连续重整缠绕管式换热器的研制及工业应用

摘要:过去连续重整装置的混合进料换热器都是采用全焊接板壳式或直管立式换热器，由于结构原因，一直存在传热效率低或易损坏的问题，使得装置操作费用高、影响长周期运行。介绍了一种兼具板壳式换热器和管壳式换热器优点的，在连续重整装置中首次采用的缠绕管式换热器，作为新型的混合进料换热器的设计、研制和应用情况。该设备具有优良的传热工艺性能，又具有耐高温高压、抗操作波动的特点，是连续重整装置中较为理想的高效、高可靠性的设备。
    关键词:连续重整;缠绕管;换热器;研制;应用
    中图分类号:TQ051．5;TQ050．6文献标识码:B文章编号:1001－4837(2011)05－0041－07
    0·引言
    随着石油化工装置大型化、炼化一体化的发展，连续重整装置除了生产油品、产出氢气外，还担负着为乙烯和芳烃装置提供原料的任务，因此连续重整装置的稳定生产对企业经济效益的影响越来越重要。
    过去，连续重整装置中混合进料换热器采用的是板壳式换热器或直管立式换热器。但这两种换热器都不太令人满意:
    一是板壳式换热器可靠性差，易损坏，无论国产还是引进的板壳式换热器均已损坏多台;
    二是直管立式换热器的换热效率低，导致换热器热端温差较大，回收的热量较少，而操作费用较高。
    针对这种情况，迫切需要研制一种集板壳式换热器和直管立式换热器双重优点于一身的新型换热器作为连续重整装置混合进料换热器，即该换热器具有使用安全可靠、不易损坏、传热效率高、压降小、换热器热端温差小、回收热量多等特点。
    因此文中提出在重整和PX装置上用缠绕管式换热器作为混合进料换热器的研究课题。经洛阳石油化工工程公司与镇海石化建安工程公司、合肥通用机械研究院、华锦集团等单位合作共同研究，解决了换热器的工艺计算、结构设计、气液分布、制造等难点，成功开发出可用于连续重整和PX装置的缠绕管式换热器，并在华锦集团50万吨/年连续重整装置上成功应用，2010年9月通过了中国石化组织的专家鉴定。
     1·设计研制
     1．1换热器工艺性能要求
    华锦连续重整装置规模为50万吨/年，采用UOP低压连续重整技术。混合进料换热器是其中一台关键设备，其作用是将冷侧的原料油和氢气，通过与反应器来的高温氢气、油气进行换热，换热后的原料油和氢气再经加热炉加热到重整反应的温度后进入重整反应器，在催化剂的作用下进行反应。该换热器在流程中的位置见图1。

    可以看出，如能充分回收反应器流出物的热量，就可以减少加热炉的负荷，相应地缩小加热炉的规模，从而减少加热炉投资和操作费用。该换热器的工艺技术参数如表1所示。

    1．2换热器选型
    按照一般连续重整中混合进料换热器的选型惯例，该换热器可选用图2所示的全焊接板壳式换热器或普通直管立式换热器。
    全焊接板壳式换热器换热效率高、压降小、回收热量多、操作费用小、制造难度大。国外仅一家厂商能够生产全焊接板壳式换热器，其波纹板片采用爆炸成型，板束采用全焊接的结构。
    经过多年的努力，国内也有一家能够生产全焊接板壳式换热器，波纹板片采用机械压制成型，板束也采用全焊接结构。由于板片厚度薄，一般在0．8～1．2 mm，全焊接板壳式换热器在应用中必须对管、壳程的温差、压差进行严格控制，整个运行过程允许的压力和温度的波动都很小;而且由于板间距小，极容易发生结垢且难以清洗。考虑到本装置出产的石脑油是为后续的乙烯装置提供原料，若选用板壳式换热器，可能影响到整个乙烯装置的长期、稳定运行。若选用普通直管立式换热器，由于换热效率低，冷侧介质混合进料的出口温度比板壳式换热器的出口温度低30～50℃，这意味着需要加大重整加热炉的负荷，多消耗燃料，而该厂却没有足够富余的燃料气供应。
    面对此局面，洛阳石油化工工程公司、合肥通用机械研究院、华锦集团根据缠绕管式换热器能耐高温高压、传热系数高、结构紧凑、密封性能好、体积小、重量轻、安装费用低、回收热量多等特点［1］开展研究，最终认为华锦50万吨/年低压连续重整装置的混合进料换热器完全可以采用缠绕管式换热器结构，满足工期、设备可靠性和设备性能的要求。
    1．3结构设计
    结合缠绕管式换热器的特点和工艺操作要求，采用了立式缠绕管式混合进料换热器，其结构设计如图3所示。该换热器主要分为下管箱、管束和上管箱3部分。  
            
    1．3．1下管箱
    冷介质走管程，从底部进入，其中原料油管从底部弯管处插入到气体分布板上方后，原料油从中心喷出，与沿底部弯管进入经锥形过渡段、气体分布板分配后的冷氢在管板前进行充分混合，均匀地进入每根换热管内，以避免换热管因发生液体偏流而可能导致传热不均，从而影响总的换热性能。锥形过渡段设计为法兰连接的可拆卸结构，方便下管箱中气体分布板的安装以及换热管与下管板连接接头的检查和维修处理。下管箱结构如图4所示。
            
