急冷換熱器

急冷換熱器是乙烯裂解裝置中工藝性非常強的關鍵設備 ^[3]  。從工藝上講，裂解氣急冷換熱器主要分為一級急冷換熱器和二級急冷換熱器，對於氣體原料有時也採用三級急冷換熱器。急冷換熱器主要承擔兩個任務:其一是將800℃左右的高温裂解氣迅速冷卻至二次反應温度以下，減少烯烴損失;其二是儘可能多地回收裂解氣的高位熱能，產生12. 0MPa左右的高壓蒸汽。急冷換熱器的氣體側由進口分配器換熱管及出口聯箱三大部件組成.裂解氣體通過進口分配器一路減速(一般<10米/秒)擴壓，使氣體的動能儘量轉變成靜壓，這樣可以減小各換熱管入口處由於氣體流速過高而不均勻以及入口氣流衝角不等而造成氣體進入換熱管的流量分配不均勻性.分配器應該把氣體均勻地分配到各個換熱管中.一般，流量的最大可能偏差應低於±10%，同時儘量減少氣體在分配器內的停留時間，並避免出現死滯旋渦區，以抑制裂解氣的二次反應，保證乙烯產品的收益。

國內研究單位在急冷換熱器方面做了大量研究開發工作，成功開發出了具有自主知識產權的單排、雙排和錯排線性急冷換熱器和二級急冷換熱器。但是由於線性急冷換熱器處理量較小，適用於處理量較小的爐管，難以與大處理量爐管相匹配，因而對於大處理量爐管應採用一級大容量急冷換熱器或二級急冷換熱器。

急冷換熱器要求具有以下性能:

(1)結焦輕微、能長週期運轉。

(2)熱回收效率高，對裂解氣聚急速冷卻，經濟性能好。

(3)結構簡單，便於操作維修，穩定性好。

(4)儘可能延長燒焦週期，提高燒焦温度。

(5)除輕質油外，重質油品也能使用。

(6)投料量要大，便於提高生產能力。

急冷換熱器在工藝設計上有以下特點 ^[1]  :

a.絕熱段體積小，絕熱停留時間短，烯烴損失少;

b.冷卻段比表面積大，可迅速將高温裂解氣冷卻至二次反應温度以下;

c.大換熱管直徑，較少的換熱管數量，改善了裂解氣的流體分佈，減小了結焦對壓降的影響，提高了在線清焦效果和裂解爐的在線率;

d.換熱面積較大，急冷換熱器出口温度低，蒸汽產量高，運轉週期長。

急冷換熱器在高温和高壓條件下操作，管殼程的熱膨脹差較大，易引起較大的軸嚮應力，尤其在裂解氣入口端，由於温度高、熱強度大，這就為入口管板的結構設計帶來很大困難。如設計不當，會在管板、管子及其連接處產生很大的熱應力，極易造成急冷換熱器泄漏和失效。因此，目前急冷換熱器入口端均採用加強型薄管板、橢圓形集流管等特殊結構，以適應高温和高壓操作條件。

急冷換熱器為立式管殼式結構，高温裂解氣從下部進入上部流出，裂解氣走管程，汽水混合物走殼程。

為了適應高温和高壓操作條件，急冷換熱器在結構設計上主要有以下特點 ^[1]  :

a.採用撓性薄管板和彈性連接件共同吸收管殼程的熱膨脹差。急冷換熱器的管板必須承受高壓蒸汽造成的負荷，並允許管束和筒體間有不同的熱膨脹量。新型急冷換熱器上部和下部均採用撓性薄管板和彈性連接件，撓性薄管板和彈性連接件固有的彈性有利於吸收換熱管和筒體之間的熱膨脹差，減小熱應力。另外，由於管板較薄，管板沿壁厚方向的温度梯度較小，因此熱應力較小，這就減少了管板失效的可能性。

b.採用內孔焊急冷換熱器管子與管板的連接處是最容易損壞的部位，所以管子與管板的連接十分重要，特別是入口管板，由於裂解氣温度高，熱強度大，損壞的幾率更大。為了提高管板和換熱管連接的可靠性，新型急冷換熱器入口管板與換熱管的焊接採用內孔焊，內孔焊不僅有好的焊接強度，而且消除了管子與管板之間的間隙，不

