加氫裝置繞管式換熱器銨鹽結(jié)晶分析及對策

陳章華

(中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司,浙江 寧波 315207)

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加氫裝置繞管式換熱器銨鹽結(jié)晶分析及對策

陳章華

(中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司,浙江 寧波 315207)

某廠柴油加氫裝置繞管式換熱器出口存在嚴(yán)重氯化銨鹽結(jié)晶問題，造成換熱管部分堵塞，換熱器換熱效率下降明顯，嚴(yán)重影響裝置加工負(fù)荷及能耗。對繞管式換熱器氯化銨鹽結(jié)晶原因及沉積機(jī)理進(jìn)行了分析，得出換熱器管程出口溫度過低是引起氯化銨鹽結(jié)晶的根本原因。通過提高混合原料溫度，降低混合原料進(jìn)換熱器流量，優(yōu)化注水方案，增上超聲波在線除垢、阻垢設(shè)施等措施，換熱器管程出口溫度由190 ℃提高至230 ℃，該溫度高于氯化銨鹽結(jié)晶溫度，徹底解決了繞管式換熱器氯化銨鹽結(jié)晶問題，為裝置安、穩(wěn)、長運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

加氫裝置 繞管換熱器 注水 混合原料溫度

某廠柴油加氫裝置繞管式換熱器自開工運(yùn)行一段時間后，管程壓力降逐步上升,換熱器換熱效率下降明顯，給裝置運(yùn)行帶來一系列問題，加熱爐負(fù)荷達(dá)到操作極限工況，裝置能耗大幅度增加，系統(tǒng)總壓力降增大，最終影響裝置處理負(fù)荷，期間利用裝置停工待料時機(jī)被迫對該換熱器進(jìn)行清洗。通過打開換熱器清洗分析，發(fā)現(xiàn)管程出口端存在嚴(yán)重NH4Cl結(jié)晶問題，造成換熱器部分管程堵塞，這是引起換熱器管程壓力降上升的根本原因。此類失效問題具有明顯的局部性、突發(fā)性和風(fēng)險性特征。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多相流沖蝕及銨鹽結(jié)晶造成的腐蝕是造成換熱器失效問題的兩種主要腐蝕失效形式，而目前的研究工作多集中在對多相流沖蝕的腐蝕行為上，由于銨鹽結(jié)晶沉積機(jī)理復(fù)雜，工藝物流及工藝工況多變，且銨鹽結(jié)晶沉積發(fā)生在多相流傳質(zhì)傳熱過程中，目前對銨鹽結(jié)晶沉積造成的腐蝕還缺乏深入研究。偶國富[1]等人通過對加氫空冷系統(tǒng)中銨鹽結(jié)晶沉積的研究，用熱力學(xué)推導(dǎo)結(jié)合工藝物流模擬計(jì)算建立了簡單的銨鹽結(jié)晶計(jì)算模型。該文結(jié)合上述計(jì)算模型，對繞管式換熱器銨鹽結(jié)晶的腐蝕失效行為進(jìn)行分析研究。

1 換熱器失效原因分析

1.1 繞管換熱及熱高分換熱流程

繞管換熱及熱高分換熱流程見圖1。

圖1 繞管換熱及熱高分換熱流程

裝置反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過繞管式換熱器E6501管程，再進(jìn)入熱高壓分離器V6502，V6502內(nèi)氣相經(jīng)過熱高分氣/循環(huán)氫換熱器E6502管程換熱冷卻，再進(jìn)入高壓空冷器進(jìn)一步冷卻至50 ℃去冷高壓分離器。循環(huán)氫經(jīng)E6502殼程換熱后與裝置來原料油混合，混合原料與反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)E6501殼程換熱后去反應(yīng)爐繼續(xù)加熱，原料油設(shè)置E6501殼程跨線閥組，來控制調(diào)節(jié)E6501管程出口溫度，在E6502前后設(shè)有注水點(diǎn)，其中注水1為間斷注水，注水2為連續(xù)注水，其中反應(yīng)產(chǎn)物走管程，混合原料走殼程。

1.2 NH4Cl結(jié)晶原因及沉積機(jī)理分析

當(dāng)物流介質(zhì)進(jìn)入冷換設(shè)備后，隨著溫度降低，工藝物流中的易結(jié)晶組分(HCl和NH3)的氣相分壓乘積超過其相應(yīng)的平衡常數(shù)(見圖2)，就會產(chǎn)生銨鹽結(jié)晶，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氣相中HCl及NH3分壓減小，直至其分壓乘積小于相應(yīng)的平衡常數(shù)，反應(yīng)達(dá)到平衡。生成的銨鹽顆粒如果在冷換設(shè)備中產(chǎn)生沉積將堵塞管路，隨著管束被堵塞，管路中的流體介質(zhì)溫度進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致銨鹽不斷結(jié)晶沉積，而銨鹽結(jié)晶沉積又會使管程進(jìn)一步堵塞，如此惡性循環(huán)直至換熱器堵死、爆管及發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕問題。

