溶劑再生塔重沸器失效原因分析與應(yīng)對(duì)措施

宋維強(qiáng)，劉超華

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

1 裝置概況

芳烴抽提聯(lián)合裝置是中海油惠州石化有限公司(惠州石化)煉油二期配套裝置之一。本裝置來料為乙烯裂解汽油加氫裝置的裂解加氫汽油和重整裝置的脫戊烷油。兩股原料分別進(jìn)入A列和B列脫庚烷塔進(jìn)行分離，頂部C6～C7分別送至A列抽提單元合B列抽提單元分離非芳烴和混合芳烴，兩系列混合芳烴合并后送至苯甲苯塔生產(chǎn)苯甲苯產(chǎn)品。該裝置工藝路線原則流程圖如圖1所示。

圖1 兩頭一尾工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Process flow diagram of two ends and one end

2 再生塔重沸器運(yùn)行工況

2.1 再生塔重沸器工藝條件

芳烴抽提裝置中溶劑再生塔是靠塔底再沸、真空度和汽提蒸汽三者結(jié)合來除去循環(huán)溶劑中的降解產(chǎn)物和雜質(zhì)，以保證循環(huán)溶劑的質(zhì)量。塔底降解物不流動(dòng)是一個(gè)物料的富集過程，該塔內(nèi)腐蝕性介質(zhì)主要有正常生產(chǎn)環(huán)丁砜劣化產(chǎn)生的磺酸鹽類物質(zhì)和正常生產(chǎn)時(shí)重整脫戊烷油帶來的氯離子經(jīng)循環(huán)溶劑攜帶入再生塔并在塔底富集[1]。此外由于環(huán)丁砜沸點(diǎn)高在操作溫度下不容易汽化需要汽提蒸汽相結(jié)合，由于汽提蒸汽進(jìn)入塔底分配器前管線存在閃蒸，該段管線振動(dòng)較大。故溶劑再生塔底重沸器運(yùn)行工藝條件既有腐蝕性介質(zhì)的富集又受管線振動(dòng)的影響，運(yùn)行工況較差容易發(fā)生再沸器泄漏。

2.2 再生塔重沸器泄漏及更換記錄

B列抽提單元于2017年10月1日開工正常，該再沸器屬于內(nèi)插式再沸器在正常生產(chǎn)期間發(fā)現(xiàn)汽提蒸汽入口管線存在較大振動(dòng)、再沸器在塔內(nèi)有類似打“液擊”的聲音且偶爾能聽到換熱管束和支撐導(dǎo)軌金屬摩擦聲音。開工后該換熱器更換及維修情況由表1所示。

表1 再生塔重沸器泄漏及更換記錄Table 1 Leakage and replacement records of reboiler in regeneration tower

表1給出從2017年10月至2020年3月該換熱器維修及更換記錄，根據(jù)每次檢修時(shí)對(duì)該換熱器失效原因進(jìn)行分析可知前兩次換熱器失效都是由于汽提蒸汽管線振動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q熱器與支撐導(dǎo)軌之間磨損導(dǎo)致管束減薄，最后一次換熱器失效原因?yàn)榻橘|(zhì)腐蝕。無論是管束磨損還是介質(zhì)腐蝕失效后，該換熱器都存在整體減薄的情況，維修投用后使用周期不足2個(gè)月。

3 原因分析

抽提單元溶劑再生塔汽提蒸汽線屬于兩相流管線，管內(nèi)介質(zhì)為飽和蒸汽溶劑再生塔為微負(fù)壓操作飽和蒸汽進(jìn)入塔內(nèi)發(fā)生閃蒸引起管線和分配器的振動(dòng)。該內(nèi)插式換熱器長期處于劣化環(huán)丁砜環(huán)境中其磺酸鹽和氯離子在此處富集濃度均較高[2]，存在腐蝕情況。全國與催化重整配套的抽提蒸餾工藝大部分溶劑再生塔底再沸器都存在泄漏情況，該部位為抽提裝置長周期平穩(wěn)操作的難點(diǎn)，結(jié)合該熱熱器檢修、設(shè)計(jì)條件、工藝介質(zhì)分析對(duì)比其他在運(yùn)行抽提裝置工況對(duì)可能引起換熱器失效的原因逐一分析。

