重整装置管壳式进出料热交换器核算及分析

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(1.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070)

经验交流

重整装置管壳式进出料热交换器核算及分析

张向南1,2，姚立影1,2，侯霄艳1,2，董旭凯1,2，高杰1,2，侯岩1,2，冯栩迟1,2

(1.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070)

对某石化公司2004年投建50万t/a连续重整装置所采用的管壳式进出料热交换器的整体结构及运行情况进行了简单介绍，采用HTRI进行了工艺核算，并将此结果与实际运行参数进行了对比分析，可为后续进出料热交换器的设计改进提供指导。

重整装置； 管壳式热交换器； HTRI； 核算分析

重整装置是炼油及石化工业中的重要组成部分之一，重整反应以辛烷值较低的直馏石脑油或二次加工的石脑油为原料，经过加氢处理后在重整催化剂的作用下转化为高辛烷值汽油组分或作为芳烃装置的原料，同时副产氢气。自20世纪90年代起，随着我国对芳烃和氢气需求的不断增加以及对汽油质量要求的不断提高，重整装置的重要性也日益突出。在这发展时期，准备建设的重整装置及对现有重整装置的规模也在不断地扩大，同时反应的苛刻度也在不断提高，对重整装置中设备的可靠性提出了更高的要求[1]。

管壳式热交换器凭借可靠性高、制造简便的优点，广泛用作重整装置进出料热交换器，并在一定时期内满足了装置的设计要求。在运行后期，随着装置处理量的增加、操作条件的变化，设备经常出现流体压降偏大、热端温差偏高及加热炉负荷偏高的现象，存在一定的节能环保提升空间[2]。文中以国内某石化公司2004年建设的50万t/a连续重整装置为例，介绍了重整装置管壳式进出料热交换器实际运行情况，以现有运行参数作为依据，采用HTRI进行核算，并将此结果与实际运行参数对比分析，以期为管壳式进出料热交换器的后续优化设计提供一定的依据。

1 重整反应工艺流程

重整反应工艺流程示意图见图1。

图1 重整反应工艺流程示图

预处理后的液体原料作为重整进料油通过离心泵增压后进入进出料热交换器，氢气通过压缩机增压后进入进出料热交换器，重整进料油和氢气在热交换器内部先均匀混合形成混合进料，后被反应出料加热至490～525 ℃，在1.0～2.0 MPa压力下进入四合一重整反应器。四合一重整反应器由4个反应器串联，其间设有加热炉，以补偿反应所吸收的热量。反应出料进入进出料热交换器被冷凝、冷却至100～120 ℃，然后经空冷器和水冷器被冷却至大约40 ℃，进入高分罐被分离，所得重整生成油通过稳定塔脱去轻组分后可作为高辛烷值汽油组分，或送往芳烃抽提装置生产芳烃。反应产生的氢气分为两部分，一部分氢气经氢气压缩机增压后作为重整反应所需氢气与进料油混合，其余作为重整产氢送出系统[3]。

2 在用重整装置进出料热交换器简介

2.1结构及参数

此50万t/a连续重整装置采用的管壳式进出料热交换器传热元件为光管，管束为固定管板+浮动管板形式。与传统列管式热交换器相比，最大的不同在于热交换器底部入口管箱内设置有气液分布器，氢气和液体进料油经气液分布器均匀混合后形成混合进料，由下而上进入换热管束，从上部管箱流出。反应出料从壳体上部径向接管进入，由上而下流动，最后由壳体下部径向接管流出，混合进料和反应出料在热交换器中实现纯逆流换热[4-6]。

此管壳式进出料热交换器设计参数见表1，表中热端温差数值=反应出料入口温度-混合进料出口温度。进出料热交换器结构示意图见图2。

表1 在用重整装置管壳式进出料热交换器设计参数

图2 管壳式进出料热交换器结构示图

2.2运行情况

50万t/a连续重整装置自2004年一次开汽成功后运行平稳，采用的管壳式进出料热交换器在投运初期运行情况良好，基本符合工艺要求。装置连续运行至2015年，由于全厂总流程安排，装置进料油负荷已经提升至65 t/h(原设计值为60 t/h)，经现场采集工艺参数，该设备热端温差已达到63.7 ℃左右(设计值为44 ℃)，传热效率有所降低，一部分热量被后续空冷器直接冷却无法回收，造成了能量的浪费。设备总压降达到0.145 MPa，造成循环氢压缩机出口压力升高，负荷增大，轴温及出口温度升高，给装置安全生产带来隐患。

