丁烯水合進(jìn)料泵在運(yùn)行中效率衰減的原因分析及解決措施

司希河，靳南南，李忠義

（中海石油中捷石化有限公司，河北 滄州 061101）

甲乙酮（MEK），又稱2-丁酮、甲基乙基酮，具有優(yōu)良的溶解性，常用作低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑和中間體，是一種重要的精細(xì)化工原料，廣泛應(yīng)用于煉油、化工中間體、潤(rùn)滑油脫蠟、涂料和粘合劑等行業(yè)[1,2]。

中海石油中捷石化有限公司（中捷石化）3萬噸/年甲乙酮裝置[3,4]于2005年投產(chǎn)。2012年以來，該裝置的丁烯水合進(jìn)料泵（P-101泵）在運(yùn)行過程中常出現(xiàn)工作電流升高，壓力、流量下降的情況，導(dǎo)致機(jī)泵效率急劇衰減。經(jīng)對(duì)該泵拆解檢修發(fā)現(xiàn)，結(jié)垢是造成此問題的主要原因，故需定期停車除垢，進(jìn)而嚴(yán)重影響了裝置的正常運(yùn)行。

本文回顧了前期丁烯水合進(jìn)料泵拆解檢修和水力試驗(yàn)過程，并進(jìn)一步結(jié)合工藝流程，對(duì)該泵流道垢樣的組成及來源進(jìn)行分析，確定結(jié)垢的根本原因。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該泵進(jìn)口脫丁烯塔回流罐V-102實(shí)施改造，以期徹底解決該瓶頸問題。

1 進(jìn)料泵效率衰減直接原因

1.1 進(jìn)料泵所在工段

甲乙酮裝置采用丁烯水合法制仲丁醇（SBA），再由SBA氣相脫氫制MEK。生產(chǎn)流程由丁烯提濃、丁烯水合、SBA精制和MEK合成與精制4個(gè)工段組成。其中丁烯水合為核心工段，其工藝流程如圖1所示。

圖1 水合工段工藝流程Fig. 1 Process flow of hydration section

反應(yīng)器烴進(jìn)料是由來自丁烯提濃工段的新鮮丁烯與來自脫丁烯塔回流罐V-102的循環(huán)丁烯混合后去丁烯水合進(jìn)料泵P-101。P-101泵送出的物料經(jīng)換熱器換熱、加熱器加熱至反應(yīng)溫度進(jìn)入水合反應(yīng)器R-101。高轉(zhuǎn)速、高壓力的P-101泵作為水合反應(yīng)器反應(yīng)介質(zhì)的動(dòng)力來源[5,6]，其設(shè)備參數(shù)如表1所示。水路循環(huán)是由工藝水處理裝置將反應(yīng)后水的電導(dǎo)率處理到10 μs/cm以下，經(jīng)水進(jìn)料泵P-102加壓到反應(yīng)壓力，經(jīng)換熱器換熱、加熱器加熱至反應(yīng)溫度后分成4段分別從反應(yīng)器各催化劑床層的下部進(jìn)入。原料丁烯和工藝水兩股物料向上流過催化劑床層，在各床層中混合后進(jìn)行水合反應(yīng)生成SBA。

表1 丁烯水合進(jìn)料泵P-101設(shè)備參數(shù)Table 1 Parameters of butene hydration feed pump P-101

1.2 進(jìn)料泵結(jié)垢

為了尋找P-101泵在運(yùn)行過程中出現(xiàn)效率衰減的原因，解決MEK裝置的瓶頸問題，委托該設(shè)備生產(chǎn)廠商對(duì)該泵拆解檢修并進(jìn)行前后水力試驗(yàn)對(duì)比。在水力試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，該泵電機(jī)轉(zhuǎn)速升至2200 r/min時(shí)，扭矩、功率嚴(yán)重超載，泵揚(yáng)程較設(shè)計(jì)揚(yáng)程相差甚大。為了比較泵效率，將泵電機(jī)轉(zhuǎn)速降至1900 r/min，額定流量下泵效率僅有30.4%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)效率51.2%。

性能試驗(yàn)完成后對(duì)該泵進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)過流部件（葉輪、誘導(dǎo)輪和導(dǎo)葉擴(kuò)壓器等）的介質(zhì)流經(jīng)表面沉積大量的灰黑色鱗狀物，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)積聚越厚，如圖2所示。這導(dǎo)致流道表面粗糙度急劇增加，高速轉(zhuǎn)子部件動(dòng)平衡也受到嚴(yán)重影響，進(jìn)而造成泵振動(dòng)加劇、噪音加大、效率急劇衰減和軸功率增加等非正常情況。

圖2 泵葉輪表面沉積的物質(zhì)Fig. 2 Material deposited on surface of pump impeller

對(duì)清理后的P-101泵再次進(jìn)行水力試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。由表2可知，相同工況下，清理后泵的工作效率提高到了50.2%。隨后，該泵安裝投用后即可滿足裝置的生產(chǎn)需要，表明流道結(jié)垢是該泵效率衰減的直接原因。然而，正常運(yùn)行一段時(shí)間后，又出現(xiàn)了該泵效率下降的情況，故需要定期開展維修除垢。該過程不僅維修時(shí)間長(zhǎng)、清理費(fèi)用高，還嚴(yán)重影響裝置的正常運(yùn)行。

