板殼式換熱器概述

板殼式換熱器的優(yōu)勢以及發(fā)展狀況王萌（學號:300820701608級化學工程與工藝一班，化工學院，天津大學）摘要：本文通過比較板殼式換熱器跟目前普遍使用的板式換熱器、管殼式換熱器等換熱器的各種特點，著重描述板殼式換熱器的在換熱效率，經(jīng)濟效益等方面的優(yōu)勢，并回顧板殼式換熱器在國內(nèi)外的發(fā)展狀況以及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：換熱器板殼式優(yōu)勢發(fā)展狀況應(yīng)用Abstract：lnthispaper,wecomparethevariouscharacteristicsofshell-and-tubeheatexchangerwiththeonesofplatetypeheatexchangerandlamelaheatexchanger,whicharewidelyusednowadays.Andweemphasistheadvantangesofshell-and-tubeheatexchangerinexchangeefficiencyandeconomicbenefits.Thedevelopmentandapplicationofshell-and-tubeheatexchangerarealsopresentedinthispaper.KeyW0rds:heatexchanger,shell-and-tube,advantage,development,application1前言目前，國內(nèi)外各個煉油化工企業(yè)的新上裝置及新改造裝置的規(guī)模越來越大。而為了實現(xiàn)裝置的大型化，就需要解決一些原有關(guān)鍵換熱設(shè)備占地面積大、重量大、投資大及能耗高的缺點。而目前在煉油、化工行業(yè)中普遍使用的管殼式換熱器以及板式換熱器已不能滿足大型化裝置的需要。板殼式換熱器作為高效緊湊式換熱器的一種，介于管殼式和板式換熱器之間，具有兩種換熱器的綜合優(yōu)點：換熱效率高、端部溫差小、壓降低、節(jié)省占地面積、節(jié)約工程及設(shè)備安裝費用、節(jié)省裝置操作費用等優(yōu)點，適合煉油、化工等領(lǐng)域大型化生產(chǎn)裝置的使用要求［u板殼式換熱器的優(yōu)勢，在各個研究機構(gòu)的研究和各大工廠的生產(chǎn)實踐中，逐步體現(xiàn)出來，各項技術(shù)逐步走向成熟，為化工等工業(yè)提供了巨大的幫助，本文著重對板橋式換熱器這部分內(nèi)容進行總結(jié)介紹。2結(jié)構(gòu)特點優(yōu)勢板殼式換熱器的基本結(jié)構(gòu)與板式換熱器相似，但板間距增大，取消了墊片，用焊接法聯(lián)接各板，形成通道。圖1以及圖2分別是工業(yè)應(yīng)用中的兩個板殼式換熱器實例的示意圖，通過觀察和研究，總結(jié)了不同于板式換熱器和管殼式換熱器的特點：圖1：板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖[3]（立式擺位順時針方向旋轉(zhuǎn)90。后的視圖）圖2：壓縮機終端水冷器設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖（基本結(jié)構(gòu)為板殼式換熱器的結(jié)構(gòu)）1）板的厚度增加。加上板間距的增加，使換熱器單位體積的換熱面積小于板式換熱器，但大于列管式換熱器；[2]2） 采用焊接后，換熱器能承受的壓力和溫度大大增加，密封性能良好；3） 板間距的增大使換熱器被堵塞的，可能性大大減少，換熱器能處理的物料范圍因而較廣；4） 物料在換熱器內(nèi)的流動途徑與板式換熱器相似，屑純逆流；5） 板殼式換熱器的板間距離是可調(diào)的，只要無堵塞危險，就可以縮小間距以增大湍流。對無懸浮粒子的清潔流體，板殼式換熱器的傳熱系數(shù)比板式換熱器略小。