原油常壓蒸餾塔頂部系統(tǒng)工藝防腐流程技術(shù)探討

張 成，王亞彪，王秋萍，袁毅夫

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

常壓蒸餾塔頂部系統(tǒng)的流程設(shè)置、設(shè)備使用和控制方案選擇既關(guān)系到常壓塔頂部低溫余熱的回收，又與塔頂設(shè)備和工藝管道的防腐密切相關(guān)，嚴重影響常減壓蒸餾裝置的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)運行周期和裝置的平穩(wěn)操作。近些年來，國內(nèi)對常壓塔頂部系統(tǒng)的研究主要集中在常壓塔塔頂腐蝕問題上[1-2]，而對該問題研究的重點也僅限于腐蝕機理、注劑及設(shè)備材質(zhì)的選擇[3-6]，較少出現(xiàn)從工藝流程優(yōu)化角度減緩塔頂系統(tǒng)腐蝕的方案。文獻[7]中較全面論述了常壓塔頂部流程的發(fā)展歷程，對目前普遍存在的塔頂腐蝕問題和低溫熱回收問題進行了深入探討，提出了常壓塔頂部油氣系統(tǒng)設(shè)置兩段冷凝冷卻并取消常壓塔頂循環(huán)回流的流程。

兩段冷凝冷卻流程的設(shè)置和操作條件的選擇，避免了常壓塔頂系統(tǒng)”三注”產(chǎn)生的銨鹽類物質(zhì)被打回常壓塔頂部，也避免了第一段冷凝過程的露點腐蝕，但冷凝系統(tǒng)可能出現(xiàn)露點腐蝕的位置由第一段冷凝后移至第二段冷凝系統(tǒng)，需對其進行腐蝕防護。本研究就如何做好后續(xù)設(shè)備的防腐進行探討，通過改進塔頂冷卻系統(tǒng)工藝流程、調(diào)整塔頂操作控制方案來減緩塔頂冷凝系統(tǒng)腐蝕，并對塔頂采用一段冷凝系統(tǒng)時取消塔頂冷回流流程對塔頂腐蝕的影響進行研究。

1 空氣冷卻器入口管嘴增設(shè)注水點

常壓塔頂部冷凝冷卻系統(tǒng)采用兩段冷凝流程后，將常壓塔塔頂餾出線上的“三注”防腐措施移至常壓塔塔頂回流罐之后的冷凝冷卻設(shè)備入口管道上，以避免常壓塔塔頂回流攜帶銨(胺)鹽引起常壓塔上部及常一線汽提塔結(jié)垢，減輕腐蝕。同時，通過對操作條件的控制，使第一段冷凝冷卻系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)不產(chǎn)生游離水，將常壓塔塔頂油氣中可能出現(xiàn)的水蒸氣露點轉(zhuǎn)移到第二段冷凝冷卻系統(tǒng)中，從而避免了第一段冷凝冷卻系統(tǒng)管線及設(shè)備的腐蝕[7]。具體流程示意見圖1。

圖1 常壓塔頂部冷凝冷卻系統(tǒng)兩段流程

常壓塔頂部油氣冷凝冷卻系統(tǒng)通常采用注水的方式來消除水蒸氣的露點。當?shù)诙卫淠到y(tǒng)采用空氣冷卻器(空冷器)，尤其是多臺空冷器并聯(lián)操作時，即使空冷器入口管線完全對稱布置，也常會因翅片管的變形、風(fēng)機轉(zhuǎn)速的不一致和個別換熱管堵塞等原因造成空冷器內(nèi)流體偏流。如果僅在空冷器入口總管設(shè)置注水點，則隨著流體偏流，難以保證每一臺空冷器管束內(nèi)水蒸氣露點的消除。因此，通過改進注水方式，在每片空冷器管束的進口管嘴增加注水點，各自獨立設(shè)置，不僅能夠確保各支路注水量充足、均勻，還可以對空冷器管束內(nèi)的污垢物進行沖洗，減少堵塞，防止偏流，有效避免露點腐蝕的發(fā)生。常壓塔塔頂空冷器入口注水位置示意見圖2。

