重整裝置板殼式換熱器內(nèi)漏判斷及預(yù)防措施

徐慶輝，湯　帥，劉艷偉，湯杰國，郭建波

(中國石化 洛陽分公司，河南 洛陽　471012)

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重整裝置板殼式換熱器內(nèi)漏判斷及預(yù)防措施

徐慶輝，湯帥，劉艷偉，湯杰國，郭建波

(中國石化 洛陽分公司，河南 洛陽471012)

介紹了國產(chǎn)板殼式換熱器在連續(xù)重整裝置(CCR)的應(yīng)用，節(jié)能效果顯著，但是抗波動(dòng)能力較差，使用過程中易發(fā)生內(nèi)漏，影響裝置運(yùn)行效果。目前國內(nèi)板殼式換熱器內(nèi)漏判斷普遍使用殼程出入口采樣對(duì)比法來進(jìn)行判斷，由于誤差較大，內(nèi)漏小時(shí)不易發(fā)現(xiàn)。本文運(yùn)用KBC公司的Petro-SIM全流程模擬軟件和重整反應(yīng)機(jī)理模型Ref-SIM對(duì)洛陽分公司重整裝置進(jìn)行建模分析，模擬對(duì)比內(nèi)漏前后生成油中環(huán)烷烴含量變化，精確判斷出了內(nèi)漏情況。針對(duì)板殼式換熱器的運(yùn)行監(jiān)控提出了建議，正常生產(chǎn)并且無內(nèi)漏時(shí)，重整生成油中環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9%左右，若其含量升高，應(yīng)對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行分析。另外，結(jié)合國內(nèi)國產(chǎn)板殼式換熱器內(nèi)漏的原因進(jìn)行分析，提出了有效的預(yù)防措施。

連續(xù)重整；板殼式換熱器；內(nèi)漏；判斷；預(yù)防措施

0　前言

中國石化洛陽分公司0.7 Mt/a連續(xù)重整裝置主要包括原料預(yù)處理部分、重整反應(yīng)部分和催化劑連續(xù)再生部分，采用國產(chǎn)連續(xù)重整成套技術(shù)，為芳烴聯(lián)合裝置提供原料，并副產(chǎn)氫氣。重整反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)料/產(chǎn)物換熱器是重整裝置關(guān)鍵的節(jié)能設(shè)備，具有冷熱流體流量大、熱負(fù)荷高等特點(diǎn)，原設(shè)計(jì)兩臺(tái)并聯(lián)逆流立管式換熱器，熱端溫差高達(dá)60.4 ℃，熱量回收率低。2011年裝置節(jié)能改造更換為國產(chǎn)板殼式換熱器，開工初期熱端溫差降低至24.8 ℃，第一反應(yīng)加熱爐入口溫度升高35.6 ℃，有效減少燃料氣消耗，降低裝置綜合能耗5.16 kgeo/t。

但是，板殼式換熱器的加工制造、操作不當(dāng)及腐蝕易造成換熱器內(nèi)漏，影響裝置運(yùn)行效益。現(xiàn)運(yùn)用KBC公司的全流程模擬軟件Petro-SIM和重整反應(yīng)機(jī)理模型Ref-SIM對(duì)洛陽分公司重整裝置進(jìn)行詳細(xì)模擬，并結(jié)合行業(yè)內(nèi)A廠、B廠重整裝置相關(guān)數(shù)據(jù)，針對(duì)板殼式換熱器內(nèi)漏判斷及原因進(jìn)行分析，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，提出有效的預(yù)防措施。

1　內(nèi)漏的現(xiàn)象

由于反應(yīng)進(jìn)料側(cè)壓力高于反應(yīng)出料側(cè)壓力，若換熱器發(fā)生內(nèi)漏，則會(huì)造成反應(yīng)進(jìn)料從板程向殼程反應(yīng)出料內(nèi)漏，部分沒有經(jīng)過催化重整反應(yīng)轉(zhuǎn)化的重整原料串入反應(yīng)生成油中，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)重整模型測算，當(dāng)換熱器發(fā)生內(nèi)漏后(內(nèi)漏量為質(zhì)量百分比)，裝置運(yùn)行參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)變化如表1所示。

表1　模擬內(nèi)漏后裝置運(yùn)行參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)變化

注：為保證連續(xù)重整反應(yīng)的苛刻度相同，故模型設(shè)置實(shí)際參與反應(yīng)物料量相等。表中WAIT指平均反應(yīng)入口溫度；WABT指平均反應(yīng)床層溫度；LHSV指液時(shí)空速。

