石腦油加氫進料換熱器的設計與優(yōu)化

王天宇

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

石腦油加氫裝置作為連續(xù)重整裝置的預處理單元，為連續(xù)重整裝置的原料去除硫、氮等雜質(zhì)，是石油化工工業(yè)中的重要加工過程。石腦油加氫的反應過程在高溫、高壓的工藝條件下進行，原料需加熱至較高溫度后進入反應器，在適宜的工藝條件下進行加氫反應。石腦油加氫原料的主要成分是石腦油和氫氣。為節(jié)省進料加熱爐的負荷和燃料氣消耗，利用反應產(chǎn)物將原料加熱至盡量高的溫度后再送進加熱爐，換熱負荷較大，因此反應部分的進料換熱器是石腦油加氫裝置節(jié)約能耗和穩(wěn)定運行的關鍵設備，其設計與制造的相關技術一直以來都是石腦油加氫裝置技術發(fā)展的重要研究方向【1-3】。

1 石腦油加氫進料換熱器的工藝特點

以某石腦油加氫裝置為例，其進料換熱器的工藝條件見表1。原料由石腦油和氫氣混合后組成，從46.1 ℃加熱至300.0 ℃，相態(tài)由氣液兩相變?yōu)榧儦庀啵环磻a(chǎn)物從343.1 ℃冷卻至97.8 ℃，相態(tài)由純氣相變?yōu)闅庖簝上?。氣相分率隨溫度的變化趨勢見圖1，溫度隨負荷的變化趨勢見圖2。從物性曲線中可以看出，整個換熱過程的傳熱溫差較小。換熱過程在低溫段時以反應產(chǎn)物冷凝、原料氣化為主，高溫段是兩側(cè)純氣相換熱。

圖1 石腦油加氫裝置原料和反應產(chǎn)物氣相分率-溫度曲線

圖2 石腦油加氫裝置原料和反應產(chǎn)物溫度-負荷曲線

表1 石腦油加氫進料換熱器工藝條件

2 石腦油加氫進料換熱器的設計選型方案對比

為解決石腦油加氫進料換熱器的溫度交叉，若采用E型殼體的U形管型式換熱器則需要至少8臺設備串聯(lián)，每臺設備的溫差較小，因此所需的總換熱面積較大。對此種溫度交叉程度嚴重的工況，工程設計中可采用F型雙殼程殼體實現(xiàn)純逆流換熱，提高平均傳熱溫差，顯著減少所需換熱面積，以及設備總質(zhì)量和投資，上述E型和F型換熱器的具體參數(shù)分別見表2中方案1和方案2。兩種方案對比結(jié)果顯示，采用F型殼體的設計方案溫差比E型殼體高5 ℃，換熱面積減少26%，設備數(shù)量從8臺減少至5臺，設備總質(zhì)量減少31%。

從方案1和方案2對比中可以看出，按單系列設計的單臺換熱器設備直徑較大，在工程應用中對設備制造提出了較高的要求。為降低設備的制造難度，可采用雙系列并聯(lián)方案，以減少單臺設備的換熱面積和設備直徑。雙系列設計方案見表2中方案3和方案4。按雙系列并聯(lián)設計后，雖然換熱器的數(shù)量為單系列方案的2倍，但單臺設備的直徑減小了500 mm，降低了設備的機械設計和制造難度，設備總質(zhì)量也與單系列方案相近。此外，雙系列設計方案的管程和殼程總計算壓降比單系列方案降低了33%，在設備運行過程中減少了水力學壓降和動設備能耗，有顯著的節(jié)能優(yōu)勢。

石腦油加氫進料換熱器的管程和殼程流體大部分都處于氣液兩相流狀態(tài)，換熱器內(nèi)的流動方向為水平流動。在氣液兩相的水平流動中，不宜出現(xiàn)不穩(wěn)定的塊狀流流型。對管程的流型進行分析，結(jié)果顯示，4種方案都沒有塊狀流的出現(xiàn)。殼程的兩相流流型分析結(jié)果見表2。由表2可以看出，BEU型換熱器的塊狀流區(qū)域占總兩相流的比例顯著高于BFU型換熱器，雙系列方案高于單系列方案，其中單系列BFU型換熱器沒有塊狀流出現(xiàn)，雙系列BFU型換熱器出現(xiàn)塊狀流的比例僅為2.8%。

