烃加工工业对设备运营性能的要求越来越高——无论是有提高产量要求的现有工艺设备，还是新建的炼油厂都是如此，工程师和工艺设计师无一不在努力提高工艺性能和运营绩效，使企业实现价值最大化。

通过突破现有化工工程原理设计和运行方式，工厂实现了运行性能的重大提升。然而，还有一个可以完善的巨大空间，常常被忽视，而它会影响到工艺设计的核心，这一可以改变游戏规则的潜在空间即是“经验法则”。

经验法则如果应用得当，可以成为评估各类工艺应用场合的利器，能够节约大量时间和精力。反之，“尖端工艺”就常会变成仅仅是对一些过时的法则和技术进行简单的修改再利用。工艺设计师是接受经验法则还是去挑战它取决于自己的想法，因为挑战经验法则耗时更长，设计评估也更为复杂。本文将探讨针对换热器及其限制条件如何应用”经验法则”的问题。

图1 阿法拉伐全焊式板式换热器Compabloc

在热交换设计中，常用经验法则对换热器最优设计性能进行评估；并应用运营成本（OPEX）评估资本性支出（CAPEX）。很多时候，最小端温差（夹点温度）用于预估最佳设计点。实际上，不同的情况和不同的热交换技术，最佳设计点差异很大；很难针对一个设定的设计选出最佳方案。即便是“端温差”这一概念也要取决于换热器的几何形状，因此让人倍感困扰。在冷凝和沸腾工况的换热器设计中，这一问题就更为明显；在这种工况中，应用高效换热器技术会带来工艺性能的显著提高。

我们会通过多个实际案例来说明如何通过使用先进换热器技术来挑战经验法则。

冷凝器中的冷却介质

在大部分炼油蒸馏塔中，人们遵循一定的冷热两侧温差经验法则，采用空冷器或水冷器对塔顶气进行冷凝。采用水冷器时，传统来讲壳侧用于冷凝，很多时候人们用冷侧出口温度评估工艺侧最低温度。在实际应用经验法则时，设定的温差为10~20℃，而对此经验法则提出挑战会带来哪些好处呢？比如说采用2~3℃的温差，情况是否会有所不同呢? 这就是本文所述的北美和南美炼油厂向经验法则提出挑战的案例。

北美某大型炼油厂在实施MSAT II法规的过程中着手设计一座重整分离塔。在进行设计计算时根据经验法则按冷凝温度允许范围确定分离塔压力。很显然，挑战经验法则可降低冷凝温度，而其会影响分离塔压力、再沸温度和分离所需的能量，最终结果是分离效率得以提高，再沸器中使用温度更低的加热介质，节省了蒸汽成本。

上述应用所选的换热器技术就是阿法拉伐的Compabloc换热器（图1，图2），它采用了波形板，效率非常高，能够达到很小的端温差，同时又使压降降至最低。这一冷凝器采用错流型式，温差低至1.6℃，自2009年以来一直使用至今。

图2 阿法拉伐Compabloc换热器构件

另一案例是，南美某炼油厂曾对其催化裂化装置进行改造，需要提高主分馏塔塔顶冷凝器的负荷。由于之前已经采用壳管式换热器用冷却水进行冷凝，因此改造时仅需增加管壳数量即可。然而，由于受到空间的制约，该炼油厂必须评估其他技术，以完成要求的负荷；因此该炼油厂开始向阿法拉伐公司咨询催化裂化装置塔顶油气设备方面的最优技术及其性能潜力。

早在与阿法拉伐公司商讨阶段就能明显看出小的端温差可显著提高工艺能力；因此工程师决定用不同的端温差、不同的换热器技术和流动形式（错流或者逆流）对此进行了一项研究。

阿法拉伐的工程师在对配置进行评估后，根据工艺性能而非经验法则确定了最理想的设计方案。所确定的最优配置是采用逆流换热器，其冷端温差为2.5℃（热侧出口–冷侧进口），温度交叉达到25℃；这就意味着在同一台换热器中热侧出口温度与冷侧出口温度实现交叉。这台换热器（图3）与现有壳管式换热器采用并联方式安装，使用4年后，运行数据显示它仍然完全符合设计端温差。

图3 与壳管式换热器并联安装的Compabloc换热器（催化裂化塔顶油气冷凝器）

冷凝器热回收

从蒸馏塔塔顶油气中回收热量在炼油厂中并不常见，原因是流体的温度较低，根据经验法则来看，回收热量的机会有限。由于经验法则限制了流体中可回收热的数量，常常有大量的热量被排到了冷却水或空冷器中。另一限制热回收的惯例是采用错流形式的换热器，它阻碍了实现经济性温度交叉的可能性。从下列炼油厂的使用效果来看，挑战旧有法则可带来相当大的益处。

欧洲某大型炼油厂决定将存在能源浪费的常压塔塔顶油气空冷器改为回收塔顶油气热量至原油的方式。该炼油厂并未简单地受经验法则所限，而是与阿法拉伐公司一起研究能够向原油中最大程度回收热量的换热器技术，以节约宝贵的能源。经过深入的研究，包括对已经使用先进技术的一家炼油厂进行考察后，上述炼油厂选用了阿法拉伐Compabloc换热器，采用逆流配置。在第一级原油预热过程中并联安装了两台换热器，在对原油加热50℃的同时，也尽可能实现了原油蒸馏塔顶气体的冷却。这两台换热器采用逆流操作形式，冷端温差为20℃，温度交叉为30℃。上述应用具有腐蚀性，因此该炼油厂选用了一种在塔顶油气环境中抗腐蚀的合金材料；Compabloc技术能够高效利用表面积，因此这一决策经济性非常强。Compabloc设备体积小巧而轻便，炼厂可将其安装到现有结构中，从而节约了安装成本。据该炼油厂统计，从换热器试车完成至今节能效果达到了每年300万欧元。经过四年的无故障运行，已经实现了成倍的投资回报；在设备以后的长寿命周期中节能效果将继续体现。

全球多家炼油厂都已选择用将塔顶气中的热量回收到进料中的方式提高酸水汽提塔的热回收效率。其工艺规划本身并不是全新理念，然而，效率提升受到了传统换热器经验法则的限制。举例而言，如果采用塔顶气对原料进料进行预热，进料/塔底出料换热器的端温差会降至很低，以至于如果这些位置不采用改进的换热器技术，就无法完成经济性的热回收。常见的情况是，对某一换热器位置的经验法则提出挑战，需要工艺设计师同时对其他工艺环节中的现有法则提出挑战。这样做能够带来显著的益处，在上述案例中，利用改进技术进行工艺优化后，热回收效率可提升25%。

小结

如本文中案例所示，在不同的工艺设计中针对换热器沿用经验法则在工艺性能方面效果其实并不够理想。要确定最优工艺性能，通常需要在初期与既了解工艺又熟悉不同技术的操作限制的换热器专家进行交流。这样的交流会增加工艺设计时间，但其实际的益处目前看远超设计成本，因此应当将其纳入工艺设计流程当中。