冷高分加氫空冷器流動腐蝕預(yù)測

詹劍良，王寬心

(1.紹興市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，浙江 紹興 312000;2.浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310018)

加氫裂化裝置是煉油企業(yè)重要的二次加工手段，其目的是將重質(zhì)油轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油［1］。在石化裝置國產(chǎn)化、大型化、原油劣質(zhì)化的發(fā)展過程中，國內(nèi)高硫原油加工企業(yè)因流動腐蝕引起了普遍性的非計劃停工，嚴(yán)重影響了加氫裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行［2-3］。目前，裝置的失效研究主要集中在腐蝕、材料劣質(zhì)化、復(fù)雜載荷的應(yīng)力分析以及運(yùn)行環(huán)境的影響等領(lǐng)域［4］。通過收集YZ 煉油廠冷高分加氫裂化裝置的工藝流程、工藝參數(shù)等對其進(jìn)行流動腐蝕預(yù)測研究，分析其可能出現(xiàn)的失效風(fēng)險，為其后續(xù)開展優(yōu)化運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 裝置流程與設(shè)計條件

1.1 工藝流程

某煉油廠2 Mt/a 加氫裂化裝置反應(yīng)系統(tǒng)分為兩個系列，其工藝流程如圖1 所示。兩系列的原料油經(jīng)反應(yīng)進(jìn)料泵升壓后，與新氫和循環(huán)氫混合，在換熱器中與反應(yīng)產(chǎn)物換熱。然后，經(jīng)反應(yīng)進(jìn)料加熱爐加熱至反應(yīng)溫度，依次進(jìn)入加氫精制反應(yīng)器和加氫裂化反應(yīng)器，混氫原料油在催化劑作用下，進(jìn)行脫硫、脫氮、脫氧及裂化等反應(yīng)。兩系列反應(yīng)流出物經(jīng)過換熱器和空冷器冷卻后進(jìn)入共同的高壓分離器(FA103)，分離為循環(huán)氫、高分油以及含硫污水三股物流。

1.2 高壓空冷器設(shè)計參數(shù)

空冷器管束材質(zhì)為RSt35.8Ⅲ，且管束端入口襯200 mm Monel 合金;系列一的進(jìn)口溫度150 ℃，出口溫度45 ℃，系列二的進(jìn)口溫度110 ℃，出口溫度45 ℃，操作壓力15.8 MPa;設(shè)計腐蝕系數(shù)為0.3，入口介質(zhì)平均流速為3.09 m/s。

圖1 兩系列反應(yīng)及分離工藝流程

2 空冷器風(fēng)險預(yù)測

2.1 裝置現(xiàn)役狀況

2011 年6 月巡檢過程中發(fā)現(xiàn)系列二的EC102 空冷器內(nèi)六組管束均有不同程度的局部變形。管束變形形貌見圖2。較嚴(yán)重的是EC102-2，EC102-3 和EC102-4 部分管束。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)EC101部分管束也存在不同程度的變形，其嚴(yán)重程度較EC102 低，故重點研究EC102 空冷器。

圖2 管束變形形貌

2.2 流動腐蝕預(yù)測

2.2.1 多相流腐蝕性分析

空冷系統(tǒng)是典型的油-氣-水多相流，利用HYSYS 的數(shù)據(jù)分析工具，得到水相流量、油相流量及氣相流量隨溫度的變化曲線見圖3。

圖3 油-氣-水相流量隨溫度的變化曲線

由圖3 可以看出，空冷器在入口溫度(約110 ℃)已經(jīng)存在油-氣-水三相且水相流量隨管束溫度的降低逐漸增大，水相流量較低且在空冷器入口位置(110 ℃)已經(jīng)存在9 t/h 左右的液態(tài)水相，可以判斷空冷器內(nèi)發(fā)生露點腐蝕的可能性不大。

物流的腐蝕強(qiáng)弱與H2S，NH3等腐蝕性介質(zhì)在氣-液兩相中的平衡分布直接相關(guān)，運(yùn)用HYSYS 對REAC 系統(tǒng)中進(jìn)行工藝流程模擬，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可得到氣-液兩相中H2S和NH3的摩爾分率隨管程溫度的變化曲線見圖4-5。