表2 石腦油加氫進料換熱器的設計選型方案對比

隨著石腦油加氫裝置的大型化，進料換熱器的設計選型需要考慮的因素也逐漸增多，綜合對比BEU和BFU型換熱器的特點以及單系列和雙系列設計對設備規(guī)格的影響后，越來越多的裝置在工程設計方案中采用BFU型換熱器。

3 雙系列雙殼程石腦油加氫進料換熱器的設計優(yōu)化

3.1 雙系列石腦油加氫進料換熱器的運行特點

從表2 的設計選型方案對比可以看出，采用雙殼程殼體和雙系列的方案有很多優(yōu)勢，在工程設計中的應用也越來越廣泛。常規(guī)單系列換熱器設計僅需要考慮流量整體波動的影響，因進料換熱器的兩側(cè)流量相同，因此每臺換熱器的冷、熱流體不會產(chǎn)生單側(cè)流量波動，操作溫度比較穩(wěn)定。雙系列設計方案相比單系列增加了流體分配，需要額外考慮生產(chǎn)運行過程中潛在的流體在兩個系列中流體分配不均勻引起的偏流問題。石腦油加氫進料換熱器的管程入口熱流為氣相的反應產(chǎn)物，在分流為兩系列時相對容易實現(xiàn)均勻分配；而殼程入口冷流為循環(huán)氫氣體和原料石腦油液體的氣液混合物，由于兩相流流體在分流過程中容易發(fā)生不穩(wěn)定流動，發(fā)生偏流的幾率遠高于單相流，因此在設計中需要重點考慮殼程入口冷流的偏流。本文對管程熱流流量均勻分配，殼程冷流進料總流量偏流10%(單系列流量變化20%)以內(nèi)的工況下需要進行的設計優(yōu)化進行了分析和討論。

3.2 雙系列石腦油加氫進料換熱器進料偏流對換熱能力的影響

對于雙系列石腦油加氫進料換熱器，在殼程冷流體偏流時，流量增加的一側(cè)因流速和傳熱系數(shù)的升高，熱負荷有上升趨勢，流量減少的一側(cè)則趨勢相反，其單系列的熱負荷隨偏流流量變化趨勢如圖3所示。對于雙殼程換熱器，每臺設備內(nèi)為純逆流，高流量側(cè)換熱量上升的趨勢與流量變化的趨勢一致。單殼程換熱器在發(fā)生小流量偏流時，高流量側(cè)換熱量的增加程度高于雙殼程換熱器，流量進一步增加至一定程度后，由于單殼程殼體換熱器每臺設備的傳熱溫差接近溫度交叉的限制，換熱量增加的趨勢會隨流量的增加而減緩，繼續(xù)增加流量只會增加少量換熱量，高流量側(cè)的熱負荷增長值低于雙殼程換熱器。殼程流體偏流后的低流量側(cè)因流量降低后傳熱系數(shù)降低，換熱量的減少趨勢與流量的減小趨勢一致。偏流工況下雙系列換熱器總熱負荷隨偏流程度的變化如圖4 所示。由圖4可見，雙系列換熱器的總熱負荷隨偏流程度的增加而減小，其中單殼程換熱器的熱負荷減小的趨勢更明顯，雙殼程換熱器的操作熱負荷穩(wěn)定性優(yōu)于單殼程換熱器。

圖3 雙系列方案——單系列熱負荷隨偏流流量變化

圖4 石腦油加氫進料換熱器總負荷隨偏流流量變化

3.3 雙系列石腦油加氫進料換熱器進料偏流對殼程的影響

雙系列換熱器偏流后會對換熱器的熱負荷產(chǎn)生影響，并會進一步影響每臺換熱器的操作溫度。BEU型和BFU型換熱器在殼程流體偏流工況下殼程溫度變化趨勢分別見圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出：高流量側(cè)每臺設備的操作溫度低于正常工況，低流量側(cè)每臺設備的操作溫度高于正常工況；低流量側(cè)的單殼程換熱器熱負荷比雙殼程換熱器更低，相同偏流流量時，單殼程換熱器的操作溫度變化程度低于雙殼程換熱器。石腦油加氫進料換熱器因溫度變化范圍大，在設計選材中根據(jù)操作和設計溫度的不同，會選用不同的設備材質(zhì)，雙系列換熱器由于存在偏流引起的潛在溫度波動，因此每臺設備設計時還需要考慮偏流對殼程最高操作溫度和設計溫度的影響。

