高压换热器物流偏流问题分析及优化措施

高压换热器物流偏流问题分析及优化措施
张业涛
【摘要】380万吨/年石脑油加氢装置生产加氢精制石脑油,为轻烃回收单元提供原料,进而为连续重整装置提供合格的精制石脑油原料.装置每次检维修后的开工过程中,反应产物在两路高压换热器中,多次发生偏流现象,严重时其中一路完全走不通.影响装置开工进度,导致上下游多套装置生产波动,影响全公司平稳运行.本文通过对偏流生成原因分析,提出安全合理的解决方法,从根本上解决偏流问题,提高装置安全平稳运行能力.
【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2017(045)023
【总页数】4页(P132-134,146)
【关键词】预加氢;高换;偏流;压降;液化温度
【作者】张业涛
【作者单位】中国石油大连石化公司,辽宁大连 116031
【正文语种】中文
【中图分类】TQ914.1
本装置是根据大连石化分公司生产新区全厂总加工流程安排，在1000×104 t/a常减压蒸馏联合装置内新建一套石脑油加氢处理单元，该装置的原料为俄罗斯直馏石脑油、混合石脑油、催化重汽油和加氢裂化重石脑油的混合物料，主要生产加氢石脑油，为轻烃回收单元提供原料，进而为连续重整联合装置提供合格的精制石脑油
原料。

石脑油加氢单元与1000×104 t/a常减压蒸馏单元、420×104 t/a轻烃回收单元、1#变电所和溴化锂制冷站联合布置组成常减压蒸馏联合装置。

装置采用Shell Global Solution International公司石脑油加氢技术，并采用引进的CRITERION DN-200型(DN-3531)催化剂[1]。

石脑油加氢单元的目的是脱除石脑油中的硫、氮等杂质，加氢产物送至轻烃回收单元回收轻烃，并为重整联合装置提供合格的精制石脑油原料。

来自CDU1、CDU3的直馏石脑油馏分和RHDS、FCCU、HCU装置的汽油馏分混合后进入进料缓冲罐，经石脑油进料过滤器及聚集器过滤，除去原料中的固体杂质及游离水，然后经预加氢进料泵升压，均分为两路，与来自循环氢压缩机的氢气混合，经预加氢进料/产物换热器与反应产物换热升温后，再经反应进料加热炉加热至反应温度，进入预加氢反应器。

经预加氢反应器内预加氢催化剂的作用，脱除原料中的S、N、Cl、As、Pb、Cu 等杂质，反应产物经预加氢进料/产物换热器和反应产物空冷器冷凝冷却，最后进入冷高压分离器进行油气分离，气相产物(循环氢)送回循环氢压缩机入口分液罐循环使用，液相产物送往轻烃回收单元。

补充氢由补充氢压缩机增压后提供[2]。

2.1.1 流程设计特点
石脑油用泵提压后分两路分别与高压氢气混合，分别进入高压换热器E1302A-H 和E1302J-R壳层与反应后的产物换热。

换热到270 ℃左右进入预加氢加热炉
F1301加热到所需的反应温度，进入反应器R1301进行加氢反应，反应后产物再进入高压换热器与进料换热，冷却至90 ℃进空冷冷却到45 ℃后进入高分罐
V1305中进行氢气和石脑油分离，氢气循环至压缩机入口循环，石脑油进入轻烃回收系统。

整个装置流程设计紧凑，高压换热器按上下两层排列，占地面积小。

如图1所示，反应产物在进换热器前上下分为两路进入换热器，一路向上进入上层换热器中，一路向下进入下层换热器中。

在每一组换热器底部出口形成一个“U”
型弯结构[3]。

2.1.2 流程存在的问题分析
由于占地面积上的限制，换热器流程只能按上下两层排列，目前在流程设计上，在总管分为两路时为上下分布，一路向上进入上层换热器，一路向下进入下一层换热器。

