石脑油加氢进料换热器的设计与优化

摘      要： 据统计，在2022年上半年我国石油石化行业的总体营收为38 948.84亿元，同比增长了31.55%，全行业实现规模净利润1 571.06亿元，同比增长了25.88%。这标志着，中国石油石化行业正呈现出蓬勃的发展态势，这与先进机械设备的应用有着不可分割的关系。以此为基础，分析了石脑油加氢进料换热器的设计方案，并且对设计方案的优化策略进行重点讨论。

关  键  词：石脑油加氢进料；换热器；设计策略；优化

中图分类号：TE965        文献标识码： A       文章编号： 1004-0935（2024）05-0781-04

石油化工企业对于我国国民经济的快速发展有着重要的作用，而在石油化工企业生产经营过程中 石脑油加氢装置有着重要的地位。通过石脑油加氢进料换热器的应用，可以有效去除含硫、含氮、含氧化合物和不饱和的氢。石脑油加氢进料换热器作为一种重要的预处理设备，在石油化工行业中有着重要的作用。所以，对石脑油加氢进料换热器的设计和优化方案进行分析，是促进我国石油化工行业进步发展的基础条件。

1  石脑油加氢进料换热器的设计方案分析

1.1  BEU型换热器

在石脑油加氢装置运行中，必须保持在高温、高压的客观条件下。在这一过程中，会造成大量的热量损失，这也是石脑油加氢装置成本较高的主要原因之一，所以，在对原料进行加热处理的过程中，通常是使用一定的反应产物，这也使得进料换热器成为石脑油加氢装置的重要组成部分。在对石脑油加氢进料换热器的设计方案进行分析的过程中可以发现，BEU型换热器其实最为主要的一种换热器设计方案。BEU形式的换热器整体的串联台数是8台，并联台数可以达到1～2台左右，这也就意味着机械设备的总数量要达到8～16台之间，设备的总质量在392～415.6 t之间，总换热面积可以达到        9 561.0～9 675.3 m²之间。

1.2  BFU型换热器

在对石脑油加氢进料换热器进行设计的过程中，BFU型换热器也是最为主要的一种设计方案。这种设计方案中，串联设备的数量只需要5台，即可以满足正常工作需求，并联数量与BEU型设计方案基本相同，可保持在最低使用1台。这也就意味着，BFU型换热器机械设备的总数量可以控制在5～10台之间，而且设备的总体质量相对较低，只有279.3～286.3 t。在平均传热温度方面，BFU型换热器的优势也相对较大^[1-2]。

1.3  换热器设计对比

在对BEU型和BFU型换热器设计方案进行对比分析的过程中可以发现，2种类型的设计方案主要是由于壳体的设计方式差异造成的实际差异。例如，BEU型换热器是E型壳体，而BFU型换热器是F型双壳程壳体。石脑油加氢进料换热器设计方案分析如表1所示。

通过对BEU型和BFU型设计方案的数据进行对比分析也可以发现，BFU型设计方案的整体热传导温差得到了有效提高，所需换热面积得到了控制，整体设备数量也可以从最低的8台控制到5台，总质量减少了31%左右^[3]。近年来，随着石油化工企业的快速进步和发展，在生产加工中，石脑油加氢装置的应用也越来越广泛。进料换热器的设计方案直接决定了石脑油加氢装置的整体运行效率。通过综合对比分析可以发现，BFU型换热器的整体应用价值相对较高。在石油化工企业生产加工过程中，可以对BFU型换热器进行充分应用。

2  石脑油加氢进料换热器的设计优化

2.1  运行特点分析

想要对石脑油加氢进料换热器的设计进行优化，首先就需要了解该设备的整体运行特点。在对不同的设计方案进行对比分析中可以发现，在以往使用的进料换热器运行中，流量整体波动是最需要考虑的重点因素之一。如果在进料换热器实际运行中两侧流量是保持在相等的状态，那么每台换热器的冷热流体就不会产生单侧流量波动。在这样的情况下，进料换热器的整体操作温度相对可控。与传统的单系列设备相比，双系列设计方案在整体设计中，除了基础的设施之外，还增加了流体分配这项内容，这也使得双系列设计方案在实际运行的过程中，需要考虑流体分配不均匀而导致的偏流问题。管程入口的热流是一种反应产物，这也就意味着，热流在分流的过程中，很容易实现均匀分配。壳程入口的冷流是一种混合物，在分流过程中极容易发生偏流。这就要求，在对进料换热器进行设计的过程中，要着重考量壳程入口冷流偏流问题。在对石脑油加氢进料换热器进行设计优化的过程中，可以将这些内容作为基础数据进行设计优化。

