淺談常減壓蒸餾裝置的工藝設(shè)計(jì)

常 錚,李克景

(青島伊科思技術(shù)工程有限公司，山東 青島 266042)

作為石油精煉的“龍頭裝置”，常減壓蒸餾裝置利用蒸餾的方法將原油分割成不同餾分，既可直接提供部分油品，又能為后續(xù)的二次加工裝置提供原料。因此，常減壓蒸餾在石油煉制的全過程中具有舉足輕重的地位。

本文從常減壓蒸餾裝置的典型工藝流程入手，結(jié)合自身的工作經(jīng)驗(yàn)，從工藝設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：(1)腐蝕識別、控制與材料選擇；(2)換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；(3)單元操作設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

1 常減壓蒸餾裝置工藝流程

1.1 傳統(tǒng)工藝流程

常減壓蒸餾流程主要包括三個(gè)工序：原油脫鹽；常壓蒸餾；減壓蒸餾。傳統(tǒng)的常減壓蒸餾工藝如圖1所示。

圖1 常、減壓蒸餾傳統(tǒng)工藝

1.2 改進(jìn)工藝流程

在傳統(tǒng)流程的基礎(chǔ)上，在常壓加熱爐上游增設(shè)一“閃蒸罐”(或初餾塔)，即可得到改進(jìn)的常減壓工藝流程，見圖2。

圖2 常、減壓蒸餾改進(jìn)工藝

改進(jìn)的常減壓工藝流程和傳統(tǒng)流程相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以降低原油在預(yù)熱系統(tǒng)和常壓加熱爐中的壓力降。

(2)可以降低下游預(yù)熱系統(tǒng)以及常壓加熱爐的設(shè)計(jì)壓力。

(3)可以降低常壓加熱爐的熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

(4) 可以降低常壓塔的負(fù)荷或者改善常壓塔的氣、液負(fù)荷分布。

目前，新建常減壓蒸餾裝置基本上都選用改進(jìn)的工藝流程，特別是對于以下情況，更應(yīng)該采用改進(jìn)的工藝流程。

(1)輕質(zhì)餾分含量較高的原油。

(2)含硫、含鹽都較高的原油。

(3)含砷量高的原油，且用于生產(chǎn)重整原料。

(4)傳統(tǒng)流程裝置的擴(kuò)能改造。

2 腐蝕識別、控制與材料選擇

由于原油中含有無機(jī)鹽、硫化物、有機(jī)酸、氧氣、二氧化碳和水分等，這些雜質(zhì)含量雖然不高，但其危害性卻很大，會造成設(shè)備和管線的腐蝕，對于作為石油煉制第一工序的常減壓裝置來說尤為嚴(yán)重[1]。它不僅會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會影響裝置的正常生產(chǎn)，此外，當(dāng)腐蝕嚴(yán)重發(fā)生泄露時(shí)，會導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故，甚至危及人的生命安全。因此，對常減壓蒸餾裝置中的腐蝕類型進(jìn)行識別，從而可以采取有效工藝措施控制腐蝕，選擇合適的設(shè)備、管道材料以及相應(yīng)的腐蝕余量，也就能在工藝設(shè)計(jì)階段將腐蝕的危害降到最低，以實(shí)現(xiàn)裝置的長周期安全生產(chǎn)。

2.1 常壓塔頂?shù)腍2S-HCl-H2O低溫腐蝕

原油在加熱過程中生成HCl和H2S，隨著輕組分揮發(fā)至塔頂，它們以氣態(tài)形式存在時(shí)幾乎沒有腐蝕性，但是在低于漏點(diǎn)溫度的冷凝區(qū)出現(xiàn)液體水后，便形成H2S-HCl-H2O強(qiáng)腐蝕環(huán)境，主要以HCl的腐蝕為主[2]。

此種腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，針對其特性，控制此腐蝕以工藝措施為主，主要包括：