但比列管式換熱器和螺旋板式換熱器高，當處理帶懸浮粒子的流體、高粘度流體或渣粒狀材料時，板殼式換熱器仍能維持比螺旋板式換熱器高的傳熱系數(shù)，而板式換熱器則無法操作；⑶6） 傳熱板片沿流體流動方向的流道斷面形狀不斷變化，大大加強了流動的擾動，因而能在很低的雷諾數(shù)下形成湍流，從而增加了流體的傳熱性能；7） 板殼式換熱器由于改變板片形狀及間距可以產(chǎn)生復(fù)雜的流體流動，在板式傳熱面上可得到無“死區(qū)”的流動，因而污染物附著步，不易結(jié)垢，板束又可拆，設(shè)備清洗方便?？梢姲鍤な綋Q熱器在結(jié)構(gòu)方面集合了管殼式換熱器以及板式換熱器的優(yōu)點，形成了自己的獨特優(yōu)勢，成為眾多化工廠更換設(shè)備或添置新設(shè)備的首要選擇。3三種情況下板殼式換熱器與其他換熱器的比較3.1有相變（蒸發(fā)和冷凝）的換熱情況3.1.1蒸發(fā)過程中換熱器的比較用飽和蒸汽加熱時，無論加熱室采甩列管式或板式結(jié)構(gòu)，對傳熱效果不會造成太大影響，而且此種情況下板式結(jié)構(gòu)并不占優(yōu)勢。但若是強制循環(huán)蒸發(fā)器而且熱流體不是蒸汽而是某種液體，則板殼式或螺旋板式加熱器明顯比列管式加熱器好。也有用板式加熱器的蒸發(fā)器，但其應(yīng)用場合較受限翻。假如被蒸發(fā)物料為某種致冷劑，傳熱溫差又在5°C以內(nèi)，用板殼式加熱器時的傳熱系數(shù)可2倍于管式加熱器且結(jié)構(gòu)緊湊,此時便體現(xiàn)出板殼式換熱器的傳熱優(yōu)勢。3.1.2冷凝傳熱過程中換熱器的比較因為列管式換熱器不可避免冷凝液流到下一列的管子上，所以不宜采用列管式換熱器作為冷凝傳熱換熱器。為減小冷凝液膜厚度，應(yīng)使冷凝液流過的途徑盡可能短。如果改用垂直管式換熱器時，管子以短而粗為好，這樣就使投資增加，也不宜用此類型的換熱器。當蒸汽中含有較多不凝性氣體時，蒸汽應(yīng)擴散通過不凝氣膜，再在壁上冷凝，才能達到理想的換熱效果。此時若蒸汽走水平管式換熱器的殼程，則傳熱系數(shù)不高。若走垂直管式換熱器的管程，可在管內(nèi)加裝波形翅片以加強湍流，但由于管壁常常不完全潤濕，傳熱系數(shù)也不高。螺旋板式換熱器較好些，但在有支撐的一側(cè)無法加裝波形翅片。若讓蒸汽走光精側(cè)，則冷流體側(cè)的傳熱并不總是得到優(yōu)化。然而板殼式換熱器則顯示出它的綜合優(yōu)勢，它可以設(shè)計成不太高而較長、多程的空間，而不致增加其價格。這樣可得到較高的傳熱系數(shù)。還可以同時引入二股冷流體。板殼式換熱器成為冷凝傳熱過程中的最佳選擇。⑵3.2無相變液體的換熱當液體中無懸浮粒子時，無論從傳熱系數(shù)還是從總費用看，板式換熱器為最佳選擇。當液體中有懸浮粒子時，板式換熱器易堵塞，傳統(tǒng)上用列管式換熱器。其管程流動是較理想的。但殼程流動的湍流程度太低，導(dǎo)致總傳熱系數(shù)低，投資高。螺旋板式換熱器是較理想的設(shè)備，液體的流動為純逆流，但其板間支撐（類似于U型板殼式換熱器）易造成堵塞，清洗也較難。此外，它可以是逆流或并流，但不能一側(cè)為單程，另一側(cè)為多程。和列管式換熱器一樣，板殼式換熱器較易清洗，但其傳熱效率卻高得多，因為二側(cè)的傳熱系數(shù)都較高。它的流程可任意選定，比螺旋板式換熱器靈活。其費用比板式換熱器貴，但比列管式換熱器便宜?？偟膩砜?，板殼式換熱器的性價比最高。4發(fā)展狀況以及應(yīng)用4.1板殼式換熱器在國外的發(fā)展情況二十世紀七八十年代，法國BARRIQUAND公司研制出了第一個板殼式換熱器，這之后，歐美發(fā)達國家于上世紀八十年代起開始競相開發(fā)、研制各種型式的板殼式換熱器。其中具有代表性的公司當屬法國Packinox公司，該公司于20世紀80年代首次在催化重整裝置中用一臺大型板殼式換熱器替代傳統(tǒng)的管殼式換熱器組。20世紀90年代末期，Packinox公司又將大型板殼式換熱器用于催化加氫裝置。該公司的產(chǎn)品得到UOP（美國聯(lián)合油）的認證，其產(chǎn)品主要用于的催化重整、芳烴及加氫裝置。