蘆德龍

（上海運曜熱能科技有限公司，上海 200030）

換熱器是能源、石化、醫(yī)藥等領域常用的傳熱設備，具有非常廣泛的應用。換熱器因其廣泛的應用領域，其中介質特點紛繁復雜，通常具有高溫差、高壓差、有毒有害、腐蝕性、物性復雜等特點，換熱器結垢、腐蝕是必然的。產生的污垢附在設備上，輕則影響換熱器的效率，重則會產生污垢腐蝕，減少換熱器的使用壽命。因此，換熱器的定期清洗檢維修是必要的運維工作[1]。

纏繞管換熱器傳熱原理與常規(guī)管殼式換熱器一樣為管式間壁式換熱器，它與常規(guī)管殼式換熱器最大的不同即是換熱管為多層螺旋纏繞布置，且管束中心設置有中心圓筒用于順利繞制管束和保證管束剛性，其他殼體、管板、管箱等主要部件與常規(guī)管殼式換熱器類似[2]。相鄰兩層纏繞管之間用墊條隔開，保證其間距，換熱管間的間隙構成了殼程通道[3]，纏繞管式換熱器結構示意圖見圖1。

圖1 纏繞管式換熱器結構示意圖

隨著國內裝備能力和材料應用能力逐漸增強，纏繞管式換熱器在能源、石化、醫(yī)藥、食品等領域使用也越來越普遍。相比于其他類型的換熱器，纏繞管式換熱器具有高效緊湊、多股物流傳熱、大負荷運行、高壓運行等優(yōu)點。由于相鄰纏繞層之間纏繞方向相反，這樣既增強了殼程流體的湍流程度，又與管內不斷交叉換熱，增加了局部單元的傳熱溫差，提高了傳熱效率[4]。纏繞管式換熱器與固定管板管殼式換熱器類似，都是換熱管束兩端分別與管板固定焊接連接，它最大的缺點就是殼程清洗困難，因此該種結構的換熱器通常用于殼程流體清潔、不易結垢的場合[5]，所以纏繞管式換熱器設計和使用過程中都要充分考慮其防垢除垢防泄漏等問題。圖2 為纏繞管式換熱器問題照片。

圖2 螺旋纏繞管式換熱器問題照片

據(jù)統(tǒng)計，纏繞管式換熱器主要問題有堵塞，管束泄漏，管束穿孔等，造成這些問題的原因有介質雜質、清洗不當、制造質量、間隙腐蝕等[6]。第217 頁表1是纏繞管式換熱器主要問題、原因及比例。

表1 纏繞管式換熱器主要問題、原因及比例

在以上這些問題中，占比最高的問題是由介質雜質引起的設備堵塞。例如在費托合成工藝中，費托合成產物進入下游循環(huán)換熱分離器，在循環(huán)換熱分離器底部分離器取樣發(fā)現(xiàn)介質夾帶催化劑問題非常嚴重，催化劑質量分數(shù)高達200×10-6～300×10-6，催化劑與反應產物聚結形成堵塞[7]。

纏繞管式換熱器在C4 異構工藝上大量的工程應用實踐證明，纏繞管式換熱器在設備運行可靠性、投資成本低、可操作性和管道配置等方面，具有很好的優(yōu)勢[8]。某C4 異構化原料產物換熱器為纏繞管式換熱器，由于特殊原因，介質雜質滯留在換熱器內部，導致?lián)Q熱大面積結垢甚至腐蝕，造成了嚴重的管殼程短路，嚴重影響換熱器使用壽命和整套裝置生產運行。設備結垢堵塞腐蝕照片見圖3。介質產生雜質是整個系統(tǒng)工藝流程和介質本身等復雜因素導致，本文從換熱器結構設計優(yōu)化角度著手，優(yōu)化現(xiàn)有換熱器結構緩解換熱器堵塞乃至腐蝕問題。

