换热器污垢系数的选取

设针校术 石 油化工设计
《 ,
一
换热器污垢系数的选取
宁 静
中国石化工程建设公司,
北京 田
摘要 污垢 系数的选取是换热器设计中非常重要的考虑因素,
目前换热器设计中污垢 系数的选取仍
然不得不利用经验数据 ,
造成采用的换热面积过大 ,
引起一 系列的运行和维护 问题。
笔者主要论述换热
器中污垢的影响和如何考虑选取污垢 系数在一个合理的范围。
关键词 换热器 污垢 污垢系数
污垢对换热器的影响
理论分析
工艺过程决定了换热器的热负荷和传热温
差 ,
由于污垢的存在又增加了流体和传热面之间
的传热热阻 ,
从而使总传热系数减少 ,
这样就必须
增大一部分传热面积来弥补由于污垢热阻增大而
引起的总传热系数的减少。
总传热系数的倒数称之为总热阻 。。
。
式中
—热侧对流膜阻 ,
时 ·
℃
—传热壁面的热阻 ,
甘·
℃
—冷侧对流膜阻 ,
澎 ·
℃
—热侧污垢热阻 ,
时 ·
℃
凡
—冷侧污垢热阻 ,
·
℃ 。
设换热器的总污垢热阻 , 十 ,
不考虑
污垢系数的洁净传热系数为 ,
考虑污垢系数的
总传热系数为 ‘ ,
则
, 。
,
二
考虑污垢和洁净两种情况而言,
所以有 二 ‘ 。
但是由于换热器壳侧和管侧的污垢的存在 ,
污垢
是热的不良导体,
其导热系数只有换热面主要用
材的数十分之一 ,
造成式 中的 口’ 。
由此可见污垢系数的增大,
不仅使总传热系
数减少 ,
而且影响传热效果。
特别是当清洁传热
系数 愈大,
污垢系数的取值对换热器设计的影
响越显著。
在换热器设计中选取一个合适的污垢
系数是非常重要的。
例如乙烯装置中的加氢尾油预热器 ,
其工艺
参数见表 。
表 加氢尾油预热工艺参数
项目 管侧 壳侧
流体名称 加氢尾油 低压蒸汽
流量 · 一 ’ 肠
操作压力 绝
操作温度 人口 出口 ℃
允许压降 、 可忽略
热负荷
洁净传热面的传热方程
污垢传热面的传热方程 ‘
了 伏 △几
‘ ‘
△ ‘
在设计满足该工艺条件的换热器之前,
首先
要定出壳侧流体和管侧流体的污垢系数。
考虑壳
侧加氢尾油是从炼油装置过来的 ,
重组分比较多
初步选污垢系数为 一 ·
℃ 管侧低压蒸
汽取 一
时 ·
℃ 。
通常理论认为低压蒸汽
、 、 口 了 、 、 户 、 、 了 、 、 ,
声
勺 ‘ 弓 、 ︶ 月 呼 ︸ 、 ︺ 子 、 、
了 口 ,、 了 ‘ 、 了 泞 、
式中
—洁净传热系数 ,
甘 ·
℃
’
—总传热系数 ,
聊 ·
℃
, ’
—洁净和考虑污垢的热负荷 ,
, ‘
—洁净和考虑污垢的传热面积 ,
祥
△ ,
△几‘
—洁净和考虑 污垢的传热温
差 ,
℃。
因为假设式 和式 是针对同一台换热器
收搞日期召切 一 以一伪 修改稿收到日期么切一 汤一 为。
作者简介 宁 静 一 ,
女 ,
辽宁人。
卯 年毕业
于天津大学化工 系化学工程专业 ,
工程师。
现从事换
热器设计工作 、
第 卷 宁 静 换热器污垢 系数的选取
在换热面上都会有少量污垢,
但查阅 的试验
报告 ,
认为蒸汽很洁净可以不考虑污垢的影响。
对加氢尾油的污垢系数参考已经在运行的乙烯装
置中的这台换热器,
发现初选污垢系数偏大,
重新
取值为 一 ·
℃ 。
为比较污垢系数对
换热器设计的影响,
几种污垢系数的取值方案用
程序设计出来的换热器汇总列于表 。
