石腦油加氫進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

摘 ?????要： 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2022年上半年我國石油石化行業(yè)的總體營收為38?948.84億元，同比增長了31.55%，全行業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模凈利潤1?571.06億元，同比增長了25.88%。這標(biāo)志著，中國石油石化行業(yè)正呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展態(tài)勢，這與先進(jìn)機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用有著不可分割的關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，分析了石腦油加氫進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)方案，并且對設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化策略進(jìn)行重點(diǎn)討論。

關(guān) ?鍵 ?詞：石腦油加氫進(jìn)料；換熱器；設(shè)計(jì)策略；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TE965????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1004-0935（2024）05-0781-04

石油化工企業(yè)對于我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展有著重要的作用，而在石油化工企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中 石腦油加氫裝置有著重要的地位。通過石腦油加氫進(jìn)料換熱器的應(yīng)用，可以有效去除含硫、含氮、含氧化合物和不飽和的氫。石腦油加氫進(jìn)料換熱器作為一種重要的預(yù)處理設(shè)備，在石油化工行業(yè)中有著重要的作用。所以，對石腦油加氫進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案進(jìn)行分析，是促進(jìn)我國石油化工行業(yè)進(jìn)步發(fā)展的基礎(chǔ)條件。

1 ?石腦油加氫進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)方案分析

1.1 ?BEU型換熱器

在石腦油加氫裝置運(yùn)行中，必須保持在高溫、高壓的客觀條件下。在這一過程中，會(huì)造成大量的熱量損失，這也是石腦油加氫裝置成本較高的主要原因之一，所以，在對原料進(jìn)行加熱處理的過程中，通常是使用一定的反應(yīng)產(chǎn)物，這也使得進(jìn)料換熱器成為石腦油加氫裝置的重要組成部分。在對石腦油加氫進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析的過程中可以發(fā)現(xiàn)，BEU型換熱器其實(shí)最為主要的一種換熱器設(shè)計(jì)方案。BEU形式的換熱器整體的串聯(lián)臺(tái)數(shù)是8臺(tái)，并聯(lián)臺(tái)數(shù)可以達(dá)到1～2臺(tái)左右，這也就意味著機(jī)械設(shè)備的總數(shù)量要達(dá)到8～16臺(tái)之間，設(shè)備的總質(zhì)量在392～415.6?t之間，總換熱面積可以達(dá)到????????9?561.0～9?675.3?m²之間。

1.2 ?BFU型換熱器

在對石腦油加氫進(jìn)料換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，BFU型換熱器也是最為主要的一種設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)計(jì)方案中，串聯(lián)設(shè)備的數(shù)量只需要5臺(tái)，即可以滿足正常工作需求，并聯(lián)數(shù)量與BEU型設(shè)計(jì)方案基本相同，可保持在最低使用1臺(tái)。這也就意味著，BFU型換熱器機(jī)械設(shè)備的總數(shù)量可以控制在5～10臺(tái)之間，而且設(shè)備的總體質(zhì)量相對較低，只有279.3～286.3?t。在平均傳熱溫度方面，BFU型換熱器的優(yōu)勢也相對較大^[1-2]。

1.3 ?換熱器設(shè)計(jì)對比

在對BEU型和BFU型換熱器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比分析的過程中可以發(fā)現(xiàn)，2種類型的設(shè)計(jì)方案主要是由于殼體的設(shè)計(jì)方式差異造成的實(shí)際差異。例如，BEU型換熱器是E型殼體，而BFU型換熱器是F型雙殼程殼體。石腦油加氫進(jìn)料換熱器設(shè)計(jì)方案分析如表1所示。