表2 清理前后水力試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Hydraulic test results before and after cleaning

2 結(jié)垢原因分析及解決措施

2.1 結(jié)垢分析

為找到P-101泵的結(jié)垢原因，本文結(jié)合水合工段生產(chǎn)工藝，對(duì)結(jié)垢物質(zhì)的組成與來源進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)在烴進(jìn)料路管線內(nèi)的殘水總呈鐵紅色，由于該管路均為20#碳鋼管，為檢驗(yàn)殘水具體性質(zhì)，在脫丁烯塔回流泵進(jìn)口進(jìn)行取樣，對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試分析，具體結(jié)果如表3所示。由表3可知，烴進(jìn)料路殘水呈弱酸性，水中Fe3+和Cl-含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）偏高。結(jié)合反應(yīng)器底部腐蝕的水帽（圖3）可知，水合反應(yīng)后循環(huán)丁烯攜帶的弱酸性水會(huì)對(duì)碳鋼路的管線造成內(nèi)部腐蝕[7,8]。此外，在葉輪背面附著褐色膠質(zhì)物，推測(cè)是由于水合發(fā)生副反應(yīng)生成聚合物造成的。由于C4原料中含有微量的異丁烯和高級(jí)不飽和烴丁二烯，這兩者在酸性樹脂催化劑作用下極易發(fā)生二聚或自聚生成C8聚合物[9,10]。這些聚合物在泵的高速運(yùn)轉(zhuǎn)下極易附著在葉輪流道背面。

圖3 反應(yīng)器底部腐蝕的水帽Fig. 3 Corroded water cap at the bottom of the reactor

表3 循環(huán)丁烯中殘水的檢測(cè)結(jié)果Table 3 Test results of residual water in circulating butene

不難看出泵結(jié)垢與循環(huán)丁烯中攜帶的弱酸性水腐蝕碳鋼設(shè)備以及聚合物附著在流道表面有關(guān)。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)垢物質(zhì)不斷聚集和長(zhǎng)大，最后共同沉積在設(shè)備表面[8,9]，導(dǎo)致流道表面粗糙度急劇增加，從而造成泵效率衰減。為驗(yàn)證上述結(jié)論，對(duì)P-101泵結(jié)垢物質(zhì)的組成進(jìn)行了定量分析。從泵葉輪上采集垢樣，進(jìn)行了ICP元素分析，如表4所示。由表4可知，垢樣的元素組成以非金屬C、O、Si和金屬Fe為主，還有少量的S、Mg、Ca、Na和微量的Ni、Cl等。這表明高速運(yùn)轉(zhuǎn)的P-101泵長(zhǎng)期處于高壓苛刻條件下，工況非常復(fù)雜，極易形成復(fù)雜多樣的沉積物[11]。

表4 結(jié)垢樣品ICP元素分析結(jié)果Table 4 ICP elemental analysis results of scaling samples

2.2 解決措施

為解決上述問題，在裝置脫丁烯塔回流罐V-102處增加脫水包和隔板，以實(shí)現(xiàn)工藝介質(zhì)和工藝水的分離；并增加自動(dòng)切水裝置將脫丁烯塔帶出的水直接脫除，減少鐵銹和聚合物進(jìn)入P-101泵流道；將泵進(jìn)口管線升級(jí)為06Cr19Ni10材質(zhì)，降低再次生成率。改造后的脫丁烯塔回流罐V-102如圖4所示。

圖4 改造后脫丁烯塔回流罐V-102Fig. 4 Reconstructed reflux tank V-102 of butene removal tower

改造實(shí)施后，機(jī)泵效率衰減情況明顯改善，輸送流量可長(zhǎng)期達(dá)到設(shè)計(jì)要求。取改造實(shí)施前后，反應(yīng)器同期的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表5所示。由表5可知，改造后泵輸出流量穩(wěn)定，電流上漲至最高電流周期由30天增加至90天，效率衰減速率明顯減緩，在標(biāo)定的3個(gè)月期間，裝置產(chǎn)量提升，同時(shí)節(jié)約電費(fèi)、維修費(fèi)用約20 萬元。

表5 改造實(shí)施前后運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比Table 5 Operation data before and after reconstruction

3 結(jié)論

針對(duì)丁烯水合進(jìn)料泵P-101在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的效率衰減，分析了造成該問題的直接原因與根本原因，制定了解決措施并對(duì)比分析了改造前后效果。結(jié)果表明，循環(huán)丁烯介質(zhì)中攜帶的聚合物和弱酸性水腐蝕碳鋼設(shè)備是造成效率衰減的根本原因。在高速流動(dòng)過程中，結(jié)垢物質(zhì)附著在P-101泵流道表面，造成葉輪增重，流道表面粗糙度增加，這是導(dǎo)致效率衰減的直接原因。對(duì)該泵進(jìn)口的脫丁烯塔回流罐V-102實(shí)施改造后，機(jī)泵效率衰減情況得到明顯改善，同時(shí)還增加了裝置產(chǎn)量，降低了運(yùn)行成本。