如果物流在这个位置为气液两相时，在俩路分离处气液两相就会进行分离，液相在重力作用下，向下进入底层换热器中，氢气向上进入上层换热器中。

液相进入下层换热器中沉积在换热器底部，“U”弯处，当积存的液体量达到一定量时，充满整个“U”型弯处，在换热器底部形成液封，使气相无法通过该处，形成偏流。

石脑油干点为≯180 ℃，石脑油预加氢系统压力为4.0 MPa，换热器反应产物物流为氢气和石脑油油气混合物，预加氢进料氢油比为240～300 Nm3/t，根据Trouton-Hildebrand-Everett方程：
在这个压力下石脑油的液化温度一般为200 ℃以下，在此温度下石脑油就开始有
液相出现。

如表1所示，预加氢换热流程中各点温度显示反应产物在换热流程中
后两组换热器中温度低于200 ℃，石脑油在这个部位开始有液相产生，换热流程
尾端出口为全液相出口。

如果在开工过程中其中一路先产生液相，就会使这一路换热器中的阻力增加，介质在这路中的流速降低，在这路中产生的液体不断增加，当液相充满整个“U”型管后，就造成这一路气相完全走不通，介质完全在阻力小的一路通过，形成偏流。

停工过程中换热器在检修后需要打水试压，在开工进氢气前，在氮气气密和吹扫操作过程中，对高换内的存水吹扫不彻底，留有死角，尤其是反应产物一侧。

并且两路氮气吹扫程度不同，两路换热器中存水量有差别。

进氢气后，在吹扫不彻底的一路中，系统中的水被带至低点“U”型弯处，在此处逐渐形成液封，造成氢气经过该路换热器的阻力增加，根据气体流动的特点，氢气会向低压降处流动，形成偏流。

这个原因造成的偏流一般多发生在上面一路换热器流程中，因为上面一路的低点导
淋排水不如下部方便，更容易发生排凝不够现象，并且在冷氢气循环时偏流就已经发生。

停工更换催化剂，新催化剂为潮湿状态，在开工进料前需要热氢循环脱水，在氢气循环时，水被氢气携带出来。

因为氢气循环初期氢气为冷氢循环，此时携带的水为液相。

在换热器下部“U”型弯处形成液封，造成氢气经过下部换热器的阻力增加，形成偏流。

换热器发生偏流传统解决方法一般就是打开各低点导淋将液体排出，由于预加氢系统为临氢高压装置，现场切液风险很大，易发生着火爆炸事故，而且氢气中还含有高浓度硫化氢，对环境和人身伤害很大，因此需要一个更加合理的方法解决偏流。

在整个管路上取两个点：点A和点B，设上部管路为通路1，下部管路为通路2:
在偏流工况下，对于上部管路来说，其压降Δpf1是流体流动所产生的阻力所形成的，假设流体在管路内稳态流动，根据范宁公式其压降为：
对于下部管路，由于此时管路内气体几乎停止流动，其助力是由于液封助力形成的：由于换热流程为并联，上下出入口为同一出入口，偏流时整个系统压降Δp=Δpf1，要想解决偏流，必须Δp>Δpf2。

显然只有当上部管路的压降Δpf1大于下部管路
压降Δpf2，下部管路的液体才会被慢慢压出u形弯，液封消失。

正常生产过程中，单路换热器压降大概0.001 MPa，开工过程中，由于单路流动，u=2u0，所以得到：
假设下部水封长度为1 m：
要想使就要使气体流速达到1.58倍以上，在实际操作中由于压缩机负荷的限制很
难实现[4]。

要想解决偏流问题，使上部换热器的压降大于下部换热器压降，唯一
的办法就是使上一路也产生与下一路一样的液封，就会使上下两路换热器的阻力相同，从而使不通的一路顺利贯通。

预加氢为密闭循环系统，进料石脑油经反应器加氢脱硫后量基本不变，在正常生产
过程中，反应器出口为全气相状态，在进入高压换热器中时两路量可以实现平均分配，进料侧两路设计有手动控制阀，控制两路进料量相等。

通过(表1)可以看出，
正常运行情况时，上下两路各点温度基本相同，在两路中发生相变位置和量基本相同。

但是当偏流发生的时候，气相物流基本全部从畅通的一路通过，此时进料侧如果还按两路平均进料，冷物流量不变，热物流量为正常时的一倍。

由热平衡公式计算：
其中由于石脑油在200 ℃以上时会发生相变，因此偏流时冷侧温差t1-t2与正常
运行时的温差偏差不大，可得出偏流时热侧物流换热温差T1-T2为不偏流时温差
的一半，其中换热器入口温度不变。

