加氢裂化装置高压换热器选型分析

导读

螺纹锁紧环式换热器是高压加氢装置上常见的换热器之一，20世纪70年代由美国Chevron公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。本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。

加氢裂化装置高压换热器应用情况

加氢裂化装置反应系统典型的流程见下图。

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。

上图中有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，但基本上都在上图所示工艺位置。

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%。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，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/g314，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℃，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。

两种换热器的技术比较

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。

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，见下图。

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。

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。 

情况见下表。

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。

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。

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。

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℃，实际运行原料干点为565~580℃，装置开工7个月内原料的平均干点为572.4℃。最初设计应用螺纹锁紧环式换热器，后来改用缠绕管式换热器，改用前后对比见下表。

总结该装置开工后7个月内的数据，E01壳程压力降、装置负荷趋势见下图。

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下图。

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。目前该装置连续运行近16个月，换热设备未出现任何问题。

经济分析

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%。

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。

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，此换热流程局部的管道及管件的成本及施工费用减少了70%。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。