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高效板式换热器在炼油厂的节能应用

文档作者：江镇海		点击数：	更新时间： 2024年06月16日
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节能
ENERGY CONSERVATION
2010年第3期
(总第332期)
引言
高效板式换热器在炼油厂的节能应用
江镇海
摘要：介绍高效板式换热器的构造特点，通过介绍在美国、瑞士、加拿大等国炼油厂的应用，证明该换
热器节能效果明显，节省投入成本。
关键词：炼油厂；板式换热器；管壳式换热器；节能
中图分类号：TQ051．5文献标识码：A文章编号：1004—7948(2010)03—0060一02
在石油化工和炼油厂的换热系统中，虽然管壳
式换热器具有结构坚固、可靠性高、适应强等优点，
在石油化工和炼油厂生产和使用中一直占据主导
地位，被广泛应用于精馏塔的塔顶冷凝器、冷却器
和塔底再沸器等，然而近年来高效板式换热器以其
节能减排的突出优点得到广泛的认同和应用。
1管壳式换热器结构和强化传热方法
采用低肋管、螺纹管、波纹管等代替常用换热
器的普通光滑管，不仅增加换热面积，而且利用粗
糙传热面强化边界层湍流度提高传热系数，从而使
管程强化传热有了较大的突破。
低肋管是开发较早的换热器之一，主要应用于
强化沸腾传热，不仅换热系数较高，而且能有效地
扩大传热面积。光滑管的传热面积只是低肋管的
38％。螺纹管是一种由钢管经过环向滚压轧制而
成的整体低翅片管，适应于强化对流、冷凝传热。
内、外螺纹管换热器可提高传热系数，螺纹管的总
传热系数为光滑管的两倍以上，一般在满足生产的
情况下，2台内、外螺纹管换热器具有3台光滑管换
热器的传热能力。对于相同结构的管壳式换热器，
内、外螺纹管的换热面积是光滑管的1．5—2．5倍。
波纹管是管内流道截面连续不断地突变，造成
流体即使在流速很低的情况下也始终处于高度的
湍流状态，难以形成层流，使对流传热的主要热阻
被有效克服，管内、外传热被同时强化。波纹管传
热系数很高，一般为传统管壳式换热器的2～3倍。
在无相变换热的情况下，一般壳程对流换热系
数a。小于管程对流换热系数a：，所以壳程进行强
化传热的改进，可以使总传热系数K有较大的提
高。一般采用的方法是管间支撑结构的改善，为了
改进强化流体在壳侧的热性能，相继推出一些优化
结构，如异型隔板换热器、螺旋隔板换热器，折流杆
式换热器等等。
管壳式换热器管程和壳程的强化传热的各种
方法都是围绕传热机理，从提高传热系数K，扩大
传热面积A和增大传热温差△f。三个方面来实现
的。
2高效板式换热器结构特点
高效板式换热器在炼油厂的应用，主要有三个
方面的优点。
(1)传热系数量比较高。板式换热器与传统
的管壳式换热器的主要技术差别是用波纹板形成
换热器的沟槽。波纹板叠置并焊接在一起，形成类
似于螺旋形设计的三维流体的沟槽。这些沟槽能
造成很强的湍流和混合，使传热效率比传统的管壳
式设备高出3—5倍。湍流强的另一个优点是在换
热器壁上的剪切力比较大，起到减少结垢的作用。
实际上，在相同的工艺操作条件下，与管壳式换热
器相比，板式换热器中的结垢速度可以大大降低。
(2)能够多回收热量。板式换热器的另一个
重要的特点是可以非常接近于逆流操作，这样就能
够在单一的换热器壳程中运用温度交叉的程序，使
冷流体被加热到高于流体的出口温度。与高效板
式换热器传热效率高的优点相结合，就能够达到比
用传统设备更高的温度，这在热量回收时特别重要。
在热量回收时冷流体可以被加热到非常接近于热流
体的温度，因此可以回收到尽可能多的热量。
(3)能节省占地面积和安装费用。换热面积
为297．3m2左右的高效板式换热器只需要不到
1．49m2的占地面积，总占地面积(包括工作面积)
约为9．3m2。相应的管长为6．1m的管壳式换热
器的占地面积为14m2左右，包括工作面积和管壳
万方数据
2010年第3期
(总第332期)
节能
ENERGY CONSERVATIoN
束牵引在内的总占地面积为55．8rn2左右。高效
板式换热器紧凑和高效率也降低了设备的净重和
工作重量，这样就可以进一步降低用于基础和钢结