(1)設(shè)置高效穩(wěn)定的原油脫鹽系統(tǒng)，盡可能降低脫后原油含鹽量，至少要確保脫后原油含鹽量小于3mg/L。

(2)在常壓塔頂出口管線中進(jìn)行“三注”，即：注氨，注水和注高效緩蝕劑。其中，水的注入量應(yīng)不低于塔頂氣體質(zhì)量流量的5%，可考慮將脫硫后的酸水作為此處注水，以節(jié)約用水；氨的注入量以調(diào)節(jié)塔頂油汽凝結(jié)水的pH值=7～8.5為宜；氨的注入位置應(yīng)在水的漏點(diǎn)以前。

(3)控制常壓塔頂出口管線操作溫度至少高于其漏點(diǎn)溫度15℃。

此外，在工藝設(shè)計(jì)中，要從選材上來降低腐蝕可能帶來的危害，基于此種腐蝕的特性，關(guān)于材料的選擇做如下考慮：由于常壓塔頂腐蝕環(huán)境中具有較高的氯離子濃度，考慮到氯離子易使大多數(shù)不銹鋼材料發(fā)生局部腐蝕，如：點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕等，而雙相不銹鋼耐氯離子腐蝕，建議塔頂?shù)目绽淦?、管殼式換熱器選用雙相不銹鋼材料，此選材是基于考慮塔頂冷換設(shè)備的腐蝕尤為嚴(yán)重。綜合考慮材料性能和經(jīng)濟(jì)等因素，建議常壓塔上部采用"碳鋼+合金襯里的復(fù)合材料"，而塔頂產(chǎn)品及回流罐和塔頂所有管道選用碳鋼材料，考慮到其強(qiáng)腐蝕環(huán)境，碳鋼材料的腐蝕余量應(yīng)取大一些，建議設(shè)置腐蝕余量為6mm。

2.2 高溫部分的環(huán)烷酸及硫化物腐蝕

原油中所含的有機(jī)酸大部分是環(huán)烷酸，其酸性比碳酸還強(qiáng)，它在高溫下能夠與鐵直接反應(yīng)生成溶油性的環(huán)烷酸亞鐵；另外，在高溫下，H2S會分解成H2和高活性的S，S 與Fe反應(yīng)生成FeS，特別是在環(huán)烷酸存在的情況下，會加劇硫化物的腐蝕[2]。高溫環(huán)烷酸和硫化物的腐蝕屬于化學(xué)腐蝕，主要集中在常壓加熱爐及其出口轉(zhuǎn)油線、常壓塔的塔釜系統(tǒng)、減壓加熱爐及其出口轉(zhuǎn)油線，以及減壓塔的塔釜系統(tǒng)等部位。

針對此種腐蝕的特性，控制腐蝕的主要措施是選用耐高溫環(huán)烷酸和硫化物腐蝕的材料。對于工藝設(shè)計(jì)中的選材，建議如下：常、減加熱壓爐以及它們的出口轉(zhuǎn)油線，以及常、減壓塔釜輸送泵、管道選用317L不銹鋼材料，也可以選用Mo含量不低于2.5%的316L不銹鋼，并要考慮一定的腐蝕余量(0.5～1mm)；常、減壓塔的底部采用"碳鋼+317L襯里的復(fù)合材料"。除此之外，限制介質(zhì)流速也可以減緩腐蝕，還可以考慮注入高溫緩蝕劑。

上述兩種高低溫腐蝕在常減壓裝置中是最常見的，為了最大限度地減小腐蝕帶來的危害，在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免流體的靜滯(如：死角或盲腸)，減小流體沖刷對管道或設(shè)備表面的影響。管線盡量直向走線、少拐彎，尤其要避免拐急彎。設(shè)計(jì)中采用斜坡導(dǎo)流，設(shè)置防沖擋板，選擇合理經(jīng)濟(jì)流速等。此外，工藝設(shè)計(jì)中，要在腐蝕易發(fā)部位設(shè)置在線腐蝕監(jiān)測，如腐蝕探針、在線pH計(jì)等。