根據(jù)API 932B《用于REAC腐蝕控制的設(shè)計(jì)、材料、安裝、操作和檢測導(dǎo)則》的表述可知，NH4Cl結(jié)晶主要與反應(yīng)系統(tǒng)處理量、反應(yīng)壓力及Cl，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)， NH4Cl結(jié)晶預(yù)測采用平衡系數(shù)Kp(NH4和HCl氣相分壓的乘積)來計(jì)算，如果某一溫度下的Kp(NH4Cl)值大于平衡系數(shù)K1值就會發(fā)生NH4Cl結(jié)晶反應(yīng)，計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2 NH4Cl結(jié)晶平衡曲線

項(xiàng)目w(Cl)/(mg·kg-1)w(N)/(mg·kg-1)進(jìn)料量/(kg·h-1)反應(yīng)流出物氣體流量/(kmol·h-1)流出物絕壓/MPaKp結(jié)晶點(diǎn)溫度/℃管程出口實(shí)際溫度/℃2014-031.145035714357077.550.00331941822014-041.139533454158517.550.0027192180

注：原料中Cl按100%轉(zhuǎn)化，原料中N按80%轉(zhuǎn)化，氫氣為合成工藝裝置來氫氣，基本不含Cl。

由表1可知，通過模擬計(jì)算NH4Cl結(jié)晶溫度高于E6501管程出口實(shí)際溫度，E6501管程換熱管末端存在NH4Cl結(jié)晶，2014年5月份裝置停工換熱器清洗前管程換熱末端存在明顯的NH4Cl結(jié)晶。

只有確保E6501管程出口換熱管溫度高于NH4Cl結(jié)晶溫度，換熱管就不會有NH4Cl結(jié)晶。需盡可能降低Kp值，從而降低NH4Cl結(jié)晶溫度，但從表1可知，柴油加氫裝置原料中Cl和N含量已非常低，進(jìn)一步降低難度將非常大。為此，需通過提高E6501管程出口換熱管溫度，確保該溫度高于NH4Cl結(jié)晶溫度，來避開E6501管程N(yùn)H4Cl結(jié)晶問題。

NH4Cl結(jié)晶聚集是溫度、濃度、流場是一個多物理場耦合作用過程，但NH4Cl結(jié)晶能否在換熱管壁上集聚，增加管殼程的污垢熱阻，降低換熱效率，流場也需要重點(diǎn)分析計(jì)算，以下為E6501在不同處理量下計(jì)算出的污垢熱阻，見表2。

表2 E6501在不同處理量下計(jì)算出的污垢熱阻

流速大小與銨鹽在管壁的聚集速度相關(guān)，流速減小，聚集加快，將增加管殼程的污垢熱阻，成倍數(shù)關(guān)系，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。假設(shè)管殼程污垢熱阻相等，從以上所給實(shí)際工況計(jì)算、分析可知，隨進(jìn)料量減小時，物料流速降低，污垢系數(shù)增加，為此，提高裝置負(fù)荷，對改善NH4Cl結(jié)晶聚集有較大好處。但通常條件下，裝置負(fù)荷需根據(jù)系統(tǒng)平衡進(jìn)行調(diào)整，通過增上超聲波在線阻垢除垢設(shè)施，對防銨鹽在管壁的聚集有所幫助。

2 措施與對策

2.1 E6501管程化學(xué)清洗

鑒于NH4Cl極易溶于水，利用裝置停工檢修時機(jī)對繞管式換熱器E6501管程化學(xué)清洗，為確保清洗過程中設(shè)備絕對安全，對清洗液配方、清洗環(huán)節(jié)等進(jìn)行嚴(yán)格審核，通過對E6501管程化學(xué)清洗，達(dá)到預(yù)期效果，見圖3。

圖3 E6501下管板處管程結(jié)鹽情況

2.2 提高E6501管程出口溫度

2.2.1 提高原料油溫度

(1)對原料油/精制柴油換熱器E6503抽芯清洗。原料油去E6501之前，先與精制柴油換熱器E6503進(jìn)行換熱來提高溫度。裝置自開工運(yùn)行3 a后，E6503A～D換熱效果一直在下降，殼程介質(zhì)為精制柴油比較干凈，主要為原料油這側(cè)結(jié)垢比較嚴(yán)重，為此利用大修對4臺換熱器進(jìn)行抽芯清洗。

(2)增設(shè)原料油/分餾塔頂氣換熱器E6607。為進(jìn)一步提高原料油溫度，增上了一臺板式換熱器E6607,通過原料油泵出口分一部分原料與分餾塔塔頂氣換熱，同時原料油去E6503量減少而E6503精制柴油量不變情況下，原料油經(jīng)過E6503換熱后溫度也將進(jìn)一步得到提高，實(shí)為一舉雙得。

