3.2 Mt/a连续重整装置混合进料换热器更换

孙秋荣

(武汉金中石化工程有限公司，湖北 武汉 430223)

某公司芳烃项目连续重整装置采用UOP超低压连续重整专利技术，设计规模3.2 Mt/a， 其中混合进料换热器选用国产板壳式换热器，单台的设计负荷为100 MW， 采用2台并联工艺流程【1】。自2015年8月装置建成投产以来， 混合进料换热器板壳程压降一直为设计值的2倍以上， 壳程出口压力呈脉冲波动， 2016年3月， 发现换热器板程内漏， 影响了装置的稳定生产和经济性。2017年底采用国产缠绕管式换热器原位更换国产板壳式换热器。本文介绍了3.2 Mt/a连续重整装置混合进料缠绕管式换热器的应用情况。

1 混合进料换热器

连续重整装置混合进料换热器主要采用直管立式换热器、板壳式换热器或缠绕管式换热器，随着装置大型化，直管立式换热器因传热效率较低、运行成本高、高温大法兰检修困难等问题，被逐渐淘汰。

1.1 板壳式换热器

20世纪末，国内首次在催化重整装置上引进了法国Alfa laval公司的板壳式换热器。近年来，随着板壳式换热器应用领域的扩展以及加工水平的提高，换热面积超过1万m2的国产板壳式换热器已有应用，总传热系数可达500 W/(m2·K)以上【1-3】。

国产换热板片采用分步模压成形，进口板片采用水下爆破成形，板束均采用全焊接结构。但由于板片薄(一般在0.8～1.2 mm)，所以全焊接板壳式换热器在应用中必须严格控制板、壳程温差和压差，限定了操作的波动范围，为确保平稳开停工，连续重整专利商提出了低流量燃烧模式。即便是采用进口板片避免了机械冲压遗留在板片上的残余应力，板束全焊结构的质量控制仍然难度很大，可靠性差，板片发生内漏的几率较大。另外板壳换热器板片间距较小，容污能力差，且难以清洗【4】。

板壳换热器在传热效率、压降、占地等方面优势明显，但全焊接式板壳式换热器的制造要求严格、加工难度大、维修困难以及板片宽度不宜超过2 m等都限制了其在超大型装置上的应用。

1.2 缠绕管式换热器

20世纪中期，我国在从林德公司引进的低温甲醇洗装置中首次使用了缠绕管式换热器，之后国产缠绕管式换热器在煤化工、天然气化工以及石油化工等多领域得到成功应用【2-5】。

1.2.1 设备结构

缠绕管式换热器由管束、下管箱、上管箱和壳体组成。下管箱有循环氢入口、进料口、气体分布板和液体分布管，管束包括上、下管板及换热管芯体。热流走壳程，冷流走管程。

1.2.2 换热效率高

缠绕管式换热器层与层之间换热管反向螺旋缠绕，极大地改善了流体流动状态，形成了剧烈的湍流； 换热管内螺旋流动强化了管程传热； 壳程折流部件的扰动也起到了强化传热的作用，使得缠绕管式换热器的总传热系数与板壳式换热器相当【5】。

1.2.3 管壳程流体分布均匀且抗垢能力强

因换热管和垫条、管卡的合理设置，缠绕管式换热器基本没有死区，壳程流体逆流横向交叉通过绕管，在相邻管之间、层与层之间不断分离和汇合，使壳程流体形成了剧烈湍流，确保了壳程流体的均匀分布，且减少了结垢的几率。下管箱中设置盘式气体分布器和管式液体分布器，分布器上优化开孔设计，有效保证了气液两相在管程内的均匀分布。进入管内的流体则以螺旋方式流动，增强流体的剪切力，湍流流动状态稳定，而且降低了管壁附着的可能性及结垢倾向。

1.2.4 热补偿性好且抗波动能力强

采用的超长换热管螺旋缠绕管束，两端均有自由段，实现了热膨胀自行补偿，大大减少了换热器壳体与管束之间因热膨胀差而产生的热应力，可减小管板的厚度；换热管与管板的连接采用强度焊加贴胀的结构，并在管板的管箱侧堆焊不锈钢，以避免管头异种钢焊接等，减少了换热管与管板焊接接头泄漏的几率。缠绕管采用φ8～φ12 mm奥氏体不锈钢或合金钢管，具有较高的抵抗内外压差和温差性能，可大大减少装置因开停工或生产波动造成换热器泄漏的几率。