3 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

常減壓蒸餾裝置是煉油廠中能耗最高的裝置，其能耗約為煉廠總能耗的30%[3]。因此，降低常減壓裝置的能耗可改善整個(gè)煉廠的綜合能耗，會顯著提高煉廠的經(jīng)濟(jì)效益。

原油預(yù)熱系統(tǒng)是常減壓蒸餾裝置的重要組成部分。原油預(yù)熱需要大量的熱量，而蒸餾塔采出的熱產(chǎn)品又需要冷卻，合理匹配冷熱負(fù)荷，用較高溫度的產(chǎn)品去加熱較低溫度的原油，既可以有效回收熱能，又節(jié)省了額外的冷能。由于常減壓蒸餾裝置的上述特點(diǎn)，因此它具有一套復(fù)雜而又龐大的換熱網(wǎng)絡(luò)。

理論上講，可以組成無限多個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)，因此，在設(shè)計(jì)換熱方案時(shí)涉及到最優(yōu)化的問題。選擇最優(yōu)化方案的依據(jù)是：在滿足生產(chǎn)方案和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，能最大限度地節(jié)約投資和操作費(fèi)用。一個(gè)最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)具有以下特點(diǎn)：對不同生產(chǎn)方案具有較好的適應(yīng)能力；充分利用了各種余熱(包括低溫位熱源的有效利用)，使原油預(yù)熱溫度較高而且合理；換熱器的換熱強(qiáng)度較大，達(dá)到換熱要求所需的換熱面積較小；原油在整個(gè)預(yù)熱流路中的壓降較??；并且要操作可靠、檢修方便。換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可采用的方法有：數(shù)學(xué)規(guī)劃法、人工智能法、夾點(diǎn)分析法[3-4]。其中，夾點(diǎn)分析法在國內(nèi)外工程公司中得到了較為廣泛的應(yīng)用。換熱網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算工作量很大，目前，可借助計(jì)算機(jī)軟件來完成對換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)分析，以獲得優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)。無論新建裝置還是舊裝置改造，換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化都是工藝設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)給予足夠的重視。

4 單元操作設(shè)計(jì)的優(yōu)化

4.1 原油脫鹽

原油脫鹽是常減壓裝置的第一道工序，目前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是兩級電脫鹽。脫鹽預(yù)處理既能防止下游設(shè)備腐蝕，又能為下游裝置提供優(yōu)質(zhì)原料，此外，還能節(jié)能降耗。工藝設(shè)計(jì)中，電脫鹽的優(yōu)化方向如下：

(1)溫度是重要的工藝參數(shù)，溫度的適當(dāng)提高有利于原油破乳以及水滴聚結(jié)。目前，電脫鹽溫度一般在120～140℃，另外需要注意的是：性質(zhì)不同的原油具有不同的適宜脫鹽溫度，可以通過試驗(yàn)的方法來確定其最佳脫鹽溫度。此外，為適應(yīng)加工原油性質(zhì)以及方案的變化，可考慮將進(jìn)脫鹽罐前最后一組換熱器設(shè)計(jì)為熱旁路流程，以實(shí)現(xiàn)對脫鹽溫度的較好控制。

(2)針對原油特性，選擇合適的破乳劑。破乳劑通過隔離油和水，起到破乳化作用。破乳劑要從注水點(diǎn)的上游注入，同時(shí)要做到注入量的準(zhǔn)備計(jì)量，一般選用計(jì)量泵。

(3)原油脫鹽前需要注入水，水的注入有利于原油脫鹽。 注水量通常設(shè)計(jì)為原油量的5%-8%。注水點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則為：易乳化原油注水點(diǎn)設(shè)置在預(yù)熱系統(tǒng)下游，即混合閥前；而對于高含鹽原油，為防止無機(jī)鹽在預(yù)熱系統(tǒng)中結(jié)垢，應(yīng)將注水點(diǎn)設(shè)置在原油泵出口，即預(yù)熱系統(tǒng)的上游。另外，設(shè)計(jì)中可將脫硫后的酸水作為二級電脫鹽注水，同時(shí)應(yīng)將二級電脫鹽排水作為一級電脫鹽的注水，通過水的回用以實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水。

