苯乙烯装置中的高温换热器设计情况
晨怡热管
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2008-4-6 21:05:23
摘 要:苯乙烯装置的中间换热器在800℃以上高温下工作,介绍了引进设备的选材和结构设计,分析了引进设备结构上的缺点,同时说明国产设备在结构设计上所做的改进,提高了换热效率,简化了制造工艺,并增加了设备的整体安全性。
关键词:高温;换热器;国产化设计;
1 前言
在苯乙烯装置中,乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程是在600℃以上的高温下进行的。反应过程分两步,先用过热蒸汽加热乙苯,使其温度达到600℃以上,进入第一脱氢反应器,在催化剂作用下进行反应,反应后的工艺气体温度降至500℃以上,随后通过一台高温换热器将工艺气体的温度再加热至600℃以上,进入第二脱氢反应器,完成整个反应过程。
在第一、第二脱氢反应器之间的加热器称为中间换热器,这台换热器的管程介质是500～600℃的工艺气体,壳程是800℃以上的过热蒸汽,因此是一台温度极高的高温换热器。
2 引进设备的情况
从20世纪80年代至今,我国已引进了数十套苯乙烯装置。工艺流程主要来源于两家专利商。就乙苯脱氢流程而言,两家专利商的工艺路线大同小异,设备设计有所不同,且均在不断地改进。以其中一家的一套10万吨/年苯乙烯装置为例,中间换热器的结构如图1所示,引进设备的工作温度和部件材料见表1、表2。
这台换热器安装在第二脱氢反应器的外壳里面,换热器形式为管壳式,换热管按同心圆分布排列,折流板为圆盘、圆环形。与普通换热器不同的是壳程介质出入口在换热器中心。
管程介质为工艺气体。来自第一脱氢反应器的工艺气体从侧面接管进入第二反应器壳体与中间换热器壳体之间的环形空间,气体向上流动至换热器管板上表面,然后从换热管中向下流动,同时被壳程蒸汽加热,经过下管板流出,进入第二脱氢反应器。壳程介质为高温过热蒸汽。
来自蒸汽过热炉的过热蒸汽从中心管的外套管中进入换热器壳程,在折流板之间流动,加热管子内的气体,蒸汽向下流动至下管板上表面,然后从中心管中返回上出口。
换热器的主体材料选用304Ｈ,这是一种适用于高温工况的奥氏体不锈钢,304Ｈ的含碳量控制在0 04%以上,并且经过1040℃的固溶处理。根据ＡＳＭＥ第Ⅱ卷Ｄ篇中给出的材料适用范围,304Ｈ用于制造常规设计容器的最高温度界限是1500 (815℃)[1]。
由于过热蒸汽入口温度高于815℃,因此不能用304Ｈ,选用耐高温性能更好的镍-铁-铬合金Ｉｎｃｏｌｏｙ800ＨＴ,它的最高温度界限是898 8℃。但这种材料价格昂贵,仅用于高温蒸汽入口段。
3 引进设备的结构缺点
(1)由于过热蒸汽的入口温度接近于材料的最高温度界限,设计温度就取898 8℃,此时Ｉｎ ｃｏｌｏｙ800ＨＴ材料的许用应力非常低、强度差。虽然设计压力只有0 21ＭＰａ,但蒸汽入口套管的管壁取得较厚。
(2)与蒸汽入口套管相连接的部件,如反应器上封头和换热器上管板,材质均为304Ｈ,这些部件与Ｉｎｃｏｌｏｙ800ＨＴ相连接处均用耐高温材料(如陶瓷纤维)加以保护;同时为了解决套管的热膨胀问题,将套管下部断成两节,采用填料密封将两筒节承插连接,以补偿轴向位移;这样的设计致使换热器上部结构非常复杂,施工难度大。
(3)换热管材料为304Ｈ,管子外表面直接接触高温蒸汽。虽然换热管内走的是600℃左右的介质,使管壁的金属温度低于815℃,但在靠近中心管的内圈换热管上部受到高温蒸汽的冲击,管子易发生蠕变失效。这种情况在苯乙烯装置中发生过,造成换热管严重变形破坏。
4 国产化装置的中间换热器设计
