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连续重整混合进料换热器运行特性分析

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重整反应系统流程及特点

浙江石油化工有限公司（浙江石化）3.8Mt/a连续重整装置是浙江石化40Mt/a炼化一体化工程炼油板块的重要组成部分，也是目前全球单套规模最大的重整装置。图1和图2分别为一期和二期重整反应系统流程。

重整进料经升压后送至重整混合进料换热器与重整循环氢混合并与反应产物换热，之后进入进料加热炉（图1中8.1）继续加热至重整反应所需温度，随后进入第一反应器，在临氢条件下进行重整反应。由于重整反应是吸热反应，反应产物温度降低，经反应器流出进入第一中间加热炉（图1中8.2）升温至反应温度后进入第二反应器，继续在第二反应器中进行重整反应。依照以上相同的过程，反应产物依次进入第二中间加热炉（图1中8.3）、第三反应器和第三中间加热炉（图1中8.4）、第四反应器、第四中间加热炉（图1中8.5）和第五反应器。一期和二期重整反应流程的不同之处：一期换热部分由两台焊接板式换热器并联，二期采用单台缠绕管式换热器。

连续重整装置设计特点：两期四系列3.8Mt/a重整装置的热壁径向反应器空间分布均采用“3+2”重叠式方案，即第一、二、三反应器和第四、五反应器两组自上而下呈两列布置。与以往的“2+2”重叠式设计相比，反应器内部催化剂的填充量增加，且催化剂流体在反应器中的床层厚度减小，该设计方案不仅提高了重整反应的芳烃转化率，也避免了开停工期间反应器内件因热应力而受损。重整反应属于强吸热反应，加热炉的设计是一个重要环节，该装置反应系统采用“3+2”供热，即进料加热炉、第三中间加热炉和第四中间加热炉组成三合一炉，第一中间加热炉和第二中间加热炉分别设置两个串联炉膛，组成二合一箱式加热炉，为重整反应的进行提供有力热源。

重整进料换热器

当前，国内新建连续重整装置逐步迈入大型化阶段，与之相配套的换热设备也开始朝着大型化、高效化的方向发展。就连续重整反应系统而言，其混合进料换热器从最早的直立管式换热器，逐步被替换成焊接板式换热器或缠绕管式换热器。浙江石化一期/二期3.8Mt/a连续重整装置换热系统工艺设计参数如表1所示。

根据表1中的工艺参数要求，若焊接板式换热器单台设计，需筒体内径mm，筒体长度mm。一期重整选用2台板式换热器并联，筒径为mm。若选用缠绕管式换热器单台设计，需筒体内径mm，筒体长度mm，镇海石化建安工程有限公司在该领域有比较成熟的经验，能够满足二期重整单台缠绕管式换热器制作要求，筒体直径mm，筒体长度mm。

01

一期重整进料换热器

一期连续重整装置进料换热部分选用2台大型焊接板式换热器并联的形式，其单台设备内部结构如图3所示，该类型换热器主要由压力容器中的传热板束和壳体组成，并配有两个喷淋管。板束基本传热材料是由约0.9mm厚的SS不锈钢板在水下爆炸成形，两片波纹板堆叠放置，再沿边缘焊接密封，形成一个封闭单元，若干个封闭单元再次堆叠焊接组成换热板束。

逆流热传递在板束内部完成，热流体从顶部进入换热器，向下流动进行冷却换热，冷料从下端进入换热器，向上流动进行加热。浙江石化一期重整混合进料换热器机械设计参数如表2所示。

一期连续重整装置自年12月投料以来，反应系统混合进料换热器运行正常。该套装置在年4月进行满负荷标定，装置运行平稳且各项产品指标均接近于设计值。系统满负荷运行时，重整混合进料焊接板换式换热器运行实际参数与设计参数如表3所示。

重整混合进料换热器（单台）冷进料为两股流体%满负荷的混合：重石脑油原料温度为℃，流量为.74t/h，密度为.3kg/m3；循环氢进料温度为℃，流量为44.95t/h，密度0.kg/m3。由表3可以看出：在该工况下（不考虑进料组分），冷、热进料量的实际值接近设计值时，焊接板式进料换热器热端温差明显高于设计值，换热量稍低于设计值。

02

二期重整进料换热器

二期连续重整装置混合进料换热器设计采用了镇海石化建安工程有限公司独有的大型高效单旋式缠绕管换热器，具有结构紧凑、泄漏点少等特点。该换热器由壳体和芯体组成，芯体的换热管螺旋状交替缠绕在中心筒上，不同层换热管间设有定距管。结合该型换热器设计特点和工艺操作要求，采用立式结构：冷介质（重石脑油）走管程，从底部进入，顶部流出；热介质走壳程，从壳体上部进入，壳体下部流出。二期重整缠绕管式换热器设计参数如表4所示。

