1．1冷热换热设备概况
冷换设备是石油化工生产中使用很能广泛的设备，它在石油化工生产中的投资约占20%，其钢材用量约占40%。
制氢装置的冷换设主要有：
（1）转化气蒸汽发生器（余热锅炉），利用转化炉下集合管出口的高温转化气来产生蒸汽；
（2）锅炉给水预热器：利用要用于中、低变汽的冷却及锅炉水、汽的加热；
（3）低压蒸汽发生器及除氧用蒸汽发生器，即利用低变气的热量来产生低压蒸汽；
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（4）用于用于提高粗氢温度和降低工业氢温度的冷换设备，如工业氢/粗氢换热器、中变气/粗氢换热器、工业氢空冷器和水冷器等；（5）降低贫液液温度的冷换设备及再生塔底重沸器等；
（6）开工用加热器及冷却器，压缩机级间冷却器等。
1．2常用冷换设备的类型
冷换设备的种类繁多，可分为两大类。其换热面为管状者，称为管式换热器；换热面为板状者，称为板式换热器。前者常用的有列管换热器，蛇管换热器，套管换热器、翅片管式换热器等。后者常用的有平板和螺旋板式换热器等。制氢装置换热器的主要形式是列管式换热器。
1．2．1列管式换热器
列管式换热器又名管壳式换热器，常用的主要有以下几种类型。（1）固定管板式换热器
这种换热器主要由壳体，管束，管板，封头，折流挡板等部件组成。管束两端用胀接法或焊接法固定在管板上。
图9-2 具有补偿圈的固定管板式换热器
1—折流板；2—补偿圈；3—放气口放气阀
图9-2为单壳程／四管程固定管板式换热器。这是为了提高管程的流体流速，而采用的多管程。即在两端封头内安装隔板，使管子分成若干组，流体依次通过每组管子，往返多次。管程数增多，可提高管内流速和对流传热系数，但流体的机械能损失相应增大，结构复杂，故管程数不宜太多，以2、4、6 程较为常见。同样，为提高壳程流体流速，以提高对流传热系数，可在壳程内安装折流板，常用的有圆缺形和圆盘型两种。
换热器因管内、外的流体温度不同，壳体和管束的温度不同及其热膨胀程度也不同。若两者温度相差较大（50℃以上），可引起很大的内应力，使设备变形，管子弯曲，甚至从管板上松脱。因此，必须采取消除或减少热应力的措施，称为热补偿。对固定管板式换热器，
当温差稍大，而壳体内压力又不太高时，可在壳体上安装热补偿圈（或称膨胀节，见图9-2）以减少热应力。当温差较大时，通常采用浮头或U型管式换热器。
太阳能热水袋（2）浮头式换热器
图9-3 浮头式换热器
1—浮头；2—浮动管板
这种换热器有一端管板不与壳体相连，可沿轴向自由伸缩，如图9-3所示。这种结构不但可以消除热应力，而且在清洗和检修时，整个管束可以从壳体中抽出。因此，尽管其结构较复杂，造价较高，但应用仍较普遍。
（3）U型管式换热器
图9-4 U型管换热器
图9-4所示为一U型管式换热器，每根管子都弯成U形，两端固定在同一块管板上，因此，每根管子皆可自由伸缩，从而解决热补偿问题。这种结构较简单，质量轻，适用于高温高压条件。1．2．2其它形式的冷换设备
（1）空冷式换热器
图9-5 鼓风式空冷器
空冷式换热器（简称空冷器）是由翅片管束、风机和构架组成，如图9-5所示。这是一种用空气来冷却管内工艺流体的换热器。翅片管束的管材本身多采用碳钢管，但翅片多为铝制。翅片可用缠绕、镶嵌或焊接等方法固定在管材上。
热流体由物料管线流入各管束中，冷却后汇集于排出管排出。冷空气由轴流式通风机吹入，通风机装在管束下方称为鼓风式空冷器；通风机装在管束上方称为引风式空冷器。
（2）热管式换热器
图9-6 吸液芯热管图
热管是一种新型换热元件，如图9-6所示。它是一根抽去不凝气体的密闭金属管，管子的内表面覆盖一层有毛细结构材料作成的芯网，其中间是空的。管内还装有一定量的可凝液体（即载热介质），由于毛细力作用，液体可渗透到芯网中去。当管子的热端（蒸发器）被加热时，液体即在芯网中吸收热量汽化，所产生的蒸汽流向管子的冷端（冷凝器）时，蒸气遇到冷表面则冷凝成液体放出热量，而后在毛细力的作用下重新返回热端，从而反复循环，连续不断地将热端的热量传送到冷端。由于蒸发和冷凝都是有相变的对流传热过程对流传热系数很大，很小的表面积便可传递大量热量。故可利用热管的外表面（一般加翅片强化传热）进行两流体间的换热。
热管的材质可用不锈钢、铜、镍、铝等，载热介质可用液氮、液氨、甲醇、水及液态金属钾、钠、银等。温度在-200~2000℃之间都可应用。多条热管组合在一起即成为一台热管式换热器，热管式换热器在石油化工装置中应用广泛，常见的是利用加热炉高温烟气来加热助燃空气的空气预热器，即热管式空气预热器。
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1．3强化传热途径
所谓强化转热，就是采取措施提高单位面积的传热量Q/A，或减少单位热负荷所需的传热面积A/Q，并改进换热器的结构以增大单位体积的传热面积A/V，或在Q/A一定的条件下，减少两流体之间的温度差△t m，以减少有效能损失。
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为了提高Q/A或减少A/V，需要增大△t m，或更需要增大总传热系数K。为了减少△t m，以降低有效能损失，应增大K值。为了增大
A/V，需要提高K值的同时，改进传热元件的结构。
下面分析讨论增大平均温度差△t m、单位体积的传热面积A/V及总传热系数K的措施。聚酰亚胺板材
1．3．1增大传热平均温度△t m
△t m的增大，可以通过提高热流体温度或降低冷流体温度来实现。但工艺流体的温度是由生产工艺条件决定，一般不能随意变动。若采取冷却或加热介质，可根据提高△t m的需要，选择合适的介质。应注意的是，△t m增大，会使有效能损失增大。因此，以增大△t m来强化传热是有一定限度的。
当两侧流体为变温度传热时，从结构上尽可能保证逆流或接近逆流操作。因为逆流操作与并流相比，不仅△t m较大，而且有效能损失也较小。
1．3．2增大单位体积的传热面积A/V
增大传热面积是强化传热的有效途径之一，但不能靠增大换热器体积来实现。有些装置上的换热器设备要求轻巧紧凑，这应与提高传热系数相结合，改进传热面结构，扩展传热面，提高单位的传热面积，
工业上已经使用的各种新型高效强化传热面，不仅扩展了传热面积，而且增强了传热面附近流体的湍动程度。最常见的扩展表面是在管外表面加装翅片的翅片管，用于对流传热系数α较小的气体一侧的传热面。此外，还有伯文冠、螺纹槽管等各种高效强化传热管，如图所示。用于板翅式换热器的各种翅片结构如图所示。
1．3．3增大总传热系数K
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