1.2.5 易实现大型化

缠绕管式换热器具有结构紧凑、单位容积换热面积较大、总传热系数高、抗操作波动能力强、热补偿性好、介质流畅、不存在换热死区等优点，且没有像板壳式换热器板片宽度之类的限制因素，因此更易实现大型化【3】。

但因换热管管径较小，且为螺旋缠绕式，一旦管内堵塞， 不易清洗； 而换热管外为垫条和管卡支撑结构， 且缠绕管管束与壳体间为焊接结构， 使得壳程无法打开检修和清洗，通常只能采用化学清洗。

为了充分发挥缠绕管换热器的性能优势，不宜将其应用在易结垢或有机械杂质的场合，且换热器管程入口宜设置过滤器。

2 混合进料换热器更换

2.1 更换前的情况

3.2 Mt/a连续重整装置开工初期，混合进料换热器板壳程压降超过165 kPa，经改进仍在140 kPa左右，超过设计值72 kPa。2016年4月，发现混合进料换热器内漏，泄漏率在5%(质量分数)左右【1】。

为了装置稳定生产，避免安全事故，用户决定更换混合进料换热器，并提出如下更换要求：

1) 达到原设计性能指标要求，主要为满足传热性能、换热器的总压降低于设计值并消除壳程出口压力脉动；

2) 利旧原设备的基础和构架；

3) 主要管道标高和方位基本不变，以减少改造工程量。

经核算和勘测，设备基础和构架的承载负荷不得超过原板壳式换热器的120%，设备裙座基础螺栓孔数量、位置、大小与原设备匹配，设备直径基本不超过原设备。在满足上述要求的前提下，经比选，2017年底采用缠绕管式换热器原位更换了混合进料换热器。

2.2 更换前后对比

更换前、后的运行参数见表1。

从表1可以看出：缠绕管式换热器的热端温差为17.6 ℃，明显低于设计值，也低于板壳式换热器，体现出优异的传热性能；其管壳程压降明显低于板壳式换热器，也低于设计值，使得循环氢入口压力也低于板壳式换热器和设计值；循环氢流量大幅降低。

2.3 更换效果

2.3.1 装置操作平稳

因缠绕管式换热器的结构特点，管壳程流体分布均匀，消除了之前壳程出口出现脉动流的问题，在满足重整反应和催化剂再生平稳运行的条件下，重整反应的氢油比得以大幅降低，控制在2.5 mol/mol以下。

重整装置主要参数见表2。

2.3.2 节能效果

换热器热端温差较设计值低10 ℃以上，节约重整进料加热炉的燃料气超过20%；随着重整反应的氢油比大幅降低，循环氢流量随之降低，反应系统压力降也有所降低，再加上换热器管壳程压降的大幅降低，循环氢压缩机透平3.5 MPa蒸汽用量较采用板壳式换热器时减少25 t/h以上，重整加热炉的燃料气消耗量减少5 000 kg/h以上，节能效果非常可观。

表1 混合进料换热器的运行参数(单台)

2.4 运行分析

设备的净质量增加约19%，经核算换热面积增加15%以上，缠绕管式换热器热端温差之所以降低明显，换热面积增加是主要原因之一。

将管程重整进料温度适当提高至125 ℃，对氢油比的降低起到了关键作用。当进料温度提高至125 ℃时，进料更接近饱和状态，可在较小的循环氢流量情况下，实现管程入口流体分布均匀、流态稳定；当换热器管壳程气液负荷为60%～110%时，优化后的管程和壳程的流体分布结构使流体均处在湍流区；即使在较低的氢油比工况下，壳程出口也没有出现脉动流的问题。

表2 重整装置主要参数

混合进料换热器的壳程排凝口排出了重整催化剂粉尘，实测量约4 kg/d，经过一段时间的运行观测，该粉尘对换热器的传热效果影响不明显，证明了缠绕管式换热器具有一定的抗结垢能力。

3 结语

某公司3.2 Mt/a连续重整装置混合进料换热器更换为缠绕管式换热器，投用已1 a有余，整体运行良好，能适应较大的生产波动。与改造前相比，缠绕管式换热器性能更为优异，为重整装置的节能降耗做出了突出贡献。