新型高效换热器在化工工艺热量回收中的设计与应用

引言

化工行业能源消耗量大，生产中产生的大量余热若未回收，既造成能源浪费、增加企业成本，还会污染环境。当前全球能源危机加剧，环保要求提高，化工行业对能源利用效率愈发重视，热量回收成为节能降耗关键。但传统换热器存在传热效率低、占地广、易结垢等问题，无法满足高效节能需求。为此，板式、螺旋板式等新型高效换热器应运而生，其在传热、结构、抗结垢等方面优势显著，能提升热量回收效率。因此，研究其在化工工艺热量回收中的设计与应用意义重大。

一、化工工艺热量回收现状与需求

（一）热量回收现状

目前，化工工艺中的热量来源广泛，包括反应热、冷凝热、工艺流体余热等。然而，由于技术水平和设备限制，部分化工企业对这些余热资源的回收利用率较低。例如，在石油炼制过程中，常减压蒸馏装置会产生大量的高温余热，部分企业仅对其中的少量余热进行回收，其余则通过冷却系统直接排放，造成能源的严重浪费。同时，传统换热器的传热效率较低，难以满足化工工艺对热量回收的高效需求，进一步加剧了能源浪费的问题。

（二）热量回收需求

随着化工行业的不断发展，生产规模逐渐扩大，对能源的需求量也日益增加。同时，国家对环保和节能的要求不断提高，化工企业面临着降低能源消耗、减少污染物排放的巨大压力。因此，化工企业对热量回收的需求愈发迫切。一方面，通过高效回收化工工艺中的余热资源，可降低企业对外部能源的依赖，减少能源采购成本，提高企业的经济效益；另一方面，余热回收可减少高温余热直接排放对环境的影响，降低企业的污染物排放总量，实现环保达标，推动化工行业的可持续发展。

二、新型高效换热器的设计要点

（一）传热元件选型

传热元件是换热器核心，其性能直接决定传热效率，设计新型高效换热器时，需结合化工工艺中流体温度、压力、腐蚀性、黏度等参数选型。针对黏度大、易结垢的流体，可选螺旋板式传热元件，其流道长、湍流程度高，能提升传热效率并减少结垢；对于高温高压且腐蚀性强的流体，热管传热元件更适用，凭借优异导热性与耐腐蚀性，可在恶劣工况下高效传热。此外，还可采用翅片管、螺纹管等新型强化传热元件，通过增加传热面积或提高流体湍流程度，进一步优化换热器传热效果。

（二）结构优化设计

换热器的结构设计对其传热性能、操作稳定性和维护便利性具有重要影响。在新型高效换热器设计中，需进行结构优化，以提高整体性能。首先，在流道设计方面，应根据流体的流动特性，合理确定流道的形状、尺寸和排列方式，减少流体流动阻力，提高流体的湍流程度，从而增强传热效果。其次，在密封结构设计方面，需确保换热器的密封性能良好，防止流体泄漏。对于高压工况下的换热器，可采用双密封结构或新型密封材料，提高密封可靠性；对于易挥发、有毒有害的流体，需采用无泄漏密封结构，保障生产安全。此外，还应考虑换热器的拆装便利性，设计合理的结构，便于后期的清洗、维护和检修，减少停机时间，提高设备的利用率。

（三）材料选择

材料选择是新型高效换热器设计的关键，需结合化工工艺流体的腐蚀性、温度、压力等因素，保证材料具备耐腐蚀性、耐高温性、耐压性与机械强度。面对酸、碱溶液等强腐蚀性流体，可选用不锈钢、钛合金、哈氏合金；针对高温高压工况，高强度耐热钢或合金材料能保障设备结构稳定与使用寿命。同时要兼顾经济性，在满足需求的前提下选低成本材料以降制造成本。此外，随着材料科学发展，陶瓷材料、复合材料等新型材料逐渐用于换热器制造，以优异性能为设计提供更多选择。