表 计算方案比较
项 目 方案 方案 方案 方案
费用影响 ’
投资增加。
为了补偿由于污垢而导致的
换热能力的降低,
必须增加一部分换热面积,
这就
使得换热设备金属耗量增加。
对于容易堵塞设备
的流体,
为避免换热器的停机清洗,
需要增加备用
设备。
能量消耗增加。
如果换热器中的流体容
易结垢,
污垢会使换热器内的流动阻力增加 ,
导致
泵或风机的耗功率增加。
维护清洗费用增加。
为了清洗换热器内
的污垢,
需要增设清洗设备及系统,
这增加了设备
的维护费用。
设计遵循的原则
由于有污垢存在 ,
换热器设计中须考虑
清洗要求 。
当换热器中的流体容易结垢
时,
换热器的设计要考虑采用可清洗的形式。
在压降和腐蚀允许的条件下 ,
提高流速 ,
同时注意流速的均匀分布。
在换热器中流速的不
均匀分布,
会使换热器的局部出现滞流区。
避免选取过大的污垢系数,
因为过大的污
垢系数,
会导致设计的换热器尺寸变大,
大设备中
的流速通常较低从而加速污垢的形成。
容易结垢的流体走管内。
当流体污垢系
数比较大时,
使用大直径的换热管。
当容易结垢的流体走壳侧时 ,
换热管用正
方形或旋转正方形排列 ,
通过折流板的优化设计 ,
维持高流速 ,
减少壳侧死区。
注意开停车工况。
避免温度高于设计值 ,
流速低于设计值。
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‘ 气 ︺
换热器形式
壳径
换热管长度
换热面积 时
换热管的金属壁
温度 平均值 ℃
面积裕量,
加氢尾油污垢系数
壳侧 一
时 ·
℃· 一 ’
低压蒸汽污垢系数
管侧 一 ” 时·
℃· 一 ’
壳侧压降
管侧压降
加氢尾油给热系数
壳侧 时·
℃· 一 ‘
低压蒸汽给热系数
管侧 尹·
℃· 一 ’
总传热系数 计算
值 时 ·
℃· 一 ’
由表 可以看出,
由于方案 和方案 中取的
污垢系数比方案 的小 ,
所以计算的总传热系数
比方案 高。
方案 中由于加氢尾油污垢系数的
取值大 ,
所以壳径 、
换热管长度 的
换热器不能满足工艺要求,
需按方案 所示扩大
换热面积。
由于加氢尾油侧的热阻是控制因素,
所以在这台换热器中加氢尾油污垢系数的取值对
换热面积的影响更显著。
合理选取污垢系数,
有
时为了安全选取过大的污垢系数,
会增大很多换
热面积 ,
使投资成本增加 ,
这时如果换热器设计不
合理 ,
换热管内流速过低,
过大的的换热面积反而
会加速流体的结垢。
污垢不仅对传热造成影响,
而且影响压降。
从用 进行换热器计算来看,
污垢对管侧和壳侧都有影响。
在管侧 ,
污垢使换
热管内径减少 ,
流体流速提高,
粗糙度增加 ,
从而
使压降增加。
对于管内流体为液体时 ,
且污垢系
数比较高时 ,
压降的增加会更显著。
换热器污垢的选取
在设计换热器时,
选取一个符合流体实际情
况的污垢系数值是非常重要的。
同时 ,
也要考虑
流体是否容易结垢 、
清洗等情况 ,
在满足工艺要求
的情况下 ,
合理设计避免结垢 ,
例如在动力消耗允
许的情况下 ,
提高流速 ,
减少设备内的死区 ,
对容
易结垢的流体,
采用可清洗的形式等。
污垢的合
理选取和换热器合理设计相结合,
才是最优化的
设计。
换热器污垢系数的选取 ,
有以下途径
石 油 化 工 设 计 第 卷
比较权威的是 标准和 。
