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專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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上海快3基本走势图一定牛:連續重整纏繞管式換熱器的研制及工業應用

點擊:1689 日期:[ 2014-04-26 21:35:52 ]
                 連續重整纏繞管式換熱器的研制及工業應用                                陳崇剛              (中國石化洛陽石油化工工程公司,河南洛陽471003)     摘要:過去連續重整裝置的混合進料換熱器都是采用全焊接板殼式或直管立式換熱器,由于結構原因,一直存在傳熱效率低或易損壞的問題,使得裝置操作費用高、影響長周期運行。介紹了一種兼具板殼式換熱器和管殼式換熱器優點的,在連續重整裝置中首次采用的纏繞管式換熱器,作為新型的混合進料換熱器的設計、研制和應用情況。該設備具有優良的傳熱工藝性能,又具有耐高溫高壓、抗操作波動的特點,是連續重整裝置中較為理想的高效、高可靠性的設備。     關鍵詞:連續重整;纏繞管;換熱器;研制;應用     中圖分類號:TQ051.5;TQ050.6文獻標識碼:B文章編號:1001-4837(2011)05-0041-07     0·引言     隨著石油化工裝置大型化、煉化一體化的發展,連續重整裝置除了生產油品、產出氫氣外,還擔負著為乙烯和芳烴裝置提供原料的任務,因此連續重整裝置的穩定生產對企業經濟效益的影響越來越重要。     過去,連續重整裝置中混合進料換熱器采用的是板殼式換熱器或直管立式換熱器。但這兩種換熱器都不太令人滿意:     一是板殼式換熱器可靠性差,易損壞,無論國產還是引進的板殼式換熱器均已損壞多臺;     二是直管立式換熱器的換熱效率低,導致換熱器熱端溫差較大,回收的熱量較少,而操作費用較高。     針對這種情況,迫切需要研制一種集板殼式換熱器和直管立式換熱器雙重優點于一身的新型換熱器作為連續重整裝置混合進料換熱器,即該換熱器具有使用安全可靠、不易損壞、傳熱效率高、壓降小、換熱器熱端溫差小、回收熱量多等特點。     因此文中提出在重整和PX裝置上用纏繞管式換熱器作為混合進料換熱器的研究課題。經洛陽石油化工工程公司與鎮海石化建安工程公司、合肥通用機械研究院、華錦集團等單位合作共同研究,解決了換熱器的工藝計算、結構設計、氣液分布、制造等難點,成功開發出可用于連續重整和PX裝置的纏繞管式換熱器,并在華錦集團50萬噸/年連續重整裝置上成功應用,2010年9月通過了中國石化組織的專家鑒定。      1·設計研制      1.1換熱器工藝性能要求     華錦連續重整裝置規模為50萬噸/年,采用UOP低壓連續重整技術?;旌轄匣蝗繞魘瞧渲幸惶ü丶璞?,其作用是將冷側的原料油和氫氣,通過與反應器來的高溫氫氣、油氣進行換熱,換熱后的原料油和氫氣再經加熱爐加熱到重整反應的溫度后進入重整反應器,在催化劑的作用下進行反應。該換熱器在流程中的位置見圖1。     可以看出,如能充分回收反應器流出物的熱量,就可以減少加熱爐的負荷,相應地縮小加熱爐的規模,從而減少加熱爐投資和操作費用。該換熱器的工藝技術參數如表1所示。     1.2換熱器選型     按照一般連續重整中混合進料換熱器的選型慣例,該換熱器可選用圖2所示的全焊接板殼式換熱器或普通直管立式換熱器。     全焊接板殼式換熱器換熱效率高、壓降小、回收熱量多、操作費用小、制造難度大。國外僅一家廠商能夠生產全焊接板殼式換熱器,其波紋板片采用爆炸成型,板束采用全焊接的結構。     