孫秋榮

(武漢金中石化工程有限公司，湖北 武漢 430223)

某公司芳烴項(xiàng)目連續(xù)重整裝置采用UOP超低壓連續(xù)重整專利技術(shù)，設(shè)計(jì)規(guī)模3.2 Mt/a， 其中混合進(jìn)料換熱器選用國(guó)產(chǎn)板殼式換熱器，單臺(tái)的設(shè)計(jì)負(fù)荷為100 MW， 采用2臺(tái)并聯(lián)工藝流程【1】。自2015年8月裝置建成投產(chǎn)以來(lái)， 混合進(jìn)料換熱器板殼程壓降一直為設(shè)計(jì)值的2倍以上， 殼程出口壓力呈脈沖波動(dòng)， 2016年3月， 發(fā)現(xiàn)換熱器板程內(nèi)漏， 影響了裝置的穩(wěn)定生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)性。2017年底采用國(guó)產(chǎn)纏繞管式換熱器原位更換國(guó)產(chǎn)板殼式換熱器。本文介紹了3.2 Mt/a連續(xù)重整裝置混合進(jìn)料纏繞管式換熱器的應(yīng)用情況。

1 混合進(jìn)料換熱器

連續(xù)重整裝置混合進(jìn)料換熱器主要采用直管立式換熱器、板殼式換熱器或纏繞管式換熱器，隨著裝置大型化，直管立式換熱器因傳熱效率較低、運(yùn)行成本高、高溫大法蘭檢修困難等問(wèn)題，被逐漸淘汰。

1.1 板殼式換熱器

20世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)首次在催化重整裝置上引進(jìn)了法國(guó)Alfa laval公司的板殼式換熱器。近年來(lái)，隨著板殼式換熱器應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展以及加工水平的提高，換熱面積超過(guò)1萬(wàn)m2的國(guó)產(chǎn)板殼式換熱器已有應(yīng)用，總傳熱系數(shù)可達(dá)500 W/(m2·K)以上【1-3】。

國(guó)產(chǎn)換熱板片采用分步模壓成形，進(jìn)口板片采用水下爆破成形，板束均采用全焊接結(jié)構(gòu)。但由于板片薄(一般在0.8～1.2 mm)，所以全焊接板殼式換熱器在應(yīng)用中必須嚴(yán)格控制板、殼程溫差和壓差，限定了操作的波動(dòng)范圍，為確保平穩(wěn)開停工，連續(xù)重整專利商提出了低流量燃燒模式。即便是采用進(jìn)口板片避免了機(jī)械沖壓遺留在板片上的殘余應(yīng)力，板束全焊結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制仍然難度很大，可靠性差，板片發(fā)生內(nèi)漏的幾率較大。另外板殼換熱器板片間距較小，容污能力差，且難以清洗【4】。

板殼換熱器在傳熱效率、壓降、占地等方面優(yōu)勢(shì)明顯，但全焊接式板殼式換熱器的制造要求嚴(yán)格、加工難度大、維修困難以及板片寬度不宜超過(guò)2 m等都限制了其在超大型裝置上的應(yīng)用。

1.2 纏繞管式換熱器

20世紀(jì)中期，我國(guó)在從林德公司引進(jìn)的低溫甲醇洗裝置中首次使用了纏繞管式換熱器，之后國(guó)產(chǎn)纏繞管式換熱器在煤化工、天然氣化工以及石油化工等多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用【2-5】。

1.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

纏繞管式換熱器由管束、下管箱、上管箱和殼體組成。下管箱有循環(huán)氫入口、進(jìn)料口、氣體分布板和液體分布管，管束包括上、下管板及換熱管芯體。熱流走殼程，冷流走管程。

1.2.2 換熱效率高

纏繞管式換熱器層與層之間換熱管反向螺旋纏繞，極大地改善了流體流動(dòng)狀態(tài)，形成了劇烈的湍流； 換熱管內(nèi)螺旋流動(dòng)強(qiáng)化了管程傳熱； 殼程折流部件的擾動(dòng)也起到了強(qiáng)化傳熱的作用，使得纏繞管式換熱器的總傳熱系數(shù)與板殼式換熱器相當(dāng)【5】。