圖2 常壓塔塔頂空冷器入口注水位置示意

2 增設(shè)二段冷凝油氣換熱器

常壓塔塔頂部油氣兩段冷凝流程的第二段采用空冷器和水冷卻器，其入口溫度大約在100 ℃左右[7]，仍有較多的低溫熱量未回收。盡管不回收這部分熱量對裝置換熱終溫影響并不明顯，但若增加一組換熱器，回收這部分低溫熱的同時，有效避免換熱設(shè)備內(nèi)流體流動的偏流，也有利于消除露點。換熱器可以采用抗H2O-H2S-Cl-腐蝕的材質(zhì)。增加一組換熱設(shè)備，空冷器所需的傳熱面積會相應(yīng)減少，裝置的投資變化不大。增設(shè)二段冷凝油氣換熱器后流程示意見圖3。

圖3 增設(shè)二段冷凝油氣換熱器的流程

3 塔頂回流罐可能析出游離水的處理

采用兩段冷凝，在正常操作條件下，常壓塔塔頂回流罐內(nèi)沒有水析出，但裝置在生產(chǎn)運行過程中的操作調(diào)整、操作參數(shù)的波動，特別是在裝置開工試運階段，難以完全避免在回流罐中產(chǎn)生游離水，這些游離水的存在會對設(shè)備及相應(yīng)管道造成腐蝕。因此，需及時對這部分游離水進行處理。

3.1 回流罐不設(shè)置分水包流程

回流罐不設(shè)置分水包，生產(chǎn)過程波動產(chǎn)生的游離水將無法以水相的形式存在于回流罐內(nèi)，從而避免酸性水的積聚。產(chǎn)生的游離水與常壓塔塔頂回流罐油相產(chǎn)品一同由常壓塔塔頂回流泵抽出，一部分返回常壓塔頂部，另一部分與未冷凝的氣相一起經(jīng)常壓塔塔頂空冷器、后冷卻器冷卻后進入常壓塔塔頂產(chǎn)品罐，游離水經(jīng)常壓塔頂頂產(chǎn)品罐的分水包排出系統(tǒng)。具體流程示意見圖4。

圖4 常壓塔塔頂回流罐不設(shè)分水包的流程

3.2 回流罐設(shè)置分水包流程

回流罐底部設(shè)置分水包有兩種排出游離水的方法：一種方法是通過回流罐底部的分水包將產(chǎn)生的游離水分離出來，分水包底部接一小直徑管道直接引入產(chǎn)品罐內(nèi)，該管道可以間斷(當檢測到有游離水出現(xiàn)時)排放，也可以連續(xù)排放，以保證回流罐分水包內(nèi)沒有酸性水的積存，流程示意見圖5；另一種方法是設(shè)置兩臺泵(一用一備)，從小分水包底部引出液體(可能含有游離水)，液體輸送到二級冷凝設(shè)備入口管道，回流罐液位通過控制此股液體的流率進行調(diào)整，常壓塔塔頂回流泵僅用來輸送塔頂回流以控制塔頂溫度，流程示意見圖6。

圖5 常壓塔塔頂回流罐從分水包引水的流程

圖6 常壓塔塔頂回流罐設(shè)分水包引油的流程

4 回流罐的操作溫度

常壓塔塔頂產(chǎn)品(石腦油)的質(zhì)量控制有兩種方式。一種是常規(guī)的控制常壓塔塔頂操作溫度，具體流程見圖7。此方案的回流罐溫度不需要刻意控制，常壓塔塔頂油氣換熱后的溫度(塔頂回流罐的操作溫度)以油氣中的水蒸氣不在這一系統(tǒng)內(nèi)冷凝為宜。

圖7 控制常壓塔塔頂操作溫度的流程

另一種是嚴格控制回流罐的操作溫度，而對常壓塔塔頂操作溫度不作控制。這種控制方案，在控制常壓塔塔頂產(chǎn)品(石腦油)質(zhì)量的同時，能夠較好地滿足常壓塔塔頂油氣換熱器中不發(fā)生水蒸氣冷凝的要求，具體流程見圖8。常壓塔塔頂油氣換熱器需要具有良好的換熱能力調(diào)節(jié)作用。