3.1 分配器與再沸器設(shè)計(jì)問題

該換熱器首次失效檢修時(shí)，換熱器支撐導(dǎo)軌受振動(dòng)脫落，緊固螺栓被振動(dòng)磨斷。溶劑再生塔為防止塔內(nèi)介質(zhì)局部受熱分解，需汽提蒸汽從底部進(jìn)入起到均勻攪拌的作用。查閱惠州石化三套再生塔汽提設(shè)計(jì)圖紙，其中A列再生塔和惠州石化一期再生塔再沸器與分配器直接有一定的夾角，這樣保證大部分汽提蒸汽進(jìn)入到塔內(nèi)只對(duì)溶劑產(chǎn)生攪動(dòng)，而對(duì)換熱器的攪動(dòng)小。而B列再生塔再沸器制造圖紙，分配器與換熱器在同一水平面，這樣汽提蒸汽進(jìn)塔后向上攪動(dòng)時(shí)直接作用在換熱器上引起換熱器的振動(dòng)導(dǎo)致磨損泄漏，故分配器與換熱器設(shè)計(jì)夾角也是影響再沸器泄漏的因素之一，且換熱器與支撐導(dǎo)軌之間只是搭接沒有固定點(diǎn)也加劇了這一影響。

3.2 汽提蒸汽流速與配管問題

溶劑再生塔汽提蒸汽線屬于兩相流管線，介質(zhì)為飽和態(tài)的汽提蒸汽。專利技術(shù)要求該管線盡量短且彎頭數(shù)要盡量小以降低壓差和管道存液。由于設(shè)備布置和管線應(yīng)力核算問題現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際配管情況看該管線彎頭多達(dá)11個(gè)且管線長度也較長，在生產(chǎn)過程中飽和態(tài)的汽提蒸汽容易冷凝并積存在底部彎頭處形成汽帶液的情況導(dǎo)致汽提管線振動(dòng)及再生塔內(nèi)存在類似打“液擊”的聲音。汽提蒸汽進(jìn)料分配器流速慢將加劇汽提氣在管道內(nèi)彎頭的積液情況進(jìn)一步影響管線的振動(dòng)專利要求汽提蒸汽分配器流速較大，三套在運(yùn)行抽提裝置汽提蒸汽分配器處流速如表2所示。

表2 三套抽提裝置汽提蒸汽管線流速對(duì)比Table 2 Comparison of flow velocities of three set aromatics extraction unit in stripping steam pipelines

由表2計(jì)算可知A列抽提再生塔和一期芳烴抽提再生塔實(shí)際運(yùn)總汽提蒸汽入口分配器處流速都接近20 m/s生產(chǎn)期間未發(fā)生再沸器處振動(dòng)磨損情況。B列抽提單元再生塔分配器處流速只有15.57 m/s明顯較其他2個(gè)低，管道流速低也容易導(dǎo)致飽和汽冷凝積存在管道彎頭處故分配器流速過低也是引起管線振動(dòng)的原因之一。

3.3 介質(zhì)中氯的影響

表3 溶劑再生塔系統(tǒng)中氯離子含量分析Table 3 Analysis of chlorine ion content in solvent regeneration tower system

該換熱器最后一次失效的現(xiàn)象是，系統(tǒng)中的水含量突然急劇增加溶劑回收塔操作紊亂。只能將溶劑再生塔切出系統(tǒng)，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)該換熱器管束屬于整體爆裂且周圍減薄嚴(yán)重，屬于介質(zhì)腐蝕減薄。溶劑系統(tǒng)中氯離子來源主要是進(jìn)料重整脫戊烷油，芳烴抽提溶劑系統(tǒng)是閉路系統(tǒng)，帶入的氯離子不斷在系統(tǒng)中積累[3]，氯離子的存在加速環(huán)丁砜的講解，變成酸性介質(zhì)，使系統(tǒng)成酸性，又會(huì)進(jìn)一步加劇環(huán)丁砜劣化分解成酸性物質(zhì)[4]，溶劑再生塔是氯離子富集最嚴(yán)重的地方且該介質(zhì)中含有水非常容易形成酸性介質(zhì)腐蝕設(shè)備，故該換熱器的選型應(yīng)考慮抗氯腐蝕。下表是溶劑再生塔排渣時(shí)對(duì)塔底物料中氯離子濃度和pH的分析。