由表1可知，在反應(yīng)條件相同時(shí)，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)料/產(chǎn)物換熱器發(fā)生5%內(nèi)漏后，重整生成油芳烴含量、RON、芳烴產(chǎn)率、純氫產(chǎn)率明顯下降，裝置技術(shù)指標(biāo)變差。另外，實(shí)際生產(chǎn)中由于重整參與反應(yīng)物料比實(shí)際進(jìn)料減少，因此，空速降低，催化劑積碳上升。

2　內(nèi)漏的分析與判斷

關(guān)于洛陽分公司重整板殼式換熱器是否內(nèi)漏及內(nèi)漏程度，通過比對(duì)A廠、B廠連續(xù)重整裝置板殼式換熱器實(shí)際應(yīng)用情況，并利用Petro-SIM流程模擬軟件建模測算作為參照進(jìn)行分析后，可初步確定為輕微內(nèi)漏。

B廠重整裝置板換內(nèi)漏，A廠重整裝置板換新更換的板束，下面結(jié)合B廠內(nèi)漏后化驗(yàn)數(shù)據(jù)及A廠更換板束后化驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用流程模擬軟件建模測算，分析本裝置內(nèi)漏情況。

2.1板殼式換熱器殼程進(jìn)、出物料化驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

A廠的板束于2014年11月更換，更換后做了一系列化驗(yàn)分析，現(xiàn)取一組作為未內(nèi)漏情況下的數(shù)據(jù)，B廠已確定內(nèi)漏，現(xiàn)取一組化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)作為內(nèi)漏情況下的數(shù)據(jù)，對(duì)比數(shù)據(jù)見表2。

表2　A廠、B廠板殼式換熱器殼程進(jìn)、出物料分析數(shù)據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

注：由于原料中烯烴含量較低，所以烯烴含量采樣分析數(shù)據(jù)存在誤差。

由表2可知，未內(nèi)漏的出口與入口數(shù)據(jù)相比，各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相同，內(nèi)漏的出口與入口數(shù)據(jù)相比，烷烴、環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高，芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯下降。

2.2殼程進(jìn)、出物料模擬數(shù)據(jù)分析

催化重整反應(yīng)過程是通過脫氫芳構(gòu)化或異構(gòu)化等反應(yīng)，將低辛烷值的組分轉(zhuǎn)化成高辛烷值的組分(芳烴含量增加)，產(chǎn)生氫氣，并伴隨少量裂化反應(yīng)的發(fā)生(烯烴含量增加)。所以通過預(yù)加氫后的重整原料中烷烴、環(huán)烷烴含量高于重整反應(yīng)生成油中含量，烯烴、芳烴含量低于重整反應(yīng)生成油中含量，若是反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)料/產(chǎn)物換熱器發(fā)生內(nèi)漏，部分沒有經(jīng)過催化重整反應(yīng)轉(zhuǎn)化的重整原料串入反應(yīng)生成油中，將會(huì)導(dǎo)致殼程出口物料中烷烴、環(huán)烷烴含量升高，烯烴、芳烴含量下降(與殼程進(jìn)口物料相比)。根據(jù)模型測算，殼程進(jìn)、出物料模擬數(shù)據(jù)見表3。

表3　板殼式換熱器殼程進(jìn)、出物料模擬數(shù)據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

對(duì)比表2、表3可知，無內(nèi)漏、內(nèi)漏兩種情況下模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)變化規(guī)律相同，并符合催化重整反應(yīng)原理。

2.3數(shù)據(jù)分析

由上述分析可知，如果發(fā)生內(nèi)漏，將有以下規(guī)律：與殼程入口物料相比，出口物料中烷烴、環(huán)烷烴含量升高，芳烴含量降低。殼程進(jìn)、出物料分析數(shù)據(jù)見表4。

表4　殼程進(jìn)、出物料分析數(shù)據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

由表4可知，出口與進(jìn)口物料分析數(shù)據(jù)相比，烷烴及烯烴含量降低，環(huán)烷烴、芳烴含量升高，不符合上述規(guī)律，并且與不內(nèi)漏情況沖突?？纱_定洛陽石化重整裝置殼程進(jìn)、出物料化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)存在失真。失真原因可能為殼程進(jìn)、出口物料利用臨時(shí)采樣器采樣，采出物料中部分組分氣化不同造成采樣誤差。

2.4重整裝置內(nèi)漏判斷

根據(jù)催化重整反應(yīng)原理，環(huán)烷烴轉(zhuǎn)化為芳烴的反應(yīng)速度很快，并且很容易達(dá)到化學(xué)平衡，因此，在重整反應(yīng)產(chǎn)物中，環(huán)烷烴含量是非常低的。為避免采樣誤差對(duì)換熱器內(nèi)漏判斷的影響，以下針對(duì)重整生成油環(huán)烷烴含量變化情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.4.1利用模型測算

