裂解汽油加氫二段進(jìn)出料換熱器型式及應(yīng)用

利 梅，聶毅強(qiáng)

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

裂解汽油加氫裝置中的二段加氫反應(yīng)進(jìn)出料換熱器工藝特點(diǎn)是：冷、熱物流進(jìn)出口溫差大(約為200～240 ℃)、溫度區(qū)間高度重合、有效傳熱溫差小、分別發(fā)生蒸發(fā)和冷凝過(guò)程、流量大以及熱負(fù)荷高,其換熱效率對(duì)降低裝置能耗和減少操作費(fèi)用具有重要影響。同時(shí)，由于裂解汽油中的易聚合組分在高溫段易結(jié)垢，嚴(yán)重時(shí)影響裝置的長(zhǎng)周期操作，因此該種換熱器的選型和結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

1 二段加氫工段流程

裂解汽油是乙烯工業(yè)的重要副產(chǎn)物，如以石腦油等為原料時(shí)，其產(chǎn)量相當(dāng)于乙烯產(chǎn)量的50%～80%，含芳烴55%～60%，是芳烴抽提的重要原料。工業(yè)上一般采用兩段加氫方法對(duì)其進(jìn)行處理，即先經(jīng)一段低溫液相選擇性加氫脫除苯乙烯和不飽和雙烯烴，再經(jīng)二段高溫氣相加氫去除含硫和氮的有機(jī)雜質(zhì)并使單烯烴飽和，加氫汽油經(jīng)穩(wěn)定塔脫除硫化氫氣體后，送入芳烴抽提裝置獲取苯、甲苯和二甲苯。其中二段加氫工段流程如圖1所示，二段進(jìn)出料換熱器位于氣液混合進(jìn)料和進(jìn)料加熱爐(或加熱器)之間。

2 二段進(jìn)出料換熱器型式

目前國(guó)內(nèi)裂解汽油加氫裝置中二段進(jìn)出料換熱器采用的型式主要有3種。

2.1 立式管殼式換熱器

該型式換熱器使用1臺(tái)立式設(shè)備完成傳熱，占地面積?。焕錈崃黧w在換熱管兩側(cè)純逆流流動(dòng)，有效傳熱溫差大；壓降?。粋鳠嵝Ч?；管殼側(cè)均可機(jī)械清洗。缺點(diǎn)是整臺(tái)設(shè)備需選用進(jìn)口不銹鋼換熱管，換熱管束長(zhǎng)，屬超長(zhǎng)大型設(shè)備，造價(jià)昂貴。受加工技術(shù)的局限，長(zhǎng)度大于20 m的不銹鋼換熱管國(guó)內(nèi)難以生產(chǎn)。另外，考慮到冷熱流體溫差導(dǎo)致材料熱應(yīng)力，疊加工作壓力所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，立式管殼式換熱器必須設(shè)置膨脹節(jié)來(lái)緩沖管束與殼體膨脹量的差異【1】。膨脹節(jié)的質(zhì)量至關(guān)重要，一旦膨脹節(jié)泄漏將引起裝置停車。

圖1 二段加氫工段流程示意

2.2 方形板片板殼式換熱器

方形板片板殼式換熱器(如圖2所示)采用波紋板片作為傳熱元件,板片間采用氬弧焊、電阻焊等焊接方式焊接成板束裝在承壓殼體內(nèi)。波紋板片具有 “靜攪拌”作用,能在很低的雷諾數(shù)下形成湍流,總傳熱系數(shù)是管殼式換熱器的2～3倍，具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)【2】。方形板片板殼式的制造工藝比較復(fù)雜，焊接要求高，造價(jià)高；板片通道高度范圍在10～30 mm，流道較窄，抗堵性差，物料在板片之間結(jié)焦積碳則很難清理。為防止加氫工藝介質(zhì)聚合堵塞，換熱器兩側(cè)需設(shè)置在線燒焦管線。

