高压换热器.doc

二、高压换热器 （一）材料选择 高压换热器的选材同加氢反应器的选材原则相同。不同的是高压换热器的管程和壳程分别经过的是两种油、气或温度、压力各异的同一种油、气。因此，应分别根据管程和壳程的氢分压和操作温度，按纳尔逊曲线（图553）来分别确定管程和壳程简体的基体用材。随着氢分压和操作温度的升高，管程和壳程筒体的基材可分别选用碳钢、1Cr0.5Mo、1.25Cr0.5Mo、2.25Cr1Mo直至3.OCr1Mo0.25V或2.25Cr1Mo0.25V钢。随后，再根据介质中含H2S的量来确定是否应在基材上堆焊不锈钢。一般地说，反应器反应产物出口的第一台高压换热器的管程（或壳程）与加氢反应器的操作条件完全一样。因此，一般情况下，它选用的基材和堆焊层完全同前面的反应器一样。换热器管板选材比较复杂。管板是隔开管程与壳程流体且固定换热管的一个重要受压元件。它的操作条件最苛刻，它承受着管程和壳程中的任意一侧的最高压力和最高温度，所以它的用材一般不低于管程和壳程中较高一侧的用材。例如：一台换热器管程的基材选用2.25Cr1Mo钢，壳程的选材为1.25Cr0.5Mo钢，那么，它的管板基材就不应低于2.25Cr-1Mo钢。除了管板基材的选用外，管板上防腐层的设置也很重要。因为管板上要加工许多换热管孔。而做管板用的复合钢板上的个别缺陷会因管孔加工而扩大或无法修补。所以，管板上的防腐层一般为堆焊形式，堆焊层一般为双层式，即过渡层（E309L型）和表层（E347型）。堆焊层的设置一般有如下几种情况：管程侧有H2S腐蚀，壳程无H2S腐蚀，则应在管板的管程侧堆焊双层不锈钢。管程侧无H2S腐蚀，壳程有H2S腐蚀，则应在管板的管程和壳程双侧堆焊双层不锈钢。这是因为壳程有H2S腐蚀时，换热管要用CrNi型不锈钢管。而换热管与管板的焊接点在管板的管程一侧。为避免换热管与管板间的异种钢焊接（奥氏体不锈钢与Cr一Mo钢），管程侧也应有不锈钢堆焊层。这是结构设计的需要，而壳程的堆焊层则纯粹是为防腐而设置的。管程侧有H2S腐蚀，同时壳程也有H2S腐蚀，则应在管板的管程和壳程双侧堆焊双层不锈钢。当管板两侧都要堆焊，工艺十分繁琐，也并不经济时，整体管板选用不锈钢锻钢（或钢板）也是可行的和常见的。由于传热效率的需要，换热管的壁厚一般不会太厚。如：25X2.5（或19X2）无缝钢管。为了提高其抗腐蚀寿命，一般高压换热器的换热管材质均选用TP321或E347型不锈钢。（二）结构比较高压换热器的结构形式有两种：一种是与普通低压换热器相似的大法兰式。另一种是螺纹锁紧环式。大法兰式高压换热器存在易泄漏的缺点，特别是在开工、停工或温度变化的阶段，更加容易发生泄漏；而且，带压带温时无法紧固大螺栓以排除泄漏。尤其是当选用的高压换热器直径较大时（内径大于1000mm），由于加工机具的限制，大法兰的密封面加工精度难以保证，从而可能会给未来操作中的密封带来困难。国外首先研制出了螺纹锁紧环高压换热器（如图54一升所示）。它与大法兰式换热器的区别主要在管箱与管板的连接结构上。大法兰式换热器的管箱是靠管箱大法兰、壳体大法兰夹持管板用密封垫片来密封的。要压紧垫片就必须紧固大法兰上的大螺栓。这样大螺栓既要承担垫片反力，而且还要承担法兰上的内压载荷。尤其在高压时，这个内压载荷非常大。因此，所用大螺栓的直径很大，导致大螺栓连接的两个法兰的外径很大，法兰盘很厚，结构相当笨重。螺纹锁紧环高压换热器的结构正是解决了大法兰结构笨重、密封困难这两大问题。从图544中可以看出，外圈螺栓只承担压紧“外密封垫片”一种功能。而内压载荷和垫片反力则作用在“螺纹承压环”上。压紧外密封垫片是通过下列零件的力传递实现的：外圈压紧螺栓 外压杆 外压圈 密封盘 外密封垫片。另外还有一个内密封垫片，它起着将管程与壳程分隔密封的作用。压紧内密封垫片是通过下列零件的力传递实现的：内圈螺栓 内压杆 内压圈 密封盘 管箱内套筒 管板 内密封垫片。同样，内密封垫片的反力最终也传给“螺纹承压环”。内圈螺栓也只承担压紧“内密封垫片”一种功能。