郝 瑞 强

(扬州普立特科技发展有限公司，江苏 扬州 225000)

空气冷却器在聚酯装置中的应用及节能效果

郝 瑞 强

(扬州普立特科技发展有限公司，江苏 扬州 225000)

介绍了引风式空气冷却器的工作原理及其特性，分析了空气冷却器应用于585 t/d聚酯装置酯化工艺水蒸气冷却的选型及性能要求，并与水冷器进行节能效果对比。结果表明：空气冷却器主要由管束、构架和风机组成，管束外加装翅片管以增加传热面积；经选型及相关参数计算，采用翅片管排列为3组5排错排布置的空气冷却器，冷却性能稳定，可满足装置生产工艺要求；相比水冷器，空气冷却器节能效果显著，每年可节约水费38.9万元、电费57.0万元。

聚酯装置 酯化水蒸气 空气冷却器 节能效果

目前，在聚酯行业中聚酯装置处理工艺塔塔顶气体一般采用列管式水冷冷凝器(简称水冷器)冷却，而水冷器耗水量大，且一般工业水对设备产生腐蚀、结垢等，既不经济又不能保证冷却效果。采用引风式空气冷却器(以下简称空冷器)可以节约大量工业水、电，减少环境污染，降低基建费用，特别在缺水或水质很差地区，以空冷器代替水冷器，可以缓和水源不足的矛盾。作者以585 t/d聚酯熔体直纺装置为例，介绍了空冷器在聚酯生产中的应用及其节能效果。

1 空冷器工作原理

空冷器是以空气作为冷却剂，可用作冷却器，也可用作冷凝器。空冷器主要由管束、构架和风机组成，如图1所示。空冷器热流体在管内流动，空气在管束外吹过，由于换热所需的通风量很大，而风压不高，故多采用轴流式通风机。

图1 空冷器的外形结构Fig.1 Profile configuration for an air cooler1—蒸汽入口；2—管束；3，4，5—电机；6，7，8—风机；9—放空口；10—凝液出口；11—构架

管束的型式和材质对空冷器的性能影响很大， 由于空气侧的传热系数很小，故常在管外加翅片，以增加传热面积和流体湍动，减小热阻。空冷器大都采用径向翅片,翅片一般用热导率高的材料(最常用的是铝)制成，缠绕或镶嵌到管上，见图2。这种翅片管的优点是：接触热阻少，结构可靠，寿命长；翅片表面光滑，基管与换热介质完全隔离，不易结垢，易于清洗，能长期保持良好的传热性能。为强化空冷器的传热效果，可在进口空气中喷水增湿同时使用镶嵌式装配，这样既降低了空气温度，又增大了传热系数[1]。

图2 翅片管结构示意Fig.2 Structure diagram of finned tube1—翅片管；2—基管

2 空冷器相关计算及选型

2.1 空冷器的设计参数初步计算

(1)工艺塔顶气体冷凝总量(mT)：

根据已知条件：工艺塔回流与采出质量比为1:1，585t/dPET生产中PTA消耗系数(α)为0.86，PTA及H2O的相对分子质量分别为166,18，1molPTA反应后生成2molH2O，则可计算出mT约为9 100 kg/h，见式(1)：

mT=0.43αmPET

(1)

式中：mPET为PET切片的产量。

(2)吸热及放热量[2]

根据给定的条件不同，吸热及放热量的计算见式(2)或式(3)：

Q=CmT∆T

(2)

Q=mTq

(3)

式中：Q为吸收或放出热量 ；C为物质比热容；∆T为物质传热后的温差；q为物质发生相变后所需热量，此处为水的汽化潜热，取2 482 kJ/kg。

根据式(2)，将气体冷却至50 ℃的放热量(Qc)为191.1×104kJ。

根据式(3)，将塔顶100 ℃气体冷凝为100 ℃液态水的放热量(Qh)为2 260×104kJ。

那么，将酯化蒸汽冷凝至50 ℃的酯化水，其总放热量(QT)为2 451.1×104kJ，见式(4)：

QT=Qc+ Qh

(4)

(3)风量

设定空冷器进风温度为30 ℃，换热后出风温度为45 ℃,则冷却风通过空冷器后的∆T为15 ℃，根据吸热及放热能量平衡原则，酯化水的放热量等于冷却风的吸热量，已知冷却风的C为1.004 kJ/kg·℃，按式(2)计算可得冷却风质量(mw)为1.627×106kg。

根据冷却风密度(ρw)为1.2 kg/m3，按式(5)计算可得冷却风体积(Vw)为1.36×106m3：

Vw=mw/ρw

(5)