将表1中的数据带入上式中可计算出偏流时热物流换热后出口温度大约为180 ℃
左右[5]。

在这个温度下石脑油液化量有限，很难在换热器中形成有效的液封。

因此，要想在换热器中产生液相。

必需采用非常规的操作方法，就是在进料时通过支路进料控制阀和氢气支路控制阀，使进料只从畅通一路进料。

使之与热物流流量相等，提高这路冷却负荷，使这路气象中所携带的石脑油冷凝下来，产生一定的液封，使系统压降增大，从而推动下部液体流动，当上下液封平衡后，就可以将进料两路量调节一样，就能解决偏流问题。

以上解决偏流方法虽然避免了现场倒淋切液，但是当偏流憋通过程中，高换系统中压力和温度会发生剧烈波动，使高换设备的密封面发生泄漏，对设备的长期安全运行不利。

根据以上偏流原因分析，要避免高换偏流的问题要从优化工艺操作和工艺流程两方面着手来解决。

(1)加强开工过程中氮气气密吹扫操作，在这部操作中将高压换热器中的存水全部
吹扫干净，达到低点倒淋的完全没有液相排出，不能留死角，防止进氢后发生偏流。

(2)优化开工操作规程。

以前开停工过程中提量速度比较快，一般为40 t/h，每次
提量间隔时间一般参考炉入口温度，只要不炉入口温度≮200 ℃，就可以继续提量，一般每次提量间隔时间很短，一般为5～6 min。

按这个速度提量，当第一次提量的油品穿透反应器床层，进入换热器中时，换热器中冷侧物流量远大于热侧物流量，在这种不平衡的状态下，极易引起偏流的发生。

因此在以后的开工进料过程中，建议降低预加氢初始进料速度，把每次提量的间隔时间放宽，由原先参考加热炉入口温度改为参考反应器出口温度。

在每次提的油品已经穿透反应器床层与进料的冷物流在换热器中逆向接触冷却后，再进行下一步提量。

将提量速度降为20 t/h，提
量间隔时间放宽为20～30 min。

使换热器中冷物流量与热物流量一直保持相同，反应产物在上下两层换热器中形成的液相量相同，换热器中各点温度趋于平稳后再进行提量。

当进料量达到一定量时，上下两路已经产生相等量的液相后，上下两路的阻力基本相等，这时可以适当提高进料速度，就可以有效避免进料过程中发生偏流。

由于装置占地面积有限，使两路换热器水平分布很难实现。

根据流程存在的问题分析，要想避免偏流，只要实现反应产物在两路分离时在同一个水平面上，就可以解决反应产物在流程分离点出现气液上下分离的现象。

因此在流程优化上，可将反应产物两路分离点提高至上层换热器之上，水平分为两路之后再向下进入上下两路换热器中。

这样设计可使气液在水平分离点处均匀分为相等量的气液两相，有效的避免了液相在重力作用下与气相进行完全分离的问题发生。

使上下两路内的液相分布相同，使上下两层中压降相同，可以从根本上解决偏流问题。

通过对偏流产生原因分析，结合本装置流程特点，对预加氢系统开工方案和工艺流程进行优化，在方案中明确了开工过程中石脑油进料过程中的速度和提量间隔时间，在后来预加氢系统多次开工过程中高压换热器偏流问题得到根本解决。

避免了现场切液及监盘操作不当而导致的环境污染、人身伤害及设备损坏的事情发生，开工过
程中保证一次成功，实现“零”事故、“零”泄漏、“零”污染的目标。

【相关文献】
[1] 中国石化集团洛阳石油化工工程公司.中国石油天然气股份有限公司大连石化分公司加工进口含硫原油技术改造工程可行性研究报告[R].2004.
[2] 张明富.常减压联合装置操作规程[R].2006.
[3] 中国石化集团洛阳石油化工工程公司.加工进口含硫原油技术改造工程专利装置基础设计工艺包1000×104t/a常减压联合装置[R].2004.
[4] 戴猷元,余立新.化工原理[M].北京:清华大学出版社,2010.
[5] 唐孟海,胡兆灵.常减压蒸馏装置技术问答[M].北京:中国石化出版社,2004.。