換熱器選型的案例
加氫裂化裝置高壓換熱器選型分析
編 輯 | 化工活動家
來 源 | 煉油技術與工程
作 者 | 陳立國 等
關鍵詞 | 加氫裂化 高壓換熱器 選型
共 2689 字 | 建議閱讀時間 12 分鐘
導讀
螺紋鎖緊環式換熱器是高壓加氫裝置上常見的換熱器之一，20世紀70年代由美國Chevron公司和日本千代田公司共同開發研究成功。歷經幾十年的發展，其制造水平不斷提高，已在煉油、化工、煤氣化等領域廣泛應用。
纏繞管式換熱器是一種結構緊湊的高效換熱設備，其結構形式不同于傳統的管殼式換熱器，近年來已被廣泛應用于煉油、化工、煤氣化、空分等領域。本文主要對兩種換熱器進行對比，分析加氫裂化裝置高壓換熱器的選型。
加氫裂化裝置高壓換熱器應用情況
1
高壓換熱器應用位置
加氫裂化裝置反應系統典型的流程見下圖。
展開 大型重整芳烴聯合裝置反應進出料換熱器選型分析
纏繞管式換熱器由殼體和芯體組成，芯體由纏繞在中心筒上的多層小直徑換熱管組成，換熱管在中心筒上螺旋狀交替纏繞，不同層換熱管間設有定距管，中心筒與管板相連。
反應進出料換熱器選用
01
石腦油加氫反應進出料換熱器
石腦油加氫裝置反應進出料換熱器通常選用數臺U型管換熱器，隨著裝置不斷大型化，進出料換熱器熱負荷不斷增大。以某2.6Mt/a石腦油加氫裝置為例，進出料換熱器回收熱量可達70MW，若選用U型管換熱器，需要8臺串聯，臺數過多；選用繞管換熱器時，僅需要1臺繞管和2臺管殼式換熱器串聯即可滿足換熱需求。選用繞管換熱器時串聯2臺管殼式換熱器主要是在反應產物低溫端注水去除產物中的銨鹽，若不考慮洗銨鹽，1臺繞管式換熱器完全可滿足換熱需求。
以下分別為該2.6Mt/a石腦油加氫裝置進出料換熱器選用多臺管殼式及繞管和管殼式串聯選型情況。
02
重整反應進出料換熱器
重整裝置進出料換熱器熱負荷與重整反應加熱爐輻射段熱負荷相當，甚至更大，是重整裝置回收熱量大戶，近期設計大型化重整裝置進出料換熱器熱端溫差約32℃。目前已投產重整裝置中最大的繞管式換熱器應用于某3.3Mt/a重整裝置，換熱器熱負荷190MW，選用1臺殼徑Φ5050mm繞管式換熱器。裝置運行初期熱端溫差20℃，比設計值低15℃，換熱性能較好。
國內已投產單套最大重整裝置，某3.8Mt/a重整裝置進出料換熱器熱負荷231.34MW，選用2臺殼徑Φ3280mm并聯PACKINOX焊接板式換熱器。裝置運行初期2臺板換熱端溫差均值26℃，比設計值低2℃，換熱性能較好。
展開 換熱面積在板式換熱器設計中的重要性是什么？
在現代工業系統中，能源效率與設備性能的平衡始終是工程師關注的核心，而在眾多熱交換設備中，板式換熱器因緊湊的結構、高效的傳熱能力和靈活的配置，廣泛應用于暖通空調、食品加工、化工、電力等多個領域，然而在設計和選型過程中，一個看似基礎卻相當重要的參數——換熱面積，往往決定了整個系統的成敗，它不僅僅是圖紙上的一個數字，更是決定換熱效率、運行成本乃至設備壽命的關鍵因素。
艾克森板式換熱器：https://www.accessen.cn/
那么換熱面積到底意味著什么？簡單來說，它是所有換熱板片有效傳熱表面的總和，想象一下，熱量就像水流，需要通過一塊塊“橋梁”從一種介質傳遞到另一種介質，這些“橋梁”的總面積越大，熱量傳遞的通道就越寬，換熱過程也就越順暢，因此換熱面積直接決定了設備的熱負荷能力，面積不足，系統可能無法達到預期的溫度變化，導致生產效率下降；面積過大，則可能造成材料浪費、設備體積臃腫，增加初期投資和運行阻力。
在實際設計中，換熱面積的選擇并非孤立進行，而是與流體特性、溫差、流量、板片材質和波紋結構等參數緊密關聯，例如在溫差較小的工況下，為了達到相同的換熱量，就必須增大換熱面積來補償傳熱推動力的不足，同樣，對于高粘度或低導熱系數的流體，也需要更大的面積來保證足夠的熱交換效率，這就要求設計人員在計算時，不僅要依據標準公式，更要結合實際運行條件進行精細優化。
值得一提的是，板式換熱器的模塊化設計為換熱面積的調整提供了極大便利，通過增減板片數量，可以在一定范圍內靈活調節總面積，以適應不同的工況需求，這種靈活性不僅提升了設備的適應性，也降低了用戶在不同項目中的選型難度，然而這也帶來了一個難題：如何在滿足性能要求的同時避免過度設計？這就需要制造商具備深厚的工程經驗和精準的模擬分析能力。
