甲苯歧化裝置的用能分析和節(jié)能改造

李良，陳英建

（中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波315200）

某企業(yè)甲苯歧化裝置（簡稱歧化裝置）采用技術(shù)成熟經(jīng)濟(jì)合理的臨氫/固定床氣固催化甲苯歧化工藝，在高溫臨氫狀態(tài)下，以甲苯和C9芳烴為原料，通過裝填于軸向流固定床絕熱反應(yīng)器中的HAT-099催化劑床層，發(fā)生甲苯歧化反應(yīng)和烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成苯和二甲苯，歧化裝置原設(shè)計加工能力為100萬t/a。由于裝置長期運行，反應(yīng)進(jìn)料和出料換熱器換熱效果變差，需要進(jìn)行節(jié)能改造。

1 歧化裝置用能分析

1.1 歧化裝置生產(chǎn)中存在的問題

歧化裝置自開工起已經(jīng)運行9年，原反應(yīng)出料/進(jìn)料換熱器為PACKINOX板式換熱器，結(jié)垢較為嚴(yán)重，換熱效果下降，在120 t/h進(jìn)料量下，熱端溫差由原設(shè)計時的36℃上升到使用末期的69℃，反應(yīng)進(jìn)料出E101后，需要進(jìn)料加熱爐F101加熱，歧化裝置的工藝流程見圖1。

反應(yīng)進(jìn)料經(jīng)加熱爐加熱后溫度升高近50℃，導(dǎo)致加熱爐超負(fù)荷，爐膛溫度已超工藝卡片要求，達(dá)到870℃左右（原設(shè)計溫度＜850℃，目前新的工藝指標(biāo)為＜880℃），爐膛溫度偏高不利于加熱爐長周期運行。由于吸附單元經(jīng)過擴(kuò)能，C8芳烴的需求量增大，為滿足對C8原料的需求，需要對歧化裝置擴(kuò)能25%，歧化裝置擴(kuò)能后F101超負(fù)荷的情況將會進(jìn)一步加劇，爐膛溫度超標(biāo)、負(fù)壓偏高等問題將更加嚴(yán)重。另外大量的反應(yīng)熱不能有效地回收，造成能量的大量損失，進(jìn)一步使反應(yīng)產(chǎn)物的冷卻負(fù)荷加大，裝置能耗較高。

1.2 歧化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)分析

基于夾點技術(shù)的過程能量綜合優(yōu)化方法是通過改善夾點附近的流股匹配，減少穿越夾點的熱流量，以減少系統(tǒng)的公用工程消耗量。使用夾點技術(shù)對當(dāng)前歧化裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，相應(yīng)物流選取見表1。

由于換熱的物流有氣相和液相兩種狀態(tài)，平均溫差選為30℃，進(jìn)行夾點分析后得到溫焓圖，見圖2。

分析得到歧化裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點在平均溫度360.3℃（熱物流溫度375.3℃，冷物流溫度345.3℃）處，最小加熱公用工程量為4 008.48 kW，最小冷卻公用工程量為135 534.38 kW，而當(dāng)前所分析的換熱網(wǎng)絡(luò)加熱公用工程量為32 731.92 kW，節(jié)能潛力為28 723.44 kW，當(dāng)前裝置的換熱初始網(wǎng)絡(luò)見圖3。

圖1 歧化裝置流程

表1 物流數(shù)據(jù)

續(xù)表

根據(jù)夾點技術(shù)原則，即不應(yīng)有跨越夾點的傳熱、夾點之上不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器、夾點之下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程加熱器。分析歧化裝置當(dāng)前的換熱網(wǎng)絡(luò)，在夾點之下設(shè)有加熱公用工程F101，還有較高溫位的物流產(chǎn)生蒸汽如E110、E111、E112或者直接用空冷冷卻如A101、A102、A103等，未充分利用低溫余熱。如果要消除夾點下內(nèi)，將換熱管按螺旋線形狀交替纏繞而成，相鄰兩層螺旋狀換熱管的螺旋方向相反，以提高換熱系的加熱公用工程，需要利用歧化裝置熱物流反應(yīng)器出料H1將反應(yīng)器進(jìn)料C1加熱至345.3℃，需要降低反應(yīng)進(jìn)料/反應(yīng)出料換熱器熱端溫差，因此需將板式換熱器更換為傳熱效果更好的換熱器。

圖2 冷熱物流復(fù)合溫焓

圖3 歧化裝置當(dāng)前換熱網(wǎng)絡(luò)