2.3 雙殼程U形管換熱器

雙殼程U形管式換熱器殼體中心設(shè)置分程隔板，管殼程都是雙程，冷、熱流介質(zhì)在接近純逆流狀態(tài)下進(jìn)行熱交換，有效傳熱溫差大，適合溫度高度重合且傳熱溫差小的工況；通過(guò)多臺(tái)串聯(lián)的方式容易實(shí)現(xiàn)傳熱面積大型化；管殼程流速和雷諾數(shù)較高,強(qiáng)化了傳熱；U形管束有效吸收了管殼側(cè)溫差引起的熱膨脹，不需設(shè)置膨脹節(jié)；設(shè)備密封性好，不易泄漏；設(shè)備成本低。缺點(diǎn)是：U形管內(nèi)不易機(jī)械清洗。

圖2 方形板片板殼式換熱器原理

3 二段進(jìn)出料換熱器材質(zhì)

二段進(jìn)出料換熱器介質(zhì)中含有氫氣和硫化氫，屬高溫、中壓、臨氫壓力容器，如果采用立式管殼式換熱器和方形板片板殼式換熱器設(shè)計(jì)，則整體設(shè)備材質(zhì)選用S32168；采用4臺(tái)雙殼程U形管換熱器設(shè)計(jì)，高溫端2臺(tái)選用S32168不銹鋼，低溫端2臺(tái)則為低合金鋼，節(jié)省一次性投資。每臺(tái)U形管換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)及材質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 4臺(tái)雙殼程U形管換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)及材質(zhì)

4 3種換熱器工業(yè)應(yīng)用及長(zhǎng)期運(yùn)行效果

某80萬(wàn)t/a裂解汽油加氫裝置采用引進(jìn)工藝技術(shù)，二段進(jìn)出料換熱器為單臺(tái)立式管殼式換熱器,管束長(zhǎng)20 m，整體進(jìn)口。2005年開(kāi)車，第一周期運(yùn)行正常，2009年乙烯裝置改擴(kuò)能至119萬(wàn)t/a，該換熱器利舊使用。2012年起該換熱器經(jīng)常發(fā)生泄漏，造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，2014年大檢修時(shí)整臺(tái)更換。從生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看，立式管殼式換熱器作為二段進(jìn)出料換熱器使用壽命約為9 a。

另一煉化一體化企業(yè)2009年一期建設(shè)裂解汽油加氫裝置采用了中國(guó)石化專有技術(shù)，其中二段進(jìn)出料換熱器應(yīng)用了方形板片板殼式換熱器。該換熱器由蘭科石化設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)制造，熱負(fù)荷10.3 MW,換熱面積900 m2。該換熱器采用不銹鋼波紋板作為傳熱板片，全焊式板束裝入殼體中，冷流進(jìn)料液體由設(shè)備底部進(jìn)入板束的板程，由設(shè)備頂部流出；熱流由設(shè)備上側(cè)開(kāi)口進(jìn)入板束的殼程，由設(shè)備下側(cè)開(kāi)口流出，冷熱流體在板束中呈全逆流換熱。板束上下端各設(shè)置1個(gè)膨脹節(jié)。設(shè)備殼體設(shè)置無(wú)泄漏密封結(jié)構(gòu)型式的設(shè)備法蘭，設(shè)備可拆。2009年9月裝置開(kāi)車，前20個(gè)月僅依靠板殼式換熱器即可將冷物料加熱到反應(yīng)起始溫度，加熱爐處于停爐狀態(tài)，無(wú)燃料氣消耗。之后的28個(gè)月，隨著物料在板片兩側(cè)緩慢聚合結(jié)焦，換熱器傳熱性能下降，且壓降升高愈來(lái)愈顯著，加熱爐被重新投用，加熱爐燃料氣用量最大達(dá)到144 kg/h,兩側(cè)總壓降比初期提高了212 kPa。

2013年底停車大檢修期間，該裂解汽油加氫裝置進(jìn)行了擴(kuò)能改造，裝置處理能力由50萬(wàn)t/a提高至65萬(wàn)t/a。此次改造新增了二段進(jìn)出料換熱器B，由于冷、熱流進(jìn)出口溫差大、熱負(fù)荷高，進(jìn)出料換熱器采用了4臺(tái)雙殼程U形管換熱器串聯(lián)操作，由中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司(SEI)完成設(shè)計(jì)。雙殼程U形管式換熱器設(shè)計(jì)有一定的難度：縱向隔板兩側(cè)存在溫差，有熱量通過(guò)縱向隔板傳遞；縱向隔板密封條有內(nèi)漏可能，容易發(fā)生殼側(cè)流體短路，導(dǎo)致總有效傳熱溫差減小，傳熱效率降低。設(shè)計(jì)中通過(guò)在縱向隔板上設(shè)置隔熱結(jié)構(gòu)、控制殼側(cè)最大壓降等方法，消除縱向隔板對(duì)傳熱的不利影響。

