预冷式表面蒸发空冷器在乙烯装置的应用

侯晓强

（中国石油天然气股份有限公司辽阳石化分公司，辽宁辽阳 111003）

1 改造前存在的问题

某石化公司蒸汽裂解装置E405 为丙烯制冷压缩机出口空气冷却器，利用空气对压缩机出口的丙烯进行冷却，该空冷器为干式空冷器，是1980 年代中期产品。装置经过1986 年、2002年、2007 年3 次改造，生产能力由7.28 万吨年乙烯提升到20 万吨年乙烯。随着装置生产能力的提高和原料轻质化的转变，使得丙烯制冷压缩机的负荷也不断提高，该空冷器的换热能力已达不到生产要求。尤其是在炎热的夏季，随着气温的升高，E405 出口丙烯温度偏高，气相丙烯冷凝率低，使得丙烯接受罐R404 等后续设备时有出现超压情况，造成安全阀起跳，只能通过降低装置负荷来减少制冷量，保证压缩机平稳运行，夏季装置负荷在90%左右运行。

通过采用预冷式表面蒸发空冷器（新型空冷器）来替代干式空冷器（常规空冷器），提高换热能力，增加丙烯气相的冷凝率，解决生产瓶颈问题。

2 预冷式表面蒸发空冷器工作原理及结构特点

2.1 工作原理

预冷式表面蒸发空冷器工作原理：需要冷却的气相丙烯（约80 ℃）首先进入空冷器上部的干翅片管束中进行预冷却，再进入下部的蒸发冷管束（光管管束）进行蒸发冷却。新鲜空气经过下部进风格栅进入设备内部，在引风机作用下由下向上流动，喷淋水（脱盐水）经喷淋系统均匀喷淋在光管束表面，在光管表面形成水膜，多余的喷淋水流入水箱，通过水箱侧面的水泵再将水送至喷淋管循环使用，蒸发所损耗的水量从外部给水管补充。喷淋水在光管表面蒸发，促使内部传热得到强化，空气温度下降或接近空气湿球温度，降温后的空气再送到上部干翅片管束表面，进一步提高了空冷器的传热效果[1-2]。冬季，随着气温下降，可以将喷淋水停掉，只通过与空气换热给介质降温，工作原理如图1所示。

干式空气冷却器的冷却介质为空气，通过风机使环境空气经过干式空冷器管束外面带走热量，从而实现冷却冷凝管内高温介质的目的。

图1 预冷式表面蒸发空冷器原理

通过比较两种形式的空冷器发现，干式空气冷却器受环境影响大，当要求介质出口温度接近夏季的最高环境温度（约40 ℃）时，就不能满足生产要求。预冷式表面蒸发空气冷却器可以弥补这一缺点，可通过调节喷淋水量来控制出口介质温度，可操作弹性大，达到了换热效果[3]。

2.2 结构特点

预冷式表面蒸发空冷器外形结构如图2 所示，主要包括：引风机、翅片管束、喷淋系统、蒸发冷管束、进风格栅、水泵、集水槽、介质入口、介质出口和其他附属设施，蒸发冷管束整体热浸锌，增加管束的抗腐蚀型。

图2 预冷式表面蒸发空冷器外形

干式空冷器一般采用翅片管束结构，管排不宜过多，否则风阻过大且易造成管束积灰结垢，影响换热效果；表面蒸发式空冷器只采用蒸发冷管束（光管束），缺少翅片管束预冷部分，造成喷淋水蒸发量大，水量损失大，且蒸发水蒸汽加重既增加了风机负荷又减少了空气流通量，且周围水蒸气凝结挂冰，不宜冬季运行。因此，预冷式表面蒸发空冷器是干式空冷器和表面蒸发式空冷器的结合体：在蒸发冷管束上增加几排翅片管束，这种空冷器具有较高的综合效益，结构紧凑，管箱采用方箱丝堵式管箱，可以自由分配管程数，同时也方便检修[4-5]。

3 预冷式表面蒸发空冷器技术参数及运行效果分析

3.1 技术参数

工作介质，丙烯；设计/操作压力，2.0/1.77 MPa；进口/出口操作温度，80/44.41 ℃（丙烯40%冷凝）；换热管程数及规格（翅片管/光管），2 程（Φ25×2.5 mm）/12 程（Φ27×2.0 mm）；换热面积（翅片管/光管），125/750 m2。