當(dāng)換熱器發(fā)生內(nèi)漏后，重整生成油中C6+環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況，見表5。

表5　內(nèi)漏后重整生成油中C6+環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬數(shù)據(jù)變化　%

以2015年1月重整生成油數(shù)據(jù)對(duì)比2011年更換板殼式換熱器后開工數(shù)據(jù)(2012年2月)，重整生成油中C6+環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化情況，見表6。

表6　重整生成油中C6+環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)實(shí)際數(shù)據(jù)變化　%

表5、表6中重整生成油中C6+環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化值對(duì)比見圖1。

圖1　實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)變化值對(duì)比圖

由圖1可知，實(shí)際數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)重整生成油中C6+環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化值對(duì)比，實(shí)際數(shù)據(jù)與2%內(nèi)漏時(shí)數(shù)據(jù)基本吻合，反應(yīng)進(jìn)料/產(chǎn)物換熱器存在內(nèi)漏可能，內(nèi)漏量約為2%。

2.4.2統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)國內(nèi)重整裝置的統(tǒng)計(jì)，重整生成油RON≥90的苛刻度下，重整生成油中環(huán)烷烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2.7%。重整生成油組成數(shù)據(jù)見表7。

表7　重整生成油組成分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)　%

由表7可知，A廠、B廠重整生成油中環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%、3.7%，根據(jù)模型測算，洛陽分公司重整裝置在反應(yīng)進(jìn)料/產(chǎn)物換熱器無內(nèi)漏時(shí)，重整生成油中環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%，RON值為99.5，而內(nèi)漏量為5%時(shí)，環(huán)烷烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高至2.58%，RON降為97.4。根據(jù)2015年1月數(shù)據(jù)，重整生成油中環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.94%，高于2011年更換板殼式換熱器后開工數(shù)據(jù)(重整生成油中環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%)。

綜上所述，洛陽分公司重整裝置反應(yīng)進(jìn)料/產(chǎn)物板殼式換熱器存在內(nèi)漏可能，內(nèi)漏量約為2%。

2.4.3實(shí)際內(nèi)漏情況

2015年10月裝置停工，檢查發(fā)現(xiàn)板殼式換熱器殼程入口連接焊縫開裂，相應(yīng)的背部板程出口與殼體支撐板的連接焊縫開裂，板殼式換熱器確實(shí)存在內(nèi)漏情況，但內(nèi)漏量較小。

3　板殼式換熱器內(nèi)漏原因分析及預(yù)防措施

3.1原因分析

重整裝置反應(yīng)進(jìn)料/產(chǎn)物換熱器采用國產(chǎn)板殼式換熱器，目前應(yīng)用比較廣泛，就應(yīng)用效果來看，節(jié)能效果顯著，但是抗波動(dòng)能力較差，使用過程中易發(fā)生內(nèi)漏。結(jié)合行業(yè)內(nèi)應(yīng)用情況來看，造成板殼式換熱器內(nèi)漏的原因主要有：

3.1.1換熱器流道堵塞

由于流道堵塞造成物流分布不均，導(dǎo)致溫度變化分布不均產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而使得板片、焊縫應(yīng)力開裂。①液體進(jìn)料過濾器失效。失效形式主要有：過濾器進(jìn)出口方位安裝錯(cuò)誤(反向)、濾籃與設(shè)備密封面之間產(chǎn)生間隙、濾芯損壞、過濾系統(tǒng)管線投用前未清理等，造成雜質(zhì)進(jìn)入換熱器，使得油路分布管或板束流道發(fā)生堵塞，導(dǎo)致板束中物料分布不均；②板殼式換熱器在運(yùn)行期間，由于各種原因，例如：催化劑碎片沉積、原料氮含量、烯烴含量高等，會(huì)造成換熱器內(nèi)部結(jié)垢、結(jié)鹽、結(jié)焦等現(xiàn)象，對(duì)換熱板片的流道造成堵塞，導(dǎo)致板束中物料分布不均。

3.1.2腐蝕穿孔

板換低溫部位處于氯+水環(huán)境下，產(chǎn)生腐蝕穿孔，直接形成內(nèi)漏。重整催化劑在使用過程中，氯會(huì)不斷流失，同時(shí)又不斷補(bǔ)充，催化劑上氯含量處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。若反應(yīng)進(jìn)料水含量高，導(dǎo)致催化劑氯流失較大，在板換殼程出口低溫部位形成氯+水環(huán)境，對(duì)不銹鋼板片產(chǎn)生腐蝕。

3.1.3操作不當(dāng)