2.2.2 提高循環(huán)氫溫度

循環(huán)氫與熱高分氣換熱器E6502運(yùn)行3 d后換熱效率下降明顯，根本原因也是E6502管程內(nèi)部NH4Cl結(jié)晶所致，為此，注水需定期切換(圖1中由注水2切換至注水1)。當(dāng)熱高分氣注入流量為15 t/h，溫度為40 ℃水后，降低了E6502熱側(cè)介質(zhì)溫度，循環(huán)氫換熱后溫度也將大大降低，且注水定期切換給壓力系統(tǒng)管道閥門帶來隱患。通過核算，在E6502管程前后同時連續(xù)注水，注水1的注水量為5 t/h，注水2的注水量為10 t/h，這樣可防E6502的NH4Cl結(jié)晶，又保證其換熱效果。

2.2.3 降低混合原料進(jìn)E6501流量

繞管式換熱器E6501殼程設(shè)置了跨線閥組，為此，可通過全開E6501溫控閥TV6503的副線閥，原料油部分跨過E6501，降低混合原料進(jìn)E6501流量，可進(jìn)一步提高E6501管程出口溫度。

通過采取上述有效措施后，混合原料溫度得到有效提高，從而E6501管程出口溫度較之前大大提高，目前能有效控制在230 ℃，并能通過TV6503自動穩(wěn)定控制。調(diào)整前后參數(shù)見表3。

表3 E6501調(diào)整前后相關(guān)參數(shù)對比

經(jīng)模擬計(jì)算，2014年8月E6501管程出口處NH4Cl鹽結(jié)晶點(diǎn)溫度191～194 ℃，而E6501管程出口溫度為230 ℃左右，該溫度高于NH4Cl鹽結(jié)晶溫度，解決了E6501管程N(yùn)H4Cl結(jié)晶問題。

2.3 增設(shè)超聲波在線阻垢和除垢設(shè)施

超聲波防、除垢技術(shù)是一種純物理方式，是利用超聲波在金屬介質(zhì)和與其直接接觸介質(zhì)中傳播產(chǎn)生的高速微渦效應(yīng)、剪切應(yīng)力效應(yīng)、超聲凝聚效應(yīng)來防垢、除垢。鑒于E6501管程和殼程均為氣液混相特性，采用10臺CMFGII超聲波防、除垢裝置，在換熱器上、下管板處各安裝了30只超聲波頭。

3 結(jié)束語

繞管式換熱器E6501管程出口末端NH4Cl鹽結(jié)晶問題一直是困擾裝置安穩(wěn)長周期運(yùn)行熱點(diǎn)難點(diǎn)問題，通過2014年停工檢修對E6501管程化學(xué)清洗，E6503管束抽芯清洗；增上板式換熱器E6607及超聲波在線阻、除垢設(shè)施；以及E6502注水優(yōu)化等有效手段，徹底解決E6501管程N(yùn)H4Cl鹽結(jié)晶問題。目前E6501管程壓降穩(wěn)定，換熱效果正常。

[1] 偶國富.加氫裂化空冷器管束多相流模擬與沖蝕破壞預(yù)測研究[D].杭州：浙江大學(xué),2004.

(編輯 王維宗)

Analysis of Ammonium Salt Crystallization in Wound Tube Heat Exchanger of Hydrofining Unit and Countermeasures

ChenZhanghua

(SINOPECZhenhaiRefining&ChemicalCompany,Ningbo315207,China)

The outlet of wound tube heat exchanger suffered from serious crystallization of the ammonium chloride in the diesel hydrofining unit, causing a partial blockage of heat exchange tubes, significantly reducing the heat exchanger efficiency and the seriously influencing the unit’s processing capacity and energy consumption. It was concluded from the analysis of the crystallization causes and deposition mechanisms of ammonium chloride salt of the wound tube heat exchanger that the root causes of ammonium salt crystallization were the extremely low outlet temperature of heat exchanger. After the following measures were taken such as increasing the temperature and reducing the flowrate into the heat exchanger of mixed feed, optimizing water injection, adding on-line ultrasonic de-fouling and anti-fouling, etc, the outlet temperature of the heat exchanger tube side was raised to 230 ℃ from 190 ℃. This temperature is higher than the crystallization temperature of ammonium chloride. The problem of ammonium chloride salt crystal deposition in the wound tube heat exchanger has been solved, which provides a good basis for the long-term safe operation of the unit.

hydrofining, wound tube heat exchanger, water injection, temperature of the mixed feed

2016-04-02；修改稿收到日期：2016-04-28。

陳章華(1983-)，工程師?，F(xiàn)在該公司從事設(shè)備技術(shù)管理工作。E-mail: chenzhh.zhlh@sinopec.com