高效LNG绕管式换热器及研究与应用.pdfVIP

垫13．12杭州 中国石油和化工勘察设计协会热工专委会、热工中心站2013年·年会论文集 高效LNG绕管式换热器的研究与应用 李晖，刘丰 (江苏中圣高科技产业有限公司，江苏省工业节能技术研究院，南京211112) 摘要：本文通过对高效LNG绕管换热器用材料、高效换热管试验、换热管缠绕结构、中心筒热膨胀 效应、管板设计及两相流均布技术等进行研究，并对管板、中心筒等结构进行有限元分析、 均布器的模拟计算，确定了高效LNG绕管式换热器的设计关键技术，研制的绕管换热器在甲 醇、乙二醇、LNG项目得到应用。 关键词：高效换热管；绕管式换热器；工程应用 1、概述 缠绕管式换热器不仅是大型化工工艺过程重要的设备，而且是一个高效节能的设备。缠绕管式换 热器属于管壳式换热器，是一种特殊的紧凑型换热器，其单位体积内可具有较大的换热面积。目前主要 应用于低温领域，尤其在低温甲醇洗工艺中应用较为广泛。在低温和深冷分离中，结构紧凑、占地面 积小的缠绕管式换热器获得了广泛的应用。对于压力低于4MPa的情况，一般的铝制板翅式换热器可 满足要求。然而。当工作压力升高时，普通板翅式换热器已不再适用。缠绕管式换热器最高可承受20 MPa的压力，在高压环境下缠绕管式换热器仍可充分发挥作用。这种换热器往往用做3种以上流体同 时换热的所谓多流体换热器，因此常采用并管结构。采用并管结构的优点是可以通过在一个壳体内实 现多流体间的相互传热，提高换热效率。 由于缠绕管换热器设计结构特点是管板小，壳程大，两端入口封头小，该结构能克服普通高压换热 器的弊病。普通高压换热器均采用浮头式或U形管式，当压力提高，不仅壳体厚度加大，而且法兰的强度 等级要大幅提高，一般的高压换热器如压力大于IOMPa，直径到1．4m时，换热器将是非常庞大，法兰 也非常厚。而且随着装置的大型化，高压换热器也需要不断扩大，这就给制造带来麻烦，如加氢裂化的锁 就已达45t，制造非常困难，若改做浮头式换热器则很难保证换热器的密封等要求。因此，随着加氢装 置的大型化，锁紧环换热器也要大型化，要向1．6m或1．8m发展，不但制造难度大，而且由于结构庞大，检 维修将十分困难。而缠绕式换热器却可通过加长长度来增大面积，而两端的小管板使得连接法兰小，容 易制造。目前国内一些单位正在进行研究，以缠绕管式换热器逐步替代炼油行业一些高压换热器，如加 氢裂化和重整等装置。 与普通的管壳式换热器相比，绕管式换热器有以下优点：(1)结构紧凑，单位容积的传热面可 达到普通管壳式换热器的两倍以上：(2)可同时进行多种介质的换热；(3)换热管内允许操作压力高； (4)由于管端存在一定的弧度，因而具有良好的挠性，换热管的热膨胀可部分自行补偿；(5)由于自 身结构的特殊性，容易实现大型化，可减少设备数量；(6)对于一定的数量的换热管，通过选择一定 的缠绕层数，可以比较容易地分配管程和壳程流通面积：(7)因传热系数大、设备布置紧凑、传热效 率高，用一台同体积的缠绕管换热器可替代几台普通的管壳式换热器，进而减少了设备数量，降低了 ．218． 中国石油和化工勘察设计协会热工专委会、热工中心站2013年·年会论文集 2013．12杭州 因设备泄漏而引起停车的可能性。(8)较高的换热效率，例如可达到2C端面换热温差。 由于其自身结构特点的限制，绕管式换热器也存在一些缺点：(1)易堵塞，检修、清理较困难， 所以一般只能用于较清洁的工艺介质：(2)设计难度大、制造周期长，设备·次性投资较大；(3)管、 壳侧流体分布不均。 在LNG领域中，换热器设备操作工艺有如下特点：高压、低温、洁净、介质进出口温差大、 有效传热平均温差小、系统热负荷大、换热面积规模大。根据前面所述绕管式换热器的各种优点、缺 点分析，其应用于LNG领域是最佳的选择。 中圣攻克了绕管式换热器设计、制造方面的众多技术难题，目前已取得了成果，能够完全自主 设计、制造绕管式换热器、且已经成功应用于工业生产。 2、LNG绕管式换热器设计关键技术 工程中常用的间壁式换热器主要有管壳式换热器、板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器、 浸沉式蛇管换热器等。缠绕管换热器是一种特殊的紧凑型换热器，属于管壳式换热器的一种。目前主 要应用于低温领域，尤其在LNG、空分及低温甲醇洗工艺中应用最为广泛。 缠绕管式换热器由绕管芯体和壳体两部分组成。绕管芯体由中心筒、换热管、垫条