管壳式冷凝器工艺设计要点分析

摘要：管壳式冷凝器（简称“冷凝器”）在大化工生产中应用极为广泛，完备的设备结构形式以及恰当的工艺设计方法是化工过程稳定运行的保证，同时也是降低成本、增加效益的基础。文章就冷凝器的工艺设计的要点问题做出了几点分析，希望对从事相关工作的人员以一定的指导意义。

关键词：冷凝器；管壳式；换热方式；工艺设计

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）06-0021-03

1 冷凝器工艺设计基础

1.1 选择基础

冷凝器的作用即是以热交换方式使气体冷凝的设备，在进行冷凝器管径设计时，一般选择19毫米、25毫米和38毫米。19毫米管径的冷凝器一般用于无污垢且压力在大气压以上的流体；易污垢的可取25毫米；但若是在真空环境下或低压下虹吸汽化移热等情况下使用，其管径可放大取值38毫米。以上是针对设计时管径选取的讨论，接下来是针对管子材料的选择。若只是金属且两种换热介质至少有一个的给热系数较小的情况，在计算换热系数时可不考虑金属导热系数；若是针对项石墨这种非金属材料来说，在计算换热系数时也不考虑金属导热系数；但若像聚四氟乙烯、陶瓷等大多数非金属材料来说，其导热系数都很小，给热系数却很大，在进行计算时可只考虑导热系数和污垢系数；若是金属和非金属组成的复合材料，其计算方法与非金属材料一致。最后是污垢系数的选取，其决定了换热系数的估算程度，通常这种系数都是凭经验获

取的。

1.2 冷凝器换热方式

冷凝器换热方式有两种，即卧、立。一般情况下立式冷凝器与卧式相比其给热系数较小，无特殊要求一般选取卧式的换热方式。若遇到必须选用立式，在设计时要考虑到管径大小，一般立式比卧式要大些。

立式有两种循环式：一是强制循环式，需要采用像泵之类的动力设备进行驱动，这种循环式单程汽化率低但设计较为简单；二是自然循环式，与强制循环式相比其更加节能，通常与塔连用。卧式的循环模式只有自然循环，但其自然循环式可分为自然对流和强制对流两种形式。

1.3 冷凝器的流体力学问题

冷凝器能否适应现场工况条件，其运行是否具备可靠性、稳定性等诸如此类的问题都是冷凝器工艺所决定的，通过分析可知，冷凝器的工艺设计主要处理以下三个问题，即流体压降要求、流量分配以及流路情况，这三个问题可统称为冷凝器的流体力学问题。

在进行设计时，针对形式已经确立的冷凝器来说，提高流速是增大给热系数的最行之有效地方法，既可提高流速，又可增大压降，因此针对这种情况，在设计时要充分考虑到以下四点：提高流体给热系数问题；增加流体流速问题；工艺要求的满足程度问题；要确保其可稳定、可靠的运行。针对掺杂污垢或杂质的介质流体，流速的降低会使这些污垢和杂质轻易地堆积下沉在冷凝器中，既违反了设计的初衷，也影响冷凝器的运行效果，杂质在沉淀堆积的同时也大大缩短了冷凝器的清理周期。

此外，冷凝器设计中的壳程问题，若在设计时适当地增加挡板数以及呈三角形排列管子，这样在减小换热面积的同时既增强了换热效果，也节约了设备投资成本。在设计挡板时主要考虑的首先是流体能否顺利流过问题，其次再考虑阻力因素和导热效果，最后就是一些设计挡板时应极力避免出现的问题，主要包括死区、旁流、沟流和可能出现的振动现象。

