急冷换热器

换热设备

急冷换热器是指一种乙烯裂解装置中工艺性非常强的关键设备。急冷换热器主要承担两个任务:其一是将800℃左右的高温裂解气迅速冷却至二次反应温度以下，减少烯烃损失;其二是尽可能多地回收裂解气的高位热能，产生12. 0MPa左右的高压蒸汽。急冷换热器的气体侧由进口分配器换热管及出口联箱三大部件组成.裂解气体通过进口分配器一路减速(一般<10米/秒)扩压，使气体的动能尽量转变成静压，这样可以减小各换热管入口处由于气体流速过高而不均匀以及入口气流冲角不等而造成气体进入换热管的流量分配不均匀性.分配器应该把气体均匀地分配到各个换热管中.一般，流量的最大可能偏差应低于±10%，同时尽量减少气体在分配器内的停留时间，并避免出现死滞旋涡区，以抑制裂解气的二次反应，保证乙烯产品的收益。

简介

急冷换热器是乙烯裂解装置中工艺性非常强的关键设备。从工艺上讲，裂解气急冷换热器主要分为一级急冷换热器和二级急冷换热器，对于气体原料有时也采用三级急冷换热器。急冷换热器主要承担两个任务:其一是将800℃左右的高温裂解气迅速冷却至二次反应温度以下，减少烯烃损失;其二是尽可能多地回收裂解气的高位热能，产生12. 0MPa左右的高压蒸汽。急冷换热器的气体侧由进口分配器换热管及出口联箱三大部件组成.裂解气体通过进口分配器一路减速(一般<10米/秒)扩压，使气体的动能尽量转变成静压，这样可以减小各换热管入口处由于气体流速过高而不均匀以及入口气流冲角不等而造成气体进入换热管的流量分配不均匀性.分配器应该把气体均匀地分配到各个换热管中.一般，流量的最大可能偏差应低于±10%，同时尽量减少气体在分配器内的停留时间，并避免出现死滞旋涡区，以抑制裂解气的二次反应，保证乙烯产品的收益。

国内研究单位在急冷换热器方面做了大量研究开发工作，成功开发出了具有自主知识产权的单排、双排和错排线性急冷换热器和二级急冷换热器。但是由于线性急冷换热器处理量较小，适用于处理量较小的炉管，难以与大处理量炉管相匹配，因而对于大处理量炉管应采用一级大容量急冷换热器或二级急冷换热器。

急冷换热器的性能要求

急冷换热器要求具有以下性能:

(1)结焦轻微、能长周期运转。

(2)热回收效率高，对裂解气聚急速冷却，经济性能好。

(3)结构简单，便于操作维修，稳定性好。

(4)尽可能延长烧焦周期，提高烧焦温度。

(5)除轻质油外，重质油品也能使用。

(6)投料量要大，便于提高生产能力。

急冷换热器的工艺特点

急冷换热器在工艺设计上有以下特点:

a.绝热段体积小，绝热停留时间短，烯烃损失少;

b.冷却段比表面积大，可迅速将高温裂解气冷却至二次反应温度以下;

c.大换热管直径，较少的换热管数量，改善了裂解气的流体分布，减小了结焦对压降的影响，提高了在线清焦效果和裂解炉的在线率;

d.换热面积较大，急冷换热器出口温度低，蒸汽产量高，运转周期长。

急冷换热器的结构特点

急冷换热器在高温和高压条件下操作，管壳程的热膨胀差较大，易引起较大的轴向应力，尤其在裂解气入口端，由于温度高、热强度大，这就为入口管板的结构设计带来很大困难。如设计不当，会在管板、管子及其连接处产生很大的热应力，极易造成急冷换热器泄漏和失效。因此，目前急冷换热器入口端均采用加强型薄管板、椭圆形集流管等特殊结构，以适应高温和高压操作条件。

急冷换热器为立式管壳式结构，高温裂解气从下部进入上部流出，裂解气走管程，汽水混合物走壳程。

为了适应高温和高压操作条件，急冷换热器在结构设计上主要有以下特点:

a.采用挠性薄管板和弹性连接件共同吸收管壳程的热膨胀差。急冷换热器的管板必须承受高压蒸汽造成的负荷，并允许管束和筒体间有不同的热膨胀量。新型急冷换热器上部和下部均采用挠性薄管板和弹性连接件，挠性薄管板和弹性连接件固有的弹性有利于吸收换热管和筒体之间的热膨胀差，减小热应力。另外，由于管板较薄，管板沿壁厚方向的温度梯度较小，因此热应力较小，这就减少了管板失效的可能性。

b.采用内孔焊急冷换热器管子与管板的连接处是最容易损坏的部位，所以管子与管板的连接十分重要，特别是入口管板，由于裂解气温度高，热强度大，损坏的几率更大。为了提高管板和换热管连接的可靠性，新型急冷换热器入口管板与换热管的焊接采用内孔焊，内孔焊不仅有好的焊接强度，而且消除了管子与管板之间的间隙，不

