S Zorb装置原料换热器结焦问题分析研究

于晓玲

（中国石化上海高桥石油化工有限公司，上海 200137）

1 原料换热器介绍

某炼油厂S Zorb装置投入生产以来，原料换热器采用两组并联、一组三台的方式来回收反应热能，原料汽油换热后进入加热炉加热去反应器。流程如图1所示。其中A组ABC换热器与D组DEF换热器一一对应。在生产过程中由于汽油中夹带的重组份沉积，原料换热管束容易结焦[1]。换热器结焦严重时会存在以下不良影响：（1）原料处理量受限，管内壁结焦，流量增大；（2）原料换热器偏流加剧，管程结垢严重，封头出现泄漏；（3）加热炉负荷上升，瓦斯消耗高，能耗大。因此该文分析装置各周期历史数据，比较两组并联换热器的换热效果、结焦、偏流情况。

图1 原料换热器E101流程

2 理论计算依据

原料换热器E101以ABC为一组、DEF为一组；A/D、B/E、C/F型号相同，两组并联形式物料组成相同，均为汽油和氢气混合物。故通过计算对比两组传热效果和流量情况，可避免因估算与环境传热造成的热量损失、物料比热容、相变等偏差，以实际生产为主进行换热器理想换热计算。

（1）流量比值

根据两股物料相同且无相变Q＝q×H，故热量和为混合后总热量，根据温度变化计算换热器两组质量流量之比即为并联换热器偏流情况，具体表达如式（1）所示：

其中，q表示质量流量，kg/h；H表示热焓值，kJ/kg；A表示换热器A组，D表示换热器D组。

（2）管壳程换热量

由于换热过程油品存在相变，根据焓值计算热量Q＝qoil×ΔH＋qH2×Cp×Δt，且壳程两组流量比值为计算两组换热量比值Xh（/1＋Xh）×Qh；同理，管程计算其中，h表示热流，为壳程产品汽油，c表示冷流，为管程原料汽油，out表示出口总管，X表示流量比值。

（3）传热系数

根据单组换热器的换热量Q＝K×A×Δtm，计算该组换热器传热系数。传热系数越大表示该组换热器换热效果好、阻力小、结焦少。其中，K表示传热系数，W/m2·℃；A表示传热面积，m2；Δtm表示传热温差，℃；具体表达如式（2）所示：

因此A组传热系数具体表达如式（3）所示：

3 换热器结焦及偏流情况分析

对原料换热器E101从2014年至2018年的生产数据进行分析，将2014年换热器检修管束抽芯清洗后投用作为第一分析周期，该周期运行后期对换热器清洗前后数据作为一周期后期和第二周期初期，以此类推。进料量相同管程出口温升越高说明换热器越清洁，管束清洗效果较好。原料换热器管壳程各周期数据见表1，原料换热器管壳程各周期传热分析见表2。

表2 原料换热器管壳程各周期传热分析

根据表1、2数据，由2014年11月至2018年12月三次运行周期的数据绘制管程总管换热温升的变化趋势详见图2，每个周期初始时管程温升明显高于运行末期，主要通过管束清焦减少换热期间热垢换热损失，提高换热效果。但随着多个周期总体运行时间的增加，换热效果整体呈现下降趋势，表明难于清洗的胶质逐渐累积在管束中难于清除，造成每次抽芯清洗后换热效果虽提升但幅度较小，换热效果整体下降。

图2 2014年-2018年管程总管换热温升变化趋势

表1 原料换热器管壳程各周期数据

分析并联两组换热器的管壳程进出口温度，发现2014年一周期初始，管程温升较高达305.3 ℃，且根据图3所示并联两组换热器传热系数的变化趋势，换热器两组传热系数近似为1时说明换热器抽芯清洗后换热效果较好，两组换热效果一致，无明显偏流现象。运行27个月至一周期末期，换热效果变差出口温升下降3.5 ℃，管程原料汽油取热量降低。分析单组换热器运行情况，A组换热器管程出口温度上升，计算发现A组管程流量较D组小，取热量小，传热系数小，说明A组热阻较高换热效果变差，结焦造成明显偏流，管程出口温度增加并不是换热效果好而是结焦偏流综合造成，这与结焦导致管束阻力增加、压降增加、流量下降的规律一致[2]。

图3 并联两组换热器传热系数变化趋势

第二周期初期，E-101E/F更新，整体换热效果明显提高，但是A组未洗下的胶质残留较D组结焦情况多，内部流动阻力差异大，产生了管程汽油明显偏流，造成A组流量下降，A组传热系数小于D组，因此管程出口温升仅提升至307.4 ℃。运行近一年后，管程总取热量、出口温升及传热系数均下降较多，表明换热器E101整体的换热效果显著下降，结焦较上周期严重。两组换热器对比，A组换热器传热系数、管程流量、热量均小于D组，A组结焦严重且管程流量偏小、出口温度偏高。分析当初期流量相差较大时，D组管程流量大因携带重组分较多结焦较快，流量因结焦再分布但A组流量仍较小，到运行后期A组因流量流速较低导致进料中胶质等重组分快速沉积成为主要影响因素，A组管程出口温度较高两组温差达20 ℃。因此，本周期运行期间两组偏流情况持续存在，导致了两组在运行过程中均较快结焦，导致换热效果下降较快，运行周期仅12个月管程出口温升下降了11.9 ℃。

