高效單旋式換熱器在連續(xù)重整裝置上的應(yīng)用

王猛

（中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司芳烴廠，江蘇南京 210048）

中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司139萬t/a連續(xù)重整裝置（以下簡稱1#重整），采用美國UOP公司開發(fā)的第一代連續(xù)重整技術(shù)，其中反應(yīng)進(jìn)出料換熱器原設(shè)計采用兩臺并聯(lián)列管式換熱器，于2010年裝置大修期間更換為兩臺國產(chǎn)板殼式換熱器，殼程為液體進(jìn)料和循環(huán)氫，板程為反應(yīng)后出料。板殼式換熱器投用后，節(jié)能效果明顯，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，但其板束運(yùn)行可靠性差，先后發(fā)生了4次內(nèi)漏，嚴(yán)重影響裝置正常運(yùn)行和公司生產(chǎn)組織。因此，揚(yáng)子石化1#重整裝置于2020年7月實施反應(yīng)進(jìn)出料換熱器改型項目，原位更換2臺由鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司設(shè)計制造的高效單旋式換熱器（即纏繞管式換熱器）。

1 纏繞管式換熱器

傳統(tǒng)的連續(xù)重整裝置反應(yīng)進(jìn)出料換熱器采用的是列管式換熱器或板殼式換熱器，隨著裝置能效水平的提升和規(guī)模的大型化，列管式換熱器因傳熱效率較低、操作費用高、高溫法蘭檢修困難等缺陷，被逐漸淘汰。而板殼式換熱器雖然在傳熱效率、壓降、占地等方面優(yōu)勢明顯，且隨著加工水平的提高，其換熱面積已超過1萬m2，總傳熱系數(shù)高達(dá)500 W/（m2·K）以上[1-2]。但由于板片厚度?。?.8~ 1.2 mm），對工藝條件的穩(wěn)定性要求高、抗緊急停開工能力差，無論是進(jìn)口還是國產(chǎn)的板殼式換熱器均易損壞出現(xiàn)內(nèi)漏，導(dǎo)致裝置的生產(chǎn)成本和維護(hù)成本大幅增加。而且由于板片間距小，造成板殼式換熱器容污能力差、難以清洗[3]。另外，進(jìn)口板殼式換熱器（板片采用水下爆破成形，板束采用全焊接結(jié)構(gòu)）由于存在制造難度大、要求嚴(yán)格、維修困難以及板片寬度不宜超過2 m等因素，難以大型化，限制了其在超大型裝置上的應(yīng)用。

我國于20世紀(jì)中期，在低溫甲醇洗裝置中首次使用了纏繞管式換熱器（Spiral Wounded Heat Exchanger，SWHE）之后，其在煤化工、天然氣化工以及石油化工等多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[4-5]。SWHE管程內(nèi)可通過一種介質(zhì)，稱為單通道型；亦可設(shè)置多股管程（殼程單股），分別通過不同的介質(zhì)，而每種介質(zhì)所通過的傳熱管匯集至各自的管板上，即在一臺設(shè)備內(nèi)滿足多股流體的同時換熱，構(gòu)成多通道型。

SWHE主要由殼體、上/下管箱、管板以及芯體等組成，如圖1所示。外徑為8~12 mm的傳熱管，在布置中心筒外按螺旋線形狀逐層交替纏繞，相鄰兩層傳熱管的纏繞方向相反，兩層傳熱管間用厚度為1~5 mm金屬墊條隔開，形成殼程流道，使得物料橫向交叉流過管束。通過將同層傳熱管以相同角度纏繞，并保持其相鄰橫向管間距和縱向管間距不變，來保證傳熱管在換熱器內(nèi)均勻分布。

圖1 SWHE結(jié)構(gòu)

冷介質(zhì)走管程，其中原料油分布管從SWHE底部插入到氣體分布板上方后，原料油從分布管噴出，噴口孔徑為4 mm，與沿底部側(cè)面進(jìn)入并經(jīng)過渡段、分布板分配后的循環(huán)氫，在管板前進(jìn)行充分混合后均勻地進(jìn)入到每根傳熱管內(nèi)，以避免因發(fā)生液體偏流而導(dǎo)致傳熱不均，確保換熱器的換熱性能。