2 纏繞管式換熱器技術(shù)原理和技改方案

纏繞管換熱器目前較多地應(yīng)用于化工領(lǐng)域的深冷裝置，如空分和甲醇裝置，隨著國內(nèi)對纏繞管換熱器研究的深入，國內(nèi)多家單位不斷攻關(guān)擴(kuò)大纏繞管換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域，向大型化、高溫化、高壓化、多股化、微型化等幾個方向發(fā)展[2]。

2.1 纏繞管式換熱器結(jié)構(gòu)

纏繞管式換熱器是在芯筒與外筒之間的空間數(shù)，并且采用一定形狀的定距件使之保持一定的間距[3]。而且換熱管做成纏繞式，一方面?zhèn)鳠峁艿臒崤蛎浛刹糠肿孕醒a償，適合于較寬的溫度范圍；另一方面比普通的管式換熱器更容易形成湍流，提高換熱系數(shù)[3]。對于纏繞管式換熱器，管內(nèi)流體以螺旋方式通過，降低了壁面附著的可能性以及結(jié)垢傾向，保證了設(shè)備的長周期、高負(fù)荷運行[5]。

螺旋纏繞管式換熱器主要由纏繞管芯體、殼體以及中心管組成，其結(jié)構(gòu)尺寸主要由纏繞管束所決定，殼體的直徑和高度取決于纏繞管束的外徑和高度以及工藝計算所需的流通面積，中心管的外徑由最內(nèi)一層螺旋纏繞管的彎曲半徑以及工藝計算所需的流體通道所決定[4]。

2.2 纏繞管式換熱器高換熱系數(shù)機(jī)理

螺旋纏繞管內(nèi)的流體在彎曲通道內(nèi)受到離心力的作用在流道的橫截面上形成二次流，螺旋管的幾何形狀產(chǎn)生的離心力在流動截面上形成一對對稱的漩渦，與主流疊加流體在螺旋管內(nèi)形成螺旋運動，從而大大增加了換熱效果，同時，二次流的沖刷使污垢不易沉淀[4]，由于管內(nèi)螺旋流動的強(qiáng)化作用，增加了管程的傳熱系數(shù)；纏繞管式換熱器層與層之間換熱管反向纏繞，這種特殊結(jié)構(gòu)極大地改變了殼程流體流動狀態(tài)，形成強(qiáng)烈的湍流效果；同時墊條等部件對殼程的流動不斷擾動，三個方面的共同作用，使得纏繞管式換熱器的傳熱性能得以顯著提高。對于一般結(jié)構(gòu)的氣－氣換熱設(shè)備，其傳熱系數(shù)為75～365 W/（m2·K），但對于纏繞管式換熱器，某些特定條件下，總傳熱系數(shù)可以達(dá)到500 W/（m2·K）以上[5]。纏繞管式換熱器節(jié)能效果明顯，目前已應(yīng)用于乙烯、大化肥、深冷、氣體分離、煉油廠精制、天然氣液化、加氫裂化等裝置的大中型、中高壓換熱設(shè)備。

2.3 技改方案

為了充分的利用反應(yīng)熱，降低反應(yīng)物的冷卻負(fù)荷，降低裝置能耗，確定歧化裝置2014年檢修改造時更換反應(yīng)出料/反應(yīng)進(jìn)料換熱器，基于纏繞管換熱器優(yōu)異的換熱性能和抗結(jié)垢性能，選用纏繞管式換熱器代替原全焊接板殼式換熱器，回收反應(yīng)余熱和降低歧化反應(yīng)加熱爐的負(fù)荷。催化劑擬更換為上海石油化工研究院開發(fā)的HAT-099型甲苯歧化及烷基轉(zhuǎn)移催化劑，換劑后反應(yīng)部分的處理能力將由原設(shè)計的100萬t/a增加至125萬t/a，增產(chǎn)的碳八芳烴可以滿足芳烴聯(lián)合裝置擴(kuò)能改造后對碳八芳烴資源的需求，提高重質(zhì)芳烴利用率，增加芳烴聯(lián)合裝置的效益。

纏繞管換熱器規(guī)格參數(shù)見表2，熱端溫差設(shè)計值為30℃，與原全焊接板式管殼式換熱器相比，熱端溫差降低50%以上，傳熱系數(shù)大幅增加。歧化反應(yīng)器進(jìn)料經(jīng)反應(yīng)產(chǎn)物加熱后，溫度升至345.3℃，可以消除夾點之下的加熱公用工程。