第三周期初装置抽芯高压水枪清洗管束，投用后管程温升仅提高4.2 ℃，换热效果提升但未达上周期初始值，表明结焦难于清洗仍残存在管束中影响换热，同时发现A组阻力较大，偏流严重，导致换热器管程出口温升快速下降，仅3个月管程出口温升下降10.8 ℃，换热效果下降较快，运行周期进一步缩短，数据定为三周期中期。装置立即采取措施，E-101ABC壳程阀门卡2/3，降低A组壳程流量，减少偏流的不良影响，温升提高，换热效果提升，维持运行至2018年末抽芯清洗。

总结规律，管程温升较高说明换热器抽芯清洗后换热效果较好，但由于胶质随时间增加更难于清洗，换热效果整体呈下降趋势。运行后期A组管程结焦较D组严重，表现出流量降低，出口温度较高，取热量下降。表明换热器偏流严重，流量降低导致流速降低，造成重组分沉积，进一步增加了管束结焦，结焦继续造成偏流加重，形成恶性循环，导致换热效果快速下降，运行周期缩短。

4 近期生产现状问题分析

根据实际生产数据进行理论计算判断出换热器结焦偏流的作用规律，以该方法反过来指导实际生产中遇到的问题。因此利用上述计算方法和规律对目前生产现状进行分析，探寻两组换热器的结焦情况。

由于换热器清洗后管壳程清洁度较好，两组比较得管程和壳程出口温差均明显降低，温差仅6 ℃则不能忽略仪表测量误差所造成的热量计算误差。故根据单组投用时出口温度进行校正，如下表3所示，根据数据显示壳程出口与换热器总管出口差距小，而管程出口温度相较于出口总管温度低约1.8 ℃，并对数据进行校正。

表3 原料换热器管程温度校正

4.1 管程偏流情况分析

2018年底换热器抽芯清洗，由于A组管束结焦严重，部分管束难于疏通，更换换热器E101A/C管束，管程温升达315.1 ℃，换热效果明显提升。通过数据分析绘制并联两组换热器流量、取热量及传热系数的变化趋势见图4、5、6，发现D组流量高、取热量高、出口温度低，A组结焦较D组高，与上部分总结的规律一致，换热器存在偏流情况。由于2018年底检修清洗更换了E101A/C管束，E101B管束利旧清洗，且现场发现结焦物质较难清洗，推测A组中换热器E101B仍存在较严重的结焦，短板效应成为造成该组换热效果差的主要因素。

图4 并联两组换热器流量变化趋势（2018.12.25-2019.12.31）

图5 并联两组换热器取热量变化趋势（2018.12.25-2019.12.31）

图6 并联两组换热器传热系数的变化趋势（2018.12.25-2019.12.31）

自2019年1月3日起，卡E101D管程入口第二道阀门至剩10圈，降低了D组管程流量，使两组流量趋于相同。随着运行时间的增加，由于A组结焦多、传热系数较小，管程流量逐渐下降，在装置进料处理量为135 t/h时，偏流越来越严重。当处理量下降时，两组流量偏差变小，可以看出处理量在120 t/h时，偏流情况较低，传热系数升高，传热效果提升。管内壁结焦，处理量增大，偏流会更严重。

由于偏流导致流量、流速降低，加剧管束内壁结焦/垢，换热效果下降。本周期装置采取措施为卡D组管程进口流量，降低了偏流造成的影响，在一定程度上减缓了换热器结焦。经过近一年运行，换热器总管压降无明显上升，在0.16 MPa左右。综合发现A组流量稍低于D组，与换热分析规律一致，但目前偏流程度较小，并联换热器管壳程温差较小，生产状况稳定。

4.2 相变过程及腐蚀减薄

设计E101C/F为相变的主要换热器，管程进料物料70%为气相，出口100%为气相。上周期检修发现E管束减薄，为“相变活跃区”，结焦物质分析主要为FeS及焦炭，因此在相变点结焦造成高温硫腐蚀减薄。故研究装置目前换热器的相变过程，确定管程物料气化点相应为管程结焦的最严重点。利用手持式测温仪测量管壁，记录数据见表4，仪表实时测量数据同时列出，根据管壁温度与测量温度差，估算B、E的管程进口温度分别为171、168.5 ℃。

表4 原料换热器管程冷流温度情况

根据产品采样馏程数据分析，计算出管程B/E的进口温度对应的蒸发量B为87.2%，E为85.7%，且出口B/E均达100%，与设计值管程B/E气相含量进口14%，出口70%有较大差别。表明管程物料的汽化点在中间换热器，与设计相比下移，因此干点结焦主要集中产生在B/E管束中，与检修时管束的状态一致。回顾该周期初期更换了A/C管束，B管束结焦情况会逐渐增加，成为制约A组换热效果的关键换热器，需要加强观察和监控。

5 结论

S Zorb装置原料换热器E101是影响长周期生产运行的关键设备，并联两组换热器生产运行过程中温度、压降变化均需要关注。通过对近几年换热器运行数据的分析得到，换热器整体结焦表现为管程温升下降，处理量相同的情况下，温升下降越快，结焦情况越严重。初步分析，管程进出口温差小的一组为结焦较大、换热效果较差的换热器。深入分析发现，前几个周期随着运行时间的增加单组管束结焦较另一组管束严重时流量降低，进出口温差增大，出口温度较另一组明显升高，传热系数较小。经该周期运行数据验证，发现目前运行两组换热器仍存在偏流现象，A组结焦多集中在E101B管束中，运行情况稳定，处理量降低时偏流程度降低。汽化点下移至E101B管程中，容易加剧结焦，因此需要加强监控。通过计算可以很好检测原料换热器E101并联两组的结垢情况，直观判断并联换热器的结焦偏流情况，为检修提供一些建议参考。