[1]Packinox公司板殼式換熱器的單板最大尺寸可達1400mmX16000mm；單臺設(shè)備最大傳熱面積可達8000m2；板片為魚刺形凹凸波紋，爆破成型；板束在殼體內(nèi)為懸掛結(jié)構(gòu)；獨特的氣液兩相進料混合器；帶膨脹節(jié)的管式連接；雙容器設(shè)計，熱介質(zhì)不與壓力容器接觸；殼體為無大法蘭結(jié)構(gòu)；板束操作壓力（反壓）小于等于100Pa；板束操作壓力（正壓）同殼體操作壓力，不受限制；操作溫度小于等于550°C。4.2板殼式換熱器在我國的發(fā)展情況盡管板殼式換熱器在國外發(fā)展的比較早，但是板殼式換熱器制造工藝比較復(fù)雜，焊接技術(shù)要求高，所以在國內(nèi)起步較晚各，各項技術(shù)正在趨于成熟。即便如此，我國在該類型換熱器的研究也取得了不少成就。我國首臺大型板殼式換熱器克拉瑪依石化廠二段混氫進料/重整產(chǎn)物換熱器制造完成后，國內(nèi)有關(guān)的設(shè)計院及石油化工企業(yè)專家，在國內(nèi)首臺大型板殼式換熱器的出廠小結(jié)會，經(jīng)過充分地討論和論證，一致認為：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、可靠，與國外同類產(chǎn)品相比，更加適合國內(nèi)煉油化工廠的使用要求。其后，在這種要求的指引下，我國的板殼式換熱器發(fā)展取得了巨大的成績。在1996年初，昆山板式換熱器廠解決了板片供應(yīng)和不銹鋼滾壓技術(shù)后，與昆山化工廠聯(lián)合開發(fā)出兩個壓力等級，8種規(guī)格BKI系列產(chǎn)品，促進了板殼式換熱器的發(fā)展。[1]1999年蘭州石油機械研究所研制成功大型板殼式換熱器，該產(chǎn)品（專利號：ZL98249056.9）具有國際先進水平、首創(chuàng)獨特結(jié)構(gòu)的全焊式板式換熱器，并已在煉油廠重整裝置，化肥廠水解解吸裝置及集中供熱換熱站等場合得到應(yīng)用。本產(chǎn)品于1999年5月8日通過中國石化總公司鑒定。同時將板殼式換熱器產(chǎn)品轉(zhuǎn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，投資數(shù)百萬元初步建成了大型板殼式換熱器生產(chǎn)線。2009年7月5日，由甘肅蘭科石化高新裝備股份有限責任公司設(shè)計制造的重大石化設(shè)備一一10500m2高效節(jié)能板殼式換熱器，正式通過驗收。這臺國內(nèi)單臺換熱面積最大的國產(chǎn)板殼式換熱器，將應(yīng)用于中國石油天然氣股份有限公司烏魯木齊石化分公司1.0Mt/a芳烴聯(lián)合裝置上，該換熱器的研制成功，已標志著我國國產(chǎn)板殼式換熱器已逐步跨入國際領(lǐng)先行列。4.3工業(yè)應(yīng)用范圍板殼式換熱器可廣泛應(yīng)用于冶金、化工、造紙、制藥和食品等行業(yè)中的液一液，液一氣，氣一氣加熱、冷卻、蒸發(fā)和冷凝各種過程。特別是用于化肥低壓變換熱交換過程，尤其受到化肥行業(yè)歡迎。特別是，由青州化肥廠試用2.0MPa,DN900板殼式換熱器替代立式氨冷凝器已獲得成功。這幾年板殼式換熱器已形成小批量生產(chǎn)，從使用情況看出，板殼式傳熱效果明顯，其總傳熱系數(shù)為列管式換熱器約3倍左右，同時又能承受一定的溫度和壓力，普遍受到廣大工廠的青睞。5結(jié)語板殼式換熱器可視為在板式換熱器和管殼式換熱器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的變型.它克服了板式換熱器易堵塞的弱點和墊片材料對操作壓力和溫度的限制，是集板式換熱器和管殼式換熱器優(yōu)點于一身的新型換熱設(shè)備，具有傳熱效率高、承壓耐熱及耐腐蝕能力強、密封性能好、安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低等優(yōu)點。實踐證明，板殼式換熱器作為一種新型高效換熱設(shè)備，板殼式換熱器在電力、