内展翅片管换热器特点及在环己酮装置中应用分析

1、内展翅片管换热器特点及在环己酮装置中应用分析奚治政（中国石化集团南化工程公司，江苏南京210048）摘要：如何提高换热器的传热系数K、提高气液热交换气体走管程的给热系数是换热器技术进步的一大课题。介绍了内展翅片管的结构及管程流体给热系数的计算方法，并以60 kt/a环己酮工程中烷三塔塔顶气体冷凝的换热流程为例，对比了选用管壳式换热器与内展翅片管换热器的计算结果，认为选用内展翅片管换热器在技术指标和经济上都是有利的。关键词：换热器+内展翅片管；结构；气液热交换；给热系数+管程；计算；分析1概述如何增强换热器的换热性能、提高传热系数，是换热器技术进步的主要研究方向。目前广泛应用的换热器主要有管壳式

2、、螺旋板式、板式和肋片（外翅）式等几种。在这些换热设备中，热量由高温流体传给低温流体过程的主要阻力（热阻）来自以下几方面：两侧介质与换热管内、外壁之间的对流换热热阻，管壁本身的热阻以及两侧介质的污垢热阻。换热器一般都采用金属薄壁作为换热面，由于其热阻非常小，对强化换热的潜力不大。因此，强化换热器换热性能主要应强化两侧介质与换热管内、外壁之间的对流给热系数。如果不考虑介质的污垢热阻，忽略管壁热阻，则传热系数可以写成下列形式：K= 1/( 1/1+1/2)= 12/(1+2)。由此可以看出，K值必定小于1或2的值，且比两者中较小的一个还要小。所以在增强传热的时候，必须增大给热系数中较小的一项（即减

3、少最大热阻）才能有效地增大传热系数。在通常的工况中，一些换热介质之间的给热系数相差较大，特别是气（汽）一液换热器中，一般气（汽）体的对流给热系数在1070 W/(K)，而液体（以水为例）一般可以达到48008000 W/( K)，两者相差上百倍。在常规的换热器（如管壳式、螺旋板式等）内，换热壁两侧面积基本相等，这样就造成两侧热交换介质因给热系数不同而导致热交换不平衡，使总传热系数低，换热效果不佳。为了解决这一问题，通常采用的办法是加大换热面积，这使得换热器的体积过于庞大，同时对于给热系数大的一侧来讲也是一种换热面积的浪费。针对这种换热不平衡的现象，采用翅片管才是理想的选择。随着现代工业的发展，

4、要求换热器逐步向高温、高压、大容量的方向发展，这就给换热设备提出了新的课题。让高温、高压介质走管程，可以节省换热器壳体的投资，但管内的流体给热系数低，要求的传热面积大，故换热设备的体积也大。工业生产过程迫切需要有一种管内给热系数高的新型换热器来解决上述矛盾，满足气液换热过程气体走管程的要求。内展翅片换热管是20世纪末在国内出现的一种新型高效换热管，它在国外已有20余年的应用报道。内展翅片换热管是相对常规的外展翅片换热管而言的，其特点是在换热管内部增设翅片，用管芯消除“换热死区”，以增强换热管内部的对流换热。内展翅片换热管具有强化效果好，翅片传热效率高，设计、加工、制造容易，同时不会产生大的压力

5、损失等特点，是一种较新型的换热管。2 内展翅片管换热器结构内展翅片管换热器采用内展翅片管取代管壳式换热器中的换热光管，管板及折流板等在结构和布置上与管壳式换热器相同。内展翅片管的结构如图1示意，主要由三部分构成。1、换热管采用的换热管规格可为32 mm、34 mm、35mm，依据承受介质的压力、温度，选取不同厚度的换热管。2、管芯由于换热翅片向换热管中心集中，为减少高肋翅片肋根效应的影响，消除在换热管的中心轴区域形成的换热死区，特设置管芯，它还可对换热翅片起到支撑作用。其规格为13 mm。3、翅片每根换热管内由32个翅片（沿管壳轴向延伸，为一整体，厚0. 150.20 mm）与管壁内表面及管芯

6、外表面形成32个独立的小的介质通道，其翅化系数为7.4。根据选用工况不同，换热管翅化效率在86%98%。通过液压机械装配成的内展翅片管，其翅片存在一定的弹性变形，使翅片与管内壁、管芯外壁总是紧密接触，接触热阻极小。同时也避免了翅片焊接易变形，焊接工作量大、质量难保证等缺陷。这是区别其他形式内翅片管的显著特点之一。内展翅片管根据工作压力和工作温度选用不同壁厚的换热管，根据介质的特性选择不同的材质。通常为了减小接触热阻，主要材质有碳钢、铜、不锈钢、钛等。翅片材料不采用碳钢，通常情况下选用不锈钢（或合金）。3 内展翅片管换热器的设计计算方法内展翅片管换热器的结构设计与强度计算可按GB 151 -19

