纏繞管式換熱器在重整裝置上的應用

田華峰

隨著煉油業規模繼續快速擴張，煉廠規模大型化、降能耗已成為發展的趨勢。同樣，作為煉油價值鏈中的重整裝置的發展，也逐步向做大加工量，降低裝置能耗的方向發展，在此過程中，作為重整裝置的關鍵換熱器—進料換熱器對降低裝置能耗有較大的影響。另外，中國石化上海石油化工股份有限公（以下簡稱上海石化）作為一家大型上市公司，降低能耗，減少碳排放，是企業不可推卸的社會責任。因此，重整裝置進料換熱器必須具備傳熱效率高、穩定性好的特點，方可實現發展與效益的雙贏。

目前，連續重整中混合進料換熱器的選型大多選用全焊接板殼式換熱器。全焊接板殼式換熱器換熱效率高、壓降小、回收熱量多、操作費用低、制造難度大。國外僅法國Packinox一家廠商能夠生產全焊接板殼式換熱器，其波紋板片采用爆炸成型，板束采用全焊接的結構。經過多年努力，國內也能生產全焊接板殼式換熱器，波紋板片采用機械壓制成型，板束也采用全焊接結構。由于板片厚度薄，一般在0.8～1.2 mm，全焊接板殼式換熱器在應用中必須對管、殼程的溫差和壓差進行嚴格控制，整個運行過程允許的壓力和溫度的波動都很小；而且由于板間距小，極易發生結垢且難以清洗。因此板殼式換熱器的操作條件過于苛刻。

目前，上海石化共有3套連續重整裝置，裝置中的板殼式換熱器曾經多次換熱器內漏的情況。因此，為尋求一種穩定和性能優越的換熱器，積極與設備制造廠家合作，首次在大型重整裝置上引入了新型國產重整進料換熱器——纏繞管式換熱器。

1 纏繞管式換熱器簡介

1.1 結構設計

結合纏繞管式換熱器的特點和工藝操作要求，采用了立式纏繞管式混合進料換熱器，其結構設計如圖1和圖2所示，該換熱器主要分為下管箱、管束和上管箱3部分。

圖1 下管箱

圖2 纏繞管式混合進料換熱器

1.2 材質

采用超長鋼管整體纏繞自吸收熱膨脹管束，取消了易損壞的膨脹節，使得結構簡單可靠。設備處于高溫、臨氫環境，殼體材料采用14Cr1MoR鋼板、14Cr1Mo鍛件，管板為14Cr1Mo1V＋堆焊、換熱管為OCr18Ni10Ti。所有與殼體相焊的接頭，均要求采用全焊結構。裙座上部與殼體間設置“熱箱”以減小連接處的溫差應力。換熱管與管板的連接采用強度焊加貼脹的結構，為了避免管頭的異種鋼焊接，管箱側管板上堆焊了TP309L＋TP347。

1.3 下管箱

冷介質走管程從底部進入，其中原料油管從底部彎管處插入到氣體分布板上方后，原料油從中心噴出，與沿底部彎管進入經錐形過渡段、氣體分布板分配后的冷氫在管板前進行充分混合，均勻地進入每根換熱管內，以避免換熱管因發生液體偏流而導致傳熱不均，從而影響換熱性能。錐形過渡段為法蘭連接的可拆卸結構，以方便下管箱中氣體分布板的安裝以及換熱管與下管板連接接頭的檢查和維修處理。

1.4 管束

管束是包括換熱器的殼體和上下管板的換熱管芯體部分。熱介質走殼程，從筒體上部進入，殼程出口設在筒體下部。為防止高溫熱流體對換熱管直接沖擊造成換熱管的受熱不均和損壞，在殼程入口設有引導介質流向的擋板。排氣口和排污口分別設在頂封頭和底封頭。為有效分布管束內的殼程介質，減少和消除殼程流體的短路，在管束外面包覆了夾套將殼程中的流體約束于內。

