哈雷釬焊板式換熱器
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                  苯乙烯裝置中的高溫換熱器設計情況

                  點擊:2214 日期:[ 2014-04-26 22:32:22 ]
                     摘 要:苯乙烯裝置的中間換熱器在800℃以上高溫下工作,介紹了引進設備的選材和結構設計,分析了引進設備結構上的缺點,同時說明國產設備在結構設計上所做的改進,提高了換熱效率,簡化了制造工藝,并增加了設備的整體安全性。   關鍵詞:高溫;換熱器;國產化設計;   1 前言   在苯乙烯裝置中,乙苯脫氫制苯乙烯的反應過程是在600℃以上的高溫下進行的。反應過程分兩步,先用過熱蒸汽加熱乙苯,使其溫度達到600℃以上,進入第一脫氫反應器,在催化劑作用下進行反應,反應后的工藝氣體溫度降至500℃以上,隨后通過一臺高溫換熱器將工藝氣體的溫度再加熱至600℃以上,進入第二脫氫反應器,完成整個反應過程。   在第一、第二脫氫反應器之間的加熱器稱為中間換熱器,這臺換熱器的管程介質是500~600℃的工藝氣體,殼程是800℃以上的過熱蒸汽,因此是一臺溫度極高的高溫換熱器。   2 引進設備的情況   從20世紀80年代至今,我國已引進了數十套苯乙烯裝置。工藝流程主要來源于兩家專利商。就乙苯脫氫流程而言,兩家專利商的工藝路線大同小異,設備設計有所不同,且均在不斷地改進。以其中一家的一套10萬噸/年苯乙烯裝置為例,中間換熱器的結構如圖1所示,引進設備的工作溫度和部件材料見表1、表2?! ?  這臺換熱器安裝在第二脫氫反應器的外殼里面,換熱器形式為管殼式,換熱管按同心圓分布排列,折流板為圓盤、圓環形。與普通換熱器不同的是殼程介質出入口在換熱器中心。   管程介質為工藝氣體。來自第一脫氫反應器的工藝氣體從側面接管進入第二反應器殼體與中間換熱器殼體之間的環形空間,氣體向上流動至換熱器管板上表面,然后從換熱管中向下流動,同時被殼程蒸汽加熱,經過下管板流出,進入第二脫氫反應器。殼程介質為高溫過熱蒸汽。     來自蒸汽過熱爐的過熱蒸汽從中心管的外套管中進入換熱器殼程,在折流板之間流動,加熱管子內的氣體,蒸汽向下流動至下管板上表面,然后從中心管中返回上出口?! ?    換熱器的主體材料選用304H,這是一種適用于高溫工況的奧氏體不銹鋼,304H的含碳量控制在0 04%以上,并且經過1040℃的固溶處理。根據ASME第Ⅱ卷D篇中給出的材料適用范圍,304H用于制造常規設計容器的最高溫度界限是1500 (815℃)[1]。     由于過熱蒸汽入口溫度高于815℃,因此不能用304H,選用耐高溫性能更好的鎳-鐵-鉻合金Incoloy800HT,它的最高溫度界限是898 8℃。但這種材料價格昂貴,僅用于高溫蒸汽入口段。     3 引進設備的結構缺點    (1)由于過熱蒸汽的入口溫度接近于材料的最高溫度界限,設計溫度就取898 8℃,此時In coloy800HT材料的許用應力非常低、強度差。雖然設計壓力只有0 21MPa,但蒸汽入口套管的管壁取得較厚。    (2)與蒸汽入口套管相連接的部件,如反應器上封頭和換熱器上管板,材質均為304H,這些部件與Incoloy800HT相連接處均用耐高溫材料(如陶瓷纖維)加以保護;同時為了解決套管的熱膨脹問題,將套管下部斷成兩節,采用填料密封將兩筒節承插連接,以補償軸向位移;這樣的設計致使換熱器上部結構非常復雜,施工難度大。    (3)換熱管材料為304H,管子外表面直接接觸高溫蒸汽。雖然換熱管內走的是600℃左右的介質,使管壁的金屬溫度低于815℃,但在靠近中心管的內圈換熱管上部受到高溫蒸汽的沖擊,管子易發生蠕變失效。這種情況在苯乙烯裝置中發生過,造成換熱管嚴重變形破壞。     4 國產化裝置的中間換熱器設計     “九五”規劃期間,中國石化總公司組織開發了具有自主知識產權的苯乙烯工藝包,并建成了國產化的苯乙烯裝置。其中的關鍵設備———脫氫反應器和中間換熱器也是由國內自行設計和制造的。     國產化10萬噸/年苯乙烯裝置中的中間換熱器結構如圖2所示,國產設備的工作溫度和部件材料見表3、表4。     這是一臺典型的管殼式換熱器,它的下管板與第二脫氫反應器殼體相連。管程介質來自第一脫氫反應器的工藝氣體,從頂部進入,由上而下,經過換 熱管被加熱后,從下管板流出,進入第二脫氫反應器。殼程介質來自蒸汽過熱爐的高溫蒸汽,從側面進入換熱器殼程,順著導流環向下至下管板上表面,然后在折流板之間流動,加熱管子內的氣體,隨后從上部出口流出。材質的選用參照了引進設備,因為國內壓力容器規范中的材料不適用于本設備的高溫操作工況。換熱器的主體材料選用304H。高溫蒸汽入口部分及殼體下部約四分之一長度的筒節采用Incoloy800HT?! ?    這臺換熱器與介紹的引進設備主要不同點在于:(1)比較表1和表3可看出,國產設備過熱蒸汽入口溫度比引進設備降低約50℃。原因是引進設備加熱介質和被加熱介質是同方向流動,如圖3。而設計的換熱器,兩種介質是逆向流動的,見圖4。在氣-氣換熱器中,并流換熱器的效率遠遠低于逆流換熱器[2]?! ?    對于高溫設備來說,介質溫度降低意味著材料的許用應力提高,見表5。由于過熱蒸汽溫度降低,Incoloy800HT的許用應力提高約30%,設備使用更安全可靠。   (2)設備結構簡單,換熱器中沒有使用耐高溫襯里材料,也沒有使用填料密封,便于換熱器的焊接、組裝、檢驗和試驗,保證了換熱器的制造質量。     (3)蒸汽入口的導流筒同時也起著防沖擋板的作用,高溫蒸汽不會直接沖擊換熱管。這一措施與蒸汽降溫并舉,徹底消除了換熱管和管板受高溫沖擊而發生蠕變失效的危險。     5 結語     國產化的10萬噸/年苯乙烯裝置已運行多年,中間換熱器經受了長期高溫下工作的考驗,至今未發生任何故障,證明設計是成功的,制造是可靠的。有不同規模的國產化苯乙烯裝置已投入運行或正在建設,中間換熱器的成功應用也為國內設計高溫換熱器積累了經驗。
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