釤鈷體流體處理設(shè)備在水冷器防垢處理中的應(yīng)用

楊濤,湯玉敏

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266100)

某石油化工煉油廠建有一套20萬t/a處理能力的氣體分餾裝置,裝置設(shè)計處理能力為20萬t/a,裝置最大處理能力上限為22萬t/a,下限為12萬t/a。根據(jù)全廠總工藝流程的安排,催化裂化裝置副產(chǎn)的液化石油氣經(jīng)液化氣脫硫化氫、脫硫醇后作為該裝置的原料。裝置主要生產(chǎn)精丙烯和丙烷,丙烯產(chǎn)品要求丙烯含量大于99.6%,丙烷產(chǎn)品要求丙烷含量大于96%。另外,分餾后的碳四及碳四以上的重碳四餾分作為下游裝置MTBE(甲基叔丁基醚)裝置的原料。

該氣體分餾裝置采用常規(guī)的三塔分餾流程:脫丙烷塔-脫乙烷塔-丙烯塔,丙烯塔因分離精度高需要的塔板數(shù)太多,丙烯塔分為丙烯塔上塔和下塔串聯(lián)。脫除硫化氫和硫醇的原料液化石油氣經(jīng)換熱后以泡點(diǎn)狀態(tài)送至脫丙烷塔,在丙烷塔內(nèi)經(jīng)分餾后,塔頂?shù)玫降闹饕翘既韵吗s分,塔底得到碳四餾分,送至MTBE裝置。塔頂餾分經(jīng)泵送至脫乙烷塔進(jìn)一步分餾,將餾分中的碳二以下輕組分脫除,塔底主要是丙烷和丙烯的碳三餾分,塔底餾分自流至丙烯塔上塔,丙烯塔上塔塔頂分離得到高純度的丙烯產(chǎn)品,丙烯塔下塔塔底分離得到丙烷餾分[1-3]。

1 裝置特點(diǎn)及存在的問題

氣體分餾裝置是利用各組分間的相對揮發(fā)度不同而將液化氣原料中各組分分開的精密分餾過程。由于分餾過程的本質(zhì)是傳質(zhì)和傳熱過程,它只能根據(jù)要求保證產(chǎn)品的純度,而不能完全去除雜質(zhì)。尤其氣體分餾裝置,對產(chǎn)品丙烯和丙烷產(chǎn)品的要求高,高于一般的精餾,精餾塔回流比和回流量大,裝置能耗高。裝置能耗主要體現(xiàn)在塔底消耗低壓蒸汽,塔頂又需要消耗大量的冷卻水取走熱量,而其中丙烯塔能耗占據(jù)了整個裝置能耗的60%以上[4-5]。

該氣分裝置為設(shè)計技術(shù)要求如下:

(1)丙烯的回收率應(yīng)不小于98.5%;

(2)丙烯塔上塔塔頂溫度不能超過46 ℃,壓力不大于1.82 MPa;

(3)丙烯經(jīng)塔頂水冷冷凝器的出口溫度應(yīng)不大于33 ℃。

該氣體分餾裝置2004年投產(chǎn),目前已運(yùn)行多年。丙烯塔頂水冷器循環(huán)水所在管程存在結(jié)垢腐蝕現(xiàn)象,又因為氣分丙烯塔頂冷凝器因冷卻負(fù)荷大,丙烯塔頂水冷器經(jīng)長時間運(yùn)行后易結(jié)垢。上次裝置大檢修在年末,檢修完成后開車后時間短,加之春季氣溫低,其分餾塔及各塔頂冷凝器運(yùn)行平穩(wěn),一些問題還沒有暴露出來。從上次的檢修及以前的運(yùn)行情況看,每當(dāng)?shù)较奶斓臅r候,塔頂冷凝器結(jié)垢嚴(yán)重,冷卻效果差。在每年夏天6～9月份氣溫較高時,因水冷器管內(nèi)結(jié)垢后換熱效果差,冷凝器丙烯產(chǎn)品出口溫度冷卻不下來,經(jīng)常運(yùn)行在36 ℃以上,最高達(dá)到了40 ℃,高于設(shè)計值6～10 ℃。塔頂冷凝器出口的丙烯產(chǎn)品一部分作為丙烯塔上塔回流,回流的丙烯溫度高于設(shè)計溫度,溫度升高后引起丙烯塔上塔和下塔操作溫度高,溫度升高后會引起丙烯塔塔內(nèi)壓力升高。壓力升高后丙烯和丙烷的相對揮發(fā)度降低,使得丙烯和丙烷的分離困難增大,最終導(dǎo)致了丙烯塔的分離精度降低,為了保證丙烯和丙烷產(chǎn)品的高純度,丙烯塔不得不降量運(yùn)行,氣體分餾裝置也得降量操作,而且產(chǎn)品質(zhì)量很難控制,送至罐區(qū)安全性也受到影響。