圖5 雙系列BEU型換熱器在殼程流體偏流工況下殼程溫度變化

圖6 雙系列BFU型換熱器在殼程流體偏流工況下殼程溫度變化

3.4 雙系列石腦油加氫進料換熱器進料偏流對管程的影響

由于殼程原料偏流，導致設備換熱量發(fā)生變化，管程反應產(chǎn)物的運行溫度也會相應發(fā)生變化。BEU型和BFU型換熱器在殼程流體偏流工況下管程溫度變化趨勢分別見圖7和圖8。由圖7和圖8可以看出，高流量側(cè)每臺設備的操作溫度低于正常工況，低流量側(cè)每臺設備的操作溫度高于正常工況，同樣影響每臺換熱器管程的最高操作溫度和設計溫度。

石腦油加氫進料換熱器的管程反應產(chǎn)物與殼程原料不同，管程介質(zhì)中氨、硫化氫和氯化氫濃度高于殼程，在溫度降低后容易在換熱管內(nèi)產(chǎn)生銨鹽結(jié)晶，造成換熱管堵塞，因此通常在石腦油加氫進料換熱器的低溫位設備管程之間設置注水點，以保證換熱器的正常運行【4-5】。從圖7和圖8可以看出，雙系列換熱器發(fā)生偏流時，高流量側(cè)的管程操作溫度低于正常工況，可能引起銨鹽結(jié)晶位置的轉(zhuǎn)移，因此在工程設計中，雙系列換熱器設置注水點的位置需要考慮偏流的影響。

圖7 雙系列BEU型換熱器在殼程流體偏流工況下管程溫度變化

圖8 雙系列BFU型換熱器在殼程流體偏流工況下管程溫度變化

4 石腦油加氫進料換熱器的強化傳熱技術

4.1 扭曲管換熱器在石腦油加氫進料換熱器中的應用

扭曲管是圓管壓扁后扭曲加工制成的換熱管，是一種常用的強化傳熱型換熱管。這種型式的換熱管可使介質(zhì)在管內(nèi)和管外螺旋流動，能夠有效地減薄邊界層，減少污垢系數(shù)，對管內(nèi)和管外的傳熱有顯著的強化作用，因此，在很多換熱器中均得到應用【6-7】。在某石腦油加氫裝置中，原設計為6臺常規(guī)光管型換熱器，在改造過程中將其中3臺換熱器改為扭曲管型式，現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)顯示，相比原光管換熱器，傳熱系數(shù)增加，污垢系數(shù)降低，強化傳熱效果和經(jīng)濟效益都十分顯著【8】。

4.2 纏繞管換熱器在石腦油加氫進料換熱器中的應用

纏繞管式換熱器是將傳熱管按螺旋線形狀圍繞芯筒交替纏繞而成的新型高效強化換熱器，具有結(jié)構緊湊、傳熱效率高等優(yōu)點，已在多個加氫裝置中得到應用。根據(jù)石腦油加氫裝置中進料換熱器的工藝和物性特點，可以將高溫位的多臺串聯(lián)管殼式換熱器設計為單臺纏繞管換熱器，低溫位需要注水的換熱器采用管殼式換熱器，以實現(xiàn)在保證穩(wěn)定運行的前提下提高換熱效率的目標。

5 結(jié)語

1)石腦油加氫進料換熱器的管殼式換熱器既可采用單殼程殼體，也可以采用雙殼程殼體。隨著節(jié)能減排需求的日益增加，為減少進料加熱爐的熱負荷，需盡可能提高原料加熱的溫度。受到溫度交叉和傳熱溫差的限制，采用單殼程的設計方案需要的設備數(shù)量和規(guī)格越來越大，雙殼程換熱器的純逆流、有效傳熱溫差大和兩相流流型穩(wěn)定等優(yōu)勢越來越明顯，在工程設計中已經(jīng)得到越來越多的應用。

2)石腦油加氫進料換熱器的設計有單系列和雙系列兩種方案，隨著裝置大型化的發(fā)展，為降低設備制造難度，雙系列在工程中得到越來越多的應用。但采用雙系列需要在設計過程中考慮偏流引起的每個系列熱負荷和操作溫度的變化，以及因為溫度變化對換熱器設計溫度和注水點設計的影響。

3)石腦油加氫進料換熱器設計中強化傳熱技術的應用越來越廣泛，已知的工業(yè)成功應用案例有扭曲管換熱器和纏繞管換熱器。隨著技術發(fā)展和研究的深入，波紋管等其他強化傳熱技術在此處的應用前景也十分廣闊。