2 纏繞管式換熱器在上海石化重整裝置的首次應用情況

2.1 應用背景

上海石化600 kt／a芳烴聯合裝置中的1 Mt／a連續重整裝置（以下簡稱2＃重整）于2009年9月投料開車，2011年7月開始發現重整生成油中環烷烴質量分數較開車初期上升明顯，判斷進料板殼式換熱器E－201有泄漏現象，隨后對換熱器泄露情況進行跟蹤觀察和分析。

2011年7—9月的泄露量為3.42%，根據經驗，在該泄露量下運行對重整裝置及下游的技術經濟指標影響較小。但是隨后其泄露量逐漸上升，至2012年2月，泄露量達到6.26%，且仍有上升趨勢。隨著E－201內漏，2＃重整的技術經濟指標已經受到嚴重的影響，其中氫氣產率由2010年的3.76%降至2012年（1－2月）的3.50%，芳烴產率由2010年的69.89%降至2012年（1－2月）的67.85%。

2.2 具體應用情況

2.2.1 應用前后對比分析

上海石化2＃重整于2009年9月一次開車成功，國產板換投運正常，無泄漏。圖3給出了自2009年9月開車至2012年重整生成油中環烷烴總量的變化趨勢。

圖3 重整生成油中環烷烴總量的變化趨勢

2011年7月重整生成油中環烷烴質量分數突破1.5%，且有上升趨勢，內漏跡象出現，因此于2012年12月對換熱器進行了更換，使用鎮海建安工程有限公司制造的纏繞管式換熱器（設備參數見表1），并于2012年12月24日投料開車。

表1 板式換熱器與纏繞管式換熱器的設備參數

更換前（2012年12月）和更換后（2013年1—2月）運行數據對比見表2。

表2 滿負荷運行數據對比

由表2可見：更換后纏繞管式換熱器的殼程壓降由44.5 kPa下降到36.5 kPa，板（管）層壓降由80.6 kPa下降到49.6 kPa，熱端溫差由31.4 K下降到29.4 K。

另外，連續重整的主要反應過程為環烷烴脫氫，其反應是比較完全的，在產品中的環烷質量分數應當很低，尤其是C＋8環烷烴，其數據應該很小。更換前重整生成油中的環烷烴和C＋8環烷烴質量分數分別為6.23%和1.80%，更換后分別下降至0.99%和0.12%，表明更換后的換熱器運行良好，無泄漏。連續重整的芳烴產率和純氫產率當主要技術經濟指標從64.85%和3.63%上升到70.95%和3.88%，挽回了經濟損失。

更換前后反應系統的壓降如表3所示。

表3 更換前后反應系統壓降

由表3可見：更換后反應系統壓降明顯下降，液相進料的調節閥開度（滿負荷）從78%下降至50%，為進料負荷提升消除了瓶頸，同時由于反應系統壓降下降。在相同的氫烴比下，循環氫壓縮機透平3.5 MPa蒸汽用量平均下降了1 t／h。

2.2.2 運行中遇到的問題

2014年1月10日發現管程壓降出現明顯異常，壓降從原來的48 kPa快速上升，最高上升至91 kPa，查閱2013年8月至2014年1月的管程的變化情況，發現自2013年9月份以來，管程壓降開始增大，具體見圖4。

圖4 管程的壓降變化趨勢

針對壓降異常，從以下幾個方面進行了分析。

（1）從纏繞管換熱器結構方面分析

2＃重整纏繞管式換熱器的換熱面積比以前使用的板式換熱器實際有效換熱面積高出407 m2。為了滿足換熱面積的要求，并使管束內物料分布均勻，根據現場安裝環境（框架及相關管線不變）的實際現狀，在進口物料入口管箱處的新纏繞管換熱器中設置2塊分布孔板，即預分布孔板和分布孔板（見圖5）。纏繞管換熱器的這種結構，可能導致有部分銨鹽在分部孔板處堵塞了孔道。