氣分裝置是該石化廠的重要裝置之一,其塔頂冷凝器結(jié)垢嚴(yán)重影響冷凝器換熱效果,一直困擾著裝置生產(chǎn)車間,亟需解決。該石化廠因為地理位置原因,循環(huán)水屬黃河水質(zhì),水質(zhì)總硬度高,水中鈣鎂硬度在1 200 mg/L以上,水質(zhì)差,導(dǎo)致管內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重,換熱效果差。在每年氣溫較高的6～9月期間,塔頂冷凝器的物料出口溫度因冷卻不下來經(jīng)常運(yùn)行在36 ℃以上,最高甚至達(dá)到了40 ℃以上,導(dǎo)致分餾塔塔內(nèi)壓力升高,使得裝置不得不減量低負(fù)荷運(yùn)行,直至停車,而且產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全也受到影響。另一方面,因為循環(huán)水換熱器冷凝水側(cè)結(jié)垢嚴(yán)重后,外加循環(huán)水管網(wǎng)和循環(huán)水廠也因運(yùn)行多年管線結(jié)垢較嚴(yán)重,導(dǎo)致循環(huán)水上水壓力由0.4 MPa降到了0.3 MPa,換熱器管內(nèi)壁腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重,經(jīng)現(xiàn)場反饋循環(huán)水經(jīng)過換熱器換完熱后進(jìn)出口循環(huán)水壓力損失接近100 kPa。再加上丙烯塔塔板多塔高,使得循環(huán)水經(jīng)管道輸送到塔頂換熱器時,循環(huán)水上水壓力進(jìn)一步降低,導(dǎo)致管程循環(huán)水水流速度偏小,水流速度只有0.5 m/s左右,導(dǎo)致管程循環(huán)水水量降低,換熱器換熱效果變差。為防止循環(huán)水壓力過低造成冷凝器結(jié)垢影響換熱效果,氣分車間為丙烯塔頂冷凝器增加了2臺功率為90 kW的循環(huán)水增壓泵,旨在提高循環(huán)水進(jìn)塔頂冷凝器塔上水壓力,夏天氣溫高冷卻負(fù)荷大的時候為了避免塔頂溫度過高盡量保證丙烯和丙烷產(chǎn)品合格,循環(huán)水增壓泵基本需要投入連續(xù)運(yùn)行,消耗電能增加了能耗同時也增加了運(yùn)行成本。

2 釤鈷體設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)

2.1 釤鈷體設(shè)備除垢原理

釤鉆體流體處理設(shè)備是某設(shè)備公司專門針對石油化工企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)水冷裝置結(jié)垢問題開發(fā)的一種高技術(shù)含量除垢、防垢設(shè)備,是國家專利產(chǎn)品[6-7]。利用經(jīng)特殊處理后的釤鈷體設(shè)備中的二維高能量磁場,當(dāng)含有Ca2+,Mg2+等雜質(zhì)離子的循環(huán)水通過該設(shè)備時,在不改變原有水化學(xué)成分的條件下,使水中礦物質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,水的偶極分子發(fā)生定向極化,電子云發(fā)生變化,造成氫鍵的歪曲和局部折裂,原來締合鏈狀的大分子,斷裂成單個小分子,晶格細(xì)化,并被單個水分子包圍,使相互粘附與聚集特性受到破壞,在流體中形成松軟的淤泥狀物,并被循環(huán)水帶走,從而達(dá)到防垢的目的[6-7]。磁化水中自由化的單個水分子的數(shù)量增多,水的滲透性增強(qiáng),正電性氫離子被負(fù)電性管道吸引,向垢層浸滲,硬垢的方解石在氫離作用下溶解成軟泥狀的文石,管壁上原有的老垢逐漸開裂,疏松、自行脫落、達(dá)到除垢目的。