“九五”规划期间,中国石化总公司组织开发了具有自主知识产权的苯乙烯工艺包,并建成了国产化的苯乙烯装置。其中的关键设备———脱氢反应器和中间换热器也是由国内自行设计和制造的。
国产化10万吨/年苯乙烯装置中的中间换热器结构如图2所示,国产设备的工作温度和部件材料见表3、表4。
这是一台典型的管壳式换热器,它的下管板与第二脱氢反应器壳体相连。管程介质来自第一脱氢反应器的工艺气体,从顶部进入,由上而下,经过换
热管被加热后,从下管板流出,进入第二脱氢反应器。壳程介质来自蒸汽过热炉的高温蒸汽,从侧面进入换热器壳程,顺着导流环向下至下管板上表面,然后在折流板之间流动,加热管子内的气体,随后从上部出口流出。材质的选用参照了引进设备,因为国内压力容器规范中的材料不适用于本设备的高温操作工况。换热器的主体材料选用304Ｈ。高温蒸汽入口部分及壳体下部约四分之一长度的筒节采用Ｉｎｃｏｌｏｙ800ＨＴ。
这台换热器与介绍的引进设备主要不同点在于:(1)比较表1和表3可看出,国产设备过热蒸汽入口温度比引进设备降低约50℃。原因是引进设备加热介质和被加热介质是同方向流动,如图3。而设计的换热器,两种介质是逆向流动的,见图4。在气-气换热器中,并流换热器的效率远远低于逆流换热器[2]。
对于高温设备来说,介质温度降低意味着材料的许用应力提高,见表5。由于过热蒸汽温度降低,Ｉｎｃｏｌｏｙ800ＨＴ的许用应力提高约30%,设备使用更安全可靠。
(2)设备结构简单,换热器中没有使用耐高温衬里材料,也没有使用填料密封,便于换热器的焊接、组装、检验和试验,保证了换热器的制造质量。
(3)蒸汽入口的导流筒同时也起着防冲挡板的作用,高温蒸汽不会直接冲击换热管。这一措施与蒸汽降温并举,彻底消除了换热管和管板受高温冲击而发生蠕变失效的危险。
5 结语
国产化的10万吨/年苯乙烯装置已运行多年,中间换热器经受了长期高温下工作的考验,至今未发生任何故障,证明设计是成功的,制造是可靠的。有不同规模的国产化苯乙烯装置已投入运行或正在建设,中间换热器的成功应用也为国内设计高温换热器积累了经验。
关键词:高温;换热器;国产化设计;
1 前言
在苯乙烯装置中,乙苯脱氢制苯乙烯的反应过程是在600℃以上的高温下进行的。反应过程分两步,先用过热蒸汽加热乙苯,使其温度达到600℃以上,进入第一脱氢反应器,在催化剂作用下进行反应,反应后的工艺气体温度降至500℃以上,随后通过一台高温换热器将工艺气体的温度再加热至600℃以上,进入第二脱氢反应器,完成整个反应过程。
在第一、第二脱氢反应器之间的加热器称为中间换热器,这台换热器的管程介质是500～600℃的工艺气体,壳程是800℃以上的过热蒸汽,因此是一台温度极高的高温换热器。
2 引进设备的情况
从20世纪80年代至今,我国已引进了数十套苯乙烯装置。工艺流程主要来源于两家专利商。就乙苯脱氢流程而言,两家专利商的工艺路线大同小异,设备设计有所不同,且均在不断地改进。以其中一家的一套10万吨/年苯乙烯装置为例,中间换热器的结构如图1所示,引进设备的工作温度和部件材料见表1、表2。
这台换热器安装在第二脱氢反应器的外壳里面,换热器形式为管壳式,换热管按同心圆分布排列,折流板为圆盘、圆环形。与普通换热器不同的是壳程介质出入口在换热器中心。
管程介质为工艺气体。来自第一脱氢反应器的工艺气体从侧面接管进入第二反应器壳体与中间换热器壳体之间的环形空间,气体向上流动至换热器管板上表面,然后从换热管中向下流动,同时被壳程蒸汽加热,经过下管板流出,进入第二脱氢反应器。壳程介质为高温过热蒸汽。
来自蒸汽过热炉的过热蒸汽从中心管的外套管中进入换热器壳程,在折流板之间流动,加热管子内的气体,蒸汽向下流动至下管板上表面,然后从中心管中返回上出口。
