導(dǎo)生放空冷凝器技術(shù)改造及工藝流程優(yōu)化

張勝國，張紹英，付子波，傅立峰，王 明，朱秀慶

(榮盛石化股份有限公司，浙江杭州 311247)

汽相熱媒由于效率高，能耗少、系統(tǒng)簡單、控制方便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于聚酯裝置中設(shè)備夾套的供熱和設(shè)備保溫系統(tǒng)。聯(lián)苯-聯(lián)苯醚共沸混合物(俗稱導(dǎo)生DOWTHERM A)具有適用范圍廣，無腐蝕性、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是聚酯裝置中常用的氣相熱媒介質(zhì)。

一個獨(dú)立的汽相導(dǎo)生用戶，無論是設(shè)備或夾套均由三部分組成，即：蒸汽的供應(yīng)(從用戶的中下部接入)，冷凝液的排放(從用戶的最低點(diǎn)接出)，不凝氣體和低沸物的排放(從用戶的最高點(diǎn)接出)[1]。

由于系統(tǒng)中的不凝氣和導(dǎo)生介質(zhì)長期使用造成熱分解，這些物質(zhì)會聚集在夾套的最頂端，最終導(dǎo)致設(shè)備的各部分溫度分布不均勻，因此必須設(shè)置合理的不凝氣體放空管道，以防止系統(tǒng)溫度降低。

由于放空氣體主要成分為汽相導(dǎo)生，必須冷凝回收，因此，在聚酯裝置的最高點(diǎn)設(shè)置導(dǎo)生放空冷凝器。

1 故障現(xiàn)象

氣相導(dǎo)生加熱系統(tǒng)主要存在如下兩種故障現(xiàn)象。

1) 裝置存在個別設(shè)備(尤其是夾套管)溫度低

酯化物齒輪泵、酯化管道、熔體齒輪泵、熔體管道、紡絲箱體等設(shè)備溫度偏低。降液管溫度低，排液不暢，需經(jīng)常排氣(絕大部分為氣相導(dǎo)生，不凝氣體非常少)甚至排氣閥常開來維持設(shè)備溫度。

2) 導(dǎo)生放空回收系統(tǒng)設(shè)備故障率高

空冷器運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)生冷凝液溫度波動，導(dǎo)生系統(tǒng)壓力波動，空冷器管箱和換熱管內(nèi)部存在汽錘聲響，空冷器有明顯振動，空冷器出風(fēng)口溫度大幅波動。

不凝氣體出口排出的是導(dǎo)生汽液混合物，存在安環(huán)隱患。

空冷器運(yùn)行1～3個月，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)生冷凝液出口的降液管線(材質(zhì)碳鋼)有導(dǎo)生滲出，停機(jī)檢修，發(fā)現(xiàn)降液管線大面積減薄?？绽淦鬟\(yùn)行大約1年，發(fā)現(xiàn)翅片換熱管漏導(dǎo)生蒸汽。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)換熱管的不銹鋼基管內(nèi)表面存在凹坑，個別處出現(xiàn)穿孔，導(dǎo)致導(dǎo)生外漏；同時發(fā)現(xiàn)管箱內(nèi)壁出現(xiàn)大范圍麻點(diǎn)，嚴(yán)重處有表層金屬剝落。

2 工藝流程簡介

聚酯裝置為CP-2和CP-3提供了一個共用的排氣系統(tǒng)，用于根據(jù)需要抽走不冷凝氣體和低沸物。排氣系統(tǒng)由CP-2和CP-3的單獨(dú)的集管組成，每個集管都有來自系統(tǒng)高點(diǎn)的單獨(dú)排氣口。

CP-2與CP-3和酯化反應(yīng)器的放空不凝氣體/低沸物一同進(jìn)入氣液分離器2812-T05，分離出的液體進(jìn)入放空收集罐2812-T03(基礎(chǔ)標(biāo)高為6m)，氣相組分進(jìn)入放空冷凝器2812-H01A/B(基礎(chǔ)標(biāo)高為27.5 m)，氣相導(dǎo)生被冷凝成液體，依靠重力流入放空收集罐2812-T03，不凝氣體由2級真空噴射器抽除。流程示意圖見圖1。