操作使用不當(dāng)或發(fā)生生產(chǎn)波動(dòng)時(shí)溫度、壓力變化大，對(duì)板換產(chǎn)生沖擊，造成板片、焊縫應(yīng)力開裂。①發(fā)生生產(chǎn)波動(dòng)，例如加熱爐熄火、反應(yīng)進(jìn)料切斷、反應(yīng)進(jìn)料量大幅波動(dòng)、循環(huán)氫中斷、循環(huán)氫流量大幅波動(dòng)、反應(yīng)系統(tǒng)壓力突變等；②開停工過程中，反應(yīng)進(jìn)料冷熱料切換速度過快，反應(yīng)系統(tǒng)升降溫(壓)速度過快等；③反應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)回路發(fā)生堵塞，造成板殼程差壓增大。

3.2預(yù)防措施

①反應(yīng)進(jìn)料過濾器做好差壓監(jiān)控，并定期進(jìn)行切換檢查；②加強(qiáng)原料監(jiān)控，防止氮含量、烯烴含量超標(biāo)，并優(yōu)化提升操作，減少催化劑磨損、破碎；③監(jiān)控反應(yīng)進(jìn)料水含量，維持催化劑水氯平衡，將催化劑氯含量調(diào)整到最佳水平，保證催化劑持氯能力，減少注氯量，以降低腐蝕；④裝置運(yùn)行中由于加熱爐熄火、循環(huán)氣壓縮機(jī)停車等原因造成裝置停車時(shí)，應(yīng)及時(shí)切斷液體進(jìn)料，盡量使板程和殼程保持溫度變化同步，避免溫差過大。再次開車時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注換熱器內(nèi)部與反應(yīng)器內(nèi)部的溫度差異，由于換熱器與反應(yīng)器的熱容不同，兩者的冷卻速率相差較大，溫差>100 ℃的情況下啟動(dòng)循環(huán)氫壓縮機(jī)時(shí)，應(yīng)采取措施控制進(jìn)入換熱器的較低氣體流量，以避免對(duì)換熱器造成熱沖擊。⑤在緊急狀態(tài)下?lián)Q熱器升降溫速率≤55 ℃/h，反應(yīng)液體進(jìn)料冷熱切換時(shí)，控制切換速度；⑥開停車過程中板、殼程應(yīng)均衡平穩(wěn)升降壓，并控制板殼程正、反壓差不超過設(shè)計(jì)值0.25 MPa；⑦開始進(jìn)料后，將初始進(jìn)料量設(shè)置為滿負(fù)荷進(jìn)料量的30%，此時(shí)熱端溫差變大，當(dāng)熱端溫差開始變小后，反應(yīng)進(jìn)料量應(yīng)根據(jù)熱端溫差變化情況逐步提量；⑧停車檢修期間，板殼式換熱器如長時(shí)間不投入使用，應(yīng)從裝置中隔離并充氮保護(hù)，防止全焊接板束腐蝕。檢維修過程中，應(yīng)避免氯化物和液態(tài)水同時(shí)存在，因板殼式進(jìn)料換熱器全焊接板束是由不銹鋼制成，長期處于氯化物 + 水的環(huán)境中會(huì)引起腐蝕。

4　建議及小結(jié)

設(shè)計(jì)增加第四反應(yīng)器出口采樣器，保證采樣環(huán)境與重整反應(yīng)氣液分離罐采樣環(huán)境相同，便于跟蹤判斷換熱器內(nèi)漏情況；及時(shí)跟蹤重整生成油芳烴含量、RON、純氫產(chǎn)率等變化，特別是生成油中環(huán)烷烴含量。根據(jù)分析可知，正常生產(chǎn)時(shí)，無內(nèi)漏時(shí)，生成油中環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.9%，若其含量升高，應(yīng)進(jìn)行分析。

結(jié)合三套裝置內(nèi)漏判斷方法可知，通過對(duì)比板殼式換熱器殼程進(jìn)、出料組分變化情況方法存在一定誤差，對(duì)采樣條件要求苛刻，而利用重整生成油中環(huán)烷烴含量變化情況，并以Petro-SIM流程模擬軟件建模測算作為參照，綜合分析判斷換熱器是否內(nèi)漏以及內(nèi)漏量的方法比較準(zhǔn)確、簡便。由于重整產(chǎn)品質(zhì)量要求較高，若是采用國產(chǎn)板殼式換熱器，為了防止內(nèi)漏，要加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)，特別是在事故狀態(tài)下、開停工過程中要重點(diǎn)關(guān)注。

2016-07-12

徐慶輝(1986-)，男，工程師，從事重整及加氫裝置安全生產(chǎn)及技術(shù)管理工作，電話：15137999209。

TQ050.7

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