展開 換熱器基礎知識，看完了，多想想
三 、 壓降過大
1 產生原因
①運行系統管路未進行正常吹洗，特別是新安裝系統管路中許多臟物(如焊渣等)進入板式換熱器的內部，由于板式換熱器流道截面積較窄，換熱器內的沉淀物和懸浮物聚集在角孔處和導流區內，導致該處的流道面積大為減小，造成壓力主要損失在此部位。
② 板式換熱器首次選型時面積偏小，造成板間流速過高而壓降偏大。
③ 板式換熱器運行一段時間后，因板片表面結垢引起壓降過大。
2 處理方法
①清除換熱器流道中的臟物或板片結垢，對于新運行的系統，根據實際 情況每周清洗一次。
②二次循環水最好采用經過軟化處理后的軟水，一般要求水中懸浮物質量濃度不大于5 mg／L、雜質直徑不大于3 mm、pH≥ 7。
當水溫不大于95℃時，Ca 、Mg 濃度應不大于2 mmol／L；
當水溫大于95℃ 時，Ca 、Mg 濃度應不大于0．3 mmol／L、溶解氧質量濃度應不大于0．1 mg／L。
③對于集中供熱系統，可以采用一次向二次補水的方法。
四、供熱溫度不能滿足要求
1 產生原因
①一次側介質流量不足，導致熱側溫差大，壓降小。
②冷側溫度低，并且冷、熱末端溫度低。
③并聯運行的多臺板式換熱器流量分配不均。
④換熱器內部結垢嚴重。
2 處理方法
① 增加熱源的流量或加大熱源介質管路直徑。
② 平衡并聯運行的多臺板式換熱器的流量。
③拆開板式換熱器清洗板片表面結垢。
展開 
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講師介紹
帕特里斯·蒙塔蘭 (Patrice Montaland)
脫碳、氫和燃料電池應用專家
他主要負責將系統仿真擴展到新的應用領域，以及拉近軟件開發和仿真工程師之間的距離。帕特里斯畢業于里昂國立應用科學學院，主修機械工程專業。他于 2008 年加入西門子，在此之前，曾在汽車、卡車和氫行業工作了 9 年，積累了豐富的經驗。
展開 特殊換熱器種類之雙管板換熱器
同單管板換熱器相比，雙管板換熱器管程殼程間泄漏概率低得多；受力狀況更好。
1、雙管板換熱器與單管板換熱器結構比較
從結構看，雙管板換熱器采用固定管板式結構，管束不能抽出清洗。實際使用表明，采用機械脹管法制造的雙管板換熱器，可以滿足使用要求。
雙管板換熱器采用固定管板結構，管束不能抽出清洗,，單管板換熱器可采用多種結構型式，管束可以抽出清洗。對于溫差較大的雙管板換熱器，簡體上可加裝波紋膨脹節；而單管板換熱器除可考慮簡體上加裝波紋膨脹節外，常采用浮頭或U型管型式來補償。
對于雙管板換熱器，存在二種設計理念的認識：一種認為雙管板換熱器用于絕對防止管殼程間介質混串的場合，設計在內外管板之間空腔上加裝排液倒淋閥，供日常觀察和內管板發生泄漏時排放，使得管殼程介質切實被內外二層管板隔離，這是采用雙管板結構型式的主要目的。
另一種認為雙管板換熱器可用于管殼程間介質，壓差很大的場合，設計在內外管板之間的空腔中加入一種介質，來減小管殼程間介質的壓差。這和一般單管板換熱器一樣，不能絕對保證外管板上管口不發生泄漏。
2、雙管板換熱器與單管板換熱器使用上的比較
單管板換熱器最常見。在使用中除經常出現墊片螺栓法蘭接頭密封泄漏外，還會出現管板上的管口泄漏，以及焊接裂紋等。單管板換熱器管板上的管口泄漏大部分出現在焊接收弧處。焊接收弧時氣體未放干凈，有砂眼。雙管板換熱器具有內外雙層管板，如果內管板管口泄漏，還有外管板防護。
雙管板換熱器筒體大法蘭盤錐體小端與筒體結合部位于內外管板間形成的空腔外邊上，空腔中無介質或介質壓力很小。受力狀況好于單管板換熱器。另外,雙管板換熱器壓力試驗要打遍壓(管程，兩內管板之間的殼程,兩側內外管板之間的腔體)，單管板換熱器壓力試驗要打2～3遍壓(管程,殼程或管程，殼程，小浮頭)。
展開 雙管板換熱器與單管板換熱器的區別
單管板換熱器管板上的管口泄漏大部分出現在焊接收弧處。焊接收弧時氣體未放干凈，有砂眼。
雙管板換熱器具有內外雙層管板，如果內管板管口泄漏，還有外管板防護。