熱介質(zhì)走殼程，自殼體上部進(jìn)入、下部流出。在殼程入口設(shè)有引導(dǎo)介質(zhì)流向的擋板，以防止高溫?zé)崃黧w對傳熱管直接沖擊，造成傳熱管的受熱不均和損壞。通過在管束外面包覆夾套來約束殼程中的介質(zhì)流動范圍，使管束間的殼程介質(zhì)有效分布，以減少和消除殼程介質(zhì)的短路。

芯體由中心筒、傳熱管、墊條、管卡等組成，如圖2所示。具有一定強(qiáng)度和剛度的中心筒在制造中起支撐作用，使用平墊條及異形墊條將繞在中心筒上的傳熱管分隔，并用管卡將墊條與傳熱管子固定連接，采用強(qiáng)度焊加貼脹的結(jié)構(gòu)將傳熱管與管板連接。

圖2 SWHE結(jié)構(gòu)剖面

殼體由筒體、球形封頭等組成。通過將殼體、管板以及管箱封頭焊為一體并圓滑過渡，以提高受壓部件的強(qiáng)度、減少應(yīng)力集中和泄漏點，確保密封性能。

ST131型菌株對氨芐西林、頭孢唑林、頭孢曲松、環(huán)丙沙星、左氧氟沙星、慶大霉素以及復(fù)方新諾明耐藥率＞50%，ESBLs陽性率達(dá)77.8%，多重耐藥率高達(dá)88.9%，并高于非ST131型菌株，但差異并無統(tǒng)計學(xué)意義（表5）。

2 SWHE的特點

1）換熱效率高。傳熱管層與層之間反向螺旋纏繞，形成劇烈的湍流效果，改善了介質(zhì)流動狀態(tài)；介質(zhì)在傳熱管內(nèi)螺旋流動強(qiáng)化了管程傳熱，延長了殼程介質(zhì)在管束中停留的時間，熱交換更加充分，冷、熱端溫差小；殼程介質(zhì)交叉流過管束起到了強(qiáng)化傳熱的作用，使得SWHE單位容積傳熱面積是普通換熱器的2倍以上，傳熱管每立方米容積的傳熱面積可達(dá)100~170 m2，總傳熱系數(shù)與板殼式換熱器相當(dāng)。

2）管殼程流體分布均勻。由于傳熱管和墊條、管卡的合理設(shè)置，使得其流場充分發(fā)展，不存在流動死區(qū)。殼程介質(zhì)交叉流過管束，在管與管之間、層與層之間不斷分離和匯合，在使殼程介質(zhì)均勻分布的同時形成了劇烈湍流。通過在下管箱中設(shè)置液體分布管和氣體分布器，并優(yōu)化開孔分布和規(guī)格，確保了氣液兩相在傳熱管內(nèi)均勻分布。

3）抗垢能力強(qiáng)。由于SWHE自身的構(gòu)造特殊，能使流體對傳熱管內(nèi)、外壁形成沖刷，可以有效減少污垢沉積，延長內(nèi)部積垢周期。

4）熱補(bǔ)償性好且抗波動能力強(qiáng)。SWHE采用超長鋼管整體纏繞自吸收熱膨脹傳熱管，并在換熱管兩端均設(shè)有彎曲段，實現(xiàn)了熱膨脹自行補(bǔ)償，使傳熱管與管板之間因熱膨脹差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力大幅減少；殼體和中心筒材料采用12Cr2Mo1R（H），管板材料采用12Cr2Mo1（H）Ⅳ，管板與傳熱管采用強(qiáng)度焊加貼脹的連接結(jié)構(gòu)，并在管箱側(cè)的管板處堆焊不銹鋼（E309L＋E347），避免了管頭異種鋼焊接，進(jìn)而降低了傳熱管與管板焊接接頭在高溫、臨氫環(huán)境下的泄漏幾率。傳熱管材料采用S32168，具有較高的抵抗內(nèi)外壓差和溫差性能，且其自身纏繞形式、柔性設(shè)置，使設(shè)備承受瞬間沖擊的能力更強(qiáng)，降低裝置因生產(chǎn)波動或開停工造成換熱器泄漏的幾率。

5）易實現(xiàn)大型化。SWHE的構(gòu)造設(shè)計，避免了大型管箱等大型鍛件的生產(chǎn)加工，而且沒有如板殼式換熱器板片寬度之類的限制因素，因此更易實現(xiàn)大型化[6]。

