預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器在乙烯裝置的應(yīng)用

侯曉強

（中國石油天然氣股份有限公司遼陽石化分公司，遼寧遼陽 111003）

1 改造前存在的問題

某石化公司蒸汽裂解裝置E405 為丙烯制冷壓縮機出口空氣冷卻器，利用空氣對壓縮機出口的丙烯進行冷卻，該空冷器為干式空冷器，是1980 年代中期產(chǎn)品。裝置經(jīng)過1986 年、2002年、2007 年3 次改造，生產(chǎn)能力由7.28 萬噸年乙烯提升到20 萬噸年乙烯。隨著裝置生產(chǎn)能力的提高和原料輕質(zhì)化的轉(zhuǎn)變，使得丙烯制冷壓縮機的負荷也不斷提高，該空冷器的換熱能力已達不到生產(chǎn)要求。尤其是在炎熱的夏季，隨著氣溫的升高，E405 出口丙烯溫度偏高，氣相丙烯冷凝率低，使得丙烯接受罐R404 等后續(xù)設(shè)備時有出現(xiàn)超壓情況，造成安全閥起跳，只能通過降低裝置負荷來減少制冷量，保證壓縮機平穩(wěn)運行，夏季裝置負荷在90%左右運行。

通過采用預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器（新型空冷器）來替代干式空冷器（常規(guī)空冷器），提高換熱能力，增加丙烯氣相的冷凝率，解決生產(chǎn)瓶頸問題。

2 預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器工作原理及結(jié)構(gòu)特點

2.1 工作原理

預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器工作原理：需要冷卻的氣相丙烯（約80 ℃）首先進入空冷器上部的干翅片管束中進行預(yù)冷卻，再進入下部的蒸發(fā)冷管束（光管管束）進行蒸發(fā)冷卻。新鮮空氣經(jīng)過下部進風(fēng)格柵進入設(shè)備內(nèi)部，在引風(fēng)機作用下由下向上流動，噴淋水（脫鹽水）經(jīng)噴淋系統(tǒng)均勻噴淋在光管束表面，在光管表面形成水膜，多余的噴淋水流入水箱，通過水箱側(cè)面的水泵再將水送至噴淋管循環(huán)使用，蒸發(fā)所損耗的水量從外部給水管補充。噴淋水在光管表面蒸發(fā)，促使內(nèi)部傳熱得到強化，空氣溫度下降或接近空氣濕球溫度，降溫后的空氣再送到上部干翅片管束表面，進一步提高了空冷器的傳熱效果[1-2]。冬季，隨著氣溫下降，可以將噴淋水停掉，只通過與空氣換熱給介質(zhì)降溫，工作原理如圖1所示。

干式空氣冷卻器的冷卻介質(zhì)為空氣，通過風(fēng)機使環(huán)境空氣經(jīng)過干式空冷器管束外面帶走熱量，從而實現(xiàn)冷卻冷凝管內(nèi)高溫介質(zhì)的目的。

圖1 預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器原理

通過比較兩種形式的空冷器發(fā)現(xiàn)，干式空氣冷卻器受環(huán)境影響大，當要求介質(zhì)出口溫度接近夏季的最高環(huán)境溫度（約40 ℃）時，就不能滿足生產(chǎn)要求。預(yù)冷式表面蒸發(fā)空氣冷卻器可以彌補這一缺點，可通過調(diào)節(jié)噴淋水量來控制出口介質(zhì)溫度，可操作彈性大，達到了換熱效果[3]。

2.2 結(jié)構(gòu)特點

預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器外形結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包括：引風(fēng)機、翅片管束、噴淋系統(tǒng)、蒸發(fā)冷管束、進風(fēng)格柵、水泵、集水槽、介質(zhì)入口、介質(zhì)出口和其他附屬設(shè)施，蒸發(fā)冷管束整體熱浸鋅，增加管束的抗腐蝕型。

圖2 預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器外形

干式空冷器一般采用翅片管束結(jié)構(gòu)，管排不宜過多，否則風(fēng)阻過大且易造成管束積灰結(jié)垢，影響換熱效果；表面蒸發(fā)式空冷器只采用蒸發(fā)冷管束（光管束），缺少翅片管束預(yù)冷部分，造成噴淋水蒸發(fā)量大，水量損失大，且蒸發(fā)水蒸汽加重既增加了風(fēng)機負荷又減少了空氣流通量，且周圍水蒸氣凝結(jié)掛冰，不宜冬季運行。因此，預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器是干式空冷器和表面蒸發(fā)式空冷器的結(jié)合體：在蒸發(fā)冷管束上增加幾排翅片管束，這種空冷器具有較高的綜合效益，結(jié)構(gòu)緊湊，管箱采用方箱絲堵式管箱，可以自由分配管程數(shù)，同時也方便檢修[4-5]。

3 預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器技術(shù)參數(shù)及運行效果分析

3.1 技術(shù)參數(shù)