通過對BEU型和BFU型設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析也可以發(fā)現(xiàn)，BFU型設(shè)計(jì)方案的整體熱傳導(dǎo)溫差得到了有效提高，所需換熱面積得到了控制，整體設(shè)備數(shù)量也可以從最低的8臺(tái)控制到5臺(tái)，總質(zhì)量減少了31%左右^[3]。近年來，隨著石油化工企業(yè)的快速進(jìn)步和發(fā)展，在生產(chǎn)加工中，石腦油加氫裝置的應(yīng)用也越來越廣泛。進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)方案直接決定了石腦油加氫裝置的整體運(yùn)行效率。通過綜合對比分析可以發(fā)現(xiàn)，BFU型換熱器的整體應(yīng)用價(jià)值相對較高。在石油化工企業(yè)生產(chǎn)加工過程中，可以對BFU型換熱器進(jìn)行充分應(yīng)用。

2 ?石腦油加氫進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 ?運(yùn)行特點(diǎn)分析

想要對石腦油加氫進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，首先就需要了解該設(shè)備的整體運(yùn)行特點(diǎn)。在對不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比分析中可以發(fā)現(xiàn)，在以往使用的進(jìn)料換熱器運(yùn)行中，流量整體波動(dòng)是最需要考慮的重點(diǎn)因素之一。如果在進(jìn)料換熱器實(shí)際運(yùn)行中兩側(cè)流量是保持在相等的狀態(tài)，那么每臺(tái)換熱器的冷熱流體就不會(huì)產(chǎn)生單側(cè)流量波動(dòng)。在這樣的情況下，進(jìn)料換熱器的整體操作溫度相對可控。與傳統(tǒng)的單系列設(shè)備相比，雙系列設(shè)計(jì)方案在整體設(shè)計(jì)中，除了基礎(chǔ)的設(shè)施之外，還增加了流體分配這項(xiàng)內(nèi)容，這也使得雙系列設(shè)計(jì)方案在實(shí)際運(yùn)行的過程中，需要考慮流體分配不均勻而導(dǎo)致的偏流問題。管程入口的熱流是一種反應(yīng)產(chǎn)物，這也就意味著，熱流在分流的過程中，很容易實(shí)現(xiàn)均勻分配。殼程入口的冷流是一種混合物，在分流過程中極容易發(fā)生偏流。這就要求，在對進(jìn)料換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要著重考量殼程入口冷流偏流問題。在對石腦油加氫進(jìn)料換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，可以將這些內(nèi)容作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.2 ?換熱能力優(yōu)化

在石腦油加氫進(jìn)料換熱器實(shí)際運(yùn)行中，偏流問題的產(chǎn)生概率相對較高。但是，偏流問題一旦產(chǎn)生，會(huì)對整個(gè)進(jìn)料換熱器的換熱能力造成巨大影響。同樣以BEU型和BFU型換熱器為例，作為單殼程換熱器，在實(shí)際運(yùn)行中，如果出現(xiàn)了小流量偏流的問題，短時(shí)間內(nèi)如果沒有得到有效地控制，熱量增加的趨勢會(huì)逐步減緩。在這種情況下，即使是持續(xù)性增加流量，在整個(gè)換熱過程中，也只能產(chǎn)生極少量的換熱量。但是，在對雙殼程進(jìn)料換熱器進(jìn)行分析的過程中可以發(fā)現(xiàn)，由于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不同，雙殼程換熱器等不同的機(jī)械設(shè)備內(nèi)全都是純逆流，高流量側(cè)的換熱量上升趨勢與流量變化的趨勢一直是保持相對一致的狀態(tài)。所以，在對石腦油加氫進(jìn)料換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，可以以此為基礎(chǔ)，優(yōu)先選擇雙殼程換熱器的設(shè)計(jì)方案。這樣不僅可以保證在進(jìn)料換熱器運(yùn)行中整體的運(yùn)行能力得到有效控制，而且即使發(fā)生了偏流，對于換熱器的換熱能力也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，這對于保證石腦油加氫設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行有著積極的作用。在這樣的條件下，也可以對石腦油加氫設(shè)備的運(yùn)行成本進(jìn)行有效控制。