釤鈷體流體處理設(shè)備除垢防垢防腐蝕簡介釤鉆體流體處理設(shè)備具有二維磁場結(jié)構(gòu),因其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其影鉆高能磁材的應(yīng)用,具有較好的熱穩(wěn)定性,能滿足更為復(fù)雜工況條件下的換熱裝置的除垢防垢、防腐蝕的需要。其防垢原理是:當(dāng)帶電粒子如鈣、鎂離子及碳酸根離子經(jīng)過二維磁場時,增加了其碰撞幾率,在進(jìn)入換熱裝置之前,就形成了碳酸鈣晶粒,并處于高速旋轉(zhuǎn):同時,水分子形成的大分子團(tuán)經(jīng)過二維磁場時,其分子之間的締合鍵就會被切斷,形成極性很強(qiáng)的單個水分子,這些單個的極性水分子就會將高速旋轉(zhuǎn)的碳酸鈣晶粒包裹起來,使碳酸鈣晶粒相互黏附與聚集特性受到破壞,碳酸鈣晶粒就不聚集、不長大,也就不會附著管壁,不形成水垢。其除垢的原理是:當(dāng)水通過二維磁場時,大分子團(tuán)變成了單個的水分子,在不改變原有水化學(xué)成分的條件下,偶極分子水的電子云發(fā)生變化氫鍵夾角增大,氫鍵拉長,造成氫鍵的歪曲和局部折裂,使水中的氫離子(正電荷)增多,正電性氫離子被負(fù)電性管道吸引,向垢層漫滲,產(chǎn)生微放電效應(yīng)。在持續(xù)的放電作用下,老垢就從管壁逐漸開裂、疏松、自行脫落。脫落的硬垢一部分隨循環(huán)水流走,一部分在極性水分子的作用下溶解成軟泥狀的文石。管壁上原有的水垢就得以清除。其防腐蝕原理是:在二維磁場作用下,管道和水形成兩極化,產(chǎn)生的微小電子流促使紅銹 轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的 Fe3O4,在負(fù)電性的管道壁形成黑色磁場性氧化鐵,并沉積形成膜薄隔層,負(fù)電性的氧被負(fù)電性的管道排斥而隔離,從而達(dá)到防腐緩蝕目的。

2.2 釤鈷體設(shè)備除垢的特點(diǎn)

釤鈷體流體處理設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)及參數(shù)利用鉆高能磁材進(jìn)行特殊設(shè)計加工所產(chǎn)生的二維磁場,在換熱裝置上對循環(huán)水進(jìn)行處理,可有效地抑制水垢的再生,并能除去原有的老垢。是一種物理處理方法。與水處理劑的化學(xué)法相比,具有使用方便、運(yùn)行費(fèi)用低、無毒、無二次污染、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn):與其他磁處理方法相比,具有磁場均布性好、磁場強(qiáng)度高、效果更好的優(yōu)點(diǎn)。其主要特性參數(shù)有:

(1)磁單元漏磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 值≤2 MT,不對周圍的儀器、設(shè)備產(chǎn)生任何影響;

(2)阻垢率≧98%,腐蝕速度降低至原來的1/10或更低;

(3)適用循環(huán)水流速≦3.5 m/S的工況(最佳流速1.5～2.5 m/S);

(4)適用介質(zhì)溫度:0～250 ℃;

(5)承受壓力:≦2.5 MPa。

從釤鈷體設(shè)備防垢和除垢的原理可知,該釤鈷體設(shè)備技術(shù)具有以下優(yōu)勢。(1)釤鈷體流體處理設(shè)備本身不消耗任何能源,也不需要任何能源驅(qū)動該設(shè)備;(2)由于釤鈷體流體處理設(shè)備具有強(qiáng)大的設(shè)備除垢防垢作用,在循環(huán)水的流速較低時也有很好的除垢防垢效果,因此,在滿足塔頂冷凝器的冷凝需要的前提下,可以適當(dāng)降低循環(huán)水的壓力;(3)環(huán)保作用明顯。釤鈷體流體處理設(shè)備及技術(shù)是一個物理作用過程,無毒、無二次污染,自身不會產(chǎn)生污染物,對周邊環(huán)境十分友好。與其他除垢(如化學(xué)清洗、物理除垢等[1])相比,既沒有污水外排,又沒有噪音的困擾,其環(huán)保作用十分明顯;(4)從釤鈷體設(shè)備的主要特性和適用的溫度、壓力場合、流速應(yīng)用在循環(huán)水冷卻器十分適合;(5)釤鈷體設(shè)備尺寸小,基本上不需要考慮占地面積也不需要考慮防火間距等安裝要求,安裝簡單,運(yùn)行過程中無需人員進(jìn)行操作和維護(hù),運(yùn)營成本低。

