纏繞管式換熱器在裂解汽油加氫裝置的應(yīng)用

張文斌

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

近年來，國家對節(jié)能減排非常重視，要求企業(yè)全面構(gòu)建節(jié)能減排降碳一體化體系，不斷提高能源利用效率。某煉化分公司經(jīng)過多方論證，決定將裂解汽油加氫裝置的二段進(jìn)出料換熱器更換為新型高效的纏繞管式換熱器，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、減少運(yùn)行成本，進(jìn)一步提高裂解汽油加氫裝置的生產(chǎn)水平，增強(qiáng)市場競爭力。

某煉化分公司的70萬t/a裂解汽油加氫裝置采用中石化的ST裂解汽油加氫技術(shù)， 該纏繞管式換熱器的應(yīng)用改造由中國石化工程建設(shè)有限公司(SEI)承擔(dān)， 項(xiàng)目于2019年8月中交， 12月12日正式投料開車， 生產(chǎn)出合格產(chǎn)品， 標(biāo)志著纏繞管式換熱器投用成功。這是纏繞管式換熱器在裂解汽油加氫裝置上的首次應(yīng)用， 意義深遠(yuǎn)。

1 纏繞管式換熱器

纏繞管式換熱器作為一種新型高效節(jié)能設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于煉油、化工裝置。與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，纏繞管式換熱器具有如下優(yōu)勢 ：結(jié)構(gòu)緊湊，換熱管呈螺旋盤管狀繞制，可以增加換熱管長度，加大單位容積的傳熱面積；利用逆流換熱的結(jié)構(gòu)，換熱系數(shù)較高，可強(qiáng)化傳熱效果；抗振動、耐高溫差引起的熱膨脹性能好； 介質(zhì)溫度端差小，不可逆損失小；密封可靠性高、介質(zhì)壓力高；介質(zhì)流暢、不存在換熱死區(qū)；可多種介質(zhì)同時(shí)參與換熱、不同介質(zhì)之間無壓差要求； 換熱設(shè)備本身體積小， 占用的空間小， 而安全性能更強(qiáng)； 換熱器易實(shí)現(xiàn)大型化【1-2】。典型的單股流纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 單股流纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)示意

2 纏繞管式換熱器應(yīng)用流程

纏繞管式換熱器應(yīng)用在裂解汽油加氫裝置二段加氫反應(yīng)單元的工藝流程如圖2所示。裂解汽油加氫裝置的二段加氫反應(yīng)為高溫氣相放熱反應(yīng)，氣相物料在催化劑的作用下使得單烯烴加氫飽和，同時(shí)脫除硫、氮等雜質(zhì)。二段反應(yīng)出料經(jīng)氣液分離罐分離后，液相送入穩(wěn)定塔脫除硫化氫，加氫汽油產(chǎn)品送芳烴抽提裝置。

圖2 纏繞管式換熱器工藝流程

2.1 應(yīng)用前流程

從一段加氫循環(huán)泵來的二段加氫冷物料， 與二段加氫循環(huán)氫壓縮機(jī)來的循環(huán)氫混合后， 先經(jīng)二段進(jìn)料預(yù)熱器(E-762)預(yù)熱， 再經(jīng)二段進(jìn)出料換熱器(E-760A/B/C/D)加熱， 最后利用高壓蒸汽加熱器(E-764)加熱至二段加氫反應(yīng)器(R-760)入口所需要的溫度， 進(jìn)入二段加氫反應(yīng)器(R-760)的頂部。其中， 高壓蒸汽加熱器(E-764)的蒸汽流量要根據(jù)加熱后進(jìn)料物流的溫度進(jìn)行調(diào)控。

2.2 應(yīng)用后流程

從一段加氫循環(huán)泵來的二段加氫冷物料，與二段加氫循環(huán)氫壓縮機(jī)來的循環(huán)氫混合后，先經(jīng)二段進(jìn)料預(yù)熱器(E-762)預(yù)熱，再經(jīng)纏繞管式換熱器(E-765)加熱，即可滿足二段加氫反應(yīng)器(R-760)入口所需要的溫度，直接進(jìn)入二段加氫反應(yīng)器(R-760)的頂部。由于采用纏繞管式換熱器(E-765)，二段加氫的反應(yīng)熱足以使冷物料加熱到二段加氫反應(yīng)器(R-760)所需的溫度，且有富裕，故設(shè)置旁路調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)進(jìn)料溫度。

3 纏繞管式換熱器選型

3.1 設(shè)備材質(zhì)

裂解汽油加氫裝置二段加氫反應(yīng)工段的工藝?yán)湮锪虾N、氫氣和少量硫化物，反應(yīng)器出口物料含硫化氫和氫氣，纏繞管式換熱器屬于高壓臨氫壓力容器。設(shè)備選材依據(jù)納爾遜曲線，本次應(yīng)用的纏繞管式換熱器(E-765)管板，法蘭選用S32168Ⅳ/Ⅲ，筒體、封頭、換熱管選用S32168。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