7、99管壳式换热器及GB 150 - 1998钢制压力容器等标准及规范执行。内展翅片管换热器壳程侧的热力计算与管壳式换热器相同。管内的内展翅片有别于传统的环肋翅片，为轴向通长的。流体进入内展翅片换热管后分为32个小的换热通道。计算时，32 mm的内展翅片管翅片通道的当量直径d。按水力学定义计算均为4 mm，它们的流道面积相当于内径d：=25 mm的传热管（光管）的截面积，并按此计算管内流速。对于内展翅片的热绝缘系数，由于其数值很小，可简单地叠加在换热管管壁的热绝缘系数R上。因此，其热力计算可按经典公式分步计算或按程序计算。3.1程序计算热力计算程序可用通常的计算程序，如英国传热传质会的换热器计算

8、程序。计算时刻可首先按32 mm的光管计算出管程的给热系数i及压力损失Pi，然后对其进行修正，计算内展翅片管的给热系数i及压力损失Pi。1、 气体冷却或加热N=0.8时，i=（do/do）n-1（di/di）2nii=2i （1）n=0.8时，pi（di/di）-4（do/do）Pipi=15.5pi （2）2、气体冷凝（1）当换热器为立式布置时，可认为i=i（2）当换热器为卧式布置时，可近似认为i=（do/do）n-1（di/di）-2ndii=4.2i（n=1/3，Re,50000）i=2.0i(n=0.8,Re50000 (3)3、总传热系数计算总传热系数系数K是利用修正后的i，应用经典

9、传热学的换热器总传热系数计算公式计算的： (4)3.2分步计算若没有计算程序也可用经典的有关换热器的计算公式进行计算，计算时用翅片通道的当量直径d。，依次计算其ai、pi及总传热系数K。污垢热绝缘系数可参照GB 151 -1999选取。4在环己酮装置中的应用在南化60 kt/a环己酮装置中，涉及汽一液相热交换的设备较多，现以烷三塔塔顶的2台(E1、E2)换热器（冷凝）为例，其工艺流程见图2。烷三塔塔顶气相进入E1换热器，冷凝后进入E2换热器进一步冷凝，不凝性气体排出后再进入压缩机循环。冷却介质为循环冷却水，先进入E2换热器，再由El换热器返回循环水系统。E1换热器的材质设计全为304不锈钢，E

10、2换热器为碳钢；由管壳式换热器改型为内展翅片管换热器时，除E2换热器内展翅片为304不锈钢外，其他材质不变。换热管选用32 mm x2.5 mm，管芯为13 mm x2.0mm，翅片选用厚0.18姗的304不锈钢板压制。E1、E2换热器选用管壳式换热器与内展翅片管换热器的计算结果见表1。由表1可见，这2台换热器若采用内展翅片管换热器，其设备费比管壳式换热器节省64万元。图 2 烷三塔塔顶换热流程示意图表1 两种换热器的计算结果项目名称换热器E1内展翅片管管壳式气体处理量/kgh-11587615876气体入口温度/88.088.0气体出口温度/64.568.0冷却水入口温度/34.033.6冷

11、却水出口温度/43.242.0总传热系数/Wm-2K-11810.0532.0换热面积/532.01200.0换热管有效长度/mm40006000换热器外形尺寸/mm1700x40002200x6000设备费/万元175230项目名称换热器E2内展翅片管内展翅片管气体处理量/kgh-11287312873气体入口温度/64.568.0气体出口温度/40.545.0冷却水入口温度/33.033.0冷却水出口温度/34.033.6总传热系数/Wm-2K-1475.7112.0换热面积（光管计）/523.0708.6换热管有效长度/mm40006000换热器外形尺寸/mm1200x40001600x

12、6000设备费/万元26355结论1、内展翅片管换热器外形尺寸小，占用空间小，易于布置、安装，土建基础及框架尺寸可相应缩小，有利于压缩投资。2、高温高压气体走管程，让换热管来承受高温高压，使壳体设计的压力等级大大降低，有利于进一步降低成本。 3、内展翅片管换热器出口的工艺气体温度降低，冷却水温度相应升高。如要保持原参数不变，可减少冷却水量或增加调节副线管来实现。通常情况下，为了降低能耗，都采取减少冷却水量的方法，能耗降低可达20%以上，是降低装置运行成本的有效方法。4、循环冷却水走壳程，其结垢的清洗周期短；走管程则结垢的清洗周期长。这就是说，采用内展翅片管换热器循环冷却水结垢的清洗次数，比通常

13、选用管壳式换热器的结垢清洗次数多（循环冷却水前者走壳程，后者走管程），一般要多35倍。由于清洗壳程的结垢要比清洗管程的困难（清洗管程结垢用刷子人工刷，通洗即可），清洗壳程结垢都请专业的清洗公司来完成，每次清洗的费用相对较高，这是内展翅片管换热器的欠缺之处。由于内展翅片管换热器壳程的清洗周期一般在两年半以上，比系统的大修周期长，其清洗可与大修同步进行，不会因清洗结垢而影响工厂连续生产。尽管清洗费用相对较高，但综合考虑设备投资和运行成本，其影响是很小的，可以忽略不计。综上所述，把环己酮烷三塔塔顶的El、E2换热器选型为内展翅片管换热器在技术上和经济上都是可行的。符号说明do2内展翅片管中换热管的外径，m；di内展翅片管中换热管的内径，m；di与内展翅片管流道面积相当的换热管（光管）内径，m；do内展翅片管中翅片通道的当量直径，m；do与内展翅片管翅片通道当量直径相等的换热管（光管）当量直径，m；K总传热系数，W