纏繞管式換熱器在重整裝置上的應用

田華峰

隨著煉油業(yè)規(guī)模繼續(xù)快速擴張，煉廠規(guī)模大型化、降能耗已成為發(fā)展的趨勢。同樣，作為煉油價值鏈中的重整裝置的發(fā)展，也逐步向做大加工量，降低裝置能耗的方向發(fā)展，在此過程中，作為重整裝置的關(guān)鍵換熱器—進料換熱器對降低裝置能耗有較大的影響。另外，中國石化上海石油化工股份有限公（以下簡稱上海石化）作為一家大型上市公司，降低能耗，減少碳排放，是企業(yè)不可推卸的社會責任。因此，重整裝置進料換熱器必須具備傳熱效率高、穩(wěn)定性好的特點，方可實現(xiàn)發(fā)展與效益的雙贏。

目前，連續(xù)重整中混合進料換熱器的選型大多選用全焊接板殼式換熱器。全焊接板殼式換熱器換熱效率高、壓降小、回收熱量多、操作費用低、制造難度大。國外僅法國Packinox一家廠商能夠生產(chǎn)全焊接板殼式換熱器，其波紋板片采用爆炸成型，板束采用全焊接的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多年努力，國內(nèi)也能生產(chǎn)全焊接板殼式換熱器，波紋板片采用機械壓制成型，板束也采用全焊接結(jié)構(gòu)。由于板片厚度薄，一般在0.8～1.2 mm，全焊接板殼式換熱器在應用中必須對管、殼程的溫差和壓差進行嚴格控制，整個運行過程允許的壓力和溫度的波動都很??；而且由于板間距小，極易發(fā)生結(jié)垢且難以清洗。因此板殼式換熱器的操作條件過于苛刻。

目前，上海石化共有3套連續(xù)重整裝置，裝置中的板殼式換熱器曾經(jīng)多次換熱器內(nèi)漏的情況。因此，為尋求一種穩(wěn)定和性能優(yōu)越的換熱器，積極與設(shè)備制造廠家合作，首次在大型重整裝置上引入了新型國產(chǎn)重整進料換熱器——纏繞管式換熱器。

1 纏繞管式換熱器簡介

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合纏繞管式換熱器的特點和工藝操作要求，采用了立式纏繞管式混合進料換熱器，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1和圖2所示，該換熱器主要分為下管箱、管束和上管箱3部分。

圖1 下管箱

圖2 纏繞管式混合進料換熱器

1.2 材質(zhì)

采用超長鋼管整體纏繞自吸收熱膨脹管束，取消了易損壞的膨脹節(jié)，使得結(jié)構(gòu)簡單可靠。設(shè)備處于高溫、臨氫環(huán)境，殼體材料采用14Cr1MoR鋼板、14Cr1Mo鍛件，管板為14Cr1Mo1V＋堆焊、換熱管為OCr18Ni10Ti。所有與殼體相焊的接頭，均要求采用全焊結(jié)構(gòu)。裙座上部與殼體間設(shè)置“熱箱”以減小連接處的溫差應力。換熱管與管板的連接采用強度焊加貼脹的結(jié)構(gòu)，為了避免管頭的異種鋼焊接，管箱側(cè)管板上堆焊了TP309L＋TP347。

1.3 下管箱

冷介質(zhì)走管程從底部進入，其中原料油管從底部彎管處插入到氣體分布板上方后，原料油從中心噴出，與沿底部彎管進入經(jīng)錐形過渡段、氣體分布板分配后的冷氫在管板前進行充分混合，均勻地進入每根換熱管內(nèi)，以避免換熱管因發(fā)生液體偏流而導致傳熱不均，從而影響換熱性能。錐形過渡段為法蘭連接的可拆卸結(jié)構(gòu)，以方便下管箱中氣體分布板的安裝以及換熱管與下管板連接接頭的檢查和維修處理。

1.4 管束

管束是包括換熱器的殼體和上下管板的換熱管芯體部分。熱介質(zhì)走殼程，從筒體上部進入，殼程出口設(shè)在筒體下部。為防止高溫熱流體對換熱管直接沖擊造成換熱管的受熱不均和損壞，在殼程入口設(shè)有引導介質(zhì)流向的擋板。排氣口和排污口分別設(shè)在頂封頭和底封頭。為有效分布管束內(nèi)的殼程介質(zhì)，減少和消除殼程流體的短路，在管束外面包覆了夾套將殼程中的流體約束于內(nèi)。

2 纏繞管式換熱器在上海石化重整裝置的首次應用情況

2.1 應用背景

上海石化600 kt／a芳烴聯(lián)合裝置中的1 Mt／a連續(xù)重整裝置（以下簡稱2＃重整）于2009年9月投料開車，2011年7月開始發(fā)現(xiàn)重整生成油中環(huán)烷烴質(zhì)量分數(shù)較開車初期上升明顯，判斷進料板殼式換熱器E－201有泄漏現(xiàn)象，隨后對換熱器泄露情況進行跟蹤觀察和分析。

