加氢裂化装置高压换热器选型分析

加氢裂化装置高压换热器选型分析陈立国，韩崇豹，杭伟亮（恒逸实业（文莱）有限公司，浙江省杭州市３１１２００）摘要：螺纹锁紧环式换热器是固定床加氢裂化装置中常用的传统换热器。缠绕管式换热器２００７年开始应用于高压加氢装置，是一种结构相对紧凑的高效换热设备。对两种类型换热器的结构特点、工艺处理能力、实际应用经验和数据分析等方面进行了对比。结果表明，缠绕管式换热器可靠性较高，发生管／壳程内漏的风险相对较小；压力降小，可降低装置能耗；换热面积大，处理能力大，可节约用地、材料及施工费用。随着蜡油加氢裂化装置大型化的发展趋势，缠绕管式换热器的应用将更有优势。关键词：加氢裂化装置　螺纹锁紧环　缠绕管　高压换热器　　螺纹锁紧环式换热器是高压加氢装置上常见２０世纪７０年代由美国Ｃｈｅｖｒｏｎ公的换热器之一，司和日本千代田公司共同开发研究成功。历经几十年的发展，其制造水平不断提高，已在炼油、化工、煤气化等领域广泛应用。缠绕管式换热器是一种结构紧凑的高效换热设备，其结构形式不同于传统的管壳式换热器，近年来已被广泛应用于炼油、化工、煤气化、空分等领域。该文主要对两种换热器进行对比，分析加氢裂化装置高压换热器的选型。１　加氢裂化装置高压换热器应用情况１．１　高压换热器应用位置［１］加氢裂化装置反应系统典型的流程见图１。图１　反应系统典型流程Ｆｉｇ．１　Ｔｙｐｉｃａｌｆｌｏｗｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｅａｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ收稿日期：２０２０－１１－２０；修改稿收到日期：２０２１－０１－２０。作者简介：陈立国，工程师，２００８年毕业于吉林化工学院，从事加氢装置生产管理工作。联系电话：１３８９８６０５００２，Ｅｍａｉｌ：ｃｈｅｎｌｉｇｕｏ１１１＠１２６．ｃｏｍ。

　　反应进料与氢气混合后与反应产物换热，进入加热炉达到反应所需温度后进入反应器；反应产物与汽提塔底油换热后进入热高压分离器；热高压分离器气相先后与氢气、冷低分油换热，经高压空冷器进入冷高压分离器；冷高压分离器气相经过脱硫后，进入循环氢压缩机，而后一部分作为急冷氢，一部分经反应进／出料换热器返回反应器。图１中有５台高压换热器，Ｅ０１～Ｅ０５。不同的专利商设计的具体高压换热器台数不同，但基本上都在图１所示工艺位置。１．２　高压换热器常见问题（１）压力降大小直接影响装置能耗加氢裂化装置高压换热器大部分应用于循环氢回路，此回路中压力降的大小直接影响循环氢压缩机的能耗。对于一次通过的加氢裂化装置，循环氢压缩机的能耗约占装置总能耗的１５％～３０％［２］。因此，高压换热器压力降的大小对装置能耗影响较大，较小的压力降有利于降低装置运行成本。（２）换热器运行条件苛刻加氢裂化装置为高压、临氢工艺环境，对设备、材料要求高，部分紧急事故的处理需要对反应系统进行０．７ＭＰａ／ｍｉｎ或２．１ＭＰａ／ｍｉｎ泄压［３］，此时高压换热器压力快速下降，温度上升较快，容易出现泄漏、火灾等事故。（３）大型化增加制造难度随着近年来装置大型化的迅速发展，高压换热器规格越来越大，加工难度增加。对于螺纹锁紧环式换热器，直径大于１６００ｍｍ为大型，加工难度较大，管板容易变形、平整度要求苛刻，更容易出现内漏问题。近两年已经出现１８００ｍｍ的螺纹锁紧环式换热器，但制造难度更大，内漏风险也更大。（４）氮、硫等杂质含量高易腐蚀结焦加氢裂化装置进料氮质量分数大部分在５００～２０００μｇ／ｇ［１］３１４，反应产物中存在的氨将与硫化氢或极少量的氯化氢结合生成铵盐。加氢裂化装置铵盐结晶温度主要为１６０～２１０℃［４］，反应产物中氨含量越高结晶温度越高，且氯化铵较硫氢化氨更容易结晶，需要采取间断注水和连续注水溶解铵盐，以防止垢下腐蚀、铵盐冲刷腐蚀导致换热器内漏、管束穿孔等。加氢裂化装置原料可为脱沥青油、催化裂化柴油、焦化柴／蜡油、直馏柴／蜡油等，反应进料／反应产物换热器操作温度一般在１９０～４４０℃，反应原料中的芳烃、胶质、沥青质等极易导致高压换热器结焦，杂质含量越高越容易发生结焦。结焦将使换热效率降低、压力降上升，严重时导致装置无法继续运行。２　两种换热器的技术比较（１）螺纹锁紧环式加氢裂化装置上常用的螺纹锁紧环式换热器从结构形式上可分为高高压形式和高低压形式。螺纹锁紧环式换热器的主体密封主要为两大部分，一是管程侧的密封，二是壳程侧的密封。如装置运行过程中出现管程泄漏或管程与壳程间泄漏，不必停工，紧固相应内圈或外圈压紧螺栓，即可达到密封目的。（２）缠绕管式缠绕管式换热器主要由壳体、芯体及其接管等组成。其中芯体比较复杂，由中心筒、换热管、垫条、管卡等组成，见图２。换热管紧密地绕在中心筒上，用平垫条及异形垫条分隔，保证管线之间的横向和纵向间距，垫条与管子之间用管卡固定连接，换热管与管板采用贴胀＋强度焊的连接形式，管板与壳体／管箱之间焊接。图２　缠绕管式换热器芯体Ｆｉｇ．２　Ａｐｐｅａｒａｎｃｅａｎｄｃｏｒｅｏｆｓｐｉｒａｌｗｏｕｎｄｅｘｃｈａｎｇｅｒ对于大型高压加氢装置缠绕管式换热器，管程的出／入口法兰一般可作为检修人员进入管箱的通道。（３）两种换热器的综合比对情况见表１。３　国内应用概况国内加氢裂化装置高压换热器大部分采用螺纹锁紧环式换热器，但在开工过程甚至长周期运行中存在一些问题。