二期连续重整装置自年3月开工投料以来，运行平稳且产品满足指标要求，相关设备运行状况良好。由于浙江石化40Mt/a炼化一体化项目一期和二期先后逐步投产，受上游供给量限制，现阶段装置最大运行负荷稳定在80%左右。焊接板式换热器在长时间运行过程中，若连续重整进料的重组分含量多，易结焦，导致产物侧压力降升高。通常采用芳烃溶解或化学药剂进行杂物清洗，但需装置停工处理，不仅耗费时间，而且化学试剂会腐蚀波纹板。板式换热器在开停工过程中必须严格遵循生产商提供的加热冷却速率和相应的最长容许时间、容许温阶、稳定周期等，给操作带来不便。

两种类型进料换热器运行特点

通常，通过测得换热器热端温差来衡量重整进料换热器的换热深度，热端温差越小，换热器效率越高。反应物料进出口的压力降也影响着换热器的长周期运行。鉴于以上原因，提取年3月1日至年10月12日时段内一期和二期重整进料换热器各项运行数据，分析两种进料换热器在反应苛刻度相同和变化两种工况下，其热端温差和反应物料压力降两项运行指标的响应特性，如图4~5所示。

从图4可以看出，在指定时段内一期重整进料量在~t/h范围内调整（即60%~%负荷），进料量提高热端温差变大，进料量降低热端温差减小，最小值29.07℃，最大值37.37℃；换热器产物侧压力降与进料量也同样呈正相关变化，最小值41.88kPa，最大值76.44kPa。

如图5所示，二期重整进料量在~t/h范围内调整（即60%~80%负荷），热端温差和产物压力降随着重整进料负荷基本上保持同步变化趋势。

01

形同负荷工况两种换热器的运行特性

比较在相同进料负荷下，两者的热端温差和反应物料压力降的变化趋势。分别从一期和二期重整装置平稳操作期间（原料组分和操作参数稳定）的相同时刻提取出，，，，t/h5组进料负荷，各组进料负荷取3个波动点求平均值。观察在每一组数据下两种换热器的特性差异，见图6~7。

如图6所示：在相同进料负荷下，缠绕管式换热器的热端温差明显低于焊接板式换热器，相差5~7℃；随着进料负荷逐步提高（60%~80%范围内），二者的热端温差基本保持不变。如图7所示：在相同进料负荷下，缠绕管式换热器的反应产物压力降明显低于焊接板式，相差15~20kPa，由以上分析可知：在特定工况环境下，相比焊接板式换热器，缠绕管式换热器特性优于前者。

02

变化负荷工况两种换热器的稳定性

重整进料换热器是否具备较强的抗波动能力，关乎其长周期平稳运行。分析在进料负荷变化的工况下，两种换热器的响应特性，即热端温差和反应物料压力降的变化率。分别从一期和二期重整装置平稳操作期间（原料组分和操作参数稳定）的相同时刻提取运行数据，进料负荷在~t/h，得到热端温差和反应物料压力降的区域散点图，如图8~9所示。

从图8~9可以看出，这些点符合自变量（重整进料量）与因变量（反应物料压力降、热端温差）之间的线性相关。利用软件进行线性拟合，通过线性回归分析得出进料负荷变化时反应物料压力降和热端温差的变化率，如表5所示。

由表5可知，缠绕管式换热器的反应物料压力降变化率是焊接板式换热器的0.6倍，而前者的热端温差变化率是后者的1.4倍。说明当重整进料负荷波动时，缠绕管式换热器在反应物料压力降的变化表现出较强的稳定性，而焊接板式换热器在热端温差的稳定性优于前者，但缠绕管式换热器的结构设计足以克服热端温差的波动，其内部独特的缠绕方式和伸出端柔性段设计，可自行补偿管壳程的温差应力，具备更强的抗热冲击性能。

总结

（1）当前大直径焊接板式换热器在设计与制造方面不够成熟，而缠绕管换热器在该领域有所突破，大型连续重整装置选用单台缠绕管式换热器比两台板式换热器并联更有优势。

（2）相同负荷工况下，相比焊接板式换热器，缠绕管式换热器热端温差和反应物料压力降均低于前者，换热效率高。变化负荷工况下，缠绕管式换热器的压力降稳定性好，温差稳定性不如板式换热器。但缠绕管式换热器管束的柔性设计可自行补偿管壳程的温差应力，具备更强的抗热冲击性能，稳定性好。

（3）缠绕管式换热器壳程介质的流通对管壁有冲刷作用，不易结垢和结焦，同时取消了折流板，减少了内部易结垢的死区或死角。

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