但是因呈螺旋纏繞式的傳熱管管徑較小，一旦管內(nèi)出現(xiàn)堵塞，不易清洗；而且由于管束外面包覆夾套、管束內(nèi)墊條的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及管束與管板間為焊接結(jié)構(gòu)，檢修時無法抽芯，對SWHE在檢修過程中清洗和查漏造成一定的困難，通常只能用化學(xué)方法清洗。因此，為提高SWHE運(yùn)行的穩(wěn)定性，建議在管程入口設(shè)置過濾器，以確保管程介質(zhì)具有較高的潔凈度，避免雜質(zhì)的帶入。從以上特點可以看出，纏繞管式換熱器是重整反應(yīng)進(jìn)出料換熱器比較理想、可靠、高效的換熱器型式。

3 1#重整反應(yīng)進(jìn)出料換熱器的改型

3.1 改型前運(yùn)行情況

圖3 板殼式換熱器結(jié)構(gòu)

裝置于2010年9月完成了換熱器改型并投用，至2019年11月共發(fā)生了4次內(nèi)漏：

1）2010年10月投用初期板換出現(xiàn)內(nèi)漏，最大單臺泄漏量達(dá)20%。同年12月裝置停車消缺，發(fā)現(xiàn)兩臺換熱器熱端板束與上拱相連的側(cè)板焊縫開裂，進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)并增設(shè)加強(qiáng)筋。

2）2013年4月為配合上游裝置消缺，裝置負(fù)荷大幅調(diào)整后板換出現(xiàn)泄漏。由于總體情況可控，特護(hù)運(yùn)行至2014年8月大修，將兩臺板換整體吊出返廠，殼體利舊、板束更新并將熱端頂部上拱由半圓拱改為“天圓地方”結(jié)構(gòu)。

3）2017年4月裝置因第二反應(yīng)器中心管漏劑，裝置停工消缺，經(jīng)板換廠家技術(shù)服務(wù)人員檢查確認(rèn)板換內(nèi)件正常后，在廠家監(jiān)控下投料開車。隨著裝置逐步運(yùn)行平穩(wěn)，發(fā)現(xiàn)脫庚烷塔底料組成異常，通過檢查分析，確認(rèn)板換存在內(nèi)漏特護(hù)運(yùn)行至同年5月檢修，經(jīng)廠家評估后將兩臺板換整體吊出返廠，板束整體更換、殼體利舊。

4）2019年10月完成催化劑再生系統(tǒng)消缺后，裝置負(fù)荷及反應(yīng)苛刻度逐步提高，脫庚烷塔底料中非芳含量有升高趨勢，經(jīng)檢查確認(rèn)板換存在內(nèi)漏，計算泄漏率在2%（w）左右。由于總體可控，維持特護(hù)運(yùn)行，至2020年7月泄漏率已漲至5.5%（w）。

綜合上述幾次換熱器內(nèi)漏情況，板換運(yùn)行穩(wěn)定性較差，平均2.5年要進(jìn)行一次停車檢修，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)熱端側(cè)板與板束鑲塊內(nèi)外焊縫開裂（如圖4所示），設(shè)備其余部位正常。主要原因是板換在設(shè)計制造過程中拘束應(yīng)力過大，在高溫環(huán)境下應(yīng)力無法全部釋放，極易造成焊縫、板片等撕裂。雖然板換的換熱效率好，但損壞率過高，尤其是板束熱端，難以適應(yīng)重整高溫工況，極易內(nèi)漏。該換熱器發(fā)生內(nèi)漏時對芳烴聯(lián)合裝置影響如下：

圖4 開裂部位

①內(nèi)漏率＜4%（w）時，影響不明顯；

②內(nèi)漏率在5%（w）~10%（w）時，影響聯(lián)合裝置鄰二甲苯產(chǎn)品正常產(chǎn)出；

③內(nèi)漏率在10%（w）~20%（w）時，裝置氫氣和芳烴產(chǎn)量下降7%（w）~14%（w），且影響對二甲苯產(chǎn)品純度，裝置需要停車消缺。

3.2 進(jìn)出料換熱器穩(wěn)定性的影響

重整裝置在公司的物料平衡及氫氣平衡方面具有重要地位，一旦出現(xiàn)非計劃停車，對上下游物料及氫氣平衡的影響巨大，經(jīng)濟(jì)效益損失嚴(yán)重。按照重整到對二甲苯的加工噸原料邊際效益850元/t計，裝置平均負(fù)荷85%（滿負(fù)荷174.2 t/h），則1#重整裝置因進(jìn)出料換熱器內(nèi)漏停車檢修17天，造成經(jīng)濟(jì)損失約5 135.1萬元。

