杨涛,汤玉敏

(中海油石化工程有限公司,山东 青岛 266100)

某石油化工炼油厂建有一套20万t/a处理能力的气体分馏装置,装置设计处理能力为20万t/a,装置最大处理能力上限为22万t/a,下限为12万t/a。根据全厂总工艺流程的安排,催化裂化装置副产的液化石油气经液化气脱硫化氢、脱硫醇后作为该装置的原料。装置主要生产精丙烯和丙烷,丙烯产品要求丙烯含量大于99.6%,丙烷产品要求丙烷含量大于96%。另外,分馏后的碳四及碳四以上的重碳四馏分作为下游装置MTBE(甲基叔丁基醚)装置的原料。

该气体分馏装置采用常规的三塔分馏流程:脱丙烷塔-脱乙烷塔-丙烯塔,丙烯塔因分离精度高需要的塔板数太多,丙烯塔分为丙烯塔上塔和下塔串联。脱除硫化氢和硫醇的原料液化石油气经换热后以泡点状态送至脱丙烷塔,在丙烷塔内经分馏后,塔顶得到的主要是碳三以下馏分,塔底得到碳四馏分,送至MTBE装置。塔顶馏分经泵送至脱乙烷塔进一步分馏,将馏分中的碳二以下轻组分脱除,塔底主要是丙烷和丙烯的碳三馏分,塔底馏分自流至丙烯塔上塔,丙烯塔上塔塔顶分离得到高纯度的丙烯产品,丙烯塔下塔塔底分离得到丙烷馏分[1-3]。

1 装置特点及存在的问题

气体分馏装置是利用各组分间的相对挥发度不同而将液化气原料中各组分分开的精密分馏过程。由于分馏过程的本质是传质和传热过程,它只能根据要求保证产品的纯度,而不能完全去除杂质。尤其气体分馏装置,对产品丙烯和丙烷产品的要求高,高于一般的精馏,精馏塔回流比和回流量大,装置能耗高。装置能耗主要体现在塔底消耗低压蒸汽,塔顶又需要消耗大量的冷却水取走热量,而其中丙烯塔能耗占据了整个装置能耗的60%以上[4-5]。

该气分装置为设计技术要求如下:

(1)丙烯的回收率应不小于98.5%;

(2)丙烯塔上塔塔顶温度不能超过46 ℃,压力不大于1.82 MPa;

(3)丙烯经塔顶水冷冷凝器的出口温度应不大于33 ℃。

该气体分馏装置2004年投产,目前已运行多年。丙烯塔顶水冷器循环水所在管程存在结垢腐蚀现象,又因为气分丙烯塔顶冷凝器因冷却负荷大,丙烯塔顶水冷器经长时间运行后易结垢。上次装置大检修在年末,检修完成后开车后时间短,加之春季气温低,其分馏塔及各塔顶冷凝器运行平稳,一些问题还没有暴露出来。从上次的检修及以前的运行情况看,每当到夏天的时候,塔顶冷凝器结垢严重,冷却效果差。在每年夏天6～9月份气温较高时,因水冷器管内结垢后换热效果差,冷凝器丙烯产品出口温度冷却不下来,经常运行在36 ℃以上,最高达到了40 ℃,高于设计值6～10 ℃。塔顶冷凝器出口的丙烯产品一部分作为丙烯塔上塔回流,回流的丙烯温度高于设计温度,温度升高后引起丙烯塔上塔和下塔操作温度高,温度升高后会引起丙烯塔塔内压力升高。压力升高后丙烯和丙烷的相对挥发度降低,使得丙烯和丙烷的分离困难增大,最终导致了丙烯塔的分离精度降低,为了保证丙烯和丙烷产品的高纯度,丙烯塔不得不降量运行,气体分馏装置也得降量操作,而且产品质量很难控制,送至罐区安全性也受到影响。

