热管技术在石油化工中的应用.doc

热管技术在石油化工中的应用热管及热管换热器近年来在石油化工中的应用已愈来愈受到人们的重视。它具有体积紧凑、压力降小、可以控制露点腐蚀、一端破坏不会引起两种换热流体互混等优点，不仅提高了设备的热效率而且可靠性也大为增加，减少了停车次数。这些特点使热管换热器在余热回收利用方面具有广阔的前景，然而作为热管本身的其他方面的特点如均温性、热流密度可变性、可变导性、可异形化等特性更加引人注意。热管乙苯脱氢反应器烃类脱氢反应是吸热反应，其平衡常数随温度升高而加大，脱氢反应的速度也随温度升高而加快，因此脱氢反应应选择在最佳反应温度内进行，工业上的脱氢反应器一般有管式等温反应器及绝热反应器两种。热管乙炔脱氢反应器示意图。他是在绝热反应器的催化剂床层内插入若干热管，乙炔脱氢的反应热由热管供给，热管的热源可可仪是烟道气、蒸汽或电加热。由于热管具有良好的等温性，因此可以为脱氢反应提供良好的温度条件和足够的热量。热管氧化反应器气固相非均匀氧化反应在石化工业中占有很重要的地位。氧化反应是一强放热反应，同时涉及的影响因素很多，但对反应器本身来讲温度条件是最关键的因素，因之氧化反应设计首先应考虑如何能保证在最佳的反应温度条件下进行。一般氧化反应有固定床和流化床两种型式。这两种反应器各有优缺点，也都可以应用热管来达到移走热量的目的。固定床一般采用管式反应器，优点是管细长，反应物流速高，有利于传热，径向温差小；缺点是温度不易控制，热稳定性差，易产生热点，催化剂装填要求高。流化床的优点是气固相接触面积大，传热速率快，床层温度分布均匀，热稳定性好，反应温度易控制，但催化剂易磨损，有气体反混现象，影响转化率和收率。近年来提出的热管氧化反应器力求保证以上两种反应器的优点，克服其缺点。该反应器的催化剂喷涂在反应器的内壁上形成一层薄的催化层。反应器的管壁外侧是径向热管的空间，空间内有“幅条”状的热管吸液芯，反应管内催化剂所放出的热量直接通过管壁传导到热管，使吸液芯中的液体汽化，汽化了的蒸汽在径向热管的环行空间内沿半径方向流向外层管壁，并在那儿冷凝，放出热量，传给热管外部的冷却介质（水或空气），冷凝后的液体再通过“幅条”状吸液芯回流到热管的内环壁沙锅内再次吸收催化反应热。其特点是：催化剂直接喷吐在反应器内壁上，化学反应热直接由管壁导出，消除了反应气体与内壁的对流传热阻力；径向热管的外管比反应管直径大，增大了散热面积，因而可以不用熔盐或联苯等高温载热体而直接用水或空气冷却；可以在较高的温度下进行反映以获得最大的反应速度及最高的产率；可以得到最小的尺寸重量和压力降。催化裂化再生取热器在石油化工生产中往往需要从高温设备中取出热量，这样一可满足生产工艺需要，二可综合使用能源。如炼油厂催化裂化装置的再生取热器，它须从700左右的催化剂床层中取出热量，产生蒸汽并入0.8MPa的蒸汽网。传统的取热方式分为内、外取热两种。外取热器存在着设备复杂、催化剂输送易磨损、循环设备要求高等缺点；内取热器虽然其结构简单，传热效率高，但取热难以调节，一旦取热管破裂，只能停车检修，并同时造成大量催化剂泡损，既影响系统生产，有同时造成严重的经济损失。如采用热管技术，选择分离式热管，既可避免外取热新增设备的麻烦，又安全可靠。再生器内热管取热器的流程如图所示，分离式热管的蒸发段置于再生器内需取热的部位，冷凝段置于再生器外。此冷凝段为一蒸汽发生器，用蒸发段从窗层中取出热量，加热蒸发从汽包来的给水，所产生的蒸汽由上升管送至汽包并入蒸汽管网。此结构不仅操作简单，无需循环泵，而且即使一组热管失效，极易与系统切断，不会造成汽包水泄漏而引起的催化剂损失和停车。本设备已在某炼油厂进行了工业化实验研究。催化床层温度为670710，蒸发段内表面积热流密度为330KW/m2。结果表明，热管技术用于此类设备是可行的、正确的，并具有很好的应用前景。热管化学反应釜带搅拌的化学反应釜是石油化工的常用设备，在釜内反应过程中总是要有化学反应热的移出或输入，常规反应釜热量的传递是靠外夹套的传热或伴管来完成的，在强放热或吸热的反应中，仅靠反应釜外夹套的传热面积往往不能满足传热的要求。在这种情况下热管的应用具有很多的优点，首先热管可以做成各种形状插入釜内，既可增加釜内换热面积，也可起到挡板的作用。此外热管可以从反应釜内导出热量，也可以从反应釜外向釜内供给热量。作者们所开发的三种热管搅拌反应釜如图22所示图22中这些反应釜除外壳如一般反应釜加有伴管或夹套外，都再附加了热管以扩大传热面积。图22（a）为放热式，热管与反应釜壁成一定角度插入，热管的蒸发段处于反应釜内，吸收热量后通过在釜外的冷凝段放出热量，在冷凝段的冷源可以是空气也可以是水，视工艺需要而定。图22（b）为加热式，如釜内是吸热反应则热管插入釜内的是冷凝段，釜外是热管的蒸发段，蒸发段的热源可以是电，也可以是其他载热体。图22（c）是用于复杂反应的反应釜，一些生产过程要经过加热放热再加热再放热的四个阶段，这时仅靠有限的夹套或伴管的传热面积不足以满足过程要求。