抽提溶劑pH至控制時(shí)從循環(huán)溶劑中采樣的，而再生塔底是劣化溶劑富集的過程，故該處溶劑質(zhì)量為整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)最差的。從表3中可知，溶劑再生塔底物料的pH值約在5.1～7.3之間呈弱酸性，與該裝置溶劑系pH>8.5相差較大，且貧溶劑中氯離子分析在最高時(shí)在374.1 mg/L該濃度遠(yuǎn)高于該循環(huán)溶劑中氯離子的平均濃度，故溶劑的氯腐蝕是導(dǎo)致?lián)Q熱器失效的原因之一，由于溶劑中的氯離子累積也會(huì)加速環(huán)丁砜劣化再生塔底應(yīng)考慮工藝措施控制氯離子濃度，減緩設(shè)備腐蝕。

3.4 劣化化環(huán)丁砜的影響

抽提裝置腐蝕主要?dú)w納為兩類，即硫腐蝕和氯腐蝕。硫腐蝕主要是因?yàn)榄h(huán)丁砜受高溫、氧氣、水和環(huán)丁烯砜的影響。環(huán)丁砜在高溫下易分解產(chǎn)生二氧化硫和丁二烯，二氧化硫與系統(tǒng)中的水、氧發(fā)生反應(yīng)生成硫酸，一方面使抽提系統(tǒng)的pH值下降，進(jìn)一步加速環(huán)丁砜劣化[5]。另一方面劣化的環(huán)丁砜在系統(tǒng)助劑中和下形成磺酸鹽或是黏稠狀的降解物富集在溶劑再生塔底，加速設(shè)備腐蝕。

環(huán)丁砜在有氧情況下容易開環(huán)并形成二氧化硫，然后二氧化硫再與不飽和醛發(fā)生可逆反應(yīng)形成腐蝕性較強(qiáng)的酸，同時(shí)還有可能生成硫醇、硫醚、及硫化氫等腐蝕介質(zhì)，在有氧存在的條件下，二氧化硫的釋放量要比無氧時(shí)多，pH值下降也更為明顯，氧的存在大大加速環(huán)丁砜的劣化[6], 因此要切斷環(huán)丁砜抽提裝置氧的來源, 避免氧被帶入環(huán)丁砜抽提。氧主要來源于原料中攜帶的溶解氧和真空系統(tǒng)運(yùn)行不好漏入的空氣，和生產(chǎn)作業(yè)過程中過濾器清理、再生塔清理等作業(yè)置換不徹底帶入系統(tǒng)，建議現(xiàn)有裝置是重整直供料且開工后負(fù)壓系統(tǒng)維持較好。故氧氣的帶人更多是來自生產(chǎn)作業(yè)置換不徹底。

4 應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)上述原因分析初步認(rèn)定為兩相流汽提蒸汽管線過長且彎頭過多在管線彎頭低點(diǎn)存液形成“液擊”，管線及分配器處振動(dòng)大導(dǎo)致?lián)Q熱器磨損失效。裝置汽提蒸汽實(shí)際流速比設(shè)計(jì)偏低和分配器與換熱器布置不合理加劇了這一影響。再生塔底氯離子和劣化溶劑富集的腐蝕作用是導(dǎo)致該換熱器腐蝕泄漏的主要原因，溶劑再生塔底換熱器頻繁泄漏是由設(shè)備振動(dòng)和工藝介質(zhì)協(xié)同作用的結(jié)果。

4.1 換熱器優(yōu)化選型

如前所述, 由于管子的振動(dòng),使管子在管子與管板、管子與支持板結(jié)合部位產(chǎn)生周期性振動(dòng)及摩擦，引起換熱器的失效，問題產(chǎn)生的根源是汽提蒸汽的沖擊導(dǎo)致的周期性振動(dòng)。在現(xiàn)有條件下可以通過增加換熱器折流板密度降低振動(dòng)的影響，另外提高制造精度減少換熱器與管板之間的縫隙避免產(chǎn)生縫隙腐蝕，同時(shí)做好換熱器支撐梁的固定防止支撐梁脫落導(dǎo)致?lián)Q熱器懸空，最大可能降低振動(dòng)對(duì)換熱器影響延長使用壽命。