換熱器B連續(xù)運(yùn)行了57個(gè)月，與換熱器A的操作參數(shù)比較見(jiàn)表2。

表2 串聯(lián)雙殼程U形管換熱器(換熱器B)與板殼式換熱器(換熱器A)的比較

由表2可以看出，雙殼程U形管式換熱器的投用實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，該型式換熱器抗結(jié)垢能力強(qiáng)，傳熱性能穩(wěn)定，壓降上升緩慢。運(yùn)行初末期管殼程總壓降僅升高了42 kPa，第57個(gè)月時(shí)總壓降與板殼式換熱器運(yùn)行初期壓降相當(dāng)。兩種型式換熱器的總壓降趨勢(shì)示意見(jiàn)圖3。

圖3 板殼式與雙殼程U形管換熱器

連續(xù)57個(gè)月運(yùn)行期間，雙殼程U形管換熱器表現(xiàn)優(yōu)異，使加熱爐處于停爐狀態(tài)。裂解汽油加氫裝置第1次實(shí)現(xiàn)了正常運(yùn)行的零燃料氣消耗。

5 3種換熱器經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比

以50萬(wàn)t/a裂解汽油裝置為例進(jìn)行比較。在相同熱負(fù)荷條件下，以管束壽命周期為時(shí)間基準(zhǔn)，3種換熱器投資費(fèi)用比較見(jiàn)表3(設(shè)備安裝費(fèi)未計(jì)入)。

板殼式換熱器換熱面積和設(shè)備質(zhì)量最小，設(shè)備價(jià)格居中，但對(duì)于裂解汽油物系而言，運(yùn)行后期板片結(jié)垢導(dǎo)致傳熱性能明顯下降，必須投用加熱爐，造成操作費(fèi)用增加。立式管殼式換熱器不易結(jié)垢，運(yùn)行周期長(zhǎng)，但是設(shè)備價(jià)格最高，膨脹節(jié)容易泄漏影響產(chǎn)品質(zhì)量。雙殼程U形管式換熱器換熱面積和質(zhì)量最大，但設(shè)備價(jià)格僅是板殼式換熱器的60%，并且不易結(jié)垢、傳熱性能穩(wěn)定，不需要設(shè)置膨脹節(jié)，長(zhǎng)期運(yùn)行表現(xiàn)優(yōu)異，檢修清洗后再次投用不影響傳熱效果。

注：1) 4年為1個(gè)生產(chǎn)周期，其中28個(gè)月投用加熱爐，燃料氣消耗以28個(gè)月平均消耗量100 kg/h計(jì)。 2) 合計(jì)費(fèi)用=設(shè)備總價(jià)+壽命周期內(nèi)燃料氣費(fèi)用，燃料氣單價(jià)按2 050元/t計(jì)。

在正常生產(chǎn)周期內(nèi)，雙殼程U形管換熱器真正使裝置實(shí)現(xiàn)了零燃料氣消耗和零煙氣排放。僅燃料氣1項(xiàng)，雙殼程U形管換熱器比板殼式換熱器節(jié)省操作費(fèi)用413萬(wàn)元人民幣，減少CO2排放量5 705 t, 減少環(huán)境污染，社會(huì)效益顯著。

6 結(jié)語(yǔ)

裂解汽油裝置的二段進(jìn)出料換熱器運(yùn)行效果直接關(guān)系到裝置能耗，綜合比較來(lái)看，目前在用的3種典型的二段進(jìn)出料換熱器型式中，雙殼程U形管換熱器設(shè)備價(jià)格低，抗結(jié)垢性能好，長(zhǎng)期運(yùn)行傳熱性能和壓降穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)停爐操作和零燃料氣消耗，操作費(fèi)用最低，是裂解汽油加氫裝置二段進(jìn)出料換熱的最佳結(jié)構(gòu)型式，為新建和改造裂解汽油加氫裝置提供了可靠的技術(shù)保證。