图22（c）釜的形式是除夹套（或伴管）外，在釜内沿径向分布有既可吸热也可放热的热管，这样可以在不同的热过程中起到辅助加热（或吸热）的作用，同时釜的搅拌轴本身也是一根热管，可以达到均温及散出部分热量的目的。气气型换热器在石油化工中的应用气气型热管换热器，在石油化工中得到了成功的应用，一方面是由于在石油化工工厂中有大量的余热资源，很多加热炉的排气温度在200以上，很有回收价值；另一方面是由于石油化工工厂中烟气大多是轻质燃料或瓦斯气的燃烧排气。一般都比较干净、没有严格的积灰问题，因而比较容易回收。下面介绍几个成功的应用实例重力式辅助式热管换热器在立式圆筒炉上的应用我国炼厂的300多台加热炉中，有65%属于立式圆筒炉型。究竟如何在立式圆筒炉上应用热管装置，对于炼厂的余热回收和技术改造具有推广意义。1980年出哈尔滨工业大学、哈尔滨空调机厂与抚顺石油二厂合作；共同开展了这方面的应用研究工作。选择抚顺石油二厂的铂重整车间加氢精制用的圆筒炉，作为改造对象。应用条件和要求炉子公称热负荷为277104Kcal/h，排烟温度打400、炉子热效率为7174%、烟气流量7900Kg/h。炉子的烟囱较低，只10米左右，在改造过程中，不希望加高烟囱、也不希望增设烟气引风机，希望设备的阻力越小越好、烟气侧阻力最好不要超越6mm水柱。炉子常年运行、不允许因检修换热器而停机、即增设的换热器应安全可靠，任何情况下都不要影响设备的正常工作。方案选择关于总体布置、共考虑了两个方案、如图所示。方案（a）是将换热器直接布置在炉子对流段的上方、被预热后的空气从上部引入、预热后由鼓风机送入炉子中；方案（b）是先从烟气引到地面上来，经与空气换热后，再返回烟囱中。两个方案比较、后者系统比较复杂，投资较多、占地面积也较大，因而没有采用。为了在任何情况下都不影响炉子的正常运行，因而需将换热设备装在旁通烟道上，惟恐烟气侧阻力过大，在旁通烟道上有增设一个备用的引风机。400的排烟温度对于以水为工质的热管来说是过高了、为了给热管换热器提供适宜的入口温度条件，将400的烟气余热分两段进行回收。第一阶段400280，用一个翅片管式的柴油加热器进行冷却；第二阶段，280180，采用热管换热器进行回收。因为需将热管换热器直接安装在垂直烟道上，需要采用接近水平放置的重力辅助热管，经过计算，选取与水平方向的倾角为10就足够了。为了千方百计降低烟气侧阻力降，采取了两个措施，一个是管束呈顺排排列，另一个是选用较低的烟气流速。设计参数设计参数翅片管式柴油加热器热管式空气预热器烟气进口温度（）400280280180空气进口温度（）7117柴油进口温度（）120147烟气流量（Kg/h）79147914空气流量（Kg/h）7519柴油流量（Kg/h）20.000热负荷（Kcal/h）266.000阻力（mmHg）65/6管长（m）1.32（1.2/0.8）材质1Cr18Ni9Ti20#钢铜管径（mm）252.5252.5片高（mm）12.512.5片距（mm）44片厚（mm）0.80.8材质0.8钢0.8钢外形尺寸（m）1.51.30.42.41.31.5管数80140排数48排列方式叉排顺排管心距（mm）5662.5光管传热面积（m2）7.2922（13/8.8）运行情况和节能效果两个换热器投入运行之后，工作平稳可靠，基本达到了设计要求，因炉子本声处于低负荷运行，热管空气预热器的热负荷达17104Kcal/h。换热设备的阻力降很低，备用的引风机没有启动也能正常工作，说明采取的降低烟气阻力的措施是成功的。具有良好的可拆换性，曾经两次在工作状态下拆换热管元件，保证了设备的正常运行。两台换热设备的系统工程投资5.6万元，投资回收期1.6年。在立式圆筒上的另一个应用实例，是在长陵炼油厂汽油加氢精致装置加热炉上的应用。该炉热负荷更小一些，为160104Kcal/h，排烟温度为320，热效率为79%。所采用的余热回收系统。如图23所示具有下列几个特点：全部余热一台热管空气预热器进行回收，不象前例所指出的分两级回收。热管空气预热器直接安装在立式烟道上与水平方向呈10倾角，没有旁通烟道。热管管束采用顺排排列，因而阻力很小，不要附加引风机。考虑到排烟温度为320，第一排热管采用了低不锈钢水热管，管材为Cr5Mo，此种热管可承受较高的温度，以后诸排管束用钢铜复合水热管，共用了104支1.5m长的热管。热管空气预热器的热负荷为11104Kcal/h，应用后，空气温度从10增至131，炉子热效率提高7.9%，达到86.9%，自1982年一月投入运行后，性能稳定。应当指出的是，美国QDOT公司于1978年就为凯特来斯堡（CatlettSburg）炼油厂设计制造了一台大型的热管空气预热器，用了140支4.57m长的热管，回收热量约为80万千卡/小时，换热器装在竖直烟道上，热管与水平方向的倾角为10安装。结构形式与图 所示的情况相同。石油化工生产中的各种类型加热炉面广量大，提高这些加热炉的热效率意义重大。回收加热炉排烟余热，用以加热加热炉的助燃空气，是提高加热炉热效率的重要手段。加热炉的排烟温度一般在260350左右。如将烟