圖8 控制常壓塔塔頂回流罐操作溫度的流程

以國內(nèi)某煉化企業(yè)加工能力為10.0 Mt/a的常減壓蒸餾裝置為例，兩種控制方案的相關(guān)操作條件見表1。由表1可以看出，在常壓塔塔頂油流量不變的前提下，采用控制回流罐操作溫度的流程，常壓塔塔頂油終餾點略低于控制常壓塔塔頂溫度的流程，說明分離精度有所改善。盡管水蒸氣的露點溫度提高了1 ℃，但常壓塔塔頂溫度提高了6 ℃，塔頂回流溫度提高了19 ℃，說明控制回流罐操作溫度流程的第一段冷凝過程出現(xiàn)游離水的可能性進一步降低。

常壓塔塔頂油流量(收率)、塔頂油終餾點(品質(zhì))、塔頂溫度以及塔頂油氣的水蒸氣露點溫度隨常壓塔塔頂回流罐溫度的變化見圖9。由圖9可以看出，改變回流罐操作溫度，塔頂油的流量和終餾點會相應(yīng)發(fā)生變化，可以起到調(diào)節(jié)產(chǎn)品收率和品質(zhì)的作用。提高回流罐的操作溫度，可以較容易獲得滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的較高的塔頂油收率，同時由于塔頂溫度的升高，一段冷凝過程的熱回收和避免熱回收過程產(chǎn)生游離水的條件也相應(yīng)得到改善。

表1 控制常壓塔塔頂溫度流程和控制回流罐操作溫度流程的操作條件對比

圖9 常壓塔塔頂回流罐溫度與塔頂油終餾點、塔頂溫度等參數(shù)的關(guān)系■—塔頂油流量； ▲—塔頂油終餾點； ◆—塔頂溫度； ●—塔頂油氣中水蒸氣露點溫度

5 采用一段冷凝時取消塔頂冷回流的流程

當采用一段冷凝流程時，可以取消塔頂冷回流，塔頂油氣冷凝的液體油品不作為冷回流返回到常壓塔頂部，而是全部送出裝置。保留常壓塔塔頂循環(huán)回流流程，并將塔頂循環(huán)回流的返塔位置上移至塔頂部，通過調(diào)節(jié)塔頂循環(huán)油的流量來嚴格控制塔頂溫度，滿足塔頂生產(chǎn)石腦油的質(zhì)量要求。具體流程見圖10。

圖10 常壓塔頂部取消塔頂冷回流流程

表2 取消塔頂冷回流流程和常規(guī)流程操作條件對比

取消塔頂冷回流，在常壓塔塔頂油氣管線任何位置注劑都將不存在銨(胺)鹽類物質(zhì)通過回流被帶入常壓塔頂部的可能。取消塔頂冷回流的一段冷凝流程與目前常規(guī)采用的塔頂一段冷凝、塔頂冷回流返塔流程的相關(guān)操作條件對比見表2。由表2可以看出，在常壓塔塔頂油收率不變的前提下，取消塔頂冷回流，盡管由于塔頂油氣量減少，塔頂油氣中的水蒸氣分壓相對增大，水蒸氣的露點溫度提高了4 ℃，但常壓塔塔頂?shù)牟僮鳒囟葍H降低了1 ℃，塔頂操作溫度仍然高于水蒸氣露點36 ℃，塔頂不會有水凝出。取消塔頂冷回流后，塔頂循環(huán)取熱量增大，塔頂循環(huán)抽出及返回溫度降低了6 ℃，塔頂循環(huán)流量增加了15.9%，塔頂循環(huán)熱量回收的難度相對增加，需對換熱網(wǎng)絡(luò)進行合理配置。

6 結(jié) 論

(1)當常壓塔塔頂選擇兩級冷凝冷卻流程時，可以采用在塔頂空冷器入口分支管嘴增加注水點、增設(shè)二段冷凝油氣換熱器及選擇合適流程排出塔頂回流罐中酸性水等措施進一步減輕常壓塔頂部系統(tǒng)腐蝕。

(2)常壓塔頂采用嚴格控制塔頂回流罐操作溫度的方案或采用控制塔頂操作溫度的方案，原則上均可以滿足生產(chǎn)操作的要求，可根據(jù)裝置實際操作進行適當選擇。

(3)取消常壓塔塔頂冷回流的流程，可以防止塔頂回流返塔攜帶有機注劑，避免由此引起的常壓塔頂部結(jié)鹽和腐蝕等問題。

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