管壳式换热器技术进展.pdf

收稿日期2000-01-12管 壳 式 换 热 器 技 术 进 展赵国辉1,隋 军2(1-大庆石化总厂,黑龙江 大庆 163711;2-大连理工大学,辽宁 大连 116012)摘要 介绍了管壳式换热器在多个方面的技术进展情况:管子的强化,折流板及支撑物,管内插件技术。认为提高传热系数,降低流体压降,增加传热面积等,是管壳式换热器的技术发展方向。关键词 管壳式换热器;技术进展中图分类号 TQ051.5 文献标识码 A文章编号 1006-7906(2000)04-0012-031 引 言换热设备在化工过程中起着至关重要的作用,其投资费用一般占全部设备投资的40%左右,而且,它的行为也关系着全厂的正常运行和操作费用。旧厂改造的许多工作是围绕换热设备的优化进行的,一方面,过程系统工程致力于换热网络的优化综合;另一方面,机械工程师们在寻找换热器强化传热技术的具体手段。虽然样式繁多的换热器很大程度上拓宽了人们的选择范围,但管壳式这一传统的换热设备在化工生产中仍占据着主要地位,在高温高压或有腐蚀性介质的作业中更能显示其优势。管壳式换热器由一些直径较小的圆管加上管板组成管束,外套一个外壳而构成。其特点是结构简单,易于加工、清洗,选材及应用范围广,处理量大。以上优点使其成为传统换热器的标准设备。但在追求高效传热的今天,传统的管壳式换热器单位体积的传热面积较低,传热系数不高,难以满足生产要求,因而,换热器强化传热技术的研究越来越得到重视。所谓换热器强化传热技术就是使换热器在单位时间、单位传热面积传递的热量尽可能多。长期以来,国内外对此进行了大量研究。2 管子的强化为了提高管壳式换热器换热性能,一方面要提高单位体积的传热面积,另一方面要提高综合传热系数,即进行强化传热。为提高单位体积的传热面积,采用减小管径,增加管数的办法是不可取的,一般认为,大型换热器管径不会小于6mm。为提高传热系数而采用单纯加大流体流速的手段同样会不尽人意,因为增加流体流速而引起的传热系数的增加率,往往会低于克服摩擦阻力的功耗增加率。因此,管子的强化工作主要集中在异型管的开发方面,表1给出了一些异型管及其结构。此外,还可采用在管内、管外安装翅片等手段对传热管进行强化。表1 常用强化管及其结构管型结 构 特 点螺旋槽纹管管壁挤压出单头或多头螺旋槽横纹槽管管壁滚压出与轴线成直角的环状槽纹缩放管由依次交替的收缩段和扩张段组成的波形管道波节管在薄壁无缝管管壁上滚压出与管轴线成直角的环形槽,管壁内侧形成一圈圈突出的圆环旋流管管壁处存在能够诱导流体进行贴壁旋流的螺旋状槽纹和凸肋粗糙表面管利用机械加工、烧结、电化学腐蚀及表面镀层等手段,增加表面粗糙度或形成双层表面螺旋扁管由圆管轧制或椭圆管扭曲成具有一定导程的螺旋扁管,管间靠相邻管长轴处的点接触支撑管子,省掉折流板 表1所列强化管在国内外已经有了许多成功的开发和应用实例。例如,上海溶剂厂甲醛蒸汽余热锅炉急冷塔中采用了螺旋槽纹管,使总传热系数提高60%,相同压降条件下,传热面积减小了30%1;益阳炼油厂、茂名炼油厂等单位采用横纹槽管换热器,总传热系数较光管提高了85%,同等传热量,可节省46%的传热面积2;缩放管换热器在大庆石21化学工业与工程技术2000年第21卷第4期 化、金陵石化等单位投入使用,以益阳氮肥厂变换锅炉软水加热器为例,采用缩放管后,换热面积减少了69%2;波节管换热器在国内也有较广泛的应用3;北京化工设计院和大连理工大学分别制造出烧结型和腐蚀型粗糙表面多孔管,用于强化沸腾传热,均取得了较好的效果。综观各种不同形状的强化管,可以看出它们有一些共同的特点。各种强化管在兼顾压降的同时,传热面积都有不同程度的增加,并通过两种机理对传热系数进行强化。传热边界层是限制传热系数提高的最主要因素,它产生于靠近管壁的层流底层,并有一个逐渐增厚的过程。管壁的粗糙,以及规则出现的沟槽、凸肋,会破坏贴壁层流状态,抑制边界层的发展。同时,沟槽和凸肋对流体的限流作用有助于边界层的减薄,而扰流作用使流体产生轴向漩涡,可导致边界层分离,流体主体径向温度梯度减小,有助于热量传递的进行。3 折流板及支撑物传统管壳式换热器采用单弓形折流板,壳程易产生流动和传热的滞留死区,造成壳程传热系数低,易结垢,流阻大等。同时还易引起管体振动,影响换热器寿命。为此,开发了多种新型折流板和支撑物,表2列举了其中的几种。表2 新型折流板和支撑物种类特点折流杆由支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆组成的折流栅代替折流板整圆形折流杆折流板为整圆形,上有供管子通过的孔,还有供流体通过的各种异型孔,也可将整圆孔板制成网状结构空心环支撑将直径较小的钢管截成两节,均匀分布于换热管管间的同一截面上,呈线性接触,在紧固装置螺栓力的作用下,使管束相对紧密固定。刺孔膜片每根换热管两侧相距180 开沟槽,沟槽中嵌焊冲有孔和毛刺的薄片,将同一截面处的管子连为一体。国内在新型折流板和支撑物开发方面与国际先进水平差距较大,目前仍以弓形(单弓、多弓)折流板、缺口无管型折流板、孔流式折流板等传统类型为主,新产品的开发也仅限于折流杆等少数几个品种。华南理工大学和大庆石化总厂合作开发的,用于丁辛醇装置净化系统的折流杆螺旋槽管再沸器,其换热能力比一般光管高1.4倍左右,且抗振性能也有较大改进4,5。新型折流板和支撑物有两个共同的特点;一是壳程内流体流动由横向流动变为平行于管子的纵向流动,使流体压降减小,传热面积得到充分利用,避免了壳程流体对管子的垂直冲击,减少了流体对传热管诱导振动的隐患;二是折流板形式向着流阻低,坚固,结构简单,制造方便,节省投资等方向发展。