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什么时候需要设计串联的换热器?

多晶硅工艺设计2020-06-29 13:09:48

       网友留言说希望介绍些大众化的知识,于是本次笔者介绍一个基础概念性问题:什么时候需要设计串联的换热器?

       我们在化工厂中经常会遇到重叠式换热器,所谓重叠式换热器,顾名思义,就是几个换热器叠起来串联使用,比如各个多晶硅厂尾气回收工艺中经常遇到这样的换热器。笔者随意从网上搜索了个重叠式换热器的图片如图1。有的时候我们又会遇到两级或多级串联形式的换热器,比如上篇文章中所述的多晶硅冷氢化尾气热量回收换热器。那么在什么样的情况下应用普通换热器,又在什么样的情况下使用到这类串联形式的换热器呢?

1:重叠式换热器

一、原理

       可翻阅化工原理,逆流与并流的区分是化工技术人员都理解的基本概念。如图2所示,冷热物流换热,冷流体(蓝色)温度从t1升高至t2,热流体(红色)温度从T1降低至T2。并流换热时,冷流体入口在热流体入口(高温)端,而T2t2同在换热器物料出口(低温)端,热量总是由高温侧传至低温侧,故而T2永远大于t2(最极限的情况是T2大于且无限接近于t2)。而逆流换热时,冷流体入口(t1)在热流体出口低温端(T2),冷流体的出口(t2)则在热流体的入口高温端(T1),故存在的必然结果是T1永远最大,t1永远最小,除此之外,一切都有可能。

2:逆流换热与并流换热

      因此存在如下情况:在逆流换热时,T2是存在小于t2的情况的,即热物流出口温度小于冷物流出口温度,这就是换热器设计中通常所讲的“温度交叉”,如图3

3:温度交叉

二、设计案例

       当你想要得到的工艺目的中存在温度交叉时,理论上是可以采用单级逆流换热器来解决的,但需要换热器的长度最够的长,才会使得温度交叉得以实现。而如果存在深度的温度交叉,计算会得出所需要的换热器的长度无限长(比如二十米以上),此时,由于换热管的长度的限制,以及换热器长径比的限制,单级逆流换热器已经不能实现工艺目的。

       故当存在深度温度交叉时,串联式换热器为最佳设计选择。以多晶硅尾气回收工艺中的重叠式换热器举例,该换热器的工艺目的是要实现吸收塔塔釜循环物料与解析塔塔釜循环物料的充分热量交换,从而降低冷媒和热媒的使用。

      以图4所示的-60C吸收工艺举例,注意换热器E06,吸收塔塔釜物料-58C经过换热后需升温至-9C,热物流则需0C降温至-45C,热物流出口温度-45C远远小于冷物流出口温度-9C,如此深度的温度交叉,除了重叠式换热器外别无其他选择,搞清楚此点,此换热器的设计就变得非常简单,笔者就不再演示具体的HTRIEDR计算了。同时提醒注意,图4中的E05,同样出现温度交叉,同样可以用重叠式串联换热器来解决。

4:多晶硅尾气回收工艺中重叠式换热器的温度交叉情况

三、其他经验

       1、不严重的温度交叉采用单管程逆流换热器即可实现,比如化工厂很多精馏塔塔顶冷凝器采用循环水冷却,假设循环水入口设计温度25C、出口35C,则换热面积足够大、长度足够大的普通单管程逆流换热器即可将塔顶物料冷却至略低于循环水出口温度35C以下。

       2、深度的温度交叉仅能采用换热器串联的方式解决,且温度交叉的程度决定了所串联换热器的级数,为节能降耗,很多时候三级、四级很正常。

       3、如同并流换热无法实现温度交叉一样,多管程换热器几乎无法实现温度交叉,其冷流体出口温度几乎都是小于热流体出口温度的。比如普通双管程U型管换热器就几乎不能实现温度交叉,串联十级都无法实现,为何如此?请读者结合其结构自行思考。

       4、工艺设计时温度值的选择尤为重要,有时设置一个合适的值避免温度交叉可以降低设备采购成本(在没有必要交叉的场合工艺热流体侧温度过低会导致换热器面积过大,且热流体出口温度越接近于或低于冷流体出口温度,所需的换热面积就会越发增大),有时设置一个合适的值实现温度交叉能实现冷热物流充分换热,降低生产运行成本。



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