1.2.3 管殼程流體分布均勻且抗垢能力強(qiáng)

因換熱管和墊條、管卡的合理設(shè)置，纏繞管式換熱器基本沒有死區(qū)，殼程流體逆流橫向交叉通過(guò)繞管，在相鄰管之間、層與層之間不斷分離和匯合，使殼程流體形成了劇烈湍流，確保了殼程流體的均勻分布，且減少了結(jié)垢的幾率。下管箱中設(shè)置盤式氣體分布器和管式液體分布器，分布器上優(yōu)化開孔設(shè)計(jì)，有效保證了氣液兩相在管程內(nèi)的均勻分布。進(jìn)入管內(nèi)的流體則以螺旋方式流動(dòng)，增強(qiáng)流體的剪切力，湍流流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，而且降低了管壁附著的可能性及結(jié)垢傾向。

1.2.4 熱補(bǔ)償性好且抗波動(dòng)能力強(qiáng)

采用的超長(zhǎng)換熱管螺旋纏繞管束，兩端均有自由段，實(shí)現(xiàn)了熱膨脹自行補(bǔ)償，大大減少了換熱器殼體與管束之間因熱膨脹差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，可減小管板的厚度；換熱管與管板的連接采用強(qiáng)度焊加貼脹的結(jié)構(gòu)，并在管板的管箱側(cè)堆焊不銹鋼，以避免管頭異種鋼焊接等，減少了換熱管與管板焊接接頭泄漏的幾率。纏繞管采用φ8～φ12 mm奧氏體不銹鋼或合金鋼管，具有較高的抵抗內(nèi)外壓差和溫差性能，可大大減少裝置因開停工或生產(chǎn)波動(dòng)造成換熱器泄漏的幾率。

1.2.5 易實(shí)現(xiàn)大型化

纏繞管式換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位容積換熱面積較大、總傳熱系數(shù)高、抗操作波動(dòng)能力強(qiáng)、熱補(bǔ)償性好、介質(zhì)流暢、不存在換熱死區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，且沒有像板殼式換熱器板片寬度之類的限制因素，因此更易實(shí)現(xiàn)大型化【3】。

但因換熱管管徑較小，且為螺旋纏繞式，一旦管內(nèi)堵塞， 不易清洗； 而換熱管外為墊條和管卡支撐結(jié)構(gòu)， 且纏繞管管束與殼體間為焊接結(jié)構(gòu)， 使得殼程無(wú)法打開檢修和清洗，通常只能采用化學(xué)清洗。

為了充分發(fā)揮纏繞管換熱器的性能優(yōu)勢(shì)，不宜將其應(yīng)用在易結(jié)垢或有機(jī)械雜質(zhì)的場(chǎng)合，且換熱器管程入口宜設(shè)置過(guò)濾器。

2 混合進(jìn)料換熱器更換

2.1 更換前的情況

3.2 Mt/a連續(xù)重整裝置開工初期，混合進(jìn)料換熱器板殼程壓降超過(guò)165 kPa，經(jīng)改進(jìn)仍在140 kPa左右，超過(guò)設(shè)計(jì)值72 kPa。2016年4月，發(fā)現(xiàn)混合進(jìn)料換熱器內(nèi)漏，泄漏率在5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右【1】。

為了裝置穩(wěn)定生產(chǎn)，避免安全事故，用戶決定更換混合進(jìn)料換熱器，并提出如下更換要求：

1) 達(dá)到原設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求，主要為滿足傳熱性能、換熱器的總壓降低于設(shè)計(jì)值并消除殼程出口壓力脈動(dòng)；