会发生间隙腐蚀，内孔焊还可以使焊缝处于水侧的冷却之下，降低了焊缝温度，提高了焊缝的可靠性。

c.薄管板和管口的热防护。如前所述，急冷换热器的入口部位，由于存在高温高速气流的热冲击，使该处热强度极高，必须妥善地采取热防护措施，否则管板和管口处容易因热应力、热疲劳和高温腐蚀而损坏。为了防止高温裂解气将管板和管口烧坏，新型急冷换热器入口管板外表面敷有5 ~10mm的耐热合金堆焊层，对入口管板可以起到良好的保护作用。

d.裂解气的流量分配。为了将裂解气均匀分配到换热管中，采用CFD模拟技术对裂解气入口流道进行了专门设计，能将裂解气均匀分配到换热管中。急冷换热器入口流体分布器中还设有防焦挡板，一方面可以防止高温裂解气中夹带的焦粒对管板的冲刷，另一方面也可以起到使裂解气均匀分配的作用。

e.汽水混合物入口和出口均设有导流装置，使汽水混合物以一定速度流过管板，防止流体短路，对管板进行充分冷却。

f.为了改善焊缝的受力状况、保证焊接质量并易于进行无损检测，承压焊缝尽可能采用对接焊缝。

乙烯装置线性急冷换热器

乙烯装置线性急冷换热器设备是乙烯裂解工业生产过程中所应用的设备之一，它的工艺性较强，而且，将该装置实际应用于生产过程中，各项生产环节对于此设备的要求较高，要在短时问内将高温裂解气迅速冷却下来，直至达到终比其发生二次反应的温度及以下，从而避免造成烯烃物质损失。此外，实际生产的有序执行还有赖于乙烯装置线性急冷换热器设备本身性能的发挥，并尽可能保证低能耗生产。

乙烯装置线性急冷换热器结构

从我国某地方乙烯厂的实际生产过程来看，生产环节中所采用乙烯装置线性急冷换热器较为传统，通过研究可以发现，该设备在实际使用的过程中出现了某些内管结焦的现象，给生产带来阻碍。

乙烯装置线性急冷换热器结构的改进

线性急冷换热器是乙烯裂解装置中的关键设备，通过对出口集气箱进行结构改进，增加机械清焦接口，解决了线性急冷换热器机械清焦的难题，提高了清焦质量和效率，进而保证了裂解炉高效运行，并且，取得了良好的经济效益。

1.改进乙烯装置线性急冷换热器的主要思路

在过去很长的一段时问里，由于该装置的结构设计存在一定的局限性，进而导致了线性急冷换热器机械清焦等问题的产生。基于此，针对乙烯装置线性急冷换热器的结构进行改进，结果表明，这一改进策略较为可行，获得了良好的反馈。

2.改进乙烯装置线性急冷换热器结构的主要措施

通过改进乙烯装置线性急冷换热器设备的裂解气出口以及清焦结构等内容，则能够改善该设备的实际应用效果。从具体来看，乙烯装置线性急冷换热器结构的改进环节及措施都较为简单，实际上，就是针对一些部分的装置进行改良设计，赋予设备以新的性能，以便在生产过程中能够提高产业实效。其中，针对乙烯装置线性急冷换热器内管部位的改造措施为:在每台线性急冷转换器的内管所对应的出口集气箱上进行开口改造，一般设备中都有10根内管，与此同时，增加相应数量的两英寸3001b的接管，并将接管的末端进行封。这样一来，即便发生急冷换热器内管结焦现象获进出口集气箱压力差较为明显时，都可以将实现良好的机械清焦效果，究其原因在于，改进后的新增封压装置可随时被拆除，进而令管线中的污水排放畅通，所以就可以令水力机械清焦环节顺利的执行下去。

甲醛急冷换热器泄漏事故分析

某化工厂使用的12m2不锈钢甲醛急冷换热器，安装使用24天，就发生换热管泄漏事故。重新全部换管后，仅使用15天，又发生泄漏事故。拔出管子后，发现管子在液面处有周白及轴向裂纹，裂纹均在液面处。在接近液面的管子表面有一层水垢，紧挨液面管子表面结垢最多，即为产生裂纹的部位，坏管分布于中心。

由于两次使用裂纹均在液面处，因此，从温差及传热方面考虑，初步分析为液面处管子的温度应力引起管子破坏。通过计算，发现在设计温度下，管子外壁及内壁的应力均小于许用应力，故换热器设计合理。计算得出，实际温度下，换热管外壁面温度应力超过许用应力，内壁面温度应力远超过许用应力。因此，可以得出，该换热器泄漏原因为液面处温度应力，直接原因为工况温度过高。通过计算，还发现温差应力破坏、流体压力、搅动破坏、气体腐蚀中的高温氧化及晶间腐蚀均不会引起换热管泄漏。

故应从改进工艺、降低甲醛气进口温度着手。改变水质，进一步净化，避免结垢。同时希望各生产厂注重工艺流程顺序，不可随意增减设备。在换热器进出口装测温装置，以延长换热器使用寿命。

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