單管板換熱器焊接裂紋常出現在換熱器簡體大法蘭盤錐體小端與簡體結合部。這里出現問題的主要原因，一是大法蘭盤錐體小端與簡體結合部應力大；二是幾何尺寸和形狀突變，容易埋藏缺陷。
雙管板換熱器簡體大法蘭盤錐體小端與筒體結合部位于內外管板間形成的空腔外邊上，空腔中無介質或介質壓力很小。受力狀況好于單管板換熱器。
另外，雙管板換熱器壓力試驗要打4遍壓(管程、兩內管板之間的殼程、兩側內外管板之間的腔體)，單管板換器壓力試驗要打2～3遍壓(管程、殼程或管程、殼程、小浮頭)。
04
雙管板與單管板換熱器制造的比較
①費用
雙管板換熱器與單管板換熱器相比，增加部分為兩個外管板、兩個內外管板之間的腔體和腔體中的換熱管。目前國內定購的雙管板換熱器價格比定購的單管板換熱器價格高出10~20%左右。
據北京燕山石化公司制苯裝置三臺雙管板換熱器顯示：如果分別采用雙管板結構形式和單管板結構形式做換熱器，雙管板比單管板增加重量10％～20％，增加費用25％～37％。因此，應更加重視雙管板換熱器制造質量，使多花的錢，切實達到好的效果。
②脹接
通常，換熱管和管板的連接大致有四種形式，即強度焊(常見氬弧焊)、強度脹、強度焊+貼脹、強度脹+密封焊，其差異主要反映在管孔是否開槽和焊接坡口及管子伸出長度等方面。脹接可分為非均勻脹接(機械滾珠脹接)、均勻脹接(液壓脹接、液袋脹接、橡膠脹接、爆炸脹接等)。
展開 換熱翅片選型之流場分析！——徐凱
三等獎獲得者：徐凱
作品名稱：換熱翅片選型之流場分析
作品簡介：分析的是一個空調翅片的熱分析和外流分析，利用SpaceClaim直接建模，針對換熱翅片單元不同陣列的分析，利用DiscoveryLive強大的實時仿真技術，快速得到結構的流場速度分布，然后改變散熱翅片單元的陣列結構，可迅速觀察改變幾何結構前后，流場的變化情況。通過Discovery增加了設計人員對流場的認識，幫助快速選型。同時也展示了SpaceClaim幾何修復能力和Discovery實時仿真功能的無縫銜接。
下載和試用ANSYS Discovery系列產品： https://www.ansys.com/how-to-buy/3d-design-bundles
視頻文件：https://weibo.com/tv/v/GgzfcFBGb?fid=1034:dfef64334ef0ac5fae16f55cf307f6d1
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展開 相比管殼式換熱器，板式換熱器有哪些優勢？
板式換熱器與管殼式換熱器相比有哪些優勢
板式換熱器是熱換器的一種類型，主要是由一系列波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型又高效的換熱器，器械內的各個板片組合形成了薄矩形通道，就這樣進行熱量交換，那么板式換熱器原理有哪些呢?板式與管殼式換熱器相比有哪些優勢呢?下面來看看吧。
板式換熱器原理
有哪些一：結構原理
板式換熱器的結構原理是結構上的組合，是指按一定間隔將可拆卸的板式換熱器中的沖壓有波紋薄板通過墊片密封好，并且用特有的框架和壓緊螺旋重疊來壓緊，而板片和墊片的四個角孔就是流體的分配和匯集管道，能合理地將冷熱流體分開，通過板片進行熱交換。
板式換熱器原理
有哪些二：工作原理
而板式換熱器的工作原理則是通過板片進行熱量交換，工作中的氣流在兩塊板片之間的通道中流過。中間的隔層板片將依次通過流道的冷熱流體分開，在此板片進行換熱交換。
板式換熱器原理原理就這兩種，熱換器除了板式熱換器還有管殼式熱換器，與此相比，有很多優勢之處，所以受到更多人的選擇，那么都有哪些優勢呢：
1、傳熱系數高
板式換熱器是由不同的波紋板相互倒置才組合成的流道，，所以流體通過管道時的傳熱系數會更高，是管殼式的3至5倍。
展開 板式換熱器的換熱效率受到哪些因素的影響呢？
運維管理：長期穩定的“隱形保障”