2 冷凝器的工艺设计

2.1 冷凝器设计的几点说明

在进行冷凝器设计时，要具体情况具体设计。举个例子，假使利用单台冷凝器去冷凝大流量气体时，其冷凝效果肯定是不理想的，同样的在导热系数小或者相对挥发度相差很大的多组分且需全冷凝的情况下，选用单台冷凝器其效果也肯定是不理想，除这些之外，在安装维修方面也存在诸多不便，不利于整体设备可靠、稳定、经济地运行，此时就要选择多台冷凝器配合使用。多台冷凝器在配合上主要有三种方式：多台冷凝器串联使用、多台冷凝器并联使用以及多台冷凝器或串或并的使用。针对高压且流体具有腐蚀性的情况需单独考虑。在多台串联使用冷凝器时，一般前一台决定待冷凝流体管程走向，第二台决定待冷凝流体壳程走向。

2.2 冷凝器的材料及移热介质的选择

冷凝器的选材主要从壳程和管程两方面着手，其选择依据遵照流体的物性以及冷凝器所处的使用环境等确定，一般在进行材料选择时是从冷凝侧和移热侧两点进行：冷凝侧选材主要选择石墨材料、聚四氟乙烯材料或加钛的钢材，石墨材料或聚四氟乙烯材料主要针对低压含腐蚀介质流体的冷凝，而加钛的钢材主要是应付高压力或真空环境下的含腐蚀介质流体的冷凝；移热侧通常不会将腐蚀流体作为移热介质，若必须选用，则其选材方法同冷凝侧，工业水是目前化工工业中最常用的移热介质，其含氧高，如未做除氯处理则不采用碳钢而采用不锈钢材料。

2.3 冷凝器设计要素概述

设计冷凝器主要从三方面着手：能够在包括设计点在内的整个状态范围内长周期正常稳定运行，且不会影响系统前后设备工况、工艺参数控制等；生产制造成本相对较低，且内部配件国内能够提供；其体积、重量适应现场空间，安装维护方便，可适应化工现场的特殊工况。

2.4 冷凝器换热面积确定

冷凝器换热面积的确定首先需要确定三个参量：气体冷凝量、传热温度推动力和换热系数值，工艺条件决定其中的气体冷凝量和出入口温度。

首先确定出入口温度，此温度是在满负荷运转情况下得出，分三种情况：直接用于设计计算的温度值，此情况只限于前后工艺已经限定的情况；针对入口温度限定，出口温度变化在某一特定范围内的情况比较复杂，首先移热介质的出口温度即是冷凝器平均温度，而且要满足一定的工艺设计要求并能够根据实际情况留出裕量，其次要兼顾到所选设备的选型、制造、工艺控制等方面；由设计者按需自行设定，此情况限于出入口温度都未限定，属于不多见的情形。

然后计算给热系数，主要分为无相变的移热与气化移热，无相变的移热简单，而气化移热需要根据自身经验选择合适的计算公式进行求值，否则工艺设计会出错。对于壳程的给热系数计算，要根据不同挡板切口选择相应的计算公式。

对于沸腾移热的给热系数计算主要有三个步骤：求池内沸腾膜系数；求两相强制流的膜系数；应用陈氏关联式、费尔关联式计算，最后求得平均值。这三个步骤只适用于壳程，冷凝过程则还要乘以一个校正系数。

初步求得换热面积后，就要根据具体情况选择裕度，通常选15%～20%，然后通过换热面积进行冷凝器的选型。在裕度选择时，即使是有污垢流体也不要预留过大。值得注意的是冷凝器的换热面积在初步确定后要进行校验，校验不通过的要重新进行设计。

参考文献

[1] 朱洪涛，徐成义，安清泉.化工设计中常用冷凝器的选用[J].中国科技博览，2012，（1）.

[2] 蒋含文.化工设计中常用冷凝器的设计选用[J].科技致富向导，2010，（17）.

作者简介：吴良辉（1984-），男，浙江人，新昌德力石化设备有限公司助理工程师，研究方向：非标设备设计与开发；黄煜（1983-），男，浙江人，新昌德力石化设备有限公司助理工程师，研究方向：压力容器设计与技术。