表１　两种换热器的综合对比Ｔａｂｌｅ１　Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ项　目制造工艺及制造周期设备大型化换热效率密封性能压力降占地面积缠绕管式换热器　制造工艺繁琐，单台设备价格较高；约１６个月２　比较容易实现大型化，单台换热面积可达２５０００ｍ以上２３　结构紧凑，传热面积可达１００～１７０ｍ／ｍ，换热管壁较薄，热效率较高螺纹锁紧环式换热器　机加工精度、装配精度要求高，精度不够时容易出现４个月内漏；约１　一般认为直径大于１６００ｍｍ的为大型，１８００ｍｍ以上制造难度更大，相对容易出现质量问题　普通管式换热器，单位体积的传热面积一般，热管直径相对较大，管壁较厚，换热效率较低　主体密封由管程侧和壳程侧的密封组成，易受操作波动影响，相对容易发生泄漏　压力降较缠绕管式大　受限于单台制造能力，卧式布置，加之管道布置空间，占地面积较大　管板与壳体直接焊接，减少了密封泄漏点，更加可靠　可一台替代数台，压力降小；某炼化公司改用缠绕管换热器后，管／壳程压力降分别减小７０％，４４％　可一台替代多台螺纹锁紧环式换热器，立式布置，省去管道布置空间，占地面积明显减少　　近些年，缠绕管式换热器在加氢装置的应用逐渐广泛，国内使用缠绕管式换热器的高压加氢装置在２０套以上。首次使用缠绕管式换热器替代传统的高压螺纹锁紧环式换热器为某１．５Ｍｔ／ａ加氢裂化装置，具体为反应进料／反应产物换热器、分馏塔进料／反应产物换热器。该装置于２００６年１２月建成中交，２００７年３月开车成功，目前运行良好。３．１　缠绕管式换热器应用实例一某炼油厂１．３０Ｍｔ／ａ蜡油加氢裂化装置原料为９０％减压蜡油加１０％焦化蜡油，设计干点为５５０℃，实际运行时原料干点约５１０℃。缠绕管换热器应用位置：反应进料／反应产物换热器Ｅ８１０１、冷低分油／反应产物换热器Ｅ８１０２、低温热水／反应产物换热器Ｅ８１０３。该装置２０１１年首次开工至今运行良好，换热效率高，反应加热炉低负荷运行；反应系统压力降低，循环氢压缩机出入口压差在０．９～１．１ＭＰａ。２０１３年７月检修，壳程光亮干净未见结焦和堵塞情况，管程畅通。因此换热器未进行任何检修处理。３．２　缠绕管式换热器应用实例二某炼油厂３．８４Ｍｔ／ａ蜡油加氢裂化装置原料为１００％减压蜡油，设计干点为５７５℃，实际运行６５～５８０℃，装置开工７个月内原料原料干点为５７２．４℃。最初设计应用螺纹锁紧的平均干点为５环式换热器，后来改用缠绕管式换热器，改用前后对比见表２。表２　换热器数量变化Ｔａｂｌｅ２　Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ设备名称一级进／出料换热器Ｅ０１二级进／出料换热器Ｅ０３螺纹锁紧环式４６５９．７６４９．１２缠绕管式１１５９．７６４９．１２台数总负荷／ＭＷ台数负荷／ＭＷ总结该装置开工后７个月内的数据，Ｅ０１壳程压力降、装置负荷趋势见图３。Ｅ０３壳程压力降、冷端温差、热端温差等参数及装置负荷趋势见图４。图３　装置负荷与Ｅ０１壳程压力降Ｆｉｇ．３　ＬｏａｄｏｆｕｎｉｔａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｏｆＥ０１ｓｈｅｌｌｓｉｄｅ在７个月的运行过程中，Ｅ０１管程入口温度约３２０℃，Ｅ０３管程入口温度约３９０℃，壳程介质皆为反应进料。由图３～４可见，换热器压力降未表现出增加趋势；冷端温差、热端温差在负荷稳定情况下也较平缓，未表现出换热效率下降趋势。６个月，换热设备未出现目前该装置连续运行近１任何问题。