設備運行后的維護同樣關鍵，密封墊老化會導致冷熱流體混合，直接破壞傳熱過程；裝配精度不足可能引發流道堵塞或“短路”，使有效換熱面積縮減，定期清洗是維持效率的必要手段——化學清洗可去除水垢，機械反沖洗能清除顆粒雜質，艾克森的實踐數據顯示，每6個月進行一次專業清洗，可使設備長期保持90%以上的設計效率，而忽視維護的設備在運行1年后效率可能衰減40%以上。
板式換熱器的換熱效率是設計、選型、運行、維護全流程協同的結果，從流體特性適配到結構優化，從參數精準調控到定期運維，每個環節都需科學把控，艾克森憑借多年行業經驗，通過智能選型系統、高效板片技術及全生命周期服務，幫助客戶在供熱、制冷、工業等領域實現“高效換熱+低耗運行”的雙重目標，選擇專業，讓每一分熱量都物盡用。
展開 板式換熱器中的換熱管應該如何進行固定？
說到這里，也許你會問：那管殼式換熱器里的管子是怎么固定的？沒錯，在那種結構中，換熱管確實需要被固定在管板上，通常采用脹接或焊接的方式，確保管子不會松動或泄漏，但那是另一個故事了。
回到板式換熱器，它的“固定”哲學更偏向于整體的壓緊與精密的定位，而非單根管子的束縛，這種設計不僅提升了換熱效率，也讓設備更加緊湊、靈活，維護起來也相對簡便。
所以，下次當你聽到“板式換熱器的換熱管”時，不妨一笑置之，然后優雅地糾正：我們固定的是板片，不是管子，這才是真正懂行的人才會說的話。
Fluent實用案例 | 螺旋翅片管式換熱器換熱仿真
<p>本案例利用Fluent能量方程對螺旋翅片管式換熱器展開了數值仿真計算。該案例所用模型為假設模型，僅作計算設置參考，所進行的設置十分簡單。通過此案例后續可以對進一步通過參數化建模，對不同流速、基管尺寸、翅片半徑等參數進行設置，實現多工況的仿真計算，從而達到多目標優化的目的。</p><p><strong>1 workbench 設置</strong></p><p>本案例具體設置如下圖 ：</p><p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202508/a73d4f107f58f883f2fc0a0da08f2be6.jpg"></p><p><strong>2 SCDM 設置</strong></p><p><strong>2.1 導入幾何</strong></p><p>整體幾何結構如下圖:中間為換熱器，外部為空氣域。基管長34mm，前后各留1mm間隔，翅片厚度為1mm，x方向壁面分別為進出口。z方向壁面設置為wall2，y方向壁面設置為wall1，對幾何結構進行共享拓撲處理。換熱器外表面命名為pipe，內表面命名為wall-</p><p>hot。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202508/989b58b5d3ceb34064e2c27613527b7f.png"></p><p><br></p><p><strong>3 Fluent Meshing 設置</strong></p><p><strong>3.1 網格設置</strong></p><p>采用 Fluent meshing 進行網格劃分，背景網格與前景網格皆采用六面體網格劃分，并劃分相對應的邊界層網格。
展開 管殼式換熱器中換熱管與管板連接的工藝
一、概述
換熱器作為將物料之間熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的傳熱設備，在人們日常生活及石油、化工、動力、醫藥、原子能和核工業等行業中有著廣泛的應用。它可作為獨立的設備，如加熱器、凝汽器、冷卻器等；也可作為某些工藝設備的組成部分，如一些化工設備中的熱交換器等。
尤其在耗能用量較大的化工行業中，換熱器在化工生產的熱量交換和傳遞過程中是不可缺少的設備，在整個化工生產設備中也占有相當的比例。
換熱器從其功能上來看，一方面是保證工業過程對介質所要求的特定溫度，另一方面也是提高能源利用率的主要設備。按其結構形式主要有板式換熱器、浮頭式換熱器、固定管板式換熱器和U形管式換熱器等等。其中除板式換熱器外，其余幾種屬于管殼式換熱器。
由于管殼式換熱器具有單位體積上較大的換熱面積，而且換熱效果好，同時具有結構堅固、適應性強、制造工藝成熟等優點，已成為最為普遍使用的一種典型的換熱器。