换热器的主体材料选用304Ｈ,这是一种适用于高温工况的奥氏体不锈钢,304Ｈ的含碳量控制在0 04%以上,并且经过1040℃的固溶处理。根据ＡＳＭＥ第Ⅱ卷Ｄ篇中给出的材料适用范围,304Ｈ用于制造常规设计容器的最高温度界限是1500 (815℃)[1]。
由于过热蒸汽入口温度高于815℃,因此不能用304Ｈ,选用耐高温性能更好的镍-铁-铬合金Ｉｎｃｏｌｏｙ800ＨＴ,它的最高温度界限是898 8℃。但这种材料价格昂贵,仅用于高温蒸汽入口段。
3 引进设备的结构缺点
(1)由于过热蒸汽的入口温度接近于材料的最高温度界限,设计温度就取898 8℃,此时Ｉｎ ｃｏｌｏｙ800ＨＴ材料的许用应力非常低、强度差。虽然设计压力只有0 21ＭＰａ,但蒸汽入口套管的管壁取得较厚。
(2)与蒸汽入口套管相连接的部件,如反应器上封头和换热器上管板,材质均为304Ｈ,这些部件与Ｉｎｃｏｌｏｙ800ＨＴ相连接处均用耐高温材料(如陶瓷纤维)加以保护;同时为了解决套管的热膨胀问题,将套管下部断成两节,采用填料密封将两筒节承插连接,以补偿轴向位移;这样的设计致使换热器上部结构非常复杂,施工难度大。
(3)换热管材料为304Ｈ,管子外表面直接接触高温蒸汽。虽然换热管内走的是600℃左右的介质,使管壁的金属温度低于815℃,但在靠近中心管的内圈换热管上部受到高温蒸汽的冲击,管子易发生蠕变失效。这种情况在苯乙烯装置中发生过,造成换热管严重变形破坏。
4 国产化装置的中间换热器设计
“九五”规划期间,中国石化总公司组织开发了具有自主知识产权的苯乙烯工艺包,并建成了国产化的苯乙烯装置。其中的关键设备———脱氢反应器和中间换热器也是由国内自行设计和制造的。
国产化10万吨/年苯乙烯装置中的中间换热器结构如图2所示,国产设备的工作温度和部件材料见表3、表4。
这是一台典型的管壳式换热器,它的下管板与第二脱氢反应器壳体相连。管程介质来自第一脱氢反应器的工艺气体,从顶部进入,由上而下,经过换
热管被加热后,从下管板流出,进入第二脱氢反应器。壳程介质来自蒸汽过热炉的高温蒸汽,从侧面进入换热器壳程,顺着导流环向下至下管板上表面,然后在折流板之间流动,加热管子内的气体,随后从上部出口流出。材质的选用参照了引进设备,因为国内压力容器规范中的材料不适用于本设备的高温操作工况。换热器的主体材料选用304Ｈ。高温蒸汽入口部分及壳体下部约四分之一长度的筒节采用Ｉｎｃｏｌｏｙ800ＨＴ。
这台换热器与介绍的引进设备主要不同点在于:(1)比较表1和表3可看出,国产设备过热蒸汽入口温度比引进设备降低约50℃。原因是引进设备加热介质和被加热介质是同方向流动,如图3。而设计的换热器,两种介质是逆向流动的,见图4。在气-气换热器中,并流换热器的效率远远低于逆流换热器[2]。
对于高温设备来说,介质温度降低意味着材料的许用应力提高,见表5。由于过热蒸汽温度降低,Ｉｎｃｏｌｏｙ800ＨＴ的许用应力提高约30%,设备使用更安全可靠。
(2)设备结构简单,换热器中没有使用耐高温衬里材料,也没有使用填料密封,便于换热器的焊接、组装、检验和试验,保证了换热器的制造质量。
(3)蒸汽入口的导流筒同时也起着防冲挡板的作用,高温蒸汽不会直接冲击换热管。这一措施与蒸汽降温并举,彻底消除了换热管和管板受高温冲击而发生蠕变失效的危险。
5 结语
国产化的10万吨/年苯乙烯装置已运行多年,中间换热器经受了长期高温下工作的考验,至今未发生任何故障,证明设计是成功的,制造是可靠的。有不同规模的国产化苯乙烯装置已投入运行或正在建设,中间换热器的成功应用也为国内设计高温换热器积累了经验。
责任编辑: banye
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