圖3 C4 異構化纏繞管式換熱器結垢堵塞腐蝕照片

1 設計條件

現(xiàn)有C4 異構化纏繞管換熱器，管側介質為正丁烯質量分數(shù)約40%、不含異丁烯的C4 原料，殼程側介質為正丁烯質量分數(shù)約20%、異丁烯質量分數(shù)約17%的C4 異構反應產物。管殼側設計溫度均為540℃，設計壓力均為0.9 MPa，允許C4 原料側壓降0.1 MPa、C4 異構反應產物側0.03 MPa，主材為S32168 不銹鋼。該換熱器設計條件見表2。

表2 C4 異構化纏繞管換熱器設計條件

2 設備結構

現(xiàn)有C4 異構化纏繞管換熱器主要由纏繞管束、殼體、管板、管箱、耳式支座等部件組成。管程上進下出、殼程下進上出：上管箱布置管程入口N1，下管箱布置管程出口N2，殼體下側布置殼程入口N3，殼體上側布置殼程出口N4，管殼程逆流布置。纏繞管束由多層逐層反向的相同規(guī)格換熱管螺旋繞制，纏繞角度相同，且換熱管間的徑向間距和軸向間距不變?，F(xiàn)有C4 異構化纏繞管換熱器總體結構示意圖見圖4。

圖4 現(xiàn)有C4 異構化纏繞管換熱器總體結構示意圖

3 結垢堵塞原因分析

由于纏繞管式換熱器結構特殊，無法進入設備內部檢查返修，經(jīng)纏繞管換熱器相關設計、制造、應用方面的專家分析，結垢堵塞原因有以下兩點：

1）現(xiàn)有C4 異構化纏繞管式換熱器實際介質清潔度與原設計存在差距。該設備換熱介質為C4 原料和C4 異構化反應產物，C4 原料潔凈度可以達到設計要求，C4 異構化反應產物可能因反應副產物、催化劑等復雜因素影響，如果在流程及配管方面存在不合理現(xiàn)象，極有可能會將C4 異構化反應后產生的組分不清晰的副產物及催化劑等雜質帶入該換熱器。

2）現(xiàn)有C4 異構化纏繞管式換熱器結構設計有待優(yōu)化。經(jīng)筆者查閱該換熱器纏繞管束結構參數(shù)，優(yōu)化影響換熱器結垢堵塞的幾個重要參數(shù)有介質位置；換熱管參數(shù)；管間距（軸向/徑向）；介質流速；壓降；換熱能力。

4 結構設計優(yōu)化

4.1 介質分配

現(xiàn)有參數(shù)：管程介質C4 原料；殼程介質C4 異構化反應產物。

C4 原料潔凈度可以達到設計要求，C4 異構化反應產物可能因反應副產物、催化劑等復雜因素影響，會存在組分不清晰的副產物及催化劑等雜質，如果在流程及配管方面存在不合理現(xiàn)象，極有可能將產生的組分不清晰的副產物及催化劑等雜質連同C4 異構化反應產物一起帶入該換熱器。因纏繞管式換熱器殼程內部結構比管程結構復雜得多，如果C4異構化反應產物走殼程，將很容易在殼程產生結垢，如果介質流速不大，則結垢會很容易形成堵塞，甚至發(fā)生腐蝕。所以將介質分配做出調整。

優(yōu)化后：管程介質C4 異構化反應產物，殼程介質C4 原料。

4.2 換熱管參數(shù)