2.3 ?殼程影響優(yōu)化

在石腦油加氫進(jìn)料換熱器實(shí)際運(yùn)行中，偏流不僅會(huì)對機(jī)械設(shè)備的換熱能力造成影響，也會(huì)對機(jī)械設(shè)備的殼程產(chǎn)生危害。這主要是由于偏流問題一旦產(chǎn)生之后每臺(tái)機(jī)械設(shè)備的操作溫度也會(huì)發(fā)生一定程度上的改變。通過數(shù)據(jù)對比分析可以得知，BEU型和BFU型換熱器在整體運(yùn)行中，如果發(fā)生了偏流的情況，那么高流量側(cè)機(jī)械設(shè)備的操作溫度會(huì)比常規(guī)情況下的操作溫度略低^[4]。而低流量側(cè)機(jī)械設(shè)備的操作溫度會(huì)比正常工作情況下的操作溫度高。而且，BEU型換熱器比BFU型換熱器低流量側(cè)的單殼程換熱器熱負(fù)荷更低。如果在石腦油加氫進(jìn)料換熱器進(jìn)料偏流問題產(chǎn)生的過程中，兩側(cè)偏流流量保持在相同的狀態(tài)，那么BEU型換熱器的操作溫度要低于BFU型換熱器的操作溫度。在石腦油加氫進(jìn)料換熱器實(shí)際運(yùn)行中，溫度變化會(huì)對機(jī)械設(shè)備的材質(zhì)以及運(yùn)行效率產(chǎn)生決定性的影響。如果機(jī)器設(shè)備在操作中換熱器的整體溫度變化范圍較大，那么在對換熱器生產(chǎn)制造材料進(jìn)行選擇的過程中就要選擇一些耐熱程度相對較高的材料。這樣在石腦油加氫進(jìn)料換熱器運(yùn)行中，才不會(huì)由于溫度變化過高對機(jī)械設(shè)備的完整性造成傷害，這也是有效延長石腦油加氫進(jìn)料換熱器使用壽命的一種方式。在對不同的進(jìn)料換熱器進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的過程中，要充分考量最高操作溫度和設(shè)計(jì)溫度。

2.4 ?管程影響優(yōu)化

管程對于換熱器的工作效率有著直接的影響。如果在進(jìn)料換熱器運(yùn)行中出現(xiàn)了進(jìn)料偏流的問題，那么進(jìn)料換熱器整體的換熱量也會(huì)隨之發(fā)生改變。管程反應(yīng)物在實(shí)際運(yùn)行中溫度也會(huì)受到一定程度上的影響。通過對合成偏流流量以及管程溫度變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著殼程偏流流量的逐步提高，流量較高一側(cè)的機(jī)械設(shè)備整體的操作溫度會(huì)比正常情況下的操作溫度相對較低，而流量較低的一側(cè)的機(jī)械設(shè)備在整體操作過程中其操作溫度會(huì)比正常情況下略高^[5]。而且，每臺(tái)機(jī)械設(shè)備管程最高操作溫度和設(shè)計(jì)溫度也會(huì)產(chǎn)生一定程度上的變化。在對管程以及殼程中反應(yīng)物進(jìn)行分析的過程中也可以發(fā)現(xiàn)，管程中硫化氫、氨等反應(yīng)物的濃度相對較高。如果在換熱器運(yùn)行中，管程溫度下降，在換熱管內(nèi)就很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氨鹽結(jié)晶，這也是造成進(jìn)料換熱器中管道堵塞的主要原因之一。而且，在進(jìn)料換熱器實(shí)際運(yùn)行中，一旦發(fā)生管道堵塞，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)，整體的維護(hù)成本也相對較高^[6]。所以，在對石腦油加氫進(jìn)料換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，一定要充分考量管程影響的問題。只有這樣，才能對管程的溫度進(jìn)行有效控制，確保石腦油加氫進(jìn)料換熱器在實(shí)際運(yùn)行過程中不會(huì)由于管程溫度過高造成機(jī)器設(shè)備的損壞，這也是提高石腦油加氫裝置運(yùn)行效率的重要方式之一。

2.5 ?強(qiáng)化傳熱技術(shù)