2.2  换热能力优化

在石脑油加氢进料换热器实际运行中，偏流问题的产生概率相对较高。但是，偏流问题一旦产生，会对整个进料换热器的换热能力造成巨大影响。同样以BEU型和BFU型换热器为例，作为单壳程换热器，在实际运行中，如果出现了小流量偏流的问题，短时间内如果没有得到有效地控制，热量增加的趋势会逐步减缓。在这种情况下，即使是持续性增加流量，在整个换热过程中，也只能产生极少量的换热量。但是，在对双壳程进料换热器进行分析的过程中可以发现，由于基础设计不同，双壳程换热器等不同的机械设备内全都是纯逆流，高流量侧的换热量上升趋势与流量变化的趋势一直是保持相对一致的状态。所以，在对石脑油加氢进料换热器进行设计的过程中，可以以此为基础，优先选择双壳程换热器的设计方案。这样不仅可以保证在进料换热器运行中整体的运行能力得到有效控制，而且即使发生了偏流，对于换热器的换热能力也不会产生严重的影响，这对于保证石脑油加氢设备的持续稳定运行有着积极的作用。在这样的条件下，也可以对石脑油加氢设备的运行成本进行有效控制。

2.3  壳程影响优化

在石脑油加氢进料换热器实际运行中，偏流不仅会对机械设备的换热能力造成影响，也会对机械设备的壳程产生危害。这主要是由于偏流问题一旦产生之后每台机械设备的操作温度也会发生一定程度上的改变。通过数据对比分析可以得知，BEU型和BFU型换热器在整体运行中，如果发生了偏流的情况，那么高流量侧机械设备的操作温度会比常规情况下的操作温度略低^[4]。而低流量侧机械设备的操作温度会比正常工作情况下的操作温度高。而且，BEU型换热器比BFU型换热器低流量侧的单壳程换热器热负荷更低。如果在石脑油加氢进料换热器进料偏流问题产生的过程中，两侧偏流流量保持在相同的状态，那么BEU型换热器的操作温度要低于BFU型换热器的操作温度。在石脑油加氢进料换热器实际运行中，温度变化会对机械设备的材质以及运行效率产生决定性的影响。如果机器设备在操作中换热器的整体温度变化范围较大，那么在对换热器生产制造材料进行选择的过程中就要选择一些耐热程度相对较高的材料。这样在石脑油加氢进料换热器运行中，才不会由于温度变化过高对机械设备的完整性造成伤害，这也是有效延长石脑油加氢进料换热器使用寿命的一种方式。在对不同的进料换热器进行方案设计的过程中，要充分考量最高操作温度和设计温度。

2.4  管程影响优化

管程对于换热器的工作效率有着直接的影响。如果在进料换热器运行中出现了进料偏流的问题，那么进料换热器整体的换热量也会随之发生改变。管程反应物在实际运行中温度也会受到一定程度上的影响。通过对合成偏流流量以及管程温度变化的数据进行对比分析可以发现，随着壳程偏流流量的逐步提高，流量较高一侧的机械设备整体的操作温度会比正常情况下的操作温度相对较低，而流量较低的一侧的机械设备在整体操作过程中其操作温度会比正常情况下略高^[5]。而且，每台机械设备管程最高操作温度和设计温度也会产生一定程度上的变化。在对管程以及壳程中反应物进行分析的过程中也可以发现，管程中硫化氢、氨等反应物的浓度相对较高。如果在换热器运行中，管程温度下降，在换热管内就很容易发生化学反应产生氨盐结晶，这也是造成进料换热器中管道堵塞的主要原因之一。而且，在进料换热器实际运行中，一旦发生管道堵塞，会产生严重的安全风险，整体的维护成本也相对较高^[6]。所以，在对石脑油加氢进料换热器进行设计的过程中，一定要充分考量管程影响的问题。只有这样，才能对管程的温度进行有效控制，确保石脑油加氢进料换热器在实际运行过程中不会由于管程温度过高造成机器设备的损坏，这也是提高石脑油加氢装置运行效率的重要方式之一。