4.2 加熱爐

常減壓蒸餾裝置中，蒸餾過程所需的大量熱量來自加熱爐，常、減壓加熱爐能耗約占全裝置能耗的80%-90%[1]，因此，加熱爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)是有效降低裝置能耗的途徑。

4.2.1 降低排煙氣溫度

減小末端溫差可降低排煙溫度，綜合考慮一次投資和運(yùn)行費(fèi)用，設(shè)計(jì)中加熱爐的末端溫差一般約為50℃；設(shè)置空氣預(yù)熱器，即用煙氣預(yù)熱空氣也可降低排煙溫度，但空氣預(yù)熱溫度不宜過高，最好不要超過300℃，否則會導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物中氮氧化物增加，對環(huán)境不利。此外，工藝設(shè)計(jì)中需要注意的是：排煙溫度必須高于其漏點(diǎn)溫度，否則會引起設(shè)備的漏點(diǎn)腐蝕。另一方面可以通過選擇耐腐蝕材料或凈化燃料，來預(yù)防設(shè)備腐蝕。

4.2.2 降低過?？諝庀禂?shù)

適度的空氣過?？墒谷剂先紵浞?，但是過剩空氣系數(shù)不能太大，否則會導(dǎo)致排煙熱損失增加。在設(shè)計(jì)中，建議選擇如下的過?？諝庀禂?shù)：氣體燃料取1.1，液體燃料取1.2。

4.2.3 選用高效燃燒器

高效燃燒器不僅能夠有效降低過?？諝庀禂?shù)，而且還能強(qiáng)化燃燒、提高傳熱能力。此外，對于燃料油，還要考慮選用高效的霧化噴嘴。

4.3 減壓塔抽真空系統(tǒng)

抽真空系統(tǒng)是減壓蒸餾的關(guān)鍵部件，它對減壓操作狀況和產(chǎn)品質(zhì)量有著直接的影響。蒸汽噴射器或液環(huán)真空泵是兩種常見的真空設(shè)備，其中，蒸汽噴射器在早期的減壓蒸餾裝置中得到了廣泛應(yīng)用，液環(huán)真空泵是后來發(fā)展的技術(shù)。二者各有優(yōu)缺點(diǎn)：蒸汽噴射器無運(yùn)轉(zhuǎn)部件具有使用可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有蒸汽消耗量大、污水排放量大的缺點(diǎn)；液環(huán)真空泵具有效率高、污水排放量小的顯著優(yōu)點(diǎn)，但其使用可靠性不如蒸汽噴射器。目前，國內(nèi)新上的大型煉油裝置基本上都是選用的復(fù)合真空系統(tǒng)(二級蒸汽噴射器+液環(huán)真空泵)， 此復(fù)合真空系統(tǒng)既可確保高真空又能減少蒸汽消耗。此外，考慮到系統(tǒng)中H2S的腐蝕，應(yīng)使用316L不銹鋼材料作為液環(huán)真空泵裝置的流通部件。

5 結(jié)論

在常減壓蒸餾裝置的設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先考慮采用改進(jìn)工藝流程；針對常減壓裝置中不同的腐蝕體系，在設(shè)計(jì)中通過采取必要的工藝措施和選擇合適的設(shè)備及管道材料，可以防止腐蝕帶來的危害；常減壓裝置中換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化是工藝設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)，有許多工作值得工藝設(shè)計(jì)者去做；對常減壓裝置中電脫鹽、加熱爐和抽真空等單元進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可以降低裝置的能耗，實(shí)現(xiàn)裝置的長周期安全生產(chǎn)。