可以预言,随着技术的进步,折流板和支撑物将不再需要,换热器依靠异型管,如螺旋扁管之间的点接触互相支撑,并形成壳程通道。4 管内插件技术管内插件技术是增强管壳式换热器性能的重要技术之一。插入件的作用是对器壁产生较高的流体剪切应力,降低管内流体由层流向湍流过渡的临界雷诺数,从而提供很陡的速度梯度和更高的传热系数。管内插件对强化气体、低雷诺数流体或高粘度流体的传热会起到较好的效果。管内插件的形式有很多,强化机理也各有不同,可分为以下三类:强化旋流,如纽带和半纽带形式;促进湍流,如螺旋线、片条、斜环片等形式;置换型强化器,包括静态混合器、交叉锯齿带、球形体等形式。一种成功的管内插件应在提高传热系数的同时,不以增大压降为代价。国内在此方面也有所尝试。青岛石化厂常减压装置和天津石化厂常减压装置换热系统采用国产纽带扰流子内插件换热器,管内膜传热系数提高23倍,而压降增加不大6。上海石化总厂乙烯厂常减压蒸馏装置换热器采用国产交叉锯齿形带内插件,在压降不增加的前提下,总传热系数较光管提高了50%7。5 结 语换热器技术的进步,大大提高了换热设备的效率,使能源得到更为有效的利用。同时,高效换热器所需的传热面积更小,压降更低,使设备投资和操作费用得到优化。此外,工质流体流动更为合理,抗振、防腐、自洁、换热器寿命等多方面性能得到改善。不断提出的新问题,和相关的有益的工作体现了换热器技术发展的方向:提高综合传热系数;降低管程、壳程的流体压降;增加单位体积的传热面积,31 赵国辉等管壳式换热器技术进展即结构的紧凑度;低廉的成本和价格;延长使用寿命;综合考虑加工、运输、安装、操作及维护等方面。参 考 文 献1 钟理,严益群,谭盈科.传热技术与节能.现代化工,1990,10(6):41-46.2张莉伯.新型高效换热技术简介.设备管理与维修,1996,(2):19-21.3栾德玉.波节管换热器的研制开发,化工设备设计,1999,36(2):5-7.4 刘素云,纪桂芬,孙翰书.板条式折流杆螺旋槽管再沸器的开发与应用.石油化工设备技术,1995,16(3):21-23.5 张同达,刘素云,钱颂文等.折流杆螺旋槽纹管应用于沸腾换热的实验研究.石油化工设备,1995,24(4):3-6.6 孙元进.扰流子强化换热器传热的研究与应用D.抚顺:抚顺石油学院,1989.7 华贲.强化传热技术在我国石化工业中的应用.石油炼制,1988,(7):21-25.石化技术与应用 杂志订阅启事石化技术与应用 是中国石油兰州石化公司和兰州化学工业公司联合主办的石油化工技术性刊物。公开发行。国内统一刊号CN 62-1138/TQ,国际标准刊号ISSN 1009-0045。广告经营许可证号6201004000005。自1983年创刊以来,始终坚持科研开发与工业生产相结合的办刊思想,深受广大读者、作者的厚爱与好评。主要报道内容:石油化工、三大合成材料、催化剂、助剂及石油炼制等方面新产品、新工艺、新设备的开发、技术改造、分析测试及与石油化工有关的环境保护、自动控制、计算机技术等。本刊曾多次被评为中石化总公司及甘肃省优秀期刊,并已被全国各地大多数图书馆、相关高等院校、科研单位及企业订阅和收藏。1996年本刊加入了 中国学术期刊光盘版。现已被俄罗斯 文摘杂志(AJ)、美国 化学文摘(CA)及 工程材料文摘(EMA)等国际著名检索机构收录。石化技术与应用 为双月刊,大16开,双月25日出版。每期定价10元,全年定价60元。欢迎您在全国各地邮局(所)订阅,国内邮发代号54-102。如错过邮局每年的订阅时间,可直接从本刊编辑部订阅,订单备索。国外读者可通过中国国际图书贸易总公司(北京399信箱,邮编100044)订阅,邮发代号4859BM。同时,热诚欢迎您在本刊刊登新产品、新技术广告及企业、公司形象宣传广告。编辑部通讯地址:730060 甘肃省兰州市西固区合水北路1号联系电话:[phone]-81693,81815。无机盐工业2001年征订启事无机盐工业 是国家科委批准的化工科技刊物,1960年创刊,国内外公开发行,主要报道国内外无机化工最新科技成果与技术进展,以及新技术、新工艺、新设备、新产品、新用途方面的动态及商品信息、市场行情等。本刊印刷精美、质量上乘、影响面广,是您在无机化工行业扩大产品影响的最佳选择。欢迎来函来电洽谈广告业务。无机盐工业 为双月刊,单价6100元,全年6期共36100元,邮发代号623。全国各地邮局均可订阅,也可直接与编辑部联系。地址:天津市红桥区丁字沽三号路85号 无机盐工业 杂志社 邮编:300131电话:[phone]化学工业与工程技术2000年第21卷第4期 Simulation and optimization for processes of ammoniasynthesis loop under slight boost pressure and boost pressureZHU Ji2cheng,WANG Hong2shi,FANG Ding2ye AbstractAccording to the principles of chemical sys2tem engineering,analysis of structure and establishment of mod2els of units have been made to the large2scale ammonia synthesisloops under slight boost pressure(synthesis pressure is 10MPa)and boost pressure(synthesis pressure is 15MPa).Carrying outsimulation