乙烯裂解炉大能力第二急冷换热器的设计与应用

毛小亮 孙建兵 刘韫砚

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司）

乙烯装置的核心设备是裂解炉，急冷换热器是乙烯裂解装置中工艺性较强的关键部分，在裂解装置中主要承担了两个任务：一是将裂解炉中的高温裂解气通过急冷换热器急冷，避免发生二次反应，保证烯烃收率不下降；二是把裂解气中的高位热能以高压蒸汽的形式回收，降低能耗，提高乙烯装置的经济性［1］。该设备的运行状况直接关系到裂解炉能否长周期安全稳定运行。

随着国内乙烯产业向着大型化发展，单台裂解炉的能力不断增加，对急冷换热器的处理量、裂解气停留时间［2］、换热面积、出口温度、周期要求日益严格。针对上述问题，笔者设计了一种大型二级急冷换热器系统。

1 急冷换热器工艺特性和结构特性研究

裂解气急冷换热器的管板必须承受蒸汽压力造成的负荷，并允许管束和壳体间有不同的膨胀。对于火管式急冷换热器，若采用较厚的管板，厚管板水侧和工艺气侧的压力、温度差异较大，造成厚管板本身产生很大的温差应力。同时，由于管板厚度大、挠性小，换热管与筒体之间的热膨胀差引起的温差应力得不到吸收，都会施加到换热管-管板的焊缝上，极易引起火管式急冷换热器换热管和管板间的焊缝失效。另外，管板较厚，管板与换热管轴向环隙过长，易发生盐类在环隙中浓缩结垢和应力腐蚀。因此，大能力第二急冷换热器上下均应采用挠性薄管板和弹性连接件来吸收部分换热管和筒体的热膨胀差。挠性薄管板和弹性连接件固有的弹性吸收了部分换热管和壳体之间的热膨胀差，有利于管、壳程温差的热补偿；由于管板较薄，管板两侧的温差也较小，这就减小了管子-管板和筒体-管板失效的可能性。

换热管与管板的连接处是入口管板最危险的部位，所以换热管与管板的焊接十分重要。以往一般采用开槽胀接、带密封焊的开槽胀接或强度焊等方法，这在苛刻的高温高压操作条件下并不适宜，单一的强度焊虽然能耐较高的温度和压力，但多次的冷热循环后，焊口容易产生疲劳裂纹。另外，由于换热管与管板间存在间隙，虽经胀接紧密，但多次热循环后，少量炉水进入间隙，间隙中的炉水蒸发、浓缩、结垢易产生间隙腐蚀。针对这些缺点，挠性薄管板与换热管的焊接采用内孔焊，内孔焊不仅有好的焊缝强度，而且可消除换热管与管板之间的间隙，不会发生间隙腐蚀，内孔焊还可以使焊缝处于水侧的冷却之下，降低焊缝温度，提高焊缝的可靠性。

进入第二急冷换热器的裂解气温度较高、流速较大、热流密度较高，一旦发生流量分配不均或偏流现象，将引起整个管板和换热管入口温度分布不均，而且，在这种情况下，第二急冷换热器入口流道（分配器）也容易变形和损坏。为了将裂解气均匀分配到每一根换热管中，需要对第二急冷换热器入口流道进行流体动力学计算，用国际通用的计算流体动力学软件CFX对第二急冷换热器入口流道进行模拟，通过多方案比较最终确定合理的工艺气入口流道长度和扩展角大小。

2 大能力第二急冷换热器设计

某大型石化企业新建百万吨乙烯项目，单台裂解炉处理能力达15万吨/年，该裂解炉急冷系统采用二级急冷技术。第一急冷换热器采用线性急冷换热器，裂解气停留时间短、没有流量分配问题。第二急冷换热器（SQE）采用立式挠性薄管板列管式急冷换热器，此类换热器具有处理量大、换热面积大的特点，能更大程度上降低急冷换热器的出口温度。

笔者根据急冷换热器工艺特性和结构特性进行设计。该第二急冷换热器涉及类别为Ⅲ类，筒体直径1 820 mm，布置有502根换热管，有效换热管长7 200 mm，换热管规格φ51 mm×4.5 mm，换热面积579.1 m2。工艺裂解气走管程，上进下出；锅炉给水/蒸汽走壳侧，下进上出。锅炉给水（BFW）来自于一个共用的高压汽包，采用自然循环方式，通过上升、下降管组成循环回路，并由此产生高压蒸汽。为了安全运行，必须保证壳侧有连续和均衡的锅炉给水，在最低处设置排污装置，在最高处设置排汽装置。设备设计参数详见表1。整体结构如图1所示。

