原油加热流程中换热器—参数

文章由山东擎雷环境科技股份有限公司提供
**一、核心设计参数与选型依据**
1. **热负荷与传热面积计算**
以某油厂为例，需将原油从70℃加热至110℃，处理能力29.5万吨/年，年操作时间800小时。通过热量衡算确定热负荷：
\[
Q = m \cdot c_p \cdot \Delta T = 2.95 \times 10^4 \, \text{kg/h} \times 2.2 \, \text{kJ/(kg·K)} \times 40 \, \text{K} = 9.01 \times 10^5 \, \text{W}
\]
选用柴油作为加热剂（进口175℃，出口150℃），计算所需柴油流量：
\[
G = \frac{Q}{c_p \cdot \Delta T} = \frac{9.01 \times 10^5}{2.48 \times 10^3 \times 25} = 14.5 \, \text{kg/s} \, (41.87 \, \text{万t/a})
\]
初选换热器时，估算传热面积：
\[
A = \frac{Q}{K \cdot \Delta T_m} = \frac{9.01 \times 10^5}{250 \times 72.5} \approx 50 \, \text{m}^2
\]
（注：实际工程中需考虑10%~25%的富裕量。）

2. **流体空间分配原则**
- **管程**：柴油（清洁流体、高压、需提高流速以强化传热）。
- **壳程**：原油（黏度大、易结垢，低Re数下达到湍流）。
例如，某项目选用浮头式列管换热器，管程为柴油，壳程为原油，避免黏度大的原油在管内流动阻力过大。
3. **温差与换热器型式选择**
两流体温度差：
\[
\Delta T = T_{\text{h,in}} - T_{\text{c,out}} = 175 - 90 = 85 \, \text{℃} > 50 \, \text{℃}
\]
选用浮头式换热器，允许壳程与管程自由膨胀，避免热应力损坏设备。
#### **二、关键结构参数优化**
1. **管程设计**
- **管径与长度**：常用Φ19×2mm或Φ25×2.5mm，长度1.5~6m。例如，某项目采用Φ25×2.5mm钛管，管长3m，单台传热面积达200m²。
- **管程数**：双程或多程结构可提高流速，强化传热。如4管程设计使管程流速优化至2.0m/s，传热效率提升20%。
2. **壳程设计**
- **壳体直径**：DN500~DN1200，折流板间距为管径的6倍（如Φ19管对应114mm间距）。
- **折流板类型**：单弓形小圆孔折流板可降低压降30%~50%，同时保持对流换热系数在0.73~0.95倍范围内，综合换热性能提升1.4~2.8倍。
3. **传热系数强化**
- **基础值**：水-水换热400~800W/(m²·K)，汽-水换热2300~2800W/(m²·K)。
- **强化技术**：采用内翅片管或螺旋槽管，传热系数可提升至1200W/(m²·K)。例如，某项目通过优化环隙流速至1.5m/s，使120℃热溶液冷却至40℃的时间缩短至30分钟。

#### **三、操作参数控制与校核**
1. **温度与压力限制**
- **设计压力**：钛合金换热器设计压力2.5MPa，实际操作压力≤2.0MPa。
- **操作温度**：硫酸锰溶液需控制在60~80℃（预热阶段）或120~160℃（结晶阶段），避免六水物分解或结垢。
2. **流速与压降校核**
- **管程流速**：液体1.5~2.5m/s，气体10~20m/s。
- **壳程流速**：液体0.5~1.0m/s，气体5~10m/s。
例如，某项目通过调整折流板间距至150mm，使壳程压降从0.1MPa降至0.07MPa，降低泵能耗。
3. **总传热系数核算**
- **管内对流传热系数**：
\[
\alpha_i = 0.023 \cdot \frac{\lambda}{d_i} \cdot Re^{0.8} \cdot Pr^{0.4}
\]
（柴油在管内流动，Re=6.4×10⁴，Pr=11.9，计算得α_i=1140W/(m²·K)）。
- **壳程对流传热系数**：
\[
\alpha_o = 0.36 \cdot \frac{\lambda}{d_e} \cdot Re^{0.55} \cdot Pr^{0.33}
\]
（原油在壳程流动，Re=3.6×10³，Pr=114，计算得α_o=360W/(m²·K)）。
- **总传热系数**：
\[
K = \frac{1}{\frac{1}{\alpha_i} + \frac{\delta}{\lambda} + \frac{1}{\alpha_o}} = 252 \, \text{W/(m²·K)}
\]
（与估算值一致，验证选型合理性）。
#### **四、典型应用场景与优化案例**
1. **高温高压结晶系统**
- **工艺流程**：硫酸锰溶液经预热后进入结晶釜（150~160℃），通过蒸汽加热维持过饱和状态。
- **换热器作用**：
- **加热介质**：蒸汽（1.0MPa, 180℃）通过管程加热壳程硫酸锰溶液。
- **抗结垢设计**：采用自动清洗特殊结构，防止晶体在换热面沉积。
- **效果**：晶体粒度大且均匀，固液分离后含水率降低，烘干负荷减轻。
2. **MVR蒸发结晶系统**
- **工艺特点**：利用蒸汽压缩机提升二次蒸汽压力，实现热能循环利用。
- **换热器配置**：
- **导流筒+管束换热器**：物料在导流筒内轴向流动，同时通过管束换热器逆向回流，促进晶体长大。
- **搅拌器设计**：轴流式搅拌器推动溶液流动，避免局部过热和结垢。
- **优势**：能耗降低50%，占地面积减少40%，实现连续自动化生产。

3. **太阳能原油加热系统**
- **关键部件优化**：单弓形小圆孔折流板换热器综合换热性能比传统设计提升2.7倍，壳程单位长度压降降低50%。
- **工程应用**：某油田采用该设计后，年节约蒸汽消耗超30%，换热器清洗周期延长至4