    1．3．2管束
    管束是包括换热器的壳体和上下管板的换热管芯体部分。热介质走壳程，从筒体上部进入，壳程出口设在筒体下部。为防止高温热流体对换热管直接冲击造成换热管的受热不均和损坏，在壳程入口设有引导介质流向的挡板。排气口和排污口分别设在顶封头和底封头。为有效分布管束内的壳程介质，减少和消除壳程流体的短路，在管束外面包覆了夹套将壳程中的流体约束于内。结合绕管工艺特点，优化了管径、管间距、层间距、螺旋缠绕角等参数，有效地消除了可能的流体偏流，保证了管束的换热性能。
    1．3．3上管箱
    上管箱主要是管程出口，管箱上接管大小要能方便上管板与换热管连接接头的焊接、检测和维修处理。
    1．3．4其他
    采用超长钢管整体缠绕自吸收热膨胀管束，取消了易损坏的膨胀节，使得结构简单可靠。设备处于高温、临氢环境，壳体材料采用SA387Gr．11 CL1(14Cr1MoR)钢板、14Cr1Mo锻件、管板14Cr1MoⅣ+堆焊、换热管0Cr18Ni10Ti。所有与壳体相焊的接头，均要求采用全焊透结构。裙座上部与壳体间设置“热箱”以减小连接处的温差应力。换热管与管板的连接采用强度焊加贴胀的结构，为了避免管头的异种钢焊接，管箱侧管板上堆焊了TP309L+TP347。
    换热器的整体设计条件见表2。

    1．4研究重点
    结合缠绕管式混合进料换热器的工艺性能要求、操作条件、结构特点、换热器各部分应用材料及制造加工情况，确定的研究重点如下:
     (1)换热器传热和压降设计计算;
    (2)进料分布板的压降及分布性能研究;
    (3)换热管的晶间腐蚀和应力腐蚀倾向分析。
    1．4．1换热器传热和压降设计计算
    依据工艺数据，采用摩尔组分的比例进行密度、导热系数、动力粘度、比热容的合成，并进行温度和压力的修正，以错流模型为基础，用积分方法求得特征间隙，并考虑层间隔条的影响，在两相无滑移的条件下研究两相介质流动的传热膜系数和阻力的准则方程，形成了低压连续重整混合进料换热器的工艺传热计算方法。按该方法设计计算出的换热器主要结构参数见表3。
            
    连续重整混合进料换热器的压力降是该台设备的重要性能控制指标。由于连续重整装置是低压反应流程，换热器压降是整个系统压降的重要组成部分。如果换热器压降过大将关系到设备投用后整个系统能否有效运行，因此换热器的压力降必须计算准确，保证运行后整个设备的压力降在允许的范围内。
    对于缠绕管式混合进料换热器其压力降是由管程压降和壳程压降构成，其中管程压降主要包括换热管内的流动压降、气体分布板压降、进出管口和管箱中的压降等部分;壳程压降主要包括管束内流动阻力降和进出管口的压降。本次着重对换热管内和气体分布板的压降进行了研究。单根换热管是螺旋缠绕在芯体上，介质以气液两相进入换热管，在管内呈螺旋式流动并逐渐被加热，其中的液体被汽化，在出口端以气态流出。由于气液密度的差异，离心力的作用使流动中的气液两相发生滑移，导致气相和液相间发生摩擦，使实际流动阻力比无滑移的相同管径管长的管内流动阻力更大。因此，在无滑移研究的基础上，用ProⅡ计算方法进行了验证性计算，同时还采用了CFD方法进行了模拟和分析。
    1．4．2进料分布板的压降和分布性能研究
    气体分布板压降除了影响管程压降外，还关系到气体通过分布板后的分布均匀程度。通常压降过小则分布均匀程度差，当气体与液体混合后，就会在分布板与管板间的混合段内，存在较大的速度梯度，导致液体雾化不均;雾化不均的气液两相介质进入换热管内易形成液体偏流，进而使换热器总体换热性能下降。因此，要保障气体分布均匀，气体分布板需要一定的压降，重点研究一个合适开口率和最小压降之间的关系。
    为此采用CFD方法开展了混合进料分布板的压降和分布性能研究，找到了分布板开孔率和压降的关系。同时研究了液体分布管的形式和压降情况，考查了气液夹带、漏液点流速，空塔速度与喷雾工况过渡点和液泛点，确保在各种工况下的气液均匀分布得以保证，且为前端气体输送设备预留一定的动力余量。研究中还考查了下管箱锥形过渡段形状和气液混合箱高度及大小对气液分布性能的影响。结合各种工况下的工艺操作参数，确定了合适的分布板开孔率、分布板尺寸、液体分布管开孔率、以及气液混合箱的高度和大小等结构尺寸。
    1．4．3换热管的晶间腐蚀和应力腐蚀倾向分析
    由于缠绕管换热器用的超长换热管，一般无缝钢管的长度难以满足要求，通常都要拼接，而焊接钢管的长度可以满足缠绕管需要，即缠绕管总存在焊缝。新型进料换热器的换热管采用0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢焊接管。重整反应中含有微量的氯，所以要避免奥氏体不锈钢发生应力腐蚀。通过对各工况的工艺介质的分析，虽然含有微量的氯，但整个系统中没有水存在，因此不会发生因氯而引起的应力腐蚀。即使如此，在设计技术要求中仍然规定了焊接钢管、堆焊层和不锈钢焊接接头进行晶间腐蚀考核，合格后才能用于产品的生产中。
    1．5换热器制造验收技术条件
    为保证研制产品的制造质量，设计专门编制了缠绕管式换热器制造验收工程技术条件，对材料化学成分、力学性能、焊接、检测和试验等方面进行了详细规定。制造单位在多年缠绕管换热器生产经验的基础上，对涉及到的全部工艺、焊评、试验、检测等进行了试验验证，经有关方面评审后，才投入生产，在合同规定的交货期内制造完成，一次水压试验成功，满足了用户对工程进度的要求。
    2·工业应用
    2009年12月10日，设备随50万吨/年连续重整装置开工投入实际工业运行。2010年7月10日，用户对整个50万吨/年连续重整装置进行了满负荷标定，所研制的缠绕管式混合进料换热器标定数据表明换热效果良好，换热负荷、热端温差以及管壳程压降均达到了预期设计要求。
 