經過多年的努力,國內也有一家能夠生產全焊接板殼式換熱器,波紋板片采用機械壓制成型,板束也采用全焊接結構。由于板片厚度薄,一般在0.8~1.2 mm,全焊接板殼式換熱器在應用中必須對管、殼程的溫差、壓差進行嚴格控制,整個運行過程允許的壓力和溫度的波動都很小;而且由于板間距小,極容易發生結垢且難以清洗??悸塹獎咀爸貿霾氖雜褪俏笮囊蟻┳爸錳峁┰?,若選用板殼式換熱器,可能影響到整個乙烯裝置的長期、穩定運行。若選用普通直管立式換熱器,由于換熱效率低,冷側介質混合進料的出口溫度比板殼式換熱器的出口溫度低30~50℃,這意味著需要加大重整加熱爐的負荷,多消耗燃料,而該廠卻沒有足夠富余的燃料氣供應。     面對此局面,洛陽石油化工工程公司、合肥通用機械研究院、華錦集團根據纏繞管式換熱器能耐高溫高壓、傳熱系數高、結構緊湊、密封性能好、體積小、重量輕、安裝費用低、回收熱量多等特點[1]開展研究,最終認為華錦50萬噸/年低壓連續重整裝置的混合進料換熱器完全可以采用纏繞管式換熱器結構,滿足工期、設備可靠性和設備性能的要求。     1.3結構設計     結合纏繞管式換熱器的特點和工藝操作要求,采用了立式纏繞管式混合進料換熱器,其結構設計如圖3所示。該換熱器主要分為下管箱、管束和上管箱3部分。                      1.3.1下管箱     冷介質走管程,從底部進入,其中原料油管從底部彎管處插入到氣體分布板上方后,原料油從中心噴出,與沿底部彎管進入經錐形過渡段、氣體分布板分配后的冷氫在管板前進行充分混合,均勻地進入每根換熱管內,以避免換熱管因發生液體偏流而可能導致傳熱不均,從而影響總的換熱性能。錐形過渡段設計為法蘭連接的可拆卸結構,方便下管箱中氣體分布板的安裝以及換熱管與下管板連接接頭的檢查和維修處理。下管箱結構如圖4所示。                   1.3.2管束     管束是包括換熱器的殼體和上下管板的換熱管芯體部分。熱介質走殼程,從筒體上部進入,殼程出口設在筒體下部。為防止高溫熱流體對換熱管直接沖擊造成換熱管的受熱不均和損壞,在殼程入口設有引導介質流向的擋板。排氣口和排污口分別設在頂封頭和底封頭。為有效分布管束內的殼程介質,減少和消除殼程流體的短路,在管束外面包覆了夾套將殼程中的流體約束于內。結合繞管工藝特點,優化了管徑、管間距、層間距、螺旋纏繞角等參數,有效地消除了可能的流體偏流,保證了管束的換熱性能。     1.3.3上管箱     上管箱主要是管程出口,管箱上接管大小要能方便上管板與換熱管連接接頭的焊接、檢測和維修處理。     1.3.4其他     采用超長鋼管整體纏繞自吸收熱膨脹管束,取消了易損壞的膨脹節,使得結構簡單可靠。設備處于高溫、臨氫環境,殼體材料采用SA387Gr.11 CL1(14Cr1MoR)鋼板、14Cr1Mo鍛件、管板14Cr1MoⅣ+堆焊、換熱管0Cr18Ni10Ti。所有與殼體相焊的接頭,均要求采用全焊透結構。裙座上部與殼體間設置“熱箱”以減小連接處的溫差應力?;蝗裙苡牘馨宓牧硬捎們慷群訃猶偷慕峁?,為了避免管頭的異種鋼焊接,管箱側管板上堆焊了TP309L+TP347。     換熱器的整體設計條件見表2。     1.4研究重點     結合纏繞管式混合進料換熱器的工藝性能要求、操作條件、結構特點、換熱器各部分應用材料及制造加工情況,確定的研究重點如下:      (1)換熱器傳熱和壓降設計計算;     (2)進料分布板的壓降及分布性能研究;     (3)換熱管的晶間腐蝕和應力腐蝕傾向分析。     