冷凍站裝置板式換熱器內(nèi)漏技術(shù)改造

楊會明

(云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司, 云南開遠(yuǎn) 661600)

1 冷凍站裝置工藝流程

二甲醚廠冷凍站裝置為低溫甲醇洗裝置提供冷量,采用吸收制冷和壓縮制冷相結(jié)合的混合制冷流程。該流程的特點(diǎn)是用氨壓縮機(jī)給-40 ℃級的氣氨提壓,經(jīng)過吸收、精餾、冷凝產(chǎn)出合格的液氨。冷凍站裝置工藝流程見圖1。由低溫甲醇洗氨蒸發(fā)器來的氣氨經(jīng)氨壓機(jī)壓縮冷卻后,進(jìn)入吸收器被稀氨水吸收,吸收過程產(chǎn)生的熱量由循環(huán)冷卻水帶走;濃氨水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%,循環(huán)體積流量為240 m3/h)由氨水泵送往溶液換熱器(管殼式換熱器),被高溫稀氨水加熱到105 ℃后送入精餾塔中部進(jìn)行精餾,塔頂精餾出的氨氣體積分?jǐn)?shù)大于99.8%,溫度為55 ℃,進(jìn)入氨冷凝器后被冷卻水冷凝為液氨,一股做回流送精餾塔,一股送低溫甲醇洗氨蒸發(fā)器(液氨體積流量為45 m3/h);發(fā)生器底部出口的稀氨水經(jīng)溶液換熱器及溶液冷卻器冷卻送吸收器作為氨吸收液。

圖1 冷凍站裝置工藝流程圖

2 存在的問題及原因分析

冷凍站裝置自投產(chǎn)以來,每產(chǎn)1 m3液氨需要消耗低壓蒸汽750 kg,消耗較大,主要原因?yàn)槿芤簱Q熱器換熱面積不足,濃氨水進(jìn)精餾塔的溫度偏低,只有98 ℃。2019年5月采用緊湊、高效且技術(shù)成熟的板式換熱器代替原管殼式換熱器[1],換熱效率大幅提高,取得較好的效果：進(jìn)精餾塔濃氨水溫度由105 ℃提高到120 ℃,發(fā)生器蒸汽用量大幅減少,每產(chǎn)1 m3液氨節(jié)約低壓蒸汽74.36 kg,節(jié)能降耗效果明顯;同時(shí),進(jìn)溶液冷卻器稀氨水溫度由80 ℃下降至55 ℃左右,循環(huán)水用量大幅減少,體積流量由900 m3/h減少到500 m3/h。

但是,該板式換熱器在運(yùn)行中存在短時(shí)間內(nèi)漏的問題：在正常生產(chǎn)運(yùn)行中板式換熱器于2020年4月開始出現(xiàn)內(nèi)漏。2020年5月更換板式換熱器后,2021年5月再次出現(xiàn)內(nèi)漏。每臺板式換熱器的運(yùn)行時(shí)間不超過1 a,嚴(yán)重影響了冷凍站裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 設(shè)備概況

第1臺全焊式板式換熱器換熱面積為420 m2,換熱板片材質(zhì)為S30408,板片厚度為0.8 mm,兩側(cè)設(shè)計(jì)壓差<1.0 MPa;第2臺全焊式板式換熱器換熱面積為505 m2,換熱板片材質(zhì)為S30408,板片厚度為1 mm,兩側(cè)設(shè)計(jì)壓差<1.0 MPa。板式換熱器其他主要工藝參數(shù)見表1。

表1 板式換熱器主要工藝參數(shù)

2.2 內(nèi)漏原因分析

拆解2臺板式換熱器發(fā)現(xiàn),內(nèi)漏主要發(fā)生在濃氨水出口端,并且內(nèi)漏面積較大(見圖2)。從內(nèi)漏部位看,裂紋、孔洞非常明顯,且有規(guī)律,板片明顯減薄,是磨損腐蝕造成的。通過分析,板片磨蝕的主要原因如下：

(a) 板式換熱器入口端破損孔洞

(b) 板式換熱器入口端裂紋

(1) 原設(shè)計(jì)中濃氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%,溫度為105 ℃,壓力為1.7 MPa,為泡點(diǎn)進(jìn)料進(jìn)入精餾塔。改造后,溫度達(dá)到120 ℃,通過ASPEN HYSYS模擬得知,此時(shí)濃氨水的氣相分率已達(dá)8.3%,由于大量液體汽化,體積大幅增加,導(dǎo)致流速加大,形成磨損腐蝕[2]。

(2) 冷凍站裝置在運(yùn)行中加入重鉻酸鉀陽極型緩蝕劑,在金屬表面生成薄的氧化膜,把金屬和腐蝕介質(zhì)氨水隔離開來。隨著濃氨水通過換熱逐漸提高溫度至超過泡點(diǎn)溫度,在氣液兩相流里,存在氣泡的產(chǎn)生、破裂,使材料的表面受到?jīng)_擊,破壞金屬表面的氧化膜,從而使磨損腐蝕加劇[3]。

3 改進(jìn)措施

(1) 板式換熱器由于流通通道較小,不適用于氣液兩相流介質(zhì)的換熱。從工藝角度考慮,需要保證板式換熱器的換熱介質(zhì)溫度在泡點(diǎn)溫度以下,才能延長板式換熱器的使用壽命。因此,在板式換熱器之前,增加1臺管殼式換熱器先進(jìn)行換熱。由于管殼式換熱器殼程流通通道大,濃氨水走殼程,氨水部分汽化對列管的磨損腐蝕較小。管殼式換熱器需要足夠的換熱面積將出管殼式換熱器的高溫介質(zhì)稀氨水溫度降低到115 ℃,從而使板式換熱器濃氨水的溫度不超過泡點(diǎn)溫度(105 ℃),避免板式換熱器出現(xiàn)兩相流。改造后冷凍站裝置工藝流程見圖3。

圖3 改造后冷凍站裝置工藝流程

(2) 氨水具有一定的腐蝕性,將板式換熱器的板片材質(zhì)由S30408換成316 L。由于316 L不銹鋼添加Mo,故其耐蝕性和高溫強(qiáng)度特別好,可在苛酷的條件下使用[4]。

4 改造效果

2021年6月按圖3流程完成冷凍站裝置的改造,板式換熱器出口濃氨水溫度只有101 ℃,確保了板式換熱器不會出現(xiàn)兩相流。通過管殼式換熱器換熱后,進(jìn)精餾塔濃氨水溫度可達(dá)125 ℃,相對于只有板式換熱器時(shí),每產(chǎn)1 m3液氨可節(jié)約低壓蒸汽7.6 kg,每年可節(jié)約低壓蒸汽費(fèi)用約30萬元。板式換熱器運(yùn)行至今已達(dá)2 a,未出現(xiàn)內(nèi)漏,延長了設(shè)備的使用壽命。

5 結(jié)語

板式換熱器是技術(shù)較成熟且運(yùn)用廣泛的換熱設(shè)備,是石化生產(chǎn)裝置的重要設(shè)備之一[5],板式換熱器的內(nèi)漏有多種因素,應(yīng)從實(shí)際出發(fā)查找原因,對癥下藥,不能直接更換設(shè)備。本文從降低進(jìn)板式換熱器的介質(zhì)溫度和改進(jìn)板片材質(zhì)2個(gè)方面著手解決設(shè)備內(nèi)漏問題,裝置運(yùn)行至今,未發(fā)現(xiàn)泄漏,效果明顯。