工作介質(zhì)，丙烯；設(shè)計/操作壓力，2.0/1.77 MPa；進口/出口操作溫度，80/44.41 ℃（丙烯40%冷凝）；換熱管程數(shù)及規(guī)格（翅片管/光管），2 程（Φ25×2.5 mm）/12 程（Φ27×2.0 mm）；換熱面積（翅片管/光管），125/750 m2。

3.2 運行效果分析

預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器于2019 年6 月20 日改造后投入使用，經(jīng)過夏季、冬季的生產(chǎn)考核，換熱效果和氣相丙烯冷凝率得到很大提升，滿足設(shè)計及生產(chǎn)要求。預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器與干式空冷器運行參數(shù)對比，見表1。

表1 預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器與干式空冷器運行參數(shù)對比

由表1 中的運行參數(shù)可以得出，預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器投用后，空冷器出口丙烯溫度下降了3 ℃，氣相丙烯冷凝比提高了30%，丙烯接受罐壓力下降，換熱效果滿足生產(chǎn)要求。但是，由于改造后空冷器設(shè)備壓降最大達到110 kPa 左右，超過工藝要求的50 kPa，導(dǎo)致丙烯制冷壓縮機C402 出口壓力有所上升，嚴重時壓縮機防喘振閥開啟，因此需打開空冷器E405 旁路，使得一部分氣相丙烯通過后冷卻器E404 來降溫冷凝，夏季高溫時，也會制約裝置的生產(chǎn)負荷。

4 設(shè)備壓降升高原因分析及改進措施

4.1 原因分析

（1）管程增加。由于老裝置改造，現(xiàn)場安裝空間受限，只允許安裝1 臺預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器，為最大能力提升其換熱效果、增加換熱面積，延長了工藝介質(zhì)在換熱管束內(nèi)停留的時間來強化冷凝冷卻效果，即蒸發(fā)冷管束（光管束）管程數(shù)增加，導(dǎo)致設(shè)備壓降增加[6]。

（2）介質(zhì)流量增加。裝置大檢修后，隨著生產(chǎn)優(yōu)化，介質(zhì)流量相比設(shè)計值有所增加。該換熱器入口的氣相丙烯流量設(shè)計值為97 t/h，隨著生產(chǎn)優(yōu)化的深入，介質(zhì)實際流量值達到120 t/h，甚至更多，比設(shè)計值明顯偏大，介質(zhì)流量的增加將導(dǎo)致流速增加，壓力損失必然增加。

（3）操作壓力波動大。由于氣相丙烯的體積流量隨著操作壓力的不同而相應(yīng)變化，丙烯制冷壓縮機出口的操作壓力越高，氣相丙烯的體積流量就越小，設(shè)備壓力損失就越??；反之，操作壓力越低，氣相丙烯體積流量就越大，設(shè)備壓力損失就越大，可能因為操作壓力波動而引起該換熱器設(shè)備壓力損失發(fā)生變化。

4.2 改進措施

從目前運行情況來看，該設(shè)備處于過負荷運行狀態(tài)，丙烯處理量97 t/h、冷凝比40%是該空冷器的最佳運行工況，增加的氣相丙烯通過旁路分流（后續(xù)水冷承擔該部分換熱）是保持系統(tǒng)換熱、降低設(shè)備壓降的有效措施之一。但是，為了徹底解決設(shè)備壓降大的問題，從以下方面進行了改進。

（1）減小設(shè)備壓力損失。①增加換熱管束管排數(shù)量同時減少管程的數(shù)量，降低管束內(nèi)介質(zhì)流速，翅片管束由原來的4 排管束、2 管程改為8 排管束、2 管程，蒸發(fā)冷管束由原來的24 排管束、12 管程改為24 排管束、6 管程；②增加該空冷器進口接管管口尺寸，降低介質(zhì)流速，空冷器進口接管管口尺寸由DN100 變?yōu)镈N150。

（2）增加換熱面積。翅片管束由4 排增加到8 排，換熱面積由原先的875 m2增加到1040 m2，滿足了氣相丙烯流量增加后40%冷凝的要求。

由于空冷器換熱管束排數(shù)、程數(shù)發(fā)生變化，空冷器箱體結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的改變，引風(fēng)機電機功率由15 kW 變?yōu)榱?8 kW。改造后，新工況下該空冷器的設(shè)備壓降為了50.7 kPa 左右，換熱效果和設(shè)備壓降均滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)束語

改造前，全年大約3 個月超壓運行，每天按超壓8 h 算，每小時損失丙烯0.2 t，折算成全年效益，改造后每年增加效益約230 萬元。

預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器是一種將水冷與空冷、傳熱與傳質(zhì)過程融為一體且兼有兩者優(yōu)點的高效節(jié)能冷卻設(shè)備，通過流通的空氣、噴淋水與介質(zhì)的熱交換保證降溫效果。外界氣溫較低時，可以停掉噴淋水系統(tǒng)，起到節(jié)水效果，符合國家節(jié)能減排的政策。預(yù)冷式表面蒸發(fā)空冷器的結(jié)構(gòu)緊湊，占地空間小，安裝維護方便，傳熱效率高，在煉油、化工領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[7]。