    标定期间设备热端的端面温差见表4，换热器管、壳程压降见表5。
             
    装置开工投用以来，经受住了操作中温度和压力波动的影响，至今已连续运行一年多，该设备性能稳定，其热端温差和管壳程压降见表6。
            
    表明我国首台用于连续重整装置的缠绕管式换热器研制是成功的。经文献查新证明，将缠绕管式换热器用于连续重整装置，在世界上也是首创，填补了一项空白。
    3·经济效益
    (1)投资省
    采用缠绕管式换热器投资与国产板壳式换热器相当，比直管立式换热器略高，但操作费用可大大降低。
    以本项目为例，投资增加了85万元，但一年燃料消耗可节约245万元。比进口板壳式换热器缩短设备订货周期半年以上，有效地保障工程进度，而且设备投资减少近千万元，与国产板壳式换热器相比投资费用相当。
    (2)设备重量轻、材料消耗少缠绕管式换热器重量比相同换热面积的直管立式换热器轻30%～50%以上，金属材料节约明显。
    (3)节能减排明显
    达到了板壳式换热器的工艺性能要求，节约了加热炉燃料，减少了相应的二氧化碳排放。
    (4)可靠性好
    与板壳式换热器相比，抗装置“波动”能力显著提高，可有效避免生产装置因操作上的“波动”使设备发生内部泄漏带来的非计划停车，从而使生产装置达到增产、减排的目标。
    (5)辅助设施简单
    与板壳式换热器相比，缠绕管换热器不容易结垢和堵塞，因此不需设置专门的原料油过滤器。
    2010年9月29日，连续重整用缠绕管换热器通过了中石化组织的专家鉴定。
    鉴定意见认为:“重整装置使用缠绕管式换热器系国内外首次应用”，“缠绕管式换热器整体技术达到国际同类产品的先进水平，还可适用于PX装置的异构化、歧化等物料不容易结垢和自聚的炼油化工装置”。
    4·结语
    (1)连续重整用缠绕管换热器采用超长钢管整体缠绕自吸收热膨胀管束，取消了易损坏的膨胀节，结构简单、可靠;
    采用钢管作为换热元件，可以承受高压，且不受设备操作中压力和温度波动变化的影响，大大提高了设备运行的安全可靠性;
    采用自行开发设计的气体分布板加液体喷管的气液分布结构，保障了气液在换热管内的均匀进料，且不易堵塞喷管，减少了对液体进料的过滤依赖，具有能耗低、投资省、安全可靠等优点，经济效益和社会效益显著。
    (2)研制的气液分布结构，有效地保证了气液两相流体在管程内的均匀分布，具有结构简单、分布性能好的特点。
    (3)开发的连续重整缠绕管式换热器工艺传热及压降计算方法、设计制造技术经工业运行表明是先进、可靠的，能满足连续重整、歧化等装置大型混合进料换热器的工程应用。
    (4)缠绕管式换热器具有换热效率高、热端温差小、管壳程压降小、运行稳定、抗垢性能好等优点，特别适用于管壳程压力和压差大、压力—温度波动大的场合，尤其能有效避免在装置开停工过程中因温度、压力波动导致的设备板束泄漏。可减轻装置操作人员的压力。
    (5)通过在辽宁华锦集团50万吨/年连续重整装置连续稳定运行已一年多的工业考核表明，世界上首台连续重整装置用缠绕管式换热器，达到了板壳式混合进料换热器的技术性能指标，是完全成功的，可以满足连续重整和PX装置同类设备的要求。
    参考文献:
    ［1］张贤安．高效缠绕管式换热器的节能分析与工业应用［J］．压力容器，2008，25(5):54－57．