裂解汽油加氫二段進出料換熱器型式及應用

利 梅，聶毅強

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

裂解汽油加氫裝置中的二段加氫反應進出料換熱器工藝特點是：冷、熱物流進出口溫差大(約為200～240 ℃)、溫度區間高度重合、有效傳熱溫差小、分別發生蒸發和冷凝過程、流量大以及熱負荷高,其換熱效率對降低裝置能耗和減少操作費用具有重要影響。同時，由于裂解汽油中的易聚合組分在高溫段易結垢，嚴重時影響裝置的長周期操作，因此該種換熱器的選型和結構至關重要。

1 二段加氫工段流程

裂解汽油是乙烯工業的重要副產物，如以石腦油等為原料時，其產量相當于乙烯產量的50%～80%，含芳烴55%～60%，是芳烴抽提的重要原料。工業上一般采用兩段加氫方法對其進行處理，即先經一段低溫液相選擇性加氫脫除苯乙烯和不飽和雙烯烴，再經二段高溫氣相加氫去除含硫和氮的有機雜質并使單烯烴飽和，加氫汽油經穩定塔脫除硫化氫氣體后，送入芳烴抽提裝置獲取苯、甲苯和二甲苯。其中二段加氫工段流程如圖1所示，二段進出料換熱器位于氣液混合進料和進料加熱爐(或加熱器)之間。

2 二段進出料換熱器型式

目前國內裂解汽油加氫裝置中二段進出料換熱器采用的型式主要有3種。

2.1 立式管殼式換熱器

該型式換熱器使用1臺立式設備完成傳熱，占地面積小；冷熱流體在換熱管兩側純逆流流動，有效傳熱溫差大；壓降小；傳熱效果好；管殼側均可機械清洗。缺點是整臺設備需選用進口不銹鋼換熱管，換熱管束長，屬超長大型設備，造價昂貴。受加工技術的局限，長度大于20 m的不銹鋼換熱管國內難以生產。另外，考慮到冷熱流體溫差導致材料熱應力，疊加工作壓力所產生的軸向應力，立式管殼式換熱器必須設置膨脹節來緩沖管束與殼體膨脹量的差異【1】。膨脹節的質量至關重要，一旦膨脹節泄漏將引起裝置停車。

圖1 二段加氫工段流程示意

2.2 方形板片板殼式換熱器

方形板片板殼式換熱器(如圖2所示)采用波紋板片作為傳熱元件,板片間采用氬弧焊、電阻焊等焊接方式焊接成板束裝在承壓殼體內。波紋板片具有 “靜攪拌”作用,能在很低的雷諾數下形成湍流,總傳熱系數是管殼式換熱器的2～3倍，具有傳熱效率高、結構緊湊、質量輕等優點【2】。方形板片板殼式的制造工藝比較復雜，焊接要求高，造價高；板片通道高度范圍在10～30 mm，流道較窄，抗堵性差，物料在板片之間結焦積碳則很難清理。為防止加氫工藝介質聚合堵塞，換熱器兩側需設置在線燒焦管線。

2.3 雙殼程U形管換熱器

雙殼程U形管式換熱器殼體中心設置分程隔板，管殼程都是雙程，冷、熱流介質在接近純逆流狀態下進行熱交換，有效傳熱溫差大，適合溫度高度重合且傳熱溫差小的工況；通過多臺串聯的方式容易實現傳熱面積大型化；管殼程流速和雷諾數較高,強化了傳熱；U形管束有效吸收了管殼側溫差引起的熱膨脹，不需設置膨脹節；設備密封性好，不易泄漏；設備成本低。缺點是：U形管內不易機械清洗。

圖2 方形板片板殼式換熱器原理

3 二段進出料換熱器材質

二段進出料換熱器介質中含有氫氣和硫化氫，屬高溫、中壓、臨氫壓力容器，如果采用立式管殼式換熱器和方形板片板殼式換熱器設計，則整體設備材質選用S32168；采用4臺雙殼程U形管換熱器設計，高溫端2臺選用S32168不銹鋼，低溫端2臺則為低合金鋼，節省一次性投資。每臺U形管換熱器的設計參數及材質見表1。

表1 4臺雙殼程U形管換熱器設計參數及材質

4 3種換熱器工業應用及長期運行效果

某80萬t/a裂解汽油加氫裝置采用引進工藝技術，二段進出料換熱器為單臺立式管殼式換熱器,管束長20 m，整體進口。2005年開車，第一周期運行正常，2009年乙烯裝置改擴能至119萬t/a，該換熱器利舊使用。2012年起該換熱器經常發生泄漏，造成產品質量不合格，2014年大檢修時整臺更換。從生產實踐來看，立式管殼式換熱器作為二段進出料換熱器使用壽命約為9 a。