图４　装置负荷与Ｅ０３运行数据曲线Ｆｉｇ．４ＤａｔａｃｕｒｖｅｆｏｒｕｎｉｔｌｏａｄａｎｄＥ０３ｒｕｎｎｉｎｇ４　经济分析４．１　采购费用２０１９年，对于某２．０Ｍｔ／ａ柴油加氢裂化装置，不同的制造商分别给出了缠绕管式换热器和螺纹锁紧环式换热器的方案及报价。根据此应用实例分析，在相同的工艺位置，１台缠绕管式换热器替代２台螺纹锁紧环式换热器时，两种方案的采购费用相差不大。但若以１台缠绕管式换热器替代更多台螺纹锁紧环式换热器，采购费用可减少约１５％～５０％。４．２　运行费用以表１中提到的某炼化公司柴油加氢裂化装置为例，反应产物／反应进料换热位置实现了１台缠绕管式换热器对于６台螺纹锁紧环式换热器的替代。单台缠绕管式换热器的管／壳程压力降分别减小７０％和４４％，显著降低了装置循环氢压缩机能耗。４．３　材料及施工费用对于高压加氢装置，反应系统管道对材质要求高，且管壁厚度大，材料及施工费用较高。在同样的换热负荷下，应用螺纹锁紧环式换热器时，因设备数量多，配管过程中各个换热器之间的管件多、焊口多。应用缠绕管式换热器，设备数量明显减少。如４．１中提到的２．０Ｍｔ／ａ柴油加氢裂化装置，实现了１台缠绕管式换热器对多台螺纹锁紧环式换热器的替代，粗略计算，此换热流程局部０％。的管道及管件的成本及施工费用减少了７对于大型加氢裂化装置，管道壁厚更大，其应力也更大，管线路由复杂，管道材料及施工费用的差别更加明显。５　结　论（１）根据缠绕管式换热器结构特点及装置运行情况分析，其可靠性高，发生管／壳程内漏的风险相对较小。而大规格的螺纹锁紧环式换热器制造难度大，技术要求高，在可靠性方面不占优势。（２）缠绕管式换热器压力降小，相对于螺纹锁紧环式换热器能够降低装置能耗。（３）缠绕管式换热器的换热面积大，处理能力大。在同样的工艺位置，相对于螺纹锁紧环式换热器，设备数量减少，节约用地，材料及施工费用也减少。对于大型装置，优势尤为明显。（４）螺纹锁紧环式换热器在高压加氢装置中应用非常成熟，但因其换热面积、处理能力所限，大型加氢裂化装置往往需要设置多台甚至是双系列。而缠绕管式换热器因制造复杂，成本较高，完全应用缠绕管式换热器设备投资较高。在换热负荷较高时，使用单台缠绕管式换热器替代多台螺纹锁紧环式换热器将明显减少设备投资。参考文献［１］韩崇仁．加氢裂化工艺与工程［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２００１：４７９．［２］曲传艺，王天生．１．６Ｍｔ／ａ加氢裂化装置节能降耗运行分析［Ｊ］．炼油技术与工程，２０１５，４５（１０）：５９．［３］李立权．加氢裂化装置事故案例及分析［Ｊ］．炼油技术与工程，２０１６，４６（１２）：５．［４］高国玉，李立权，陈崇刚．加氢装置中氯的危害及其防治对策［Ｊ］．炼油技术与工程，２０１３，４３（９）：５３．（编辑　杜婷婷）（下转第７２页）

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