圖5 纏繞管式換熱器管程入口

另外，纏繞管換熱器的熱端溫差沒有異常，圖6給出了2013年8月至2014年2月期間的熱端溫差變化趨勢。

圖6 纏繞管換熱器熱端溫差變化趨勢

由圖6進一步分析，熱端溫差正常，換熱器換熱效果沒有受到影響。

分析結論：管程有效換熱區域內未發生堵塞。

（2）從重整原料中氮質量分數方面分析

2＃重整應用了國產PS－VI型催化劑，并且采用的是Chlorsorb工藝，該工藝的特點是：在催化劑氯吸附運行過程中再生尾氣水含量高，對催化劑載體比表面積造成很大影響，引起催化劑持氯能力變差，循環氫中的HCl質量濃度高。

在重整原料中若含有氮化物，在重整反應條件下，進料中的有機氮化物會轉化成NH3，會與NH3結合生成 NH4Cl，NH4Cl在230℃就會結晶，因此只要低于此溫度就會有NH4Cl析出，進而累積在進料分配孔板處，造成管程側壓降升高。

通過分析2＃重整2013年12月24日至2014年1月1日的進料情況，發現來自中壓加氫裝置的重石腦油中的氮質量分數超標，圖7給出了中壓加氫裝置的重石腦油中氮質量分數變化趨勢。

圖7 中壓加氫裝置的重石腦油中氮質量分數變化趨勢

綜合以上分析，可以斷定纏繞換熱器管程壓降上升的原因為：運行過程中銨鹽累計在進口分布孔板處銨鹽堵塞所致。

2.2.3 解決措施

（1）減少重整原料中的氮質量分數

通過與上游裝置溝通，減少中壓加氫石腦油中氮的質量分數，重整原料中的氮質量分數，均需滿足＞0.5 mg／kg的條件。表4列出了調控后的重整進料中氮質量分數。

表4 重整進料中氮的質量分數 mg／kg

（2）提高進料水質量分數

因是銨鹽堵塞，根據銨鹽易溶解水的特點，在保證生產穩定的前提下，提高重整進料中水的質量分數。2014年1月20日裝置通過調整優化2＃重整裝置不同的原料來料量，增加中間罐區水質量分數高的原料的比例，來提高進重整原料換熱器的石腦油中水的質量分數。具體優化措施為：2014年1月22日起，逐步適當增加水質量分數高的罐區料FC20501，由2 t／h增加到 15 t／h。另外，同時 2＃重整裝置負荷調整，1月27日起，適當降低2＃重整負荷，裝置進料量由120 t／h降至110 t／h。通過以上措施，水質量分數較高的罐區料在重整進料中的比例，由之前的2.5%提高到13.5%。

原料優化后，原料中的水質量分數高促使循環氫中的水質量分數逐漸上升，管程壓降隨重整循環氫中的水質量分數的提高（由正常55 mg／kg提高至平均75 mg／kg），其壓降則逐漸下降（由40 kPa逐漸降至正常達到30 kPa），循環氫中水質量分數與管程壓降的對比情況見表5。

表5 重整循環氫中水含量與管程壓降統計

通過降低中壓加氫中的氮含量、適當降低重整裝置負荷、適當提高重整進料中的水質量分數等措施，纏繞管換熱器的管程壓降逐漸下降恢復至正常值。

3 結論

連續重整用纏繞管換熱器在實際應用中運行整體良好，能適應較大生產波動的影響，抗風險能力較大。與其他目前重整換熱器相比，纏繞管換熱器換具有如下優勢：

（1）纏繞管換熱器的入口氣液分配器的設計靈活，能滿足實際現場安裝的需要。分配器的結構能有效保證氣液兩相在管程內的均勻分布，具有結構簡單、分布性能好的特點。

（2）纏繞管式換熱器具有換熱效率高、熱端溫差小、管程壓降適應能力強、抗垢能力好等優點，尤其能有效避免在裝置開停工及緊急情況下因溫度、壓力波動導致的設備內漏。

（3）纏繞管式換熱器在實際應用中，應加強對重整原料雜質的監控，特別是原料中的氮質量分數的監控，以防在換熱器入口端低溫區發生銨鹽結晶，影響換熱器壓降。

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