放空冷凝器2812-H01A/B是導(dǎo)生放空系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦發(fā)生故障會導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)升溫不到位，甚至發(fā)生導(dǎo)生外泄的重大安環(huán)事故。

圖1 導(dǎo)生放空系統(tǒng)流程示意圖

3 故障現(xiàn)象及分析

3.1 導(dǎo)生放空系統(tǒng)降液故障原因分析

1) 首先核算壓差ΔP維持的液柱高度

放空冷凝器2812-H01A/B入口導(dǎo)生蒸汽壓力P1為0.12MPa，出口壓力P2≤PV；導(dǎo)生冷凝液溫度T2為240℃，查導(dǎo)生廠家資料，相應(yīng)溫度下的飽和蒸氣壓PV為0.08 MPa，相應(yīng)溫度下的密度ρ為860 kg/m3；放空收集罐2812-T03的壓力P3為0.13 MPa。

由于放空冷凝器是在真空下操作，要使冷凝液順利進(jìn)入放空收集罐2812-T03，降液管內(nèi)液柱高度一定要足以克服放空收集罐內(nèi)壓力與放空冷凝器內(nèi)壓力之間的壓差ΔP(P3-P2)以及排液管內(nèi)的阻力。

壓差ΔP維持的液柱高度可按下式估算：

ΔP=P3-P2=ρgH×10-6

式中ρ為液體密度，取860 kg/m3；g為常數(shù)，取9.8 N/kg；P3=0.13 MPa；P2≈PV=0.08 MPa；H為液柱高度，單位m。

帶入上式得：H=5.93 m

降液管高度約為27.5-6=21.5 m

降液管高度大于壓差ΔP維持的液柱高度，導(dǎo)生冷凝液能夠順利進(jìn)入放空收集罐2812-T03，不會倒流進(jìn)入放空冷凝器2812-H01A/B。

2) 氣液逆向流動致使導(dǎo)生冷凝器倒流進(jìn)入放空冷凝器2812-H01A/B

經(jīng)放空冷凝器冷凝后的飽和冷凝液溫度較高，放空冷凝器降液管中壓力P2小于導(dǎo)生冷凝液對應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓PV時，冷凝液發(fā)生閃蒸汽化并產(chǎn)生小汽泡，越靠近放空冷凝器2812-H01A/B的位置，管道截面內(nèi)氣泡數(shù)量越多，小汽泡不連續(xù)地分布在連續(xù)的液體流中。冷凝液中的汽泡具有很大的可壓縮性，導(dǎo)致流體質(zhì)量密度變化很大。汽泡在浮力的作用下向上運(yùn)動，冷凝液在重力的作用下向下運(yùn)動，這時在降液管內(nèi)是汽液兩相逆向流動工況。水平流動與垂直流動的氣液兩相流的流型見圖2。

圖2 水平流動與垂直流動的氣液兩相流的流型

越靠近放空冷凝器2812-H01A/B的地方，汽泡在管道內(nèi)上升過程中所受阻力越小，同時冷凝液汽化產(chǎn)生的汽泡數(shù)量越多，汽相流量越大。同時氣泡在上升過程中不斷碰撞聚結(jié)長大，直至大汽泡的直徑接近管徑形成氣塞。當(dāng)降液管內(nèi)某一位置的汽相流量達(dá)到一定程度時，降液管內(nèi)此點(diǎn)以上的冷凝液會部分甚至全部被帶入放空冷凝器2812-H01A/B中。放空冷凝器2812-H01A/B中滯留大量冷凝液，冷凝液被持續(xù)冷卻至較低溫度，同時降液管內(nèi)不斷有汽泡進(jìn)入放空冷凝器2812-H01A/B，汽泡與低溫冷凝液接觸迅速凝結(jié)、破裂，對流道表面材料產(chǎn)生汽蝕破壞作用。