1.4.1換熱器傳熱和壓降設計計算     依據工藝數據,采用摩爾組分的比例進行密度、導熱系數、動力粘度、比熱容的合成,并進行溫度和壓力的修正,以錯流模型為基礎,用積分方法求得特征間隙,并考慮層間隔條的影響,在兩相無滑移的條件下研究兩相介質流動的傳熱膜系數和阻力的準則方程,形成了低壓連續重整混合進料換熱器的工藝傳熱計算方法。按該方法設計計算出的換熱器主要結構參數見表3。                   連續重整混合進料換熱器的壓力降是該臺設備的重要性能控制指標。由于連續重整裝置是低壓反應流程,換熱器壓降是整個系統壓降的重要組成部分。如果換熱器壓降過大將關系到設備投用后整個系統能否有效運行,因此換熱器的壓力降必須計算準確,保證運行后整個設備的壓力降在允許的范圍內。     對于纏繞管式混合進料換熱器其壓力降是由管程壓降和殼程壓降構成,其中管程壓降主要包括換熱管內的流動壓降、氣體分布板壓降、進出管口和管箱中的壓降等部分;殼程壓降主要包括管束內流動阻力降和進出管口的壓降。本次著重對換熱管內和氣體分布板的壓降進行了研究。單根換熱管是螺旋纏繞在芯體上,介質以氣液兩相進入換熱管,在管內呈螺旋式流動并逐漸被加熱,其中的液體被汽化,在出口端以氣態流出。由于氣液密度的差異,離心力的作用使流動中的氣液兩相發生滑移,導致氣相和液相間發生摩擦,使實際流動阻力比無滑移的相同管徑管長的管內流動阻力更大。因此,在無滑移研究的基礎上,用ProⅡ計算方法進行了驗證性計算,同時還采用了CFD方法進行了模擬和分析。     1.4.2進料分布板的壓降和分布性能研究     氣體分布板壓降除了影響管程壓降外,還關系到氣體通過分布板后的分布均勻程度。通常壓降過小則分布均勻程度差,當氣體與液體混合后,就會在分布板與管板間的混合段內,存在較大的速度梯度,導致液體霧化不均;霧化不均的氣液兩相介質進入換熱管內易形成液體偏流,進而使換熱器總體換熱性能下降。因此,要保障氣體分布均勻,氣體分布板需要一定的壓降,重點研究一個合適開口率和最小壓降之間的關系。     為此采用CFD方法開展了混合進料分布板的壓降和分布性能研究,找到了分布板開孔率和壓降的關系。同時研究了液體分布管的形式和壓降情況,考查了氣液夾帶、漏液點流速,空塔速度與噴霧工況過渡點和液泛點,確保在各種工況下的氣液均勻分布得以保證,且為前端氣體輸送設備預留一定的動力余量。研究中還考查了下管箱錐形過渡段形狀和氣液混合箱高度及大小對氣液分布性能的影響。結合各種工況下的工藝操作參數,確定了合適的分布板開孔率、分布板尺寸、液體分布管開孔率、以及氣液混合箱的高度和大小等結構尺寸。     1.4.3換熱管的晶間腐蝕和應力腐蝕傾向分析     由于纏繞管換熱器用的超長換熱管,一般無縫鋼管的長度難以滿足要求,通常都要拼接,而焊接鋼管的長度可以滿足纏繞管需要,即纏繞管總存在焊縫。新型進料換熱器的換熱管采用0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼焊接管。重整反應中含有微量的氯,所以要避免奧氏體不銹鋼發生應力腐蝕。通過對各工況的工藝介質的分析,雖然含有微量的氯,但整個系統中沒有水存在,因此不會發生因氯而引起的應力腐蝕。即使如此,在設計技術要求中仍然規定了焊接鋼管、堆焊層和不銹鋼焊接接頭進行晶間腐蝕考核,合格后才能用于產品的生產中。     1.5換熱器制造驗收技術條件     為保證研制產品的制造質量,設計專門編制了纏繞管式換熱器制造驗收工程技術條件,對材料化學成分、力學性能、焊接、檢測和試驗等方面進行了詳細規定。制造單位在多年纏繞管換熱器生產經驗的基礎上,對涉及到的全部工藝、焊評、試驗、檢測等進行了試驗驗證,經有關方面評審后,才投入生產,在合同規定的交貨期內制造完成,一次水壓試驗成功,滿足了用戶對工程進度的要求。     2·工業應用     2009年12月10日,設備隨50萬噸/年連續重整裝置開工投入實際工業運行。