3 改造方案

針對裝置目前運(yùn)行存在的問題,又由于裝置已建造運(yùn)行多年,現(xiàn)場設(shè)備布置緊湊,不具備再增加換熱器或者更換更大型號換熱器等較大的改動。通過調(diào)研相關(guān)除垢技術(shù)與相關(guān)廠家交流,在精丙烯塔頂冷凝器循環(huán)水側(cè)增設(shè)釤鈷體除垢設(shè)備,從循環(huán)水管網(wǎng)來的循環(huán)水從現(xiàn)在的進(jìn)入冷凝器管程改至先經(jīng)釤鈷體設(shè)備進(jìn)行防垢和除垢,經(jīng)處理后的循環(huán)水送至精丙烯塔頂冷凝器管程冷卻工藝介質(zhì)丙烯。改造流程如圖1。

圖1 丙烯塔頂冷凝器改造工藝流程示意圖

改造后,可以避免精丙烯塔塔頂冷凝器結(jié)垢,另外,可以停用原冷卻水增壓泵,提高冷凝器換熱器效果,降低了工藝介質(zhì)出口溫度。

4 改造效果

該氣分裝置增上鈷體流體處理設(shè)備后,經(jīng)現(xiàn)場標(biāo)定,改造前后運(yùn)行精丙烯塔頂冷凝器運(yùn)行參數(shù)見下表1。

表1 改造前后運(yùn)行參數(shù)對比

由表1改造前后丙烯塔頂冷凝器改造前后操作參數(shù)對比可知,增設(shè)釧鈷體除垢設(shè)備后,夏季精丙烯塔頂冷凝器出口液化氣溫度比未改造前降低了≧3 ℃。此外,在夏季氣溫最高的6～9月份可以停止運(yùn)行目前的丙烯塔頂循環(huán)水上水增壓泵,節(jié)約電耗,也降低了裝置運(yùn)行維護(hù)成本。經(jīng)估算,年節(jié)約電量259 200 kWh。

改造實施6個月后,根據(jù)現(xiàn)場反饋,丙烯塔未出現(xiàn)壓力升高現(xiàn)象,塔頂操作溫度也在設(shè)計的要求內(nèi),氣分裝置的處理量基本上也達(dá)到了設(shè)計值,消除了夏季氣分裝置生產(chǎn)的瓶頸問題,未對全廠的生產(chǎn)造成任何影響,丙烯和丙烷產(chǎn)品也滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求,產(chǎn)品溫度也滿足罐區(qū)的要求,保證了裝置的生產(chǎn)運(yùn)行安全。運(yùn)行一個周期后,經(jīng)歷了最炎熱的夏季(6～9月)的運(yùn)行考驗,丙烯塔頂循環(huán)水上水增壓泵一直停用狀態(tài),丙烯塔頂水冷器循環(huán)水所在的管程除垢防結(jié)垢和防腐蝕效果明顯,經(jīng)過水冷器后換完熱后的循環(huán)水進(jìn)出口壓力損失為35 kPa,小于換熱器設(shè)計時的最大允許壓降50 kPa的要求,也明顯小于增設(shè)釤鈷體流體設(shè)備之前的接近100 kPa壓降。

5 結(jié)論

在氣分裝置的丙烯塔頂水冷器循環(huán)水側(cè)增設(shè)了一臺釤鈷體防垢除垢設(shè)備,實施改造后,現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明,改造后循環(huán)水側(cè)管子內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象減弱,換熱器管側(cè)循環(huán)水結(jié)垢腐蝕程度明顯降低,增加了換熱器的傳熱效率,提高了換熱效果,殼程工藝介質(zhì)的出口溫度比改造前降低了約3 ℃,裝置的操作負(fù)荷也比改造前提高了約10%。且改造方案實施后,停用了夏季丙烯塔頂循環(huán)水上水增壓泵,降低了裝置能耗,經(jīng)濟(jì)效益明顯,年節(jié)約259 200 kWh電量。