隨著降液管內(nèi)冷凝液不斷蒸發(fā)減少，汽相流量逐漸減小，小到一定流量時，較低溫度冷凝液開始回流進(jìn)入降液管和放空收集罐2812-T03中。

同時未經(jīng)充分冷卻的冷凝液開始流入降液管，降液管內(nèi)逐漸積聚高溫冷凝液，冷凝液汽化產(chǎn)生的汽泡數(shù)量不斷增加，汽相流量不斷增加，開始重復(fù)發(fā)生上述過程。

由于放空冷凝器2812-H01A/B存在設(shè)計缺陷，導(dǎo)致導(dǎo)生冷凝液溫度過高(>244℃)，在放空冷凝器和降液管內(nèi)的冷凝液氣化并產(chǎn)生汽泡，發(fā)生汽液混流進(jìn)而形成汽塞，是導(dǎo)致導(dǎo)生放空冷凝回收系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的主要原因。

3.2 設(shè)備運(yùn)行溫度低原因分析

氣相導(dǎo)生傳熱采用自然循環(huán)方式，利用降液管與上升管之間流體的重度差作為自然循環(huán)的推動力來克服整個循環(huán)回路的壓力降，從而實現(xiàn)導(dǎo)生在蒸發(fā)器與用戶(反應(yīng)設(shè)備、熔體夾套管、紡絲箱體)之間的自然循環(huán)。

由于導(dǎo)生特有的溫度高蒸汽壓低的特性，使得蒸發(fā)器和用戶之間在很小的壓差下操作，因此在設(shè)計中，聯(lián)苯蒸發(fā)器應(yīng)盡可能靠近用戶，并且采用較大的管徑，以降低系統(tǒng)阻力[1]。合理地設(shè)計循環(huán)回路壓力降，是導(dǎo)生實現(xiàn)自然循環(huán)的關(guān)鍵。

導(dǎo)生凝液在從設(shè)備中排出經(jīng)管道回收的流動過程中，不可避免的存在壓力損失，壓力降至飽和蒸氣壓以下時，冷凝液會在管道內(nèi)發(fā)生閃蒸。冷凝液中含有的汽泡具有很大的可壓縮性，導(dǎo)致流體質(zhì)量密度變化很大，降低導(dǎo)生自然循環(huán)的推動力，致使導(dǎo)生循環(huán)流量減少且循環(huán)流速下降，甚至在管道發(fā)生氣塞，導(dǎo)生循環(huán)失去熱補(bǔ)償能力。

4 放空系統(tǒng)技術(shù)改造及工藝優(yōu)化

4.1 放空系統(tǒng)技術(shù)改造

為了降低冷凝液溫度，防止冷凝液閃蒸汽化，我們對放空冷凝器實施增加冷卻流程技術(shù)改造。

放空冷凝器2812-H01A/B采用翅片管式空冷器，采用鼓風(fēng)強(qiáng)制對流冷卻。熱流體在管束內(nèi)流動，空氣在管束外吹過，達(dá)到換熱目的。為強(qiáng)化空冷器的傳熱效果，可在進(jìn)口空氣中噴水增濕同時使用鑲嵌式裝配，這樣既降低了空氣溫度，又增大了傳熱系數(shù)。

管束是空冷器的核心部件，管束主要由翅片管、管箱及框架組成。管箱的側(cè)面與翅片管相連，一方面把由入口管輸送來的液體均勻分配給翅片管，同時又把從翅片管流出的液體匯集起來，經(jīng)出口排出冷卻器，結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

放空冷凝器2812-H01A/B采用半圓管式管箱，管箱豎直安裝，翅片管水平布置。管箱、換熱基管及進(jìn)出口均采用0Cr18Ni9不銹鋼材質(zhì)；導(dǎo)生空冷器用采用雙金屬軋片式翅片管，是將鋁管緊套在鋼管上，而后在鋁管上軋出翅片，以增加傳熱面積。

圖3 導(dǎo)生空冷器結(jié)構(gòu)示意圖A：蒸汽進(jìn)口；B1，B2，B3：冷凝液出口；V1：不凝氣體出口1：翅片換熱管；2：管箱；3：冷卻風(fēng)扇；4：折流板