由圖4，5 可以看出隨物流溫度的降低液相中H2S 和NH3的摩爾分率不斷增加，說明液相的腐蝕性不斷增強(qiáng)。隨溫度的降低，氣相中的NH3在水中的溶解度增大，使H2S 不斷地溶解于水相中的NH3在水相中發(fā)生反應(yīng)生成硫氫化銨溶液。綜上所述:空冷管束溫度在不斷降低的同時多相流的腐蝕性反而逐漸增強(qiáng)，一旦管束內(nèi)物流的流速在管束內(nèi)達(dá)到較大值則有可能誘發(fā)腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜被沖破，發(fā)生管束沖蝕破裂現(xiàn)象。

圖4 氣-液兩相H2S 摩爾分率隨溫度的變化

圖5 氣-液兩相NH3摩爾分率隨溫度的變化

2.2.2 銨鹽結(jié)晶預(yù)測

計算物流物性參數(shù)，得到空冷器內(nèi)隨溫度變化NH3分壓的變化曲線與H2S 分壓的變化曲線。由Kp=P(NH3)×P(H2S)從而可得到空冷器內(nèi)隨溫度變化Kp 的變化曲線，結(jié)合NH4HS 的沉積曲線數(shù)據(jù)可得到圖6。

圖6 NH4HS 沉積溫度曲線

由圖6 可見，當(dāng)溫度約為63 ℃結(jié)晶反應(yīng)平衡常數(shù)K 值與REAC 系統(tǒng)中實際的Kp 值相等;當(dāng)溫度低于該值時，Kp 值大于K 值，就會發(fā)生NH4HS 結(jié)晶反應(yīng)。因此空冷器的結(jié)晶點在多相流溫度約為63 ℃位置處，空冷器管束中將出現(xiàn)硫氫化氨的沉積堵塞現(xiàn)象。

根據(jù)空冷器設(shè)備結(jié)構(gòu)及相關(guān)工藝參數(shù)，利用HTRI 軟件進(jìn)行換熱計算，獲得管束溫度隨距離分布數(shù)據(jù)。為了更準(zhǔn)確的預(yù)測NH4HS 固體顆粒產(chǎn)生的具體位置，將第一管程HTRI 計算所得的前10 個監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖，如圖7所示。

由圖7 可以看出，在第一管程各排管距空冷器入口10.4～11.8 m 處的溫度正好處于結(jié)晶點，是開始出現(xiàn)銨鹽結(jié)晶的位置，若產(chǎn)生的銨鹽顆粒不斷地沉積到管道中就會出現(xiàn)堵管及垢下腐蝕失效現(xiàn)象。

圖7 第一管程溫度分布

2.2.3 紅外熱成像儀分析

紅外熱成像儀通過探測目標(biāo)物體的紅外輻射，并通過光電轉(zhuǎn)換、信號處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布轉(zhuǎn)換成視頻圖像(見圖8)。

圖8 EC102-1 第一段熱成像檢測圖

從熱成像檢測圖中可以看出，空冷器上排管束已存在不同程度的失效現(xiàn)象，部分管束的溫度已很低，表明這些管束基本被銨鹽堵塞，與預(yù)測結(jié)果吻合。堵塞的管束內(nèi)多相流流速將變大，多相流沖蝕風(fēng)險增大。

3 結(jié)束語

優(yōu)化進(jìn)料組成并適當(dāng)控制原料硫、氮含量，在工藝允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增加二系列的注水量，并考慮暫時停用1200 號單元凈化水，改善水質(zhì)，有助于降低空冷器流動腐蝕風(fēng)險。

［1］中國石油化工設(shè)備管理協(xié)會.石油化工裝置設(shè)備腐蝕與防護(hù)手冊［M］.北京:中國石化出版社，1996:1-5.

［2］劉晉，楊巍，范紅梅，等.重油催化裂化裝置表面蒸發(fā)空冷器的緩蝕阻垢研究與應(yīng)用［J］.石油化工設(shè)備，2009，38(5):73-76.

［3］吳東山.連續(xù)重整裝置空冷器管束泄漏解決辦法［J］.腐蝕與防護(hù)，2008，29(3):164-166.

［4］偶國富.加氫裂化空冷器管束多相流模擬與沖蝕破壞預(yù)測研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2004.