表1 大能力第二急冷换热器的设计参数

图1 大能力第二急冷换热器的结构图

2.1 挠性薄管板结构设计

大能力第二急冷换热器采用挠性薄管板设计。采用ANSYS有限元分析软件，对管桥区、管束和壳体之间的翻边区进行严格的应力分析和应力评定，以确保挠性薄管板设计的可靠性。挠性薄管板管板结构如图2所示。因第二急冷换热器结构和载荷具有对称性，取其四分之一进行有限元应力分析，图3、4展示的是计算模型和网格图。

图2 挠性薄管板结构图

图3 有限元计算模型

图4 有限元网格图

对挠性薄管板管板结构进行温度场和应力强度分析，可得如图5、6所示结果。有限元分析结果表明，该结构设计满足各工况条件下强度评定要求。

图6 应力强度云图

2.2 裂解气的流量分配

裂解气采用两个入口，从SQE上部管箱两侧进入，通过入口分配器进入换热管，入口分配器采用CFX辅助模拟设计，以便获得最佳的流量分配。入口分配器结构如图7所示。

图7 入口分配器结构图

CFX模拟辅助设计先根据无分配器的极端工况进行流体动力学（CFD）模拟，通过对模拟结果的分析，针对需要改善的流动问题，精准设计优化分配器结构，使裂解气分两路进入大型急冷换热器的入口管箱后，经气体分配器和管箱之间的夹套空间向上流动，在分配器的上端，流体充分混合后向下流过分配器管内，进入换热器布管区，对此分配器进行模拟优化，从而得到最优结构参数。图8分别是无分配器和有分配器的换热管束出口质量流量云图。对两种工况进行模拟比较，分配器的急冷换热器换热管内流体分配匀度达98%，远高于未设分配器的85%，说明该入口分配器结构设计合理、可靠。

图8 管束出口质量流量云图

2.3 换热管与管板连接设计

换热管与管板采用内孔焊，换热管与下管板上表面、上管板下表面进行全焊透，不仅有好的焊缝强度，而且消除了管子与管板之间的间隙，不会发生间隙腐蚀，内孔焊可以使焊缝处于水侧的冷却之下，降低了焊缝温度，提高了焊缝的可靠性，较传统的换热器-管板连接结构更先进，安全性更好，结构设计如图9所示。

图9 换热管与管板连接结构（内孔焊）图

2.4 壳体部分变径段设计

第二急冷换热器壳体部分分别在上管板与下管板附近增加两个变径段，可大幅度减小管壳程的温差应力，起到类似于膨胀节作用的效果，结构设计如图10所示。

图10 壳体部分变径段结构图

3 试验件的应力测试

为了进一步验证该急冷换热器设计的可靠性和合理性，制作了与之结构相近、材料相同、尺寸比例相似的强度试验件，采用电阻应变测量法［3］对试验件进行应力测试，根据试验件的结构特点布置各测量点，确定各部位应力的大小、方向及其分布规律。测量测试中除了进行设计压力下的应变测试，还对6.0、8.0、10.0、12.5、17.5 MPa各压力等级进行应变测试，记录了加载与卸载过程中的全部应变值。在全部测试过程中，所有接头无任何泄漏现象。分析从各测试点所得到的应力值，可以看出管板上高应力的点几乎集中在管孔与筒体连接处的附近，在筒体部分，最大应力在周向应力，尤其是小筒体向大筒体开始过渡处。从测试结果看，该急冷换热器设计是可靠可行合理的。

4 应用情况

笔者设计的第二急冷换热器于2020年9月正式投用。乙烯裂解炉经历了几十个运行周期，换热器运行平稳，未发生泄漏事件，各项指标均在设计范围内，管程出口温度320 ℃，满足工艺出口温度低于342.9 ℃的要求。从长期跟踪数据来看，急冷换热器换热效果达到了设计要求，运行末期和投用初期温升平缓且在设计范围内。

5 结束语

笔者设计的大能力第二急冷换热器采用立式挠性薄管板急冷换热器，具有如下优点：挠性薄管板和弹性连接件可有效吸收壳体与换热管之间因热膨胀量不同造成的温差应力；特殊的导流结构保证了水以较高的流速流经高温管板，有效防止高温管板局部过热；薄管板结构保证了水侧对管板的冷却作用，不仅减小了管板本身的热应力，而且节约了大量材料；采用了较大的换热面积，且采用均布器改善了换热管中裂解气分配情况，提高了每根换热管的利用率，降低了裂解气出口温度，使第二急冷换热器能更多地回收热能且具有较长的运转周期。

大能力第二急冷换热器的成功投用，实现了裂解炉的节能降耗和长周期运行，提升了国产急冷换热器的市场竞争力，经济效益、社会效益显著。