放空冷凝器2812-H01A/B結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在以下缺陷：

1) 只能發(fā)揮冷凝功能，不能發(fā)揮冷卻功能，每一管程都有冷凝液出口，冷凝液冷卻不充分，致使導(dǎo)生冷凝液溫度高。

2) 部分導(dǎo)生蒸汽未經(jīng)冷凝直接被抽出，路徑為：A→B1→B3→V1。

3) 部分導(dǎo)生蒸汽會由A→B1→B2進(jìn)入第2管程。

針對以上缺陷，對放空冷凝器2812-H01A/B結(jié)構(gòu)做如下技術(shù)改造：

1) 改變安裝方式，管束與管箱均水平安裝(見圖4)，為了防止冷凝液停留在管中，管子應(yīng)有3°或10/1 000 mm的傾斜。

2) 放空冷凝器增加冷卻流程。

3) 改變管口布置，避免流體短路。

圖4 改造后的放空冷凝器

同時調(diào)整放空冷凝器安裝位置，將降液管由DN80加大為DN100，縮短水平降液管長度6 m，減少90°彎頭2只，盡可能降低系統(tǒng)阻力。

通過以上技術(shù)改造，在不增加換熱面積的情況下，改進(jìn)了冷凝液的冷卻效果，冷凝液溫度由240℃降至220℃。由于溫度降低，降低了冷凝液的閃蒸率。

4.2 工藝流程優(yōu)化

在對設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造的同時，對工藝流程進(jìn)行如下優(yōu)化。

1) 將2812-J01由連續(xù)操作改為定期操作(1次/年)

放空冷凝器2812-H01A/B不凝氣體出口V1與二級真空噴射器2812-J01直接相接，二級真空噴射器2812-J01被用來抽除導(dǎo)生系統(tǒng)的不凝氣體。

優(yōu)化后帶來兩個效果:一是提高了放空冷凝器降液管壓力P2，避免冷凝液發(fā)生閃蒸汽化。表現(xiàn)在冷凝器及降液管振動消失，冷凝器及降液管穩(wěn)定運(yùn)行超過3年，未發(fā)生汽蝕破壞。二是減少了進(jìn)入放空冷凝器2812-H01A/B的導(dǎo)生蒸汽量，降低了冷凝器工作負(fù)荷，降低冷凝液溫度。

2) 優(yōu)化酯化反應(yīng)工藝，降低導(dǎo)生蒸汽消耗

我公司酯化反應(yīng)器采用氣相導(dǎo)生加熱，通過改變催化劑添加位置，將酯化反應(yīng)溫度由286℃降至276℃，降低了聚酯裝置的導(dǎo)生需求量。同時降低了導(dǎo)生蒸汽的放空總量，降低了冷凝器工作負(fù)荷，降低冷凝液溫度。

3) 優(yōu)化導(dǎo)生加熱系統(tǒng)工藝，減少導(dǎo)生蒸汽排放量

將主工藝導(dǎo)生放空系統(tǒng)由連續(xù)放空改為定期放空或根據(jù)溫度變化放空，減少整套裝置的導(dǎo)生放空量。

5 運(yùn)行效果評價

經(jīng)過放空冷凝器的技術(shù)改造與工藝優(yōu)化，導(dǎo)生加熱系統(tǒng)溫度、壓力控制穩(wěn)定，導(dǎo)生放空冷凝液溫度穩(wěn)定在200℃，降液管處于冷凝液單相流。CP2/3聚酯裝置已經(jīng)安全、可靠運(yùn)行4年。

氣相導(dǎo)生加熱系統(tǒng)必須合理設(shè)置冷凝液管線，以防系統(tǒng)壓降過大，始終保持循環(huán)回路總推動力大于回路總摩擦壓力降是氣相導(dǎo)生實現(xiàn)自然循環(huán)的關(guān)鍵。

降液管產(chǎn)生氣液兩相流動會導(dǎo)致管道發(fā)生振動，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。