另一煉化一體化企業2009年一期建設裂解汽油加氫裝置采用了中國石化專有技術，其中二段進出料換熱器應用了方形板片板殼式換熱器。該換熱器由蘭科石化設備有限公司設計制造，熱負荷10.3 MW,換熱面積900 m2。該換熱器采用不銹鋼波紋板作為傳熱板片，全焊式板束裝入殼體中，冷流進料液體由設備底部進入板束的板程，由設備頂部流出；熱流由設備上側開口進入板束的殼程，由設備下側開口流出，冷熱流體在板束中呈全逆流換熱。板束上下端各設置1個膨脹節。設備殼體設置無泄漏密封結構型式的設備法蘭，設備可拆。2009年9月裝置開車，前20個月僅依靠板殼式換熱器即可將冷物料加熱到反應起始溫度，加熱爐處于停爐狀態，無燃料氣消耗。之后的28個月，隨著物料在板片兩側緩慢聚合結焦，換熱器傳熱性能下降，且壓降升高愈來愈顯著，加熱爐被重新投用，加熱爐燃料氣用量最大達到144 kg/h,兩側總壓降比初期提高了212 kPa。

2013年底停車大檢修期間，該裂解汽油加氫裝置進行了擴能改造，裝置處理能力由50萬t/a提高至65萬t/a。此次改造新增了二段進出料換熱器B，由于冷、熱流進出口溫差大、熱負荷高，進出料換熱器采用了4臺雙殼程U形管換熱器串聯操作，由中國石化工程建設有限公司(SEI)完成設計。雙殼程U形管式換熱器設計有一定的難度：縱向隔板兩側存在溫差，有熱量通過縱向隔板傳遞；縱向隔板密封條有內漏可能，容易發生殼側流體短路，導致總有效傳熱溫差減小，傳熱效率降低。設計中通過在縱向隔板上設置隔熱結構、控制殼側最大壓降等方法，消除縱向隔板對傳熱的不利影響。

換熱器B連續運行了57個月，與換熱器A的操作參數比較見表2。

表2 串聯雙殼程U形管換熱器(換熱器B)與板殼式換熱器(換熱器A)的比較

由表2可以看出，雙殼程U形管式換熱器的投用實現了長期穩定運行，該型式換熱器抗結垢能力強，傳熱性能穩定，壓降上升緩慢。運行初末期管殼程總壓降僅升高了42 kPa，第57個月時總壓降與板殼式換熱器運行初期壓降相當。兩種型式換熱器的總壓降趨勢示意見圖3。

圖3 板殼式與雙殼程U形管換熱器

連續57個月運行期間，雙殼程U形管換熱器表現優異，使加熱爐處于停爐狀態。裂解汽油加氫裝置第1次實現了正常運行的零燃料氣消耗。

5 3種換熱器經濟性能對比

以50萬t/a裂解汽油裝置為例進行比較。在相同熱負荷條件下，以管束壽命周期為時間基準，3種換熱器投資費用比較見表3(設備安裝費未計入)。

板殼式換熱器換熱面積和設備質量最小，設備價格居中，但對于裂解汽油物系而言，運行后期板片結垢導致傳熱性能明顯下降，必須投用加熱爐，造成操作費用增加。立式管殼式換熱器不易結垢，運行周期長，但是設備價格最高，膨脹節容易泄漏影響產品質量。雙殼程U形管式換熱器換熱面積和質量最大，但設備價格僅是板殼式換熱器的60%，并且不易結垢、傳熱性能穩定，不需要設置膨脹節，長期運行表現優異，檢修清洗后再次投用不影響傳熱效果。

注：1) 4年為1個生產周期，其中28個月投用加熱爐，燃料氣消耗以28個月平均消耗量100 kg/h計。 2) 合計費用=設備總價+壽命周期內燃料氣費用，燃料氣單價按2 050元/t計。

在正常生產周期內，雙殼程U形管換熱器真正使裝置實現了零燃料氣消耗和零煙氣排放。僅燃料氣1項，雙殼程U形管換熱器比板殼式換熱器節省操作費用413萬元人民幣，減少CO2排放量5 705 t, 減少環境污染，社會效益顯著。

6 結語

裂解汽油裝置的二段進出料換熱器運行效果直接關系到裝置能耗，綜合比較來看，目前在用的3種典型的二段進出料換熱器型式中，雙殼程U形管換熱器設備價格低，抗結垢性能好，長期運行傳熱性能和壓降穩定，可實現停爐操作和零燃料氣消耗，操作費用最低，是裂解汽油加氫裝置二段進出料換熱的最佳結構型式，為新建和改造裂解汽油加氫裝置提供了可靠的技術保證。