构的安装费用。估算一般管壳式换热器的安装成
本是初期投资的3～3．5倍，而高效板式换热器还
不到2倍。
3高效板式换热器在炼油厂的应用
炼油厂大约有50％的能耗用于把原油加热到
所需要的加工温度。通常采用换热器串联来回收
炼油厂各种产品中的热量，然后再在加热炉中用燃
料气加热到所需要的温度。预热系统的效率对燃
料气的消耗量有很大的影响，因此对炼油厂的操作
成本有重大的影响。
管壳式换热器在炼油厂应用已多年，可是有几
个限制因素使炼油厂的操作成本增加：一是管壳式
换热器的效率低，通常要求有数百至数千平方米的
传热面积；二是管壳式换热器的典型安排在单一的
壳程中不允许温度交叉，为了有效地回收热量需要
多个壳程串联；三是管壳式换热器的投资很高，特
别是加工因素或其他原因需要使用特别的合金钢
材；四是安装原油换热系列需要的空间在给定的面
积之内可能不可行；五是清洗管壳式换热器很麻烦
而且费用高，还可能造成非计划停车。
在炼油厂的原油蒸馏装置上应用高效板式换
热器，可使预热系统与加热原油有关的能量费用节
省25％或者更多一些，其原因如下：一是板式换热
器的效率高，用一定的换热面积可以回收更多的热
量；二是板式换热器可以在单件设备中使温度深度
交叉，每一步预热都能节省空间并增加热量回收；
三是使用合金钢材，使板式换热器的竞争优势大大
提高，用合理的成本可以回收到更多的热量；四是
单一壳程的板式换热器的清洗比相同工况下使用
的管壳式换热器更快速一些。
加工能力为500万t／a(10万桶／日)的炼油厂
把原油预热到3490C需要供给4亿Btu／h的能量。
其中大部分热能通过几步就可以回收回来，从轻馏
分开始直到减压塔底油用原油回收。最后一步预
热在加热炉中实现，用高效板式换热器可以使加热
炉的负荷大大降低。
美国一家大型炼油厂为了消除瓶颈，在原油预
热系统中安装9台板式换热器，于2008年正式投
产。通过夹点分析表明，安装板式换热器与常规管
壳式换热器相比，原油进加热炉人口的温度提高
37．8℃，可节省数百万Btu单位的能量和相应的工
艺操作费用。
瑞士的一家炼油厂用常压蒸馏塔顶的直馏不
脑油油气预热石油和锅炉给水，1997年投产。该
炼油厂选用了4台钛合金高效板式换热器，2台并
联2台串联。每台板式换热器重约25t，占地面积
约为14m2(包括工作面积)。工艺运行的结果如
下：锅炉给水从79，5℃上升至352．2℃；原油预热
时，石脑油从59．2℃上升至102．2℃，原油从
113．20C上升至196．2℃。共回收热量5600万
Btu／h，相当于每年节省燃料成本500万美元、减少
排放130万美元。高效板式换热器的制造安装成
本200万美元，投资回收期大约不到4个月，其节
能效果由此可见。
加拿大一家炼油厂2002年正式投产一套生产
低硫汽油的加氢装置于，需要供热1400万Btu／h。
为了降低能耗并减少CO：的排放，该炼油厂决定
不建加热炉，用蒸汽供热，蒸汽是来自催化裂化主
分馏塔塔顶的油气，用锅炉给水回收热量发生的蒸
汽。该炼油厂要从催化裂化主分馏塔的塔顶油气
中尽可能多地回收热量，回收的总量要达到4800
万Btu／h。管壳式换热器不能满足生产的需要，该
炼油厂选择了8台耐腐蚀镍基合金钢制造的高效
板式换热器，其中4台并联，2×2台串联。工艺运
行的结果如下：锅炉给水预热(回收热量4800万
BtWh)，塔顶油气从11．90C上升到85℃，锅炉给水
从16．2。C上升至163．2℃。冷却(回收热量3000
万Btu／h)，塔顶油气从85℃上升至189．2。C，冷却
水从160．2。C上升至198．2。C。回收热量4800万
Btu／h，相当于节省燃料费用430万美元、减少排放
废弃物1 10万美元。高效板式换热器的制造和安
装费用约为700万美元，投资回收期约为15个月，
节能效果非常明显。
4结语
目前，已有1000多台板式换热器在世界上许
多国家的炼油厂中推广应用，都获得良好的效果，
许多炼油厂正在把高效板式换热器作为增加热量
回收和实现长期节能减排战略目标的必要手段。
收稿日期：2010—02—15
(请该文作者尽快通过电话或电子邮件与本刊联系)

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