王天宇

(中國(guó)石化工程建設(shè)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(yù)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(guò)程。石腦油加氫的反應(yīng)過(guò)程在高溫、高壓的工藝條件下進(jìn)行，原料需加熱至較高溫度后進(jìn)入反應(yīng)器，在適宜的工藝條件下進(jìn)行加氫反應(yīng)。石腦油加氫原料的主要成分是石腦油和氫氣。為節(jié)省進(jìn)料加熱爐的負(fù)荷和燃料氣消耗，利用反應(yīng)產(chǎn)物將原料加熱至盡量高的溫度后再送進(jìn)加熱爐，換熱負(fù)荷較大，因此反應(yīng)部分的進(jìn)料換熱器是石腦油加氫裝置節(jié)約能耗和穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)與制造的相關(guān)技術(shù)一直以來(lái)都是石腦油加氫裝置技術(shù)發(fā)展的重要研究方向【1-3】。

1 石腦油加氫進(jìn)料換熱器的工藝特點(diǎn)

以某石腦油加氫裝置為例，其進(jìn)料換熱器的工藝條件見(jiàn)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?yīng)產(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(shì)見(jiàn)圖1，溫度隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。從物性曲線(xiàn)中可以看出，整個(gè)換熱過(guò)程的傳熱溫差較小。換熱過(guò)程在低溫段時(shí)以反應(yīng)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(yīng)產(chǎn)物氣相分率-溫度曲線(xiàn)

圖2 石腦油加氫裝置原料和反應(yīng)產(chǎn)物溫度-負(fù)荷曲線(xiàn)

表1 石腦油加氫進(jìn)料換熱器工藝條件

2 石腦油加氫進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)選型方案對(duì)比

為解決石腦油加氫進(jìn)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(tái)設(shè)備串聯(lián)，每臺(tái)設(shè)備的溫差較小，因此所需的總換熱面積較大。對(duì)此種溫度交叉程度嚴(yán)重的工況，工程設(shè)計(jì)中可采用F型雙殼程殼體實(shí)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(shè)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(jiàn)表2中方案1和方案2。兩種方案對(duì)比結(jié)果顯示，采用F型殼體的設(shè)計(jì)方案溫差比E型殼體高5 ℃，換熱面積減少26%，設(shè)備數(shù)量從8臺(tái)減少至5臺(tái)，設(shè)備總質(zhì)量減少31%。

從方案1和方案2對(duì)比中可以看出，按單系列設(shè)計(jì)的單臺(tái)換熱器設(shè)備直徑較大，在工程應(yīng)用中對(duì)設(shè)備制造提出了較高的要求。為降低設(shè)備的制造難度，可采用雙系列并聯(lián)方案，以減少單臺(tái)設(shè)備的換熱面積和設(shè)備直徑。雙系列設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2中方案3和方案4。按雙系列并聯(lián)設(shè)計(jì)后，雖然換熱器的數(shù)量為單系列方案的2倍，但單臺(tái)設(shè)備的直徑減小了500 mm，降低了設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造難度，設(shè)備總質(zhì)量也與單系列方案相近。此外，雙系列設(shè)計(jì)方案的管程和殼程總計(jì)算壓降比單系列方案降低了33%，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中減少了水力學(xué)壓降和動(dòng)設(shè)備能耗，有顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

石腦油加氫進(jìn)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(dòng)方向?yàn)樗搅鲃?dòng)。在氣液兩相的水平流動(dòng)中，不宜出現(xiàn)不穩(wěn)定的塊狀流流型。對(duì)管程的流型進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，4種方案都沒(méi)有塊狀流的出現(xiàn)。殼程的兩相流流型分析結(jié)果見(jiàn)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(méi)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(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)選型方案對(duì)比

隨著石腦油加氫裝置的大型化，進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)選型需要考慮的因素也逐漸增多，綜合對(duì)比BEU和BFU型換熱器的特點(diǎn)以及單系列和雙系列設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備規(guī)格的影響后，越來(lái)越多的裝置在工程設(shè)計(jì)方案中采用BFU型換熱器。

3 雙系列雙殼程石腦油加氫進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 雙系列石腦油加氫進(jìn)料換熱器的運(yùn)行特點(diǎn)

從表2 的設(shè)計(jì)選型方案對(duì)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(shì)，在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。常規(guī)單系列換熱器設(shè)計(jì)僅需要考慮流量整體波動(dòng)的影響，因進(jìn)料換熱器的兩側(cè)流量相同，因此每臺(tái)換熱器的冷、熱流體不會(huì)產(chǎn)生單側(cè)流量波動(dòng)，操作溫度比較穩(wěn)定。雙系列設(shè)計(jì)方案相比單系列增加了流體分配，需要額外考慮生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中潛在的流體在兩個(gè)系列中流體分配不均勻引起的偏流問(wèn)題。石腦油加氫進(jìn)料換熱器的管程入口熱流為氣相的反應(yīng)產(chǎn)物，在分流為兩系列時(shí)相對(duì)容易實(shí)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(guò)程中容易發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)，發(fā)生偏流的幾率遠(yuǎn)高于單相流，因此在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮殼程入口冷流的偏流。本文對(duì)管程熱流流量均勻分配，殼程冷流進(jìn)料總流量偏流10%(單系列流量變化20%)以?xún)?nèi)的工況下需要進(jìn)行的設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了分析和討論。