會發生間隙腐蝕，內孔焊還可以使焊縫處於水側的冷卻之下，降低了焊縫温度，提高了焊縫的可靠性。

c.薄管板和管口的熱防護。如前所述，急冷換熱器的入口部位，由於存在高温高速氣流的熱衝擊，使該處熱強度極高，必須妥善地採取熱防護措施，否則管板和管口處容易因熱應力、熱疲勞和高温腐蝕而損壞。為了防止高温裂解氣將管板和管口燒壞，新型急冷換熱器入口管板外表面敷有5 ~10mm的耐熱合金堆焊層，對入口管板可以起到良好的保護作用。

d.裂解氣的流量分配。為了將裂解氣均勻分配到換熱管中，採用CFD模擬技術對裂解氣入口流道進行了專門設計，能將裂解氣均勻分配到換熱管中。急冷換熱器入口流體分佈器中還設有防焦擋板，一方面可以防止高温裂解氣中夾帶的焦粒對管板的沖刷，另一方面也可以起到使裂解氣均勻分配的作用。

e.汽水混合物入口和出口均設有導流裝置，使汽水混合物以一定速度流過管板，防止流體短路，對管板進行充分冷卻。

f.為了改善焊縫的受力狀況、保證焊接質量並易於進行無損檢測，承壓焊縫儘可能採用對接焊縫。

乙烯裝置線性急冷換熱器設備是乙烯裂解工業生產過程中所應用的設備之一，它的工藝性較強，而且，將該裝置實際應用於生產過程中，各項生產環節對於此設備的要求較高，要在短時問內將高温裂解氣迅速冷卻下來，直至達到終比其發生二次反應的温度及以下，從而避免造成烯烴物質損失。此外，實際生產的有序執行還有賴於乙烯裝置線性急冷換熱器設備本身性能的發揮，並儘可能保證低能耗生產 ^[4]  。

從我國某地方乙烯廠的實際生產過程來看，生產環節中所採用乙烯裝置線性急冷換熱器較為傳統，通過研究可以發現，該設備在實際使用的過程中出現了某些內管結焦的現象，給生產帶來阻礙。

線性急冷換熱器是乙烯裂解裝置中的關鍵設備，通過對出口集氣箱進行結構改進，增加機械清焦接口，解決了線性急冷換熱器機械清焦的難題，提高了清焦質量和效率，進而保證了裂解爐高效運行，並且，取得了良好的經濟效益 ^[5]  。

1.改進乙烯裝置線性急冷換熱器的主要思路

在過去很長的一段時問裏，由於該裝置的結構設計存在一定的侷限性，進而導致了線性急冷換熱器機械清焦等問題的產生。基於此，針對乙烯裝置線性急冷換熱器的結構進行改進，結果表明，這一改進策略較為可行，獲得了良好的反饋。

2.改進乙烯裝置線性急冷換熱器結構的主要措施

通過改進乙烯裝置線性急冷換熱器設備的裂解氣出口以及清焦結構等內容，則能夠改善該設備的實際應用效果 ^[6]  。從具體來看，乙烯裝置線性急冷換熱器結構的改進環節及措施都較為簡單，實際上，就是針對一些部分的裝置進行改良設計，賦予設備以新的性能，以便在生產過程中能夠提高產業實效。其中，針對乙烯裝置線性急冷換熱器內管部位的改造措施為:在每台線性急冷轉換器的內管所對應的出口集氣箱上進行開口改造，一般設備中都有10根內管，與此同時，增加相應數量的兩英寸3001b的接管，並將接管的末端進行封。這樣一來，即便發生急冷換熱器內管結焦現象獲進出口集氣箱壓力差較為明顯時，都可以將實現良好的機械清焦效果，究其原因在於，改進後的新增封壓裝置可隨時被拆除，進而令管線中的污水排放暢通，所以就可以令水力機械清焦環節順利的執行下去。

某化工廠使用的12m²不鏽鋼甲醛急冷換熱器，安裝使用24天，就發生換熱管泄漏事故。重新全部換管後，僅使用15天，又發生泄漏事故。拔出管子後，發現管子在液麪處有周白及軸向裂紋，裂紋均在液麪處。在接近液麪的管子表面有一層水垢，緊挨液麪管子表面結垢最多，即為產生裂紋的部位，壞管分佈於中心 ^[7]  。

由於兩次使用裂紋均在液麪處，因此，從温差及傳熱方面考慮，初步分析為液麪處管子的温度應力引起管子破壞。通過計算，發現在設計温度下，管子外壁及內壁的應力均小於許用應力，故換熱器設計合理。計算得出，實際温度下，換熱管外壁面温度應力超過許用應力，內壁面温度應力遠超過許用應力。因此，可以得出，該換熱器泄漏原因為液麪處温度應力，直接原因為工況温度過高。通過計算，還發現温差應力破壞、流體壓力、攪動破壞、氣體腐蝕中的高温氧化及晶間腐蝕均不會引起換熱管泄漏。

故應從改進工藝、降低甲醛氣進口温度着手。改變水質，進一步淨化，避免結垢。同時希望各生產廠注重工藝流程順序，不可隨意增減設備。在換熱器進出口裝測温裝置，以延長換熱器使用壽命。