（四）工艺参数匹配

在新型高效换热器设计过程中，需确保换热器的工艺参数与化工工艺的实际需求相匹配，以实现最佳的热量回收效果。首先，根据化工工艺中余热流体的温度、流量和热量需求，确定换热器的传热面积和传热功率，确保换热器能够满足热量回收的要求。其次，合理确定换热器的进出口温度、压力等参数，避免因参数不匹配导致换热器运行不稳定或传热效率降低。此外，还需考虑化工工艺的波动情况，设计一定的余量，确保换热器在工艺参数发生一定变化时，仍能稳定运行，保证热量回收的连续性和稳定性。

三、新型高效换热器在化工工艺热量回收中的应用案例

（一）在石油炼制工艺中的应用

石油炼制是化工行业关键领域，生产中会产生大量高温余热，如常减压蒸馏装置的塔顶油气、催化裂化装置的再生烟气等，新型高效换热器在此类余热回收中应用广泛。以 A 石油炼制企业常减压蒸馏装置为例，其采用螺旋板式换热器回收塔顶油气余热。该塔顶油气温度约 120-150℃且流量大，传统换热器难以高效回收，而螺旋板式换热器流道呈螺旋状，能让油气充分流动并与冷流体热交换，传热系数达 800-1200W/(m²ΩΩ^.K) ，较传统管壳式换热器提升 30%-50%_⨀ 。借助该换热器，塔顶油气余热可用于加热原油，使原油预热温度提高 20-30% ，每年能节约燃料油约 500 吨，降低能源成本约 40 万元，还减少了高温油气直排对环境的影响。

（二）在化肥生产工艺中的应用

化肥生产中，合成氨装置是主要耗能设备，生产时会产生变换炉出口高温变换气、合成塔出口高温合成气等大量余热，新型高效换热器在这类余热回收中作用关键。B 化肥企业合成氨装置采用热管换热器，回收变换炉出口余热。该变换气温度约 350-400℃且含腐蚀性气体，传统换热器易腐蚀结垢，而热管换热器用不锈钢热管元件，耐腐蚀性与导热性好，传热系数达 1000-1500W/(m²Ω⋅K) 。它能将余热用于加热锅炉给水，使其温度提高 50-60‰ ，每年节约标准煤约 800 吨、减碳约 2000 吨，兼顾降本与环保。

（三）在精细化工工艺中的应用

精细化工工艺产品多、流程复杂且参数多变，对换热器灵活性与高效性要求高，新型高效板式换热器因结构紧凑、传热效率高、拆装方便，在此类工艺热量回收中应用广泛。C 精细化工企业农药生产装置，用板式换热器回收反应釜夹套排出的高温冷却水余热。该冷却水温度约 ，流量小但温度波动大，板式换热器可拆卸板片结构能灵活调整板片数量、改变传热面积以适应变化，且传热系数达 2000-3000W/(m²Δ⋅K) ，可快速换热。回收的余热用于预热原料或加热工艺用水，每年节约蒸汽约 300 吨、降本约 25 万元，还减少冷却水排放，实现水资源循环。

结论

新型高效换热器在化工工艺热量回收中具有重要的应用价值，能够有效提高热量回收效率，降低化工企业的能源消耗和生产成本，同时减少对环境的污染，推动化工行业的可持续发展。在新型高效换热器设计过程中，需合理选择传热元件、优化结构设计、科学选用材料，并确保工艺参数与化工工艺需求相匹配，以实现最佳的传热性能和运行稳定性。通过在石油炼制、化肥生产、精细化工等化工工艺中的实际应用案例可以看出，新型高效换热器能够显著提升热量回收效果，为企业带来良好的经济效益和环境效益。

参考文献

[1]韩光华, 王兴. 高效换热器在常减压装置中的应用[J]. 内蒙古煤炭经济, 2021, (16): 150-151.

[2]王兴, 韩光华. 高效换热器换热管失效的原因及对策分析[J]. 内蒙古煤炭经济, 2021,(15): 195-196.

[3]牛晓娟, 潘线伟, 李天罡. 高效换热器换热管失效的原因及对策分析[J]. 当代化工研究,2021, (09): 21-22.