3.2 雙系列石腦油加氫進(jìn)料換熱器進(jìn)料偏流對(duì)換熱能力的影響

對(duì)于雙系列石腦油加氫進(jìn)料換熱器，在殼程冷流體偏流時(shí)，流量增加的一側(cè)因流速和傳熱系數(shù)的升高，熱負(fù)荷有上升趨勢(shì)，流量減少的一側(cè)則趨勢(shì)相反，其單系列的熱負(fù)荷隨偏流流量變化趨勢(shì)如圖3所示。對(duì)于雙殼程換熱器，每臺(tái)設(shè)備內(nèi)為純逆流，高流量側(cè)換熱量上升的趨勢(shì)與流量變化的趨勢(shì)一致。單殼程換熱器在發(fā)生小流量偏流時(shí)，高流量側(cè)換熱量的增加程度高于雙殼程換熱器，流量進(jìn)一步增加至一定程度后，由于單殼程殼體換熱器每臺(tái)設(shè)備的傳熱溫差接近溫度交叉的限制，換熱量增加的趨勢(shì)會(huì)隨流量的增加而減緩，繼續(xù)增加流量只會(huì)增加少量換熱量，高流量側(cè)的熱負(fù)荷增長(zhǎng)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(shì)與流量的減小趨勢(shì)一致。偏流工況下雙系列換熱器總熱負(fù)荷隨偏流程度的變化如圖4 所示。由圖4可見(jiàn)，雙系列換熱器的總熱負(fù)荷隨偏流程度的增加而減小，其中單殼程換熱器的熱負(fù)荷減小的趨勢(shì)更明顯，雙殼程換熱器的操作熱負(fù)荷穩(wěn)定性?xún)?yōu)于單殼程換熱器。

圖3 雙系列方案——單系列熱負(fù)荷隨偏流流量變化

圖4 石腦油加氫進(jìn)料換熱器總負(fù)荷隨偏流流量變化

3.3 雙系列石腦油加氫進(jìn)料換熱器進(jìn)料偏流對(duì)殼程的影響

雙系列換熱器偏流后會(huì)對(duì)換熱器的熱負(fù)荷產(chǎn)生影響，并會(huì)進(jìn)一步影響每臺(tái)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(shì)分別見(jiàn)圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出：高流量側(cè)每臺(tái)設(shè)備的操作溫度低于正常工況，低流量側(cè)每臺(tái)設(shè)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(fù)荷比雙殼程換熱器更低，相同偏流流量時(shí)，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(jìn)料換熱器因溫度變化范圍大，在設(shè)計(jì)選材中根據(jù)操作和設(shè)計(jì)溫度的不同，會(huì)選用不同的設(shè)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(dòng)，因此每臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮偏流對(duì)殼程最高操作溫度和設(shè)計(jì)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(jìn)料換熱器進(jìn)料偏流對(duì)管程的影響

由于殼程原料偏流，導(dǎo)致設(shè)備換熱量發(fā)生變化，管程反應(yīng)產(chǎn)物的運(yùn)行溫度也會(huì)相應(yīng)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(shì)分別見(jiàn)圖7和圖8。由圖7和圖8可以看出，高流量側(cè)每臺(tái)設(shè)備的操作溫度低于正常工況，低流量側(cè)每臺(tái)設(shè)備的操作溫度高于正常工況，同樣影響每臺(tái)換熱器管程的最高操作溫度和設(shè)計(jì)溫度。

石腦油加氫進(jìn)料換熱器的管程反應(yīng)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(jìn)料換熱器的低溫位設(shè)備管程之間設(shè)置注水點(diǎn)，以保證換熱器的正常運(yùn)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(shí)，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(shè)計(jì)中，雙系列換熱器設(shè)置注水點(diǎn)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(jìn)料換熱器的強(qiáng)化傳熱技術(shù)

4.1 扭曲管換熱器在石腦油加氫進(jìn)料換熱器中的應(yīng)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(qiáng)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(dòng)，能夠有效地減薄邊界層，減少污垢系數(shù)，對(duì)管內(nèi)和管外的傳熱有顯著的強(qiáng)化作用，因此，在很多換熱器中均得到應(yīng)用【6-7】。在某石腦油加氫裝置中，原設(shè)計(jì)為6臺(tái)常規(guī)光管型換熱器，在改造過(guò)程中將其中3臺(tái)換熱器改為扭曲管型式，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(qiáng)化傳熱效果和經(jīng)濟(jì)效益都十分顯著【8】。

4.2 纏繞管換熱器在石腦油加氫進(jìn)料換熱器中的應(yīng)用

纏繞管式換熱器是將傳熱管按螺旋線(xiàn)形狀圍繞芯筒交替纏繞而成的新型高效強(qiáng)化換熱器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，已在多個(gè)加氫裝置中得到應(yīng)用。根據(jù)石腦油加氫裝置中進(jìn)料換熱器的工藝和物性特點(diǎn)，可以將高溫位的多臺(tái)串聯(lián)管殼式換熱器設(shè)計(jì)為單臺(tái)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(shí)現(xiàn)在保證穩(wěn)定運(yùn)行的前提下提高換熱效率的目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)石腦油加氫進(jìn)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(jìn)料加熱爐的熱負(fù)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(shè)計(jì)方案需要的設(shè)備數(shù)量和規(guī)格越來(lái)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(shì)越來(lái)越明顯，在工程設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

2)石腦油加氫進(jìn)料換熱器的設(shè)計(jì)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(shè)備制造難度，雙系列在工程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。但采用雙系列需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮偏流引起的每個(gè)系列熱負(fù)荷和操作溫度的變化，以及因?yàn)闇囟茸兓瘜?duì)換熱器設(shè)計(jì)溫度和注水點(diǎn)設(shè)計(jì)的影響。

3)石腦油加氫進(jìn)料換熱器設(shè)計(jì)中強(qiáng)化傳熱技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已知的工業(yè)成功應(yīng)用案例有扭曲管換熱器和纏繞管換熱器。隨著技術(shù)發(fā)展和研究的深入，波紋管等其他強(qiáng)化傳熱技術(shù)在此處的應(yīng)用前景也十分廣闊。