2015年50万t/a连续重整装置进出料热交换器的运行参数见表2。

表2 在用重整装置管壳式进出料热交换器运行参数

3 在用管壳式进出料热交换器工艺核算

3.1核算条件

设备的结构参数按照表1，混合进料和反应出料的流量、温度、压力等工艺参数由表2给出，流体物性由现场操作人员经化验分析给出，提供的介质组成见表3。重整反应进料油馏程见表4，重整反应生成油馏程见表5。

根据表4、表5，采用HYSYS对介质组成进行馏程模拟分析[7]，模拟出的混合进料的物性见表6，反应出料的物性见表7。

表3 重整反应氢气组成

表4 重整反应进料油馏程

表5 重整反应生成油馏程

表6 混合进料物性

表7 反应出料物性

3.2核算方法及结果

目前，管壳式热交换器模拟计算软件较为成熟，一般采用HTRI Xchanger Suite。

本次核算选用Xist模块，设定Rating校核模式，将上述设备的结构参数、工艺参数和流体物性导入计算软件中，对在用重整装置管壳式进出料热交换器的传热和流阻进行核算[8-10]。在用重整装置管壳式进出料热交换器工艺核算结果见表8。

表8 在用重整装置管壳式进出料热交换器工艺

4 分析讨论

4.1设备热端温差实际值大于设计值

由表1可知，设备热端温差的设计值为44 ℃；由表8可知，设备热端温差的实际值为63.7 ℃。

原因分析：设备长时间运行后，换热管在内、外表面形成污垢层，导致换热管内、外污垢系数有所增加，设备总传热系数有所降低，传热效果下降，进而导致设备热端温差增加。

解决方法：设备停车后可通过化学清洗的方式清洗管束表面污垢，提高设备整体传热效率，缩小热端温差[11]。

4.2设备反应出料侧核算压降接近实际运行压降

由表2可知，设备反应出料侧实际运行压降为0.045 MPa；由表8可知，HTRI模拟计算的设备反应出料侧核算压降为0.044 MPa。这说明采用HYSYS物性模拟方法和HTRI核算方法计算反应出料的传热和流阻性能是可行的。

4.3设备混合进料侧实际压降大于核算压降

由表2可知，设备混合进料侧实际运行压降达到0.1 MPa；由表8 可知，设备混合进料侧核算压降为0.056 MPa(不含分布器压降)。

原因分析：实际操作过程中，进料油负荷增加至原设计值110%，为进料侧压降增加的原因之一。设备长期运行后，气体分布板的部分流通小孔可能被杂质堵塞(如催化剂粉尘颗粒、油泥、管线锈皮等)。热交换器内部设置分布器，混合进料流经分布器后才进入传热管束，流经管束的压降可由HTRI模拟计算得出，而流经分布器的压力损失目前尚不能通过解析计算准确得出，通过经验计算的分布板压力损失存在偏差。

解决方法：设备停车后，通过人孔进入设备内部，对分布板孔隙进行机械通孔处理。后续需要采用CFD计算机仿真模拟方法和实验测试相结合的手段[12]，精确确定分布板压降，为设备改进设计提供依据。

5 结语

在国内重整装置发展过程中，进出料热交换器早期多采用立式管壳式热交换器，随着装置规模的扩大，其传热效率偏低、换热面积偏大及设备过重的劣势逐渐凸显出来。2006年以后，新建大规模重整装置中多采用大型板壳式热换热器，该设备传热效率高、结构紧凑，但价格昂贵、制造周期长、对装置操作波动性要求苛刻[13，14]。近年来，中石化设计单位和制造单位联合研发出缠绕管式热交换器，该设备结构紧凑、传热效率较高且可靠性高，在重整装置进出料热交换器工位的应用前景良好[15]。

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(许编)

CalculationandAnalysisoftheShell-and-tubeTypeCombinedFeed/EffluentHeatExchangerintheReformingUnitbyHTRI

ZHANGXiang-nan1,2,YAOLi-ying1,2,HOUXiao-yan1,2,DONGXu-kai1,2,GAOJie1,2,HOUYan1,2,FENGXu-chi1,2

(1.Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co. Ltd., Shanghai 201518, China; 2.Lanpec Technologies Limited, Lanzhou 730070, China)

The 50×104t/a continuous catalytic reforming unit of a domestic petrochemical company was built in 2004, which used shell-and-tube type combined feed/effluent heat exchanger. Overall structure and operation of the heat exchanger were introduced, the process performance of the equipment was calculated by HTRI, and the calculation result was compared with actual operating parameters to provide guidance for the design and improvement of combined feed/effluent heat exchanger.

catalytic reforming unit; shell-and-tube heat exchanger; HTRI; calculation and analysis

TQ050.2； TE965

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.01.015

1000-7466(2017)01-0074-05

2016-08-10

张向南(1986-)，男，山西大同人，工程师，学士，从事热交换器的开发研究工作。