2010年7月10日,用戶對整個50萬噸/年連續重整裝置進行了滿負荷標定,所研制的纏繞管式混合進料換熱器標定數據表明換熱效果良好,換熱負荷、熱端溫差以及管殼程壓降均達到了預期設計要求。       標定期間設備熱端的端面溫差見表4,換熱器管、殼程壓降見表5。                    裝置開工投用以來,經受住了操作中溫度和壓力波動的影響,至今已連續運行一年多,該設備性能穩定,其熱端溫差和管殼程壓降見表6。                   表明我國首臺用于連續重整裝置的纏繞管式換熱器研制是成功的。經文獻查新證明,將纏繞管式換熱器用于連續重整裝置,在世界上也是首創,填補了一項空白。     3·經濟效益     (1)投資省     采用纏繞管式換熱器投資與國產板殼式換熱器相當,比直管立式換熱器略高,但操作費用可大大降低。     以本項目為例,投資增加了85萬元,但一年燃料消耗可節約245萬元。比進口板殼式換熱器縮短設備訂貨周期半年以上,有效地保障工程進度,而且設備投資減少近千萬元,與國產板殼式換熱器相比投資費用相當。     (2)設備重量輕、材料消耗少纏繞管式換熱器重量比相同換熱面積的直管立式換熱器輕30%~50%以上,金屬材料節約明顯。     (3)節能減排明顯     達到了板殼式換熱器的工藝性能要求,節約了加熱爐燃料,減少了相應的二氧化碳排放。     (4)可靠性好     與板殼式換熱器相比,抗裝置“波動”能力顯著提高,可有效避免生產裝置因操作上的“波動”使設備發生內部泄漏帶來的非計劃停車,從而使生產裝置達到增產、減排的目標。     (5)輔助設施簡單     與板殼式換熱器相比,纏繞管換熱器不容易結垢和堵塞,因此不需設置專門的原料油過濾器。     2010年9月29日,連續重整用纏繞管換熱器通過了中石化組織的專家鑒定。     鑒定意見認為:“重整裝置使用纏繞管式換熱器系國內外首次應用”,“纏繞管式換熱器整體技術達到國際同類產品的先進水平,還可適用于PX裝置的異構化、歧化等物料不容易結垢和自聚的煉油化工裝置”。     4·結語     (1)連續重整用纏繞管換熱器采用超長鋼管整體纏繞自吸收熱膨脹管束,取消了易損壞的膨脹節,結構簡單、可靠;     采用鋼管作為換熱元件,可以承受高壓,且不受設備操作中壓力和溫度波動變化的影響,大大提高了設備運行的安全可靠性;     采用自行開發設計的氣體分布板加液體噴管的氣液分布結構,保障了氣液在換熱管內的均勻進料,且不易堵塞噴管,減少了對液體進料的過濾依賴,具有能耗低、投資省、安全可靠等優點,經濟效益和社會效益顯著。     (2)研制的氣液分布結構,有效地保證了氣液兩相流體在管程內的均勻分布,具有結構簡單、分布性能好的特點。     (3)開發的連續重整纏繞管式換熱器工藝傳熱及壓降計算方法、設計制造技術經工業運行表明是先進、可靠的,能滿足連續重整、歧化等裝置大型混合進料換熱器的工程應用。     (4)纏繞管式換熱器具有換熱效率高、熱端溫差小、管殼程壓降小、運行穩定、抗垢性能好等優點,特別適用于管殼程壓力和壓差大、壓力—溫度波動大的場合,尤其能有效避免在裝置開停工過程中因溫度、壓力波動導致的設備板束泄漏??杉跚嶙爸貌僮魅嗽鋇難沽?。     (5)通過在遼寧華錦集團50萬噸/年連續重整裝置連續穩定運行已一年多的工業考核表明,世界上首臺連續重整裝置用纏繞管式換熱器,達到了板殼式混合進料換熱器的技術性能指標,是完全成功的,可以滿足連續重整和PX裝置同類設備的要求。     參考文獻:     [1]張賢安.高效纏繞管式換熱器的節能分析與工業應用[J].壓力容器,2008,25(5):54-57.
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