在胀管后管板在弹性恢复力的作用下与管子外表面紧紧贴合在一起,达到密封和紧固连接的目的,如图所示。胀接连接结构简单、便于管子更换与修补,但不宜在高温、高压下工作。随着温度和压力增高,胀接的密封性和牢固性将逐渐下降。
焊接连接是将换热管的端部与管板焊在一起,这种连接形式工艺简单、不受管子与管板材料硬度的限制,而且在高温、高压下仍能保持良好的连接密封性和牢固性,所以在高温、高压下甚至某些压力并不太高的场合都使用焊接连接,如图所示。焊接连接的缺点是只在管子端部与管板焊死,而沿管板厚度方向的大部分管段其外壁与管板之间存在环行间隙,在这些间隙中流体不流动,及易造成“间隙腐蚀”,为消除间隙可采用胀接和焊接并用的连接方式。
管壳式换热器的壳体都是圆筒形的,直径较小时用无缝钢管制作,直径较大时用钢板卷制焊接而成;壳体所用材料及要求与一般的压力容器相同。不同类型的管壳式换热器其壳体与管板的连接方式不同,在固定管板式换热器中,两端管板均与壳体采用焊接连接,这种连接称为管板与壳体的不可拆连接;根据管板是否兼作法兰其结构不同,如图所示,多数情况下采用管板兼作法兰的结构。在浮头式、U形管式换热器中固定端的管板与壳体采用可拆连接,将管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间,这样便于管束从壳体中抽出进行清洗和维修,如图所示。
管箱的作用是将进入管程的流体均匀分布到各换热管,把管内流体汇集在一起送出换热器。在多管程换热器中,管箱还可通过设置隔板起分隔作用。管箱结构如图所示,其中图(a)适用较清洁的介质,因检查管子及清洗时只能将管箱整体拆下,故不太方便;图(b)在管箱上装有平盖,只要将平盖拆下即可进行清洗和检查,所以工程应用较多,但材料消耗多;图(c)是将管箱与管板焊成一体,这种结构密封性好,但管箱不能单独拆下,检修、清洗都不方便,实际应用较少。
折流板是设置在壳体内与管束垂直的弓形或圆盘-圆环形平板,如图所示。安装折流板迫使壳程流体按照规定的路径多次横向穿过管束,既提高了流速又增加了湍流速度,改善了传热效果,在卧式换热器中折流板还可起到支撑管束的作用。但在冷凝器中,由于冷凝传热系数与蒸汽在设备中的流动状态无关,因此不需要设置折流板。
1、流体经过换热器时应走管程还是走壳程,需要考虑多方面因素,不能提出一定的规则。但总的原则是有利传热、防止腐蚀、减少阻力、不易结垢、便于清扫。
6、容易结垢的流体在固定管板式和浮头式换热器中走管程,在U形管式换热器中走壳程,这样便于清洗和除垢;若是在冷却器中,一般是冷却水走管程、被冷却流体走壳程。
7、流体的流向对传热也有较大的影响,为充分利用同一介质冷热对流的原理,以提高传热效率和减少动力消耗,无论管程还是壳程,当流体被加热或蒸发时,流向应由下向上;当流体被冷却或冷凝时应由上向下。
为防止换热器因安装不好而漏油,在开工前必须试压(用热水或水蒸汽)。试验压力一般应是公称压力的1.5倍,但根据现有的设备制造水平似乎太高,可以适当降为最高操作压的1.25~1.5倍。试压时重点检查法兰接合面和胀口是否漏,检查内漏的方法是重点观察压力降的变化。
为了延长换热器寿命和保证平稳操作,必须正确地开停和切换换热器,使用和切换时应先通冷流(油、水)后通热流(油、水蒸汽)同时打开放空阀排除器内气体后关闭放空阀。某些重油换热器为避免初通入时,重油凝死,故要先通入水蒸汽预热和扫通,再进行正常切换启用。停换热器时,先关热流,后关冷流,同时进行扫线放油排空。总之,开时先开冷后开热;关时先关热后关冷,其目的都是为了使换热器逐渐升温(或降温),避免由于突然升温(或降温)而使换热器热胀冷缩,引起漏油或遭到破坏。