由于风冷器体积较大，为使换热均匀故采用3台风机进行换热，则每台风机的Vw为4.53×105m3/h，功率为22kW。

2.2 空冷器的初步选型

空冷器的设计计算与其他换热器相比有很大的独特性，除了被冷却的热流体的参数外，没有给定其他的参数，需要在设计的初期阶段作出选择和确定，包括翅片管形式、大小、间距等。在选择大量参数的情况下得出初步设计结果，然后根据初步设计结果进行精确计算，并与初步设计结果进行对比或修改，修改后再重新设计计算。根据2.1节中相关计算，采用风机3台，单台风机迎风

面积为24 m2，总迎风面积则为72 m2，每台风机的Vw为4.53×105m3/h，则初步设计空冷器的选型参数见表1。

表1 空冷器的初步选型相关参数Tab.1 Preliminarilydeterminedparametersforaircooler

从表1可知，翅片总数为384根；根据基管外径为25×2 mm，可确定单翅片管传热面积为0.942 m2，则翅片管总传热面积约为362 m2。

2.3 空冷器的传热计算

根据2.1节相关参数的计算，初步设计空冷器的传热参数见表2。结合表1可知，初步设计时，可取空冷器的总传热面积之比为1.3。

表2 空冷器的传热参数Tab.2 Heat transfer parameters of air cooler

2.4 空冷器管束排列

通过空冷器的初步选型和传热计算，总传热面积之比在允许范围内，考虑到散热过程的各种不利因素如非稳态导热、环境、气候等影响，根据经验增加效率系数，故设计所需的面积超过了计算所得面积。故翅片管排列采用3组5排错排布置，见图3。

图3 空冷器的管束排列示意Fig.3 Tube arrangement of air cooler1,3—蒸汽入口； 2—放空口； 4—凝液出口；5—管束；6—管箱

3 空冷器的应用效果

在585 t/d PET装置上，空冷器投入运行后，经检验，其冷却性能稳定可靠，能够满足装置生产工艺要求。

空冷器与水冷却器相比较，假设循环水进水及出水温度分别为33 ℃和39 ℃，根据式(2)可计算得到冷却同样的工艺塔塔顶蒸汽，采用水冷器所需循环水量为973 t/h。

循环水消耗主要包括冷却水飘逸(占比0.3%)、冷却水蒸发(占比0.83%)、冷却水排污(占比0.3%)，因此，每小时消耗循环水总量为13.9 t，按一年内装置运行时间333 d，工业用水按3.5元/t计算，则每年可节约水费38.9万元。

如用循环水冷却需配置流量500 m3/h、扬程为40 m、功率75 kW的水泵2台，与3台18.5 kW的风机电量比较，每年可节约电费57万元。

空气流经管束的风束均匀，能够充分利用换热面积，压头损失也小，并且可以充分利用自然通风效应，多带走35%～50%的热量，所以实际消耗功率还要低于理论计算值。

另外，循环水需要加药物处理，在换热器中的流动阻力较大，使得水冷的成本较高；而空气无需经过处理，而且不需要循环使用，因而不需采取任何清垢和清洗的措施，运行成本较低，维护费用一般为水冷系统维护费用的10%～20%。

4 结论

a.在585 t/d PET熔纺装置上，采用空冷器代替传统的水冷器，通过选型计算，选择翅片管排列为3组5排错排布置的空冷器，冷却性能稳定可靠，可满足PET装置生产工艺要求。

b.与传统的水冷器相比，空冷器节能效果显著。在585 t/d PET熔纺装置上，采用空冷器替代水冷器，每年可节约水费38.9万元，节约电费57.0万元。

[1] 刘纪福编.翅片管换热器的原理与设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2013:144-162.

[2] 姚玉英.化工原理[M].天津:天津大学出版社,1999:220-232.

Application and energy-saving effect of air cooler in polyester plant

Hao Ruiqiang

(YangzhouPolytexChemicalEngineeringCo.,Ltd.,Yangzhou225000)

The working principle and characteristics of a fan-type air cooler were introduced.The determined parameters and performance requirement of an air cooler were analyzed for cooling esterification steam as applied in a 585 t/d polyester plant.And the air cooler was compared with a water cooler in energy-saving effect.The results showed that an air cooler generally comprised tube bundle,frame and fan; finned tubes were fixed outside tube bundle to increase the heat transfer area; the air cooler offered the steady cooling effect satisfying the process demand of polyester plant while applying the staggered arrangement of finned tubes in 3 groups and 5 rows based on the parameters calculation and determination; and the air cooler contributed much more significant energy-saving effect than water cooler,decreasing the water cost by 389 thousand yuan or so and the electricity cost by 570 thousand yuan or so annually.

polyester plant; esterification steam; air cooler; energy-saving effect

2015-10-23； 修改稿收到日期：2016- 02- 01。

郝瑞强(1981—)，男，助理工程师，主要从事聚酯工程设计。E-mail：hao@polytex.cc。

TQ340.63+5.8

B

1001- 0041(2016)02- 0064- 03