現(xiàn)有參數(shù)：外徑及壁厚OD14 mm×1.2 mm；換熱管總根數(shù)1 075 根；換熱管長度25 500 mm。

因將帶有雜質的C4 異構化反應產物分配走管程，所以需要放大換熱管直徑、減少換熱管數(shù)量、匹配實際換熱面積。

優(yōu)化后：外徑及壁厚OD16 mm×1 mm；換熱管總根數(shù)768 根；換熱管長度28 000 mm。

4.3 管間距（徑向/軸向）

現(xiàn)有參數(shù)：徑向管間距17.5 mm；軸向管間距19 mm。

為增加殼程流通面積、降低殼程介質壓降，須擴大徑向及軸向管間距。

優(yōu)化后：徑向管間距20 mm；軸向管間距22 mm。

4.4 介質流速

現(xiàn)有參數(shù)：C4 異構化反應產物介質流速7.9 m/s，C4 原料介質流速9.0 m/s。

優(yōu)化后：

1）C4 異構化反應產物分配在管程，該介質流速ut按式（1）計算。

式中：ut為管程介質流速，m/s；Gct為管程介質質量流量，kg/s；ρ 為管程介質密度，kg/m3；N 為換熱管總根數(shù)；di為換熱管內徑，m。

計算得到管程介質流速ut=22.3 m/s。

2）C4 原料分配在殼程，計算該介質流速us需要計算殼程當量直徑Deo和殼程有效流通截面積Areff。

殼程當量直徑Deo 按式（2）計算。

式中：Deo為殼程當量直徑，mm；la為纏繞管束長度，mm；D 為設備內徑，mm；Dc為換熱管束中心筒外徑，mm；N 為換熱管總根數(shù)；do為換熱管外徑，mm，l 為換熱管長度，mm。

計算得到殼程當量直徑Deo=19.6 mm。

殼程有效流通截面積Areff按式（3）計算。

式中：Areff為殼程有效流通截面積，m2；D 為設備內徑，m；Dc為換熱管束中心筒外徑，m；reff為有效面積比，經(jīng)計算，reff=0.28。

計算得到殼程當量直徑Areff=0.29 m2。

C4 原料介質流速us按式（4）計算。

式中：us為殼程介質流速，m/s；Ghs為殼程介質質量流量，kg/s；ρ 為殼程介質密度，kg/m3；Areff為殼程當量直徑，m2。

計算得到C4 原料介質流速us=3.1 m/s。

4.5 壓降

現(xiàn)有參數(shù)：C4 異構化反應產物壓降0.02 MPa，C4 原料壓降0.01 MPa。

優(yōu)化后：

1）C4 異構化反應產物壓降ΔPt按式（5）計算。

式中：ΔPt為管程壓降，kPa；ft為管內摩擦阻力系數(shù)，經(jīng)計算，ft=0.024；l 為換熱管長度，mm；di為換熱管內徑，m；Gct為管程介質質量流量，kg/s；ρ 為管程介質密度，kg/m3；g 為重力加速度，9.8 m/s2；ΔHt為管程高度，m。

計算得到管程壓降ΔPt=26.8 kPa=0.026 8 MPa。

2）C4 原料壓降ΔPs按式（6）計算.

式中：ΔPs為殼程壓降，kPa；Ci為管內換熱管傾斜修正系數(shù)，經(jīng)計算，Ci=0.92；Cn為管排修正系數(shù)，摩擦阻力系數(shù)，經(jīng)計算，Cn=0.95；feff為換熱管布置修正系數(shù)，經(jīng)查閱文獻[5]，feff=2.5；ω 為殼程流體流動方向管排數(shù)，經(jīng)計算，ω=246；ΔHs為殼程高度，m。

計算得到殼程壓降ΔPs=6.4 kPa=0.006 4 MPa。

4.6 換熱能力

4.6.1 實際換熱面積

現(xiàn)有參數(shù)：實際換熱面積1 111 m2。

為保證換熱能力，結構設計優(yōu)化后的實際換熱面積不應有太大變化。

優(yōu)化后：實際換熱面積A 按式（7）計算。

式中：A 為實際換熱面積，m2；N 為換熱管總根數(shù)；do為換熱管外徑，mm，l 為換熱管長度，mm。

計算得到實際換熱面積A=1 042 m2，為現(xiàn)有實際換熱面積的94%。

4.6.2 傳熱系數(shù)

現(xiàn)有參數(shù)：傳熱系數(shù)180 W/（m2·K）。

優(yōu)化后：計算傳熱系數(shù)K 需要計算管程給熱系數(shù)αct和殼程給熱系數(shù)αhs。

管程給熱系數(shù)αct按式（8）計算[9]。

式中：αct為管程給熱系數(shù)，W/（m2·K）；di為換熱管內徑，m；Dˉ為平均纏繞直徑，經(jīng)計算，Dˉ=0.762 5 m；Re為管程雷諾數(shù)，經(jīng)計算，Rect=51 000；Pr 為管程普朗特數(shù)，經(jīng)計算，Prct=0.86；λct為管程介質導熱率，W/（m·K）。