2011年7—9月的泄露量為3.42%，根據(jù)經(jīng)驗，在該泄露量下運行對重整裝置及下游的技術(shù)經(jīng)濟指標影響較小。但是隨后其泄露量逐漸上升，至2012年2月，泄露量達到6.26%，且仍有上升趨勢。隨著E－201內(nèi)漏，2＃重整的技術(shù)經(jīng)濟指標已經(jīng)受到嚴重的影響，其中氫氣產(chǎn)率由2010年的3.76%降至2012年（1－2月）的3.50%，芳烴產(chǎn)率由2010年的69.89%降至2012年（1－2月）的67.85%。

2.2 具體應用情況

2.2.1 應用前后對比分析

上海石化2＃重整于2009年9月一次開車成功，國產(chǎn)板換投運正常，無泄漏。圖3給出了自2009年9月開車至2012年重整生成油中環(huán)烷烴總量的變化趨勢。

圖3 重整生成油中環(huán)烷烴總量的變化趨勢

2011年7月重整生成油中環(huán)烷烴質(zhì)量分數(shù)突破1.5%，且有上升趨勢，內(nèi)漏跡象出現(xiàn)，因此于2012年12月對換熱器進行了更換，使用鎮(zhèn)海建安工程有限公司制造的纏繞管式換熱器（設(shè)備參數(shù)見表1），并于2012年12月24日投料開車。

表1 板式換熱器與纏繞管式換熱器的設(shè)備參數(shù)

更換前（2012年12月）和更換后（2013年1—2月）運行數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 滿負荷運行數(shù)據(jù)對比

由表2可見：更換后纏繞管式換熱器的殼程壓降由44.5 kPa下降到36.5 kPa，板（管）層壓降由80.6 kPa下降到49.6 kPa，熱端溫差由31.4 K下降到29.4 K。

另外，連續(xù)重整的主要反應過程為環(huán)烷烴脫氫，其反應是比較完全的，在產(chǎn)品中的環(huán)烷質(zhì)量分數(shù)應當很低，尤其是C＋8環(huán)烷烴，其數(shù)據(jù)應該很小。更換前重整生成油中的環(huán)烷烴和C＋8環(huán)烷烴質(zhì)量分數(shù)分別為6.23%和1.80%，更換后分別下降至0.99%和0.12%，表明更換后的換熱器運行良好，無泄漏。連續(xù)重整的芳烴產(chǎn)率和純氫產(chǎn)率當主要技術(shù)經(jīng)濟指標從64.85%和3.63%上升到70.95%和3.88%，挽回了經(jīng)濟損失。

更換前后反應系統(tǒng)的壓降如表3所示。

表3 更換前后反應系統(tǒng)壓降

由表3可見：更換后反應系統(tǒng)壓降明顯下降，液相進料的調(diào)節(jié)閥開度（滿負荷）從78%下降至50%，為進料負荷提升消除了瓶頸，同時由于反應系統(tǒng)壓降下降。在相同的氫烴比下，循環(huán)氫壓縮機透平3.5 MPa蒸汽用量平均下降了1 t／h。

2.2.2 運行中遇到的問題

2014年1月10日發(fā)現(xiàn)管程壓降出現(xiàn)明顯異常，壓降從原來的48 kPa快速上升，最高上升至91 kPa，查閱2013年8月至2014年1月的管程的變化情況，發(fā)現(xiàn)自2013年9月份以來，管程壓降開始增大，具體見圖4。

圖4 管程的壓降變化趨勢

針對壓降異常，從以下幾個方面進行了分析。

（1）從纏繞管換熱器結(jié)構(gòu)方面分析

2＃重整纏繞管式換熱器的換熱面積比以前使用的板式換熱器實際有效換熱面積高出407 m2。為了滿足換熱面積的要求，并使管束內(nèi)物料分布均勻，根據(jù)現(xiàn)場安裝環(huán)境（框架及相關(guān)管線不變）的實際現(xiàn)狀，在進口物料入口管箱處的新纏繞管換熱器中設(shè)置2塊分布孔板，即預分布孔板和分布孔板（見圖5）。纏繞管換熱器的這種結(jié)構(gòu)，可能導致有部分銨鹽在分部孔板處堵塞了孔道。