of process by sequential modular approach,optimiza2tion of slight boost pressure process and boost pressure processhave been realized by feasible path method.The results of simu2lation and optimization were compared,which showed that theammonia synthesis loop under slight boost pressure had welltechnological and economic indicator.Key wordsAmmonia synthesis loop;Process simula2tion;Sequential modular approach;Optimization CLC number TQ113.26+6Document code A Article ID 1006-7906(2000)04-0001-05Application of supercritical fluids in micropowder formationL I Zhi2yi,L I Yue,DING Xin2wei AbstractThe status of research and major achieve2ments in the research of micropowder formation with supercriti2cal fluids were reviewed.Some new methods and processes de2veloped recently were introduced including methods of rapid ex2pansion of supercritical solutions(RESS),supercritical anti2sol2vent(SAS),super critical retrograde crystallization(SRC),su2percritical drying(SD),and chemical synthesis of supercriticalfluids,etc.Theprinciples,featuresfeasibility,applicationprospect,present level and existing problems,and the key prob2lems which needed solving for further developing of the newmethods and processes were analyzed.Key wordsSupercritical fluid;Micropowder;Formationprocess CLC number TB41Document code A Article ID 1006-7906(2000)04-0006-06Technical progress of shell and tube exchangerZHAO Guo2hui,SUI Jun AbstractThe statusof technical progressof shell and tubeexchanger was introduced from several respects such as strengthen2ing the pipe,using baffle2plate and support plate,and improving thetechnology of inserter in pipe.It was thought that increasing theheat transfer coefficient,reducing the pressure drop of fluids,andextending the heat transfer area,etc,were the developing directionof the technology of shell and tube exchanger.Key wordsShell and tube exchanger;T echnical progress CLC number TQ051.5Document code A Article ID 1006-7906(2000)04-0012-03Process selection for ammonia synthesis from coalL IU Jun2lan AbstractAfter analyzing the domestic feedstock sourcefor ammonia synthesis,it was thought that the developingprospect for ammonia plants based on coal was still existing.Theprocess selection principle for ammonia production from coal wasapplying coalslurry gasification process for bituminous type coal,whereas atmospheric one for anthracite type coal or