气分装置是该石化厂的重要装置之一,其塔顶冷凝器结垢严重影响冷凝器换热效果,一直困扰着装置生产车间,亟需解决。该石化厂因为地理位置原因,循环水属黄河水质,水质总硬度高,水中钙镁硬度在1 200 mg/L以上,水质差,导致管内结垢严重,换热效果差。在每年气温较高的6～9月期间,塔顶冷凝器的物料出口温度因冷却不下来经常运行在36 ℃以上,最高甚至达到了40 ℃以上,导致分馏塔塔内压力升高,使得装置不得不减量低负荷运行,直至停车,而且产品质量和生产安全也受到影响。另一方面,因为循环水换热器冷凝水侧结垢严重后,外加循环水管网和循环水厂也因运行多年管线结垢较严重,导致循环水上水压力由0.4 MPa降到了0.3 MPa,换热器管内壁腐蚀结垢严重,经现场反馈循环水经过换热器换完热后进出口循环水压力损失接近100 kPa。再加上丙烯塔塔板多塔高,使得循环水经管道输送到塔顶换热器时,循环水上水压力进一步降低,导致管程循环水水流速度偏小,水流速度只有0.5 m/s左右,导致管程循环水水量降低,换热器换热效果变差。为防止循环水压力过低造成冷凝器结垢影响换热效果,气分车间为丙烯塔顶冷凝器增加了2台功率为90 kW的循环水增压泵,旨在提高循环水进塔顶冷凝器塔上水压力,夏天气温高冷却负荷大的时候为了避免塔顶温度过高尽量保证丙烯和丙烷产品合格,循环水增压泵基本需要投入连续运行,消耗电能增加了能耗同时也增加了运行成本。

2 钐钴体设备技术特点

2.1 钐钴体设备除垢原理

钐钻体流体处理设备是某设备公司专门针对石油化工企业循环水系统水冷装置结垢问题开发的一种高技术含量除垢、防垢设备,是国家专利产品[6-7]。利用经特殊处理后的钐钴体设备中的二维高能量磁场,当含有Ca2+,Mg2+等杂质离子的循环水通过该设备时,在不改变原有水化学成分的条件下,使水中矿物质的物理结构发生变化,水的偶极分子发生定向极化,电子云发生变化,造成氢键的歪曲和局部折裂,原来缔合链状的大分子,断裂成单个小分子,晶格细化,并被单个水分子包围,使相互粘附与聚集特性受到破坏,在流体中形成松软的淤泥状物,并被循环水带走,从而达到防垢的目的[6-7]。磁化水中自由化的单个水分子的数量增多,水的渗透性增强,正电性氢离子被负电性管道吸引,向垢层浸渗,硬垢的方解石在氢离作用下溶解成软泥状的文石,管壁上原有的老垢逐渐开裂,疏松、自行脱落、达到除垢目的。

钐钴体流体处理设备除垢防垢防腐蚀简介钐钻体流体处理设备具有二维磁场结构,因其特殊的结构设计及其影钻高能磁材的应用,具有较好的热稳定性,能满足更为复杂工况条件下的换热装置的除垢防垢、防腐蚀的需要。其防垢原理是:当带电粒子如钙、镁离子及碳酸根离子经过二维磁场时,增加了其碰撞几率,在进入换热装置之前,就形成了碳酸钙晶粒,并处于高速旋转:同时,水分子形成的大分子团经过二维磁场时,其分子之间的缔合键就会被切断,形成极性很强的单个水分子,这些单个的极性水分子就会将高速旋转的碳酸钙晶粒包裹起来,使碳酸钙晶粒相互黏附与聚集特性受到破坏,碳酸钙晶粒就不聚集、不长大,也就不会附着管壁,不形成水垢。其除垢的原理是:当水通过二维磁场时,大分子团变成了单个的水分子,在不改变原有水化学成分的条件下,偶极分子水的电子云发生变化氢键夹角增大,氢键拉长,造成氢键的歪曲和局部折裂,使水中的氢离子(正电荷)增多,正电性氢离子被负电性管道吸引,向垢层漫渗,产生微放电效应。在持续的放电作用下,老垢就从管壁逐渐开裂、疏松、自行脱落。脱落的硬垢一部分随循环水流走,一部分在极性水分子的作用下溶解成软泥状的文石。管壁上原有的水垢就得以清除。其防腐蚀原理是:在二维磁场作用下,管道和水形成两极化,产生的微小电子流促使红锈 转化成稳定的 Fe3O4,在负电性的管道壁形成黑色磁场性氧化铁,并沉积形成膜薄隔层,负电性的氧被负电性的管道排斥而隔离,从而达到防腐缓蚀目的。

2.2 钐钴体设备除垢的特点

钐钴体流体处理设备技术特点及参数利用钻高能磁材进行特殊设计加工所产生的二维磁场,在换热装置上对循环水进行处理,可有效地抑制水垢的再生,并能除去原有的老垢。是一种物理处理方法。与水处理剂的化学法相比,具有使用方便、运行费用低、无毒、无二次污染、适用范围广等优点:与其他磁处理方法相比,具有磁场均布性好、磁场强度高、效果更好的优点。其主要特性参数有:

(1)磁单元漏磁感应强度 B 值≤2 MT,不对周围的仪器、设备产生任何影响;

(2)阻垢率≧98%,腐蚀速度降低至原来的1/10或更低;

(3)适用循环水流速≦3.5 m/S的工况(最佳流速1.5～2.5 m/S);

(4)适用介质温度:0～250 ℃;

(5)承受压力:≦2.5 MPa。

从钐钴体设备防垢和除垢的原理可知,该钐钴体设备技术具有以下优势。(1)钐钴体流体处理设备本身不消耗任何能源,也不需要任何能源驱动该设备;(2)由于钐钴体流体处理设备具有强大的设备除垢防垢作用,在循环水的流速较低时也有很好的除垢防垢效果,因此,在满足塔顶冷凝器的冷凝需要的前提下,可以适当降低循环水的压力;(3)环保作用明显。钐钴体流体处理设备及技术是一个物理作用过程,无毒、无二次污染,自身不会产生污染物,对周边环境十分友好。与其他除垢(如化学清洗、物理除垢等[1])相比,既没有污水外排,又没有噪音的困扰,其环保作用十分明显;(4)从钐钴体设备的主要特性和适用的温度、压力场合、流速应用在循环水冷却器十分适合;(5)钐钴体设备尺寸小,基本上不需要考虑占地面积也不需要考虑防火间距等安装要求,安装简单,运行过程中无需人员进行操作和维护,运营成本低。

3 改造方案

针对装置目前运行存在的问题,又由于装置已建造运行多年,现场设备布置紧凑,不具备再增加换热器或者更换更大型号换热器等较大的改动。通过调研相关除垢技术与相关厂家交流,在精丙烯塔顶冷凝器循环水侧增设钐钴体除垢设备,从循环水管网来的循环水从现在的进入冷凝器管程改至先经钐钴体设备进行防垢和除垢,经处理后的循环水送至精丙烯塔顶冷凝器管程冷却工艺介质丙烯。改造流程如图1。

图1 丙烯塔顶冷凝器改造工艺流程示意图

改造后,可以避免精丙烯塔塔顶冷凝器结垢,另外,可以停用原冷却水增压泵,提高冷凝器换热器效果,降低了工艺介质出口温度。

4 改造效果

该气分装置增上钴体流体处理设备后,经现场标定,改造前后运行精丙烯塔顶冷凝器运行参数见下表1。

表1 改造前后运行参数对比

由表1改造前后丙烯塔顶冷凝器改造前后操作参数对比可知,增设钏钴体除垢设备后,夏季精丙烯塔顶冷凝器出口液化气温度比未改造前降低了≧3 ℃。此外,在夏季气温最高的6～9月份可以停止运行目前的丙烯塔顶循环水上水增压泵,节约电耗,也降低了装置运行维护成本。经估算,年节约电量259 200 kWh。

改造实施6个月后,根据现场反馈,丙烯塔未出现压力升高现象,塔顶操作温度也在设计的要求内,气分装置的处理量基本上也达到了设计值,消除了夏季气分装置生产的瓶颈问题,未对全厂的生产造成任何影响,丙烯和丙烷产品也满足产品质量要求,产品温度也满足罐区的要求,保证了装置的生产运行安全。运行一个周期后,经历了最炎热的夏季(6～9月)的运行考验,丙烯塔顶循环水上水增压泵一直停用状态,丙烯塔顶水冷器循环水所在的管程除垢防结垢和防腐蚀效果明显,经过水冷器后换完热后的循环水进出口压力损失为35 kPa,小于换热器设计时的最大允许压降50 kPa的要求,也明显小于增设钐钴体流体设备之前的接近100 kPa压降。

5 结论

在气分装置的丙烯塔顶水冷器循环水侧增设了一台钐钴体防垢除垢设备,实施改造后,现场运行结果表明,改造后循环水侧管子内壁结垢现象减弱,换热器管侧循环水结垢腐蚀程度明显降低,增加了换热器的传热效率,提高了换热效果,壳程工艺介质的出口温度比改造前降低了约3 ℃,装置的操作负荷也比改造前提高了约10%。且改造方案实施后,停用了夏季丙烯塔顶循环水上水增压泵,降低了装置能耗,经济效益明显,年节约259 200 kWh电量。