計算得到管程給熱系數(shù)αct=453.1 W/（m2·K）。

殼程給熱系數(shù)αhs按式（9）計算[9]。

式中：αhs為殼程給熱系數(shù)，W/（m2·K）；Fa為換熱管排列修正系數(shù)，經(jīng)查閱文獻[9]，F(xiàn)a=1.01；Fi為換熱管傾斜修正系數(shù)，經(jīng)計算，F(xiàn)i=0.97；Fn為換熱管排數(shù)修正系數(shù)，經(jīng)計算，F(xiàn)n=1；Rehs為殼程雷諾數(shù)，經(jīng)計算，Rehs=31 100；Pr 為殼程普朗特數(shù)，經(jīng)計算，Prhs=0.84；λhs為殼程介質導熱率，W/（m·K）。

計算得到殼程給熱系數(shù)αhs=339.2 W/（m2·K）。

傳熱系數(shù)K 按式（10）計算。

式中：α1為熱側給熱系數(shù)即管程給熱系數(shù)，α1=αct=453.1 W/（m2·K）；α2為冷側給熱系數(shù)即殼程給熱系數(shù)，α1=αhs=339.2 W/（m2·K）；R1為殼程污垢熱阻，（m2·K）/W；R2為管程污垢熱阻，（m2·K）/W；δ 為換熱管壁厚，m；λ 為換熱管導熱率，W/（m·K）；d1為換熱管內徑，d1=di，m；d2為換熱管外徑，d2=do，m；dm為換熱管壁平均直徑，dm=（d1+d2）/2，m。

計算得到傳熱系數(shù)K=159.2 W/（m2·K）。

4.6.3 所需最小換熱面積

現(xiàn)有參數(shù)：所需最小換熱面積758 m2。

優(yōu)化后：所需最小換熱面積A′按式（11）計算。式中：A′為所需最小換熱面積，m2；Q 為換熱量，W；K 為傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；ΔT 為平均傳熱溫差，℃。

計算得到所需最小換熱面積A′=861 m2。

4.6.4 換熱裕量

現(xiàn)有參數(shù)：換熱裕量46%。

優(yōu)化后：換熱裕量η 按式（12）計算。

計算得到換熱裕量η=21%。

C4 異構化原料產物纏繞管式換熱器結構設計優(yōu)化前、后比較見表3。

表3 C4 異構化原料產物換熱器結構設計優(yōu)化前后比較

5 結論

經(jīng)過結構設計優(yōu)化后：

1）管程分配了易產生雜質的C4 異構化反應產物介質。

2）在C4 異構化反應產物允許壓降不高于0.03MPa的要求下，C4 異構化反應產物流速從原來的9.0 m/s提升到22.3 m/s。

3）換熱管軸向管間距由原來的19 mm 增加到22 mm；換熱管徑向管間距由原來的17.5 mm 增加到20 mm；C4 原料壓降減小至6.4 kPa。

4）最小換熱面積由原來的758 m2增加到861 m2；實際換熱面積由原來的1 111 m2減小到1 042 m2；傳熱系數(shù)由原來的180 W/（m2·K）減小到159 W/（m2·K）；所需最小換熱面積由原來的758 m2增加到861 m2；換熱裕量由原來的46%減小到21%。

雖然傳熱系數(shù)減小、所需最小換熱面積增加、實際換熱面積減小導致?lián)Q熱裕量減小，但設備尺寸及重量變化不大，且換熱能力依然可以達到設計要求，其他結構參數(shù)均優(yōu)于現(xiàn)有參數(shù)，所以本文結構設計優(yōu)化方案可行，對該C4 異構化纏繞管式換熱器優(yōu)化改造有參考意義，且本文對繞管式換熱器的結構設計優(yōu)化方法，適用于同類型設備的常規(guī)設計及優(yōu)化設計。