coke.Themajor process selection of atmospheric gasification was intro2duced emphatically as follows.Rich2oxygen gasification processwith discontinuous atmospheric pressure operation was usuallyselected if there was cheap oxygen supply.CO shift conversionprocess at full low2pressure should be adopted as far as possible.If there was steam supply,the chemical adsorption for carbonremoving should be adopted,otherwise the physical adsorptionshould be selected,and the switchpressure adsorption should beselected prudently.For ammonia synthesis,the factors of pres2sure,converter structure,and waste2heat recovery,etc.shouldbe considered comprehensively.Key wordsCoal;Ammonia synthesis;Process selec2tion;Energy consumption CLC number TQ113.26Document code A Article ID 1006-7906(2000)04-0015-03Study on the rate of copolymerization of lignin and phenolwith peroxidase catalystL IU Jun2hong,SUN Yan,QIU Long2hui,XIAN Mo,YUAN Wei2ping AbstractThe copolymerization reaction and its kineticsof lignin and phenol with peroxidase as catalyst were re2searched.The relations between the concentration of lignin(Y)and absorbance(X)were determined with a formula ofY=010916X.By determining the concentration of phenol in reac2tants,the consumption rate of phenol monomer was obtained,and the reaction rate was reflected from one aspect.The studyresult showed that the reaction rate with peroxidase as catalystwas large in the reversed micelles system.Key wordsReversed micelles;Horseradish peroxidase;Lignin CLC number TQ323.2Document code A Article ID 1006-7906(2000)04-0018-03Study on the TiO2/Al2O3complex supporter adoptedin catalyst for hydroconversion of organic sulfurCHENG Song AbstractThe influence of the content of TiO2in com2plex supporter on the activity of catalyst for hydroconversion oforganic sulfur was studied,and theperformance comparison wasmade between TiO2/Al2O3complex supporter and Al2O3unitaryone.The result showed that theperformance of the catalyst forhydroconversion of organic sulfur with TiO2/Al2O3as complexsupporter was improved obviously,the conversion of thiopheneincreased from 34.73%to 67.52%,the amount of sulfurize a2gent for catalyst pre2sulfurize was reduced by 50%.Key wordsOrganic sulfur;Hydroconversion;Catalyst;TiO2/Al2O3complex supporter CLC number TQ426.82Document code A Article ID 1006-7906(2000)04-0020-032000 Vol.21 No.4Journal of Chemical Industry&Engineering