圖5 纏繞管式換熱器管程入口

另外，纏繞管換熱器的熱端溫差沒有異常，圖6給出了2013年8月至2014年2月期間的熱端溫差變化趨勢。

圖6 纏繞管換熱器熱端溫差變化趨勢

由圖6進一步分析，熱端溫差正常，換熱器換熱效果沒有受到影響。

分析結(jié)論：管程有效換熱區(qū)域內(nèi)未發(fā)生堵塞。

（2）從重整原料中氮質(zhì)量分數(shù)方面分析

2＃重整應用了國產(chǎn)PS－VI型催化劑，并且采用的是Chlorsorb工藝，該工藝的特點是：在催化劑氯吸附運行過程中再生尾氣水含量高，對催化劑載體比表面積造成很大影響，引起催化劑持氯能力變差，循環(huán)氫中的HCl質(zhì)量濃度高。

在重整原料中若含有氮化物，在重整反應條件下，進料中的有機氮化物會轉(zhuǎn)化成NH3，會與NH3結(jié)合生成 NH4Cl，NH4Cl在230℃就會結(jié)晶，因此只要低于此溫度就會有NH4Cl析出，進而累積在進料分配孔板處，造成管程側(cè)壓降升高。

通過分析2＃重整2013年12月24日至2014年1月1日的進料情況，發(fā)現(xiàn)來自中壓加氫裝置的重石腦油中的氮質(zhì)量分數(shù)超標，圖7給出了中壓加氫裝置的重石腦油中氮質(zhì)量分數(shù)變化趨勢。

圖7 中壓加氫裝置的重石腦油中氮質(zhì)量分數(shù)變化趨勢

綜合以上分析，可以斷定纏繞換熱器管程壓降上升的原因為：運行過程中銨鹽累計在進口分布孔板處銨鹽堵塞所致。

2.2.3 解決措施

（1）減少重整原料中的氮質(zhì)量分數(shù)

通過與上游裝置溝通，減少中壓加氫石腦油中氮的質(zhì)量分數(shù)，重整原料中的氮質(zhì)量分數(shù)，均需滿足＞0.5 mg／kg的條件。表4列出了調(diào)控后的重整進料中氮質(zhì)量分數(shù)。

表4 重整進料中氮的質(zhì)量分數(shù) mg／kg

（2）提高進料水質(zhì)量分數(shù)

因是銨鹽堵塞，根據(jù)銨鹽易溶解水的特點，在保證生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下，提高重整進料中水的質(zhì)量分數(shù)。2014年1月20日裝置通過調(diào)整優(yōu)化2＃重整裝置不同的原料來料量，增加中間罐區(qū)水質(zhì)量分數(shù)高的原料的比例，來提高進重整原料換熱器的石腦油中水的質(zhì)量分數(shù)。具體優(yōu)化措施為：2014年1月22日起，逐步適當增加水質(zhì)量分數(shù)高的罐區(qū)料FC20501，由2 t／h增加到 15 t／h。另外，同時 2＃重整裝置負荷調(diào)整，1月27日起，適當降低2＃重整負荷，裝置進料量由120 t／h降至110 t／h。通過以上措施，水質(zhì)量分數(shù)較高的罐區(qū)料在重整進料中的比例，由之前的2.5%提高到13.5%。

原料優(yōu)化后，原料中的水質(zhì)量分數(shù)高促使循環(huán)氫中的水質(zhì)量分數(shù)逐漸上升，管程壓降隨重整循環(huán)氫中的水質(zhì)量分數(shù)的提高（由正常55 mg／kg提高至平均75 mg／kg），其壓降則逐漸下降（由40 kPa逐漸降至正常達到30 kPa），循環(huán)氫中水質(zhì)量分數(shù)與管程壓降的對比情況見表5。

表5 重整循環(huán)氫中水含量與管程壓降統(tǒng)計

通過降低中壓加氫中的氮含量、適當降低重整裝置負荷、適當提高重整進料中的水質(zhì)量分數(shù)等措施，纏繞管換熱器的管程壓降逐漸下降恢復至正常值。

3 結(jié)論

連續(xù)重整用纏繞管換熱器在實際應用中運行整體良好，能適應較大生產(chǎn)波動的影響，抗風險能力較大。與其他目前重整換熱器相比，纏繞管換熱器換具有如下優(yōu)勢：

（1）纏繞管換熱器的入口氣液分配器的設(shè)計靈活，能滿足實際現(xiàn)場安裝的需要。分配器的結(jié)構(gòu)能有效保證氣液兩相在管程內(nèi)的均勻分布，具有結(jié)構(gòu)簡單、分布性能好的特點。

（2）纏繞管式換熱器具有換熱效率高、熱端溫差小、管程壓降適應能力強、抗垢能力好等優(yōu)點，尤其能有效避免在裝置開停工及緊急情況下因溫度、壓力波動導致的設(shè)備內(nèi)漏。

（3）纏繞管式換熱器在實際應用中，應加強對重整原料雜質(zhì)的監(jiān)控，特別是原料中的氮質(zhì)量分數(shù)的監(jiān)控，以防在換熱器入口端低溫區(qū)發(fā)生銨鹽結(jié)晶，影響換熱器壓降。

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