在石腦油加氫裝置實(shí)際運(yùn)行中，進(jìn)料換熱器的作用就是對基礎(chǔ)原材料的溫度進(jìn)行控制，甚至可以說在石腦油加氫裝置整體運(yùn)行中對溫度的要求相對較為嚴(yán)格，所以在對石腦油加氫進(jìn)料換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，強(qiáng)化傳熱技術(shù)也是最為主要的優(yōu)化策略之一^[7]。例如，在石腦油加氫進(jìn)料換熱器設(shè)計(jì)中，可以增加扭曲管換熱器，如圖1所示。

通過將原有的圓管進(jìn)行扭曲，可以在進(jìn)料換熱器實(shí)際運(yùn)行過程中，使管內(nèi)形成一個(gè)螺旋流動(dòng)的空間，介質(zhì)就可以在管內(nèi)進(jìn)行螺旋流動(dòng)，減少管內(nèi)介質(zhì)與管壁之間的摩擦，這也是強(qiáng)化管內(nèi)管外傳熱效果的一種重要方式^[8]。在石腦油加氫裝置設(shè)計(jì)的過程中，通過扭曲管換熱器的應(yīng)用，熱傳導(dǎo)系數(shù)有效增強(qiáng)，而且污垢系數(shù)得到了有效控制，這使得進(jìn)料換熱器的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益都得到了快速提升。除此之外，在進(jìn)料換熱器設(shè)計(jì)中，纏繞管換熱器也是一種重要的優(yōu)化方式。纏繞管換熱器主要是將傳統(tǒng)的傳熱管以螺旋線形狀為基礎(chǔ)，以芯筒為核心，纏繞而成的一種新型換熱器^[9]。從結(jié)構(gòu)角度分析，纏繞管換熱器的整體結(jié)構(gòu)相對較為緊湊，傳熱效率也相對較高。在石腦油加氫進(jìn)料換熱器實(shí)際運(yùn)行的過程中，可以將傳統(tǒng)高溫類的多臺(tái)串聯(lián)管殼式換熱器轉(zhuǎn)變?yōu)閱闻_(tái)纏繞管換熱器^[10]。這樣不僅可以保證進(jìn)料換熱器整體運(yùn)行的穩(wěn)定性，也可以不斷提高換熱器的換熱效率。

3 ?結(jié)束語

綜上所述，石腦油加氫裝置在整體運(yùn)行過程中，對溫度的控制要求相對較高。在節(jié)能環(huán)保的理念之下，需要對能耗進(jìn)行有效控制，這也使得進(jìn)料換熱器成為石腦油加氫裝置優(yōu)化中的重要內(nèi)容之一。通過對不同設(shè)計(jì)方案的對比可以發(fā)現(xiàn)，BFU型換熱器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值相對較高。想要實(shí)現(xiàn)石腦油加氫進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化，就要對運(yùn)行特點(diǎn)、換熱能力、殼程影響、管程影響以及強(qiáng)化傳熱技術(shù)等方面進(jìn)行重點(diǎn)分析。只有這樣，才能快速提高石腦油加氫裝置的運(yùn)行效率。

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Design and Optimization of?Naphtha Hydrofeeding?Heat Exchanger

HUI Chunyang

（China Kunlun Contracting?&?Engineering Corporation Shenyang Company，?Shenyang?Liaoning 110167，?China）

Abstract：??According to statistics， in the first half of 2022， the total revenue of China's petroleum and petrochemical industry was?????3?894?884 million?Yuan， it increased by 31.55% year-on-year， and the net profit of the whole industry reached 157.106 billion yuan， an increase of 25.88%.This indicates that our petroleum and petrochemical industry is showing a booming development trend， which has an inseparable relationship with the application of advanced machinery equipment. In this paper，?the design scheme of the naphtha hydrofeeding?heat exchanger was mainly analyzed，?and the optimization strategy of the design scheme?was discussed.

Key words：??Naphtha hydrofeeding; Heat exchanger; Design strategy; Optimization

收稿日期： 2023-03-06

作者簡介： 惠春陽（1991-），男，遼寧省沈陽市人，中級工程師，碩士，2016年畢業(yè)于西澳大利亞大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，研究方向：煉油化工，綠色低碳相關(guān)工程設(shè)計(jì)。