2) 利舊原設(shè)備的基礎(chǔ)和構(gòu)架；

3) 主要管道標(biāo)高和方位基本不變，以減少改造工程量。

經(jīng)核算和勘測(cè)，設(shè)備基礎(chǔ)和構(gòu)架的承載負(fù)荷不得超過(guò)原板殼式換熱器的120%，設(shè)備裙座基礎(chǔ)螺栓孔數(shù)量、位置、大小與原設(shè)備匹配，設(shè)備直徑基本不超過(guò)原設(shè)備。在滿足上述要求的前提下，經(jīng)比選，2017年底采用纏繞管式換熱器原位更換了混合進(jìn)料換熱器。

2.2 更換前后對(duì)比

更換前、后的運(yùn)行參數(shù)見表1。

從表1可以看出：纏繞管式換熱器的熱端溫差為17.6 ℃，明顯低于設(shè)計(jì)值，也低于板殼式換熱器，體現(xiàn)出優(yōu)異的傳熱性能；其管殼程壓降明顯低于板殼式換熱器，也低于設(shè)計(jì)值，使得循環(huán)氫入口壓力也低于板殼式換熱器和設(shè)計(jì)值；循環(huán)氫流量大幅降低。

2.3 更換效果

2.3.1 裝置操作平穩(wěn)

因纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管殼程流體分布均勻，消除了之前殼程出口出現(xiàn)脈動(dòng)流的問(wèn)題，在滿足重整反應(yīng)和催化劑再生平穩(wěn)運(yùn)行的條件下，重整反應(yīng)的氫油比得以大幅降低，控制在2.5 mol/mol以下。

重整裝置主要參數(shù)見表2。

2.3.2 節(jié)能效果

換熱器熱端溫差較設(shè)計(jì)值低10 ℃以上，節(jié)約重整進(jìn)料加熱爐的燃料氣超過(guò)20%；隨著重整反應(yīng)的氫油比大幅降低，循環(huán)氫流量隨之降低，反應(yīng)系統(tǒng)壓力降也有所降低，再加上換熱器管殼程壓降的大幅降低，循環(huán)氫壓縮機(jī)透平3.5 MPa蒸汽用量較采用板殼式換熱器時(shí)減少25 t/h以上，重整加熱爐的燃料氣消耗量減少5 000 kg/h以上，節(jié)能效果非?？捎^。

表1 混合進(jìn)料換熱器的運(yùn)行參數(shù)(單臺(tái))

2.4 運(yùn)行分析

設(shè)備的凈質(zhì)量增加約19%，經(jīng)核算換熱面積增加15%以上，纏繞管式換熱器熱端溫差之所以降低明顯，換熱面積增加是主要原因之一。

將管程重整進(jìn)料溫度適當(dāng)提高至125 ℃，對(duì)氫油比的降低起到了關(guān)鍵作用。當(dāng)進(jìn)料溫度提高至125 ℃時(shí)，進(jìn)料更接近飽和狀態(tài)，可在較小的循環(huán)氫流量情況下，實(shí)現(xiàn)管程入口流體分布均勻、流態(tài)穩(wěn)定；當(dāng)換熱器管殼程氣液負(fù)荷為60%～110%時(shí)，優(yōu)化后的管程和殼程的流體分布結(jié)構(gòu)使流體均處在湍流區(qū)；即使在較低的氫油比工況下，殼程出口也沒有出現(xiàn)脈動(dòng)流的問(wèn)題。

表2 重整裝置主要參數(shù)

混合進(jìn)料換熱器的殼程排凝口排出了重整催化劑粉塵，實(shí)測(cè)量約4 kg/d，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行觀測(cè)，該粉塵對(duì)換熱器的傳熱效果影響不明顯，證明了纏繞管式換熱器具有一定的抗結(jié)垢能力。

3 結(jié)語(yǔ)

某公司3.2 Mt/a連續(xù)重整裝置混合進(jìn)料換熱器更換為纏繞管式換熱器，投用已1 a有余，整體運(yùn)行良好，能適應(yīng)較大的生產(chǎn)波動(dòng)。與改造前相比，纏繞管式換熱器性能更為優(yōu)異，為重整裝置的節(jié)能降耗做出了突出貢獻(xiàn)。