針對(duì)該除腐蝕介質(zhì)情況建議換熱器材質(zhì)升級(jí)一般認(rèn)為普通不銹鋼304及316L材質(zhì)不能在高溫且含有氯離子的體系中使用在該處運(yùn)行時(shí)間長也會(huì)發(fā)生腐蝕[7]，建議材質(zhì)升級(jí)為抗腐蝕強(qiáng)的雙相鋼。

4.2 分配器開口及流速優(yōu)化

由于汽提蒸汽流速偏低通過減少分配器的開孔面積可以提高汽提蒸汽管道流速達(dá)到設(shè)計(jì)值，減少管線低點(diǎn)存液情況。經(jīng)過計(jì)算將分配器開孔面積縮小至0.11 m2，解決了管道流速偏低的問題。除解決流速問題外還需解決分配器與換熱器角度問題，由于設(shè)備制造是換熱器和分配器在塔體開孔方位已無法改變，只能通過改變汽提蒸汽分配器開孔方向。原設(shè)計(jì)分配器在底部及120 ℃夾角處分別開有3處長條形孔，條形孔容易形成較大的汽包對(duì)換熱器沖擊較大，經(jīng)分析討論將分配器條形孔該為均勻分布的小圓形孔以減少對(duì)換熱器的沖擊力，同時(shí)開孔方向朝塔底和塔壁盡量減少對(duì)換熱器的沖擊。同時(shí)結(jié)合管線振動(dòng)情況優(yōu)化了外部管道的支撐，減少管線振動(dòng)的傳遞。

4.3 工藝條件優(yōu)化

如上所述再生塔底介質(zhì)既存在氯離子的富集也存在劣化環(huán)丁砜的富集，運(yùn)行工況惡劣尤其是運(yùn)行時(shí)間長該處腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。從源頭上降低重整生成油氯的攜帶很有必要，上游脫氯劑穿透或是催化劑到使用到末期時(shí)持氯能力下降，均會(huì)導(dǎo)致抽提單元原料中氯離子增加，故需上游設(shè)置脫氯效果好的脫氯并制定合適的監(jiān)控方式。對(duì)于攜帶到抽提裝置的微量氯工藝上的手段可以通過增加再生塔排渣次數(shù)，置換再生塔底物料降低腐蝕介質(zhì)富集的濃度。但是該工藝操作將會(huì)造成溶劑消耗量大工業(yè)危廢產(chǎn)生量的。也可以通過環(huán)丁砜樹脂凈化方法保證系統(tǒng)內(nèi)溶劑持續(xù)小量的凈化，解決溶劑系統(tǒng)氯離子富集的問題。此外再正常工藝作業(yè)過濾器清理、再生塔清理中應(yīng)氮?dú)獬浞种脫Q合格后在并入系統(tǒng)，防止死角處氧未置換合格并系統(tǒng)帶來的氧腐蝕。

5 結(jié) 論

溶劑再生塔底再沸器的失效是管道震動(dòng)、設(shè)備選型和腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用的結(jié)果，原因復(fù)雜。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮該換熱器運(yùn)行工況的特性?？刹扇〔馁|(zhì)升級(jí)抵抗介質(zhì)腐蝕；增加換熱器折流板、減少換熱器管束與管板縫隙等手段降低振動(dòng)周期性振動(dòng)的影響；此外管道設(shè)計(jì)時(shí)可考慮減少管道彎頭和長度減少管道積液防止管線振動(dòng)，對(duì)已產(chǎn)生的振動(dòng)通過優(yōu)化管道支撐來減緩振動(dòng)的傳遞。

工藝操作時(shí)應(yīng)控制原料中氯離子增加再生塔底排渣防止規(guī)范過濾器和再生塔清理等作業(yè)防止環(huán)丁砜劣化，避免高濃度腐蝕介質(zhì)在再生塔底富集，有條件的可以增加樹脂脫氯設(shè)施凈化溶劑保證裝置的長周期運(yùn)行。