纏繞管換熱器(E-765)取消了傳統(tǒng)列管式換熱器殼側(cè)折流板結(jié)構(gòu)，消除了折流板背面垢物積聚沉淀的死區(qū)。換熱管采用層間反向螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)，在殼程側(cè)形成規(guī)則不等距的層間及管間空間。介質(zhì)流經(jīng)此類通道時(shí)發(fā)生局部流速變化，這種變流速會對管外壁產(chǎn)生脈沖式流動，極大地改變了殼側(cè)介質(zhì)流動的方式，并使得纏繞管換熱器殼程具備一定的自清潔能力。

纏繞管換熱器(E-765)采用立式安裝，見圖3。相比于臥式安裝的換熱器，其管、殼程抵抗垢物沉積的能力均有較明顯的提高。考慮到立式安裝的換熱器，底部存在死區(qū)，需要清洗排放，故在殼程設(shè)計(jì)有排凈口。為了防止管板背部管子脹接不到位的地方存在縫隙腐蝕的可能性，在管板背部涂了一層高溫防腐涂料。

3.3 密封性和熱膨脹

纏繞管式換熱器管箱與接管間的連接為焊接連接，因而不易發(fā)生泄漏問題。管束兩端均有自由段，可自行膨脹，故不存在熱膨脹應(yīng)力。

4 纏繞管式換熱器與傳統(tǒng)管殼式換熱器的比較

本次纏繞管式換熱器(E-765)投用前，其煉化分公司的裂解汽油加氫裝置二段進(jìn)出料換熱器采用浮頭式換熱器(E-760A/B/C/D)4臺串聯(lián)操作，由于浮頭易發(fā)生內(nèi)漏，無法使冷、熱物料在完全純逆流的狀態(tài)下進(jìn)行熱量交換，因此入口溫度為73 ℃ 的冷物料經(jīng)過二段進(jìn)出料換熱器(E-760A/B/C/D)換熱后只能加熱到230 ℃，仍需要引入高溫?zé)嵩?，需通過1臺雙殼程U形管高壓蒸汽加熱器(E-764)加熱進(jìn)行溫度補(bǔ)償，來達(dá)到反應(yīng)器入口溫度245 ℃ 的要求。

纏繞管式換熱器與傳統(tǒng)換熱器參數(shù)比較見表1。從表1中可以看出：在滿足工藝進(jìn)出料溫度要求的前提下，1臺纏繞管式換熱器的換熱面積達(dá)到了4 000 m2，熱端溫差可以滿足20 ℃的換熱需求； 而5臺傳統(tǒng)管殼式換熱器的換熱面積為3 644 m2，熱端溫差為40 ℃。從設(shè)備材質(zhì)和質(zhì)量看，纏繞管式換熱器的設(shè)備成本接近于應(yīng)用前的設(shè)備成本，投資影響不大。纏繞管式換熱器為立式，高度達(dá)到23 m。應(yīng)用后，纏繞管式換熱器傳熱效率高，表現(xiàn)優(yōu)異，實(shí)現(xiàn)了零的高壓蒸汽消耗。

圖3 裂解汽油加氫裝置纏繞管式換熱器

表1 纏繞管式換熱器與傳統(tǒng)換熱器參數(shù)比較

5 應(yīng)用效果

纏繞管式換熱器(E-765)應(yīng)用后，高壓蒸汽加熱器(E-764)已停用，而且熱側(cè)的旁路閥門開度僅在65%左右，換熱余量充足，說明纏繞管式換熱器的換熱效率非常高。

運(yùn)行7個(gè)月以來，高壓蒸汽消耗量降為0，平均可節(jié)約2 000 kg/h。按年操作時(shí)間8 000 h、高壓蒸汽單價(jià)128.87元/t、凝結(jié)水單價(jià)10.62元/t計(jì)算，每年可節(jié)約運(yùn)行成本(含稅)=2×8 000×(128.87-10.62)×1.06=189萬元。

6 存在問題與建議

1) 纏繞管式換熱器由于管束采用纏繞型式，管程壓降偏大，如果管束內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢，傳熱系數(shù)下降后管束的清洗也比較困難，無法采用機(jī)械清洗的方法及時(shí)處理【3】。

2) 由于纏繞管式換熱器是焊接結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)部檢查與檢修作業(yè)比較困難。

3) 纏繞管式換熱器在裂解汽油加氫裝置上的應(yīng)用還是第一次，可能還有不可預(yù)見的問題，需要在以后的操作中不斷摸索與發(fā)現(xiàn)。

7 結(jié)論

1) 纏繞管式換熱器在裂解汽油加氫裝置上的應(yīng)用，使得二段加氫反應(yīng)流程實(shí)現(xiàn)了一次變革，不僅使傳統(tǒng)的反應(yīng)流程更加簡捷，而且減少了換熱器的數(shù)量，采用1臺纏繞管式換熱器的流程，替代了原來5臺傳統(tǒng)管殼式換熱器的流程。

2) 節(jié)能效果明顯。對于1套70萬t/a的裂解汽油加氫裝置，每年可以減少189萬元的運(yùn)行成本。

3) 流程的簡捷減少了設(shè)備的使用臺數(shù)，使裝置的泄漏點(diǎn)減少，裝置的安全性和可靠性得到進(jìn)一步提高。