二、管殼式換熱器中換熱管與管板的連接
在管殼式換熱器中換熱管和管板是換熱器管程和殼程之間的惟一屏障，換熱管與管板之間的連接結構和連接質量決定了換熱器的質量優劣和使用壽命，是換熱器制造過程中至關重要的一個環節。
大多數換熱器的破壞及失效都發生在換熱管與管板的連接部位，其連接接頭的質量也直接影響著化工設備及裝置的安全可靠性，因此對于管殼式換熱器中換熱管與管板的連接工藝就成為了換熱器制造質量保證體系中最關鍵的控制環節。目前在換熱器制造過程中，換熱管與管板的連接主要有：焊接、脹接、脹接加焊接以及膠接加脹接等方法。
展開 Fluent周期性流動換熱仿真實例-翅片換熱器
案例描述：
氨水在間斷式翅片換熱器的流動換熱仿真。由于在間斷式翅片換熱器中重復的幾何單元多，這里取它的一個重復單元進行仿真分析即可，尺寸和邊界條件見下圖。
FLUENT 提供流向周期流的計算。這種流動具有廣泛的應用，如熱交換管道以及通過水箱的管流。在這些流動模式中，幾何外形沿流動方向上具有重復性的特點，從而導致了周期性完全發展的流動。這些周期性條件在足夠的入口長度后就會形成，具體與雷諾數和幾何外形有關。
周期性熱傳導的解策略：
完成了周期性熱傳導常數壁面溫度的用戶輸入之后，你就可以解決流動和熱傳導問題直至收斂。最為有效的解決方法是首先解沒有熱傳導的周期性流動，然后不改變流場來解熱傳導問題，具體步驟如下：
在解控制面板中關閉能量方程選項。菜單：Solve/Controls/Solution...。
解剩下的方程（連續性，動量以及湍流參數（可選））來獲取收斂的周期性流動的流場解。注意，當你在開始計算之前初始化流場時，請使用入口體積溫度和壁面溫度的平均值作為流場的初始溫度。
回到解控制面板，關閉流動方程打開能量方程。
解能量方程直至收斂獲取周期性溫度場。
當同時考慮流動和熱傳導來解決周期性流動和熱傳導問題時，你就會發現上面所介紹的方法相當有效。
1、導入網格
1.1 打開Fluent軟件，選擇2D求解器。
1.2 導入網格。
1.3 尺寸縮放。在本案例的附件網格，需要點擊Scale兩次，如下圖。
2、模型選擇
打開能量方程和湍流模型，其中，湍流模型設置如下。
3、材料
在流體材料庫中調出氨水ammonia-liquid (nh3<l>)的物性。
4、計算域設置
將計算域的材料設置為氨水。
展開 管殼式換熱器中換熱管與管板連接的工藝
概述
換熱器作為將物料之間熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的傳熱設備，在人們日常生活及石油、化工、動力、醫藥、原子能和核工業等行業中有著廣泛的應用。它可作為獨立的設備，如加熱器、凝汽器、冷卻器等；也可作為某些工藝設備的組成部分，如一些化工設備中的熱交換器等。
尤其在耗能用量較大的化工行業中，換熱器在化工生產的熱量交換和傳遞過程中是不可缺少的設備，在整個化工生產設備中也占有相當的比例。
換熱器從其功能上來看，一方面是保證工業過程對介質所要求的特定溫度，另一方面也是提高能源利用率的主要設備。按其結構形式主要有板式換熱器、浮頭式換熱器、固定管板式換熱器和U形管式換熱器等等。其中除板式換熱器外，其余幾種屬于管殼式換熱器。
由于管殼式換熱器具有單位體積上較大的換熱面積，而且換熱效果好，同時具有結構堅固、適應性強、制造工藝成熟等優點，已成為最為普遍使用的一種典型的換熱器。
管殼式換熱器中換熱管與管板的連接
在管殼式換熱器中換熱管和管板是換熱器管程和殼程之間的惟一屏障，換熱管與管板之間的連接結構和連接質量決定了換熱器的質量優劣和使用壽命，是換熱器制造過程中至關重要的一個環節。
大多數換熱器的破壞及失效都發生在換熱管與管板的連接部位，其連接接頭的質量也直接影響著化工設備及裝置的安全可靠性，因此對于管殼式換熱器中換熱管與管板的連接工藝就成為了換熱器制造質量保證體系中最關鍵的控制環節。目前在換熱器制造過程中，換熱管與管板的連接主要有：焊接、脹接、脹接加焊接以及膠接加脹接等方法。
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