另外，設(shè)備的長周期高效運(yùn)行就是最大的節(jié)能。設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率提高，生產(chǎn)負(fù)荷就提高；生產(chǎn)負(fù)荷提高設(shè)備出力率就提高；設(shè)備出力率提高動力消耗就降低；裝置上的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率和出力率都提高，整個裝置的最大效能才能發(fā)揮出來，其他原材料和動力消耗才能相應(yīng)降低。

3.3 高效單旋式換熱器的應(yīng)用

揚(yáng)子石化為解決1#重整反應(yīng)進(jìn)出料換熱器運(yùn)行穩(wěn)定性較差問題，確保裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行，采用鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司設(shè)計制造的高效單旋式換熱器進(jìn)行原位更換，設(shè)備參數(shù)見表1，于2020年8月8日正式投用。

表1 高效單旋式換熱器與板式換熱器的設(shè)備參數(shù)

結(jié)合換熱器實際情況，選取2011年3月和2020年9月運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。可以看出，高效單旋式換熱器的熱端平均溫差為21.35℃，低于設(shè)計值（32.3℃），且較板換熱端平均溫差低3.32℃，降低了進(jìn)料加熱爐燃料氣消耗量；冷端出料平均溫度較板換低3.81℃，低于設(shè)計值，且降低了反應(yīng)產(chǎn)物空冷負(fù)荷；管殼程總壓降為53 kPa，較板換總壓降低了47 kPa，優(yōu)于設(shè)計值，并使1#重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力降大幅降低，循環(huán)氫流量隨之降低、重整反應(yīng)的氫油比降低，循環(huán)氫壓縮機(jī)透平蒸汽（3.5 MPa）耗量較板殼式換熱器減少1.07 t/h。

表2 換熱器更換前、后運(yùn)行情況

環(huán)烷烴脫氫是連續(xù)重整裝置的主要反應(yīng)過程，在操作工況下能夠完全反應(yīng)，并在重整生成油產(chǎn)品中的環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，尤其是C8環(huán)烷烴含量應(yīng)該很小，因此將重整生成油中C8環(huán)烷烴含量異常增加作為進(jìn)出料換熱器內(nèi)漏的判斷依據(jù)。結(jié)合裝置實際運(yùn)行情況，選取換熱器更換前后相對穩(wěn)定且石腦油性質(zhì)相對平穩(wěn)的2020年6月和2020年9月運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。由表3可以看出，換熱器更換前重整生成油中的環(huán)烷烴和C8環(huán)烷烴含量分別為3.09%（w）和0.890%（w），換熱器更換后分別下降至1.44%（w）和0.039%（w），表明新?lián)Q熱器投用后消除了板殼式換熱器內(nèi)漏隱患，且無內(nèi)漏現(xiàn)象。另外，新?lián)Q熱器投用后裝置的液體收率、芳烴產(chǎn)率、純氫收率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均得到提高，挽回了換熱器內(nèi)漏造成的經(jīng)濟(jì)損失。

表3 換熱器更換前、后裝置主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4 結(jié)論

1）相比于傳統(tǒng)的換熱器，纏繞管式換熱器具有管殼程流體分布均勻、抗垢能力強(qiáng)、熱補(bǔ)償性好、抗波動能力強(qiáng)、總壓降低等特點，是重整反應(yīng)進(jìn)出料換熱器比較理想、可靠、高效的型式。

2）高效單旋式換熱器在揚(yáng)子石化1#重整裝置上的成功應(yīng)用，使重整進(jìn)料和反應(yīng)產(chǎn)物充分換熱，熱端平均溫差以及冷端出料平均溫度均低于設(shè)計值，優(yōu)于板換；同時由于換熱器管殼程總壓降大幅降低，進(jìn)而降低了循環(huán)氫壓縮機(jī)負(fù)荷，減少了3.5 MPa蒸汽消耗量，減少了裝置運(yùn)行成本。

3）應(yīng)用高效單旋式換熱器后，徹底解決了反應(yīng)進(jìn)出料換熱器內(nèi)漏對1#重整裝置及后續(xù)芳烴裝置的影響，有效減少了裝置非計劃停車風(fēng)險，提高了裝置運(yùn)行穩(wěn)定性；同時提高了裝置液體收率、芳烴產(chǎn)率、純氫收率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，既滿足了芳烴的原料要求，又提高了裝置運(yùn)行績效。