2.5  强化传热技术

在石脑油加氢装置实际运行中，进料换热器的作用就是对基础原材料的温度进行控制，甚至可以说在石脑油加氢装置整体运行中对温度的要求相对较为严格，所以在对石脑油加氢进料换热器进行优化设计的过程中，强化传热技术也是最为主要的优化策略之一^[7]。例如，在石脑油加氢进料换热器设计中，可以增加扭曲管换热器，如图1所示。

通过将原有的圆管进行扭曲，可以在进料换热器实际运行过程中，使管内形成一个螺旋流动的空间，介质就可以在管内进行螺旋流动，减少管内介质与管壁之间的摩擦，这也是强化管内管外传热效果的一种重要方式^[8]。在石脑油加氢装置设计的过程中，通过扭曲管换热器的应用，热传导系数有效增强，而且污垢系数得到了有效控制，这使得进料换热器的工作效率和经济效益都得到了快速提升。除此之外，在进料换热器设计中，缠绕管换热器也是一种重要的优化方式。缠绕管换热器主要是将传统的传热管以螺旋线形状为基础，以芯筒为核心，缠绕而成的一种新型换热器^[9]。从结构角度分析，缠绕管换热器的整体结构相对较为紧凑，传热效率也相对较高。在石脑油加氢进料换热器实际运行的过程中，可以将传统高温类的多台串联管壳式换热器转变为单台缠绕管换热器^[10]。这样不仅可以保证进料换热器整体运行的稳定性，也可以不断提高换热器的换热效率。

3  结束语

综上所述，石脑油加氢装置在整体运行过程中，对温度的控制要求相对较高。在节能环保的理念之下，需要对能耗进行有效控制，这也使得进料换热器成为石脑油加氢装置优化中的重要内容之一。通过对不同设计方案的对比可以发现，BFU型换热器的实际应用价值相对较高。想要实现石脑油加氢进料换热器的设计优化，就要对运行特点、换热能力、壳程影响、管程影响以及强化传热技术等方面进行重点分析。只有这样，才能快速提高石脑油加氢装置的运行效率。

参考文献：

［1］王天宇.石脑油加氢进料换热器的设计与优化[J].石油化工设备技术，2022，43（1）：1-4.

［2］国彤，王迎娣，贾志军，等.不同填料对聚四氟乙烯导热性能的影响[J].塑料，2023，52（1）：28-33.

［3］王定标，王帅，张浩然，等.流体拓扑优化的方法及应用综述[J].郑州大学学报（工学版），2023，44（2）：1-13.

［4］张琪，桂景海，毛卫春.火电机组热力系统性能故障识别[J].冶金动力，2023（1）：64-66.

［5］张文奇，王万鹏，任晓东，等.柴油加氢改质装置增产石脑油技术分析[J].中国石油和化工标准与质量，2023，43（2）：42-44.

［6］李本柱.石脑油加氢装置生产戊烷发泡剂工业应用[J].中国石油和化工标准与质量，2022，42（15）：118-121.

［7］周舟.中国石油在建最大规模石脑油加氢装置中交[J].天然气与石油，2022，40（3）：109.

［8］王博.石脑油加氢装置尾气脱硫及吸收流程模拟与优化[J].齐鲁石油化工，2022，50（1）：41-44.

［9］孔令健，龚朝兵.基于分子层级的石脑油优化利用及经济性分析[J].中外能源，2022，27（2）：65-72.

［10］韩云桥，任甲子，张国辉，等.石脑油加氢新氢压缩机排气温度高的分析判断方法[J].石油技师，2021（4）：71-74.

Design and Optimization of Naphtha Hydrofeeding Heat Exchanger

HUI Chunyang

（China Kunlun Contracting & Engineering Corporation Shenyang Company， Shenyang Liaoning 110167， China）

Abstract：  According to statistics， in the first half of 2022， the total revenue of China's petroleum and petrochemical industry was     3 894 884 million Yuan， it increased by 31.55% year-on-year， and the net profit of the whole industry reached 157.106 billion yuan， an increase of 25.88%.This indicates that our petroleum and petrochemical industry is showing a booming development trend， which has an inseparable relationship with the application of advanced machinery equipment. In this paper， the design scheme of the naphtha hydrofeeding heat exchanger was mainly analyzed， and the optimization strategy of the design scheme was discussed.

Key words：  Naphtha hydrofeeding; Heat exchanger; Design strategy; Optimization

收稿日期： 2023-03-06

作者简介： 惠春阳（1991-），男，辽宁省沈阳市人，中级工程师，硕士，2016年毕业于西澳大利亚大学环境工程专业，研究方向：炼油化工，绿色低碳相关工程设计。