从以往经验中获得。
尽可能收集以往好的操作信息,
即已 良好运
行的装置中换热器的操作数据。
对于现场结垢严
重的换热器 ,
分析是否受起停方法的影响,
因为起
停中的换热设备被污染的可能性要比正常操作工
况下大,
起停中的换热面温度过高和流速过低等,
是结垢的重要因素。
从工厂实际运行的换热器上采集数据,
对
已有经验进行修改。
特别是对污垢系数比较大的流体,
在参考现
场返回数据以后 ,
要尽量取污垢系数在合理范围
的比较小数值上 ,
同时在换热器设计上 ,
提高流
速、
保证均匀流速 、
降低表面温度和减小死区。
对流体的判断获得。
①冷却水 ,
是化工装置中常用的冷却介质,
其
水质特性对污垢沉积是个关键因素,
水质特性即
值,
各种盐成分 钙、
镁、
硫、
碳酸亚盐 、
碱度等
和浓度,
水中微生物情况及工厂是否采用水处理
来控制水质等。
水垢通常取为常数,
为表面温度
和速度的函数 ,
如果工厂对冷却水系统采取了水
处理使水质量较好 ,
在换热器设计中将换热管内
冷却水流速控制在 而 流速以上 ,
换热表面壁
温不超过 ℃,
这时换热管内水垢形成速率就会
降低 ,
在设计换热器选取水的污垢系数时就不能
按照常规经验取 一
甘 ·
℃ 这样保守的数
值。
②原油和聚合烃类等其污垢呈线性增长的流
体,
要求换热器定期清洗。
设计者应根据操作周
期进行设计,
而不能仅仅依靠参考文献。
卿有些物料通常不易结垢 ,
例如蒸汽 、
制冷
剂、
锅炉给水、
和非聚合的轻烃。
对于这些干
净流体,
可以尽量少考虑污垢系数的影响。
④有些流体,
应控制换热器内的壁面温度在
露点或凝固点以上 ,
避免由于流体的凝结或化学
反应的发生而出现换热器污垢系数过大。
同时在
换热器设计上应该调整温度分布,
避开有利于污
垢形成的温度区 ,
这可用改变流速 、
管子程数或管
口方位来实现。
⑤从经验来看,
冷凝物流通常污垢很小或不
结垢,
所以设计换热器时污垢系数不要取值过高。
根据换热器的清洗周期判断。
当设计换热器选取污垢系时,
就要考虑周期
问题 ,
这样可以使污垢系数的取值趋于合理 ,
避免
由于清洗周期过长,
采用过大的污垢系数而导致
的换热器设计过大。
根据换热器的型式选取 ’〕 。
①对于可用板式换热器和螺旋板换热器的流
体,
由于流体在其中高度湍流和流道狭窄而传热
系数较高的缘故,
其污垢热阻为管壳式换热器的
。
对于板式换热器和螺旋板换热器 ,
如果低
估了污垢热阻的影响,
换热器可能会出现达不到
工艺要求 ,
而过高的选取污垢系数,
则势必造成一
定的浪费。
②对于壳侧采用螺旋折流板和折流杆等新型
折流支撑的换热器 ,
由于这些新型结构可以大大
提高壳侧流速 ,
而又尽可能消除流动和传热死区 ,
污垢系数的取值也应该比管壳式换热器小。
③对于螺旋槽管、
旋流管、
缩放管和波纹管这
些高效换热管,
由于其独特的强化结构 ,
在增大其
传热系数的同时,
还能降低管壁的温度,
其抗垢性
能高于光滑管,
污垢系数的取值也应该比管壳式
换热器小。
根据传热过程的不同选取困 。
对同一种流体,
污垢系数取决于热量的传递
方式是加热、
冷却、
沸腾还是冷凝。
例如对于冷凝
过程 ,
污垢系数可以取得偏小。
参考文献
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