合成氨系统水冷器的优化

节能降耗、节约成本不仅仅体现在关键设备的选型，辅助设备的优化设计也是节能降耗、节约成本的必要措施。单体设备的优化是系统优化的基础和保证。现对氨合成系统中所采用的两种水冷器(套管式水冷器和U型管式水冷器)的性能进行综合比较，便于在扩产改造中确定设备选型、优化工程设计。

1．设计参数的比较

表1套管式水冷器和U型管式水冷器设计参数

套管式水冷器             U型管式水冷器

管程       套管           管程        壳程

设计压力MPa                   31.4        0.6            31.4         0.6

设计温度℃                    100         60             100          50

换热面积 m2                       250                         560

主体材料                       20G         20             20G       16MnR

设备净重 t                           70                         32.45

设备规格mm               Φ83×15    Φ133×4       Φ22×3.5    Dg1300

设备数量 (台)                          2                          1

2.造价的比较

氨合成系统产量增加400 t/d需要增加2台套管式水冷器，换热面积为2×250 m2，单台设备的重量为70 t，设备造价为2×105万元，而采用U型管式水冷器则需要1台，换热面积为560 m2，单台设备的重量为32.45 t，设备造价为80万元。节省钢材108 t，一次性投资节约130万元。

3.占地面积的比较

采用U型管式水冷器比套管式水冷器占地面积减少50%。U型管式水冷器外形尺寸为 Dg1300 mm×9850 mm，采用三鞍座结构。套管式水冷器外形尺寸为 9683 mm×3300 mm×4600 mm，采用型钢组合支架。U型管式水冷器需要在壳程侧留出8500 mm的抽壳空间，而套管式水冷器的检修空间应留在设备的侧面。

4.结构的比较

套管式水冷器的换热管采用GB5310-1995中Φ83 mm×15 mm、材料20G的高压锅炉用无缝钢管，套管采用GB/T8163-1999中Φ133 mm×4 mm、材料20，输送流体用无缝钢管。套管和换热管之间一端采用法兰连接，另一端采用连箱结构，换热管为弯管。采用型钢组合架用U型螺栓把套管和支架固定。

U型管式水冷器采用双壳程双管程结构，换热管采用GB5310-1995中Φ22 mm×3.5 mm、材料20G的高压锅炉用无缝钢管，管板采用20MnMo锻件，管板厚度为360 mm的20MnMo锻件，管箱采用厚度为85 mm 的13MnNiMoNbR钢板，管箱采用半球形封头，与管板对接。换热管与管板之间采用强度焊，管板与管箱之间采用双面成形的单U型坡口对接焊。筒体采用12 mm的16MnR钢板，管板与壳程采用法兰连接，为可拆结构，管束下部设置滑道和滚轮，利于壳体的抽出。壳程分程隔板与壳程采用弹性薄钢片夹软垫片密封，通过拉杆、定距管把折流板、分程隔板及管板固定为一体。

5.性能的比较

套管式换热器和U型管式换热器都属于间壁式换热器，套管式换热器能耐高压，选择适当的管内、外径可使流体的流速增大，内管两侧的流体作严格的逆流，有利于传热。套管式换热器结构简单，制造容易。但由于管间接头较多，容易发生泄漏；直管段长（~91.5 m），管段中间向下弯曲，使环行中的流体分布不均匀，降低传热效率。

U型管式水冷器采用双壳程单弓形折流板，流体在换热管间的流速、流向均不断地变化，使得对流传热系数增大，阻力降也随着增大。分程隔板处的密封条，可以减少间隙流，提高换热效果，由于管程压力高，管束重量大，U型管水冷器采用3个鞍式支座，管板处的支座为固定式，筒体处的2个支座为滑动支座，筒体处的支座下方设置钢轨，管束下部设置滑道和滚轮，可以抽出壳程筒体，便于设备的检修和换热管间的清洗。但U型管式水冷器较套管式水冷器制造难度大，工序复杂。