表2 纏繞管式換熱器設(shè)計參數(shù)

3 纏繞管換熱器的運行情況及節(jié)能效果

3.1 纏繞管換熱器運行情況

2006年鎮(zhèn)海煉化150萬t/a加氫裂化裝置反應(yīng)流出物/混合進(jìn)料換熱器采用纏繞管式換熱器，連續(xù)穩(wěn)定運行10年，熱端溫差維持在29～38℃。2009年鎮(zhèn)海煉化300萬t/a柴油加氫裝置反應(yīng)流出物/混合進(jìn)料換熱器采用纏繞管式換熱器，連續(xù)穩(wěn)定運行7年，熱端溫差維持在21～35℃之間。歧化裝置反應(yīng)出料/反應(yīng)進(jìn)料纏繞管換熱器目前已運行42個月，熱端溫差、反應(yīng)加熱爐溫升、反應(yīng)溫升和進(jìn)料量運行的趨勢見圖4，纏繞管換熱器的熱端溫差受進(jìn)料量的影響較大，隨著運行時間增長，熱端溫差逐步上升，在120 t/h進(jìn)料量下，纏繞管換熱器熱端溫差從投用初期33.5℃升高至目前37.5℃；從2017年8月至2018年3月在歧化裝置進(jìn)料負(fù)荷148 t/h條件下運行8個月，熱端溫差從40.5℃升高至41.1℃，月均升高0.075℃，運行穩(wěn)定性較高；在維持反應(yīng)溫升21℃的情況下，反應(yīng)進(jìn)料經(jīng)加熱爐的溫升也基本穩(wěn)定在18.5℃，節(jié)能效果較好。

圖4 換熱器相關(guān)運行情況

纏繞管換熱器運行期間管程和殼程壓差情況見圖5，進(jìn)料量增大，管程壓差升高，隨運行時間增長小幅升高，殼程壓差波動較大，但無增長趨勢，保持穩(wěn)定。

圖5 換熱器壓差變化趨勢

3.2 節(jié)能效果估算

歧化裝置反應(yīng)進(jìn)料/反應(yīng)出料換熱器更換為纏繞管式換熱器后，在120 t/h進(jìn)料量下，換熱器熱端溫差由原69℃降低至33.5℃，反應(yīng)進(jìn)料出換熱器E101后，需要加熱爐F101加熱溫升由50℃降至12.8℃，燃料氣用量比使用板式換熱器降低890.00 m3/h，使用纏繞式換熱器實際比原板式換熱器多回收反應(yīng)熱23 629.27 kW。對更新纏繞管換熱器前后燃料氣消耗和電耗進(jìn)行核算，見表3。

歧化反應(yīng)進(jìn)料/出料換熱器更新為纏繞管換熱器后，裝置操作時間每年按8 400 h計算，反應(yīng)進(jìn)料加熱爐年節(jié)約燃料氣3 582 t，反應(yīng)出料空冷年節(jié)約電能1 066 800 kW·h，燃料氣價格按3 600元/t計算，電價按0.7元/（kW·h）計算，每年節(jié)約燃料氣產(chǎn)生的效益為1 289.52萬元，每年節(jié)約電能產(chǎn)生的效益為74.68萬元，年創(chuàng)效益共計1 364.20萬元，節(jié)能效果較為明顯，且消除了因加熱爐爐膛超溫導(dǎo)致的安全風(fēng)險。歧化裝置更換纏繞管式換熱器各種投資2 721.7萬元，即投資回收期約2年。

表3 纏繞管式換熱器節(jié)能核算

4 結(jié)論

纏繞管式換熱器是一種新型高效換熱器，節(jié)能效果明顯，隨其設(shè)計制造工藝的成熟發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。在歧化裝置反應(yīng)進(jìn)料/反應(yīng)出料換熱器更新為纏繞管式換熱器后，雖然投資相對較大，但由于其較高的換熱系數(shù)，節(jié)約燃料氣和電能產(chǎn)生的效益非常可觀，投資回收期為2年。纏繞管換熱器運行42個月后，在120 t/h進(jìn)料量下熱端溫差升高了4 ℃，管程壓差有小幅增長趨勢，殼程壓差無增長趨勢，體現(xiàn)了纏繞管換熱器較強(qiáng)的抗結(jié)垢性能和較高的運行穩(wěn)定性。