3.2 运行效果分析

预冷式表面蒸发空冷器于2019 年6 月20 日改造后投入使用，经过夏季、冬季的生产考核，换热效果和气相丙烯冷凝率得到很大提升，满足设计及生产要求。预冷式表面蒸发空冷器与干式空冷器运行参数对比，见表1。

表1 预冷式表面蒸发空冷器与干式空冷器运行参数对比

由表1 中的运行参数可以得出，预冷式表面蒸发空冷器投用后，空冷器出口丙烯温度下降了3 ℃，气相丙烯冷凝比提高了30%，丙烯接受罐压力下降，换热效果满足生产要求。但是，由于改造后空冷器设备压降最大达到110 kPa 左右，超过工艺要求的50 kPa，导致丙烯制冷压缩机C402 出口压力有所上升，严重时压缩机防喘振阀开启，因此需打开空冷器E405 旁路，使得一部分气相丙烯通过后冷却器E404 来降温冷凝，夏季高温时，也会制约装置的生产负荷。

4 设备压降升高原因分析及改进措施

4.1 原因分析

（1）管程增加。由于老装置改造，现场安装空间受限，只允许安装1 台预冷式表面蒸发空冷器，为最大能力提升其换热效果、增加换热面积，延长了工艺介质在换热管束内停留的时间来强化冷凝冷却效果，即蒸发冷管束（光管束）管程数增加，导致设备压降增加[6]。

（2）介质流量增加。装置大检修后，随着生产优化，介质流量相比设计值有所增加。该换热器入口的气相丙烯流量设计值为97 t/h，随着生产优化的深入，介质实际流量值达到120 t/h，甚至更多，比设计值明显偏大，介质流量的增加将导致流速增加，压力损失必然增加。

（3）操作压力波动大。由于气相丙烯的体积流量随着操作压力的不同而相应变化，丙烯制冷压缩机出口的操作压力越高，气相丙烯的体积流量就越小，设备压力损失就越小；反之，操作压力越低，气相丙烯体积流量就越大，设备压力损失就越大，可能因为操作压力波动而引起该换热器设备压力损失发生变化。

4.2 改进措施

从目前运行情况来看，该设备处于过负荷运行状态，丙烯处理量97 t/h、冷凝比40%是该空冷器的最佳运行工况，增加的气相丙烯通过旁路分流（后续水冷承担该部分换热）是保持系统换热、降低设备压降的有效措施之一。但是，为了彻底解决设备压降大的问题，从以下方面进行了改进。

（1）减小设备压力损失。①增加换热管束管排数量同时减少管程的数量，降低管束内介质流速，翅片管束由原来的4 排管束、2 管程改为8 排管束、2 管程，蒸发冷管束由原来的24 排管束、12 管程改为24 排管束、6 管程；②增加该空冷器进口接管管口尺寸，降低介质流速，空冷器进口接管管口尺寸由DN100 变为DN150。

（2）增加换热面积。翅片管束由4 排增加到8 排，换热面积由原先的875 m2增加到1040 m2，满足了气相丙烯流量增加后40%冷凝的要求。

由于空冷器换热管束排数、程数发生变化，空冷器箱体结构做相应的改变，引风机电机功率由15 kW 变为了18 kW。改造后，新工况下该空冷器的设备压降为了50.7 kPa 左右，换热效果和设备压降均满足生产要求。

5 结束语

改造前，全年大约3 个月超压运行，每天按超压8 h 算，每小时损失丙烯0.2 t，折算成全年效益，改造后每年增加效益约230 万元。

预冷式表面蒸发空冷器是一种将水冷与空冷、传热与传质过程融为一体且兼有两者优点的高效节能冷却设备，通过流通的空气、喷淋水与介质的热交换保证降温效果。外界气温较低时，可以停掉喷淋水系统，起到节水效果，符合国家节能减排的政策。预冷式表面蒸发空冷器的结构紧凑，占地空间小，安装维护方便，传热效率高，在炼油、化工领域有着广阔的应用前景[7]。