“螺纹承压环”上粗大的梯形外螺纹与管箱筒体上的内螺纹咬合后承担内、外圈螺栓的反力和内压力载荷。在操作过程中，可以随时通过拧紧内圈压紧螺栓来调整内密封垫片，排除泄漏。在满足工艺流程要求的前提下，如果让压力较高的介质经过管程侧，而让压力较低的介质经过壳程。那么管壳程的压力差对内密封垫片会形成一个自紧力，达到良好的密封效果。这样整个结构就可以简化。螺纹锁紧环高压换热器的缺点是，结构复杂，机加工件多，各部件间配合精度要求高，给制造和装配带来很大不便。因此需要有一定制造经验且装备精良的厂家进行专业化、规模化生产。（三）管束由于浮头式换热器内部有一套笨重的浮动管板及密封部件，既浪费材料，又容易产生内漏。而固定管板换热器不适用于高压工况和管壳程需要经常清洗的场合。只有U形管管束并易抽出清洗，结构简单，热膨胀自由，节省材料，制造维修简单，管、壳程间不易串漏。因而高压换热器的管束多为U形管形式。（四）壳程结构形式加氢装置用高压换热器是在高压、高温和临氢条件下操作的。换热器的管箱和壳体多采用CrMo抗氢钢材，管束则要采用CrNi不锈钢。设备重量大，造价高。要节省材料，就要提高传热效率。在加氢操作工况下，管外膜传热系数往往是总传热系数的控制因素。这是因为在管程结构上容易实现多程流动，从而提高管程流速，提高管内的膜传热系数。而壳程则难以实现多程流动。为了提高壳程流速，减少结垢、结焦的产生，可以采用多台直径较小的换热器。这样无论是从造价，还是从配管、占地因素上看，其经济性都要比台数少，直径大的换热器差很多。因而需要采用多壳程结构。目前，在加氢装置中采用着单壳程和双壳程两种结构型式。双壳程与单壳程的区别是，它有一个纵向隔板以及隔板两侧的密封结构，如图545所示。壳程流体在纵向隔板的尽头返回，在壳体内流经了两次，形成了双壳程。当管程也为两程时，管程介质的流向在全程就可与壳程介质的流向完全相反，即所谓的纯逆流传热。这是传热学中的较理想的传热流型。由此即可获得较高的传热效率。双壳程换热器与单壳程换热器相比有着较大的优越性。在换取热量相同的情况下，双壳程的换热面积可比单壳程大约节省20以上。 图545双壳程示意图 （五）双壳程换热器的优点 加氢装置属深度换热，特别是加氢裂化装置。加热炉温升较小，反应热较大，冷热流每侧的温差很大。因此，对换热器的传热温差要求很高（特别是高压换热器投资大）。单壳程换热器温度交叉严重，温度校正系数很小，若要使温度校正系数达0.8以上，则需要的换热器台数就会较多，而单台换热器的尺寸又比较小。因此，双壳程换热器在加氢装置的应用就显得尤为重要。 从式（543）可以看出，当总传热负荷、总传热系数和对数平均温差定时，校正系数见的提高即可节省传热面积。Q KtmAFr （5一4一3）式中 Q总传热负荷； K总传热系数； tm对数平均温差； Fr校正系数； A传热面积。 从传热学可知，单壳程换热器的壳程介质与管程介质流向时而为并行流，时而为逆流，校正系数较小。而当管壳程均为两程时，双壳程换热器的壳程介质与管程介质流向可为全程逆流，此时的校正系数可达Fr=1.0。仅从这一项看，在相同热负荷下，大约就可节省传热面积25左右。此外，由于介质在双壳程内的流速比在单壳程提高近一倍（在压降允许下），使得雷诺数也相应提高，强化了传热，提高了传热系数。两项相加可节省传热面积30左右。在特别情况下，甚至可达到叙。这对于高压合金钢材质的换热器，每节省1t材料，大约可节省设备造价8万余元。经济效益十分明显。对于同一流量的流体，采用双壳程换热器时，壳侧的压力降约比单壳程增加68倍。为了降低压力降，可采用双弓形折流板。但双弓形折流板的传热效率比单弓形折流板的传热效率稍低。因此要综合考虑，优化设计。（六）螺纹锁紧环双壳程换热器的设计特点及应用情况加氢装置螺纹锁紧环双壳程换热器的关键技术，一个是大直径管箱的螺纹锁紧环密封连接结构，另一个是双壳程的密封结构。 壳体，包括螺纹承压环、端盖的材质为Cr-Mo钢，而内构件均为Cr-Ni不锈钢，设计时要掌握两者膨胀差引起的问题。管箱端部内梯螺纹与螺纹承压环的制造精度要求要合理，使其既能很好地旋合，