導生放空冷凝器技術改造及工藝流程優化

張勝國，張紹英，付子波，傅立峰，王 明，朱秀慶

(榮盛石化股份有限公司，浙江杭州 311247)

汽相熱媒由于效率高，能耗少、系統簡單、控制方便等特點被廣泛應用于聚酯裝置中設備夾套的供熱和設備保溫系統。聯苯-聯苯醚共沸混合物(俗稱導生DOWTHERM A)具有適用范圍廣，無腐蝕性、熱穩定性好等特點，是聚酯裝置中常用的氣相熱媒介質。

一個獨立的汽相導生用戶，無論是設備或夾套均由三部分組成，即：蒸汽的供應(從用戶的中下部接入)，冷凝液的排放(從用戶的最低點接出)，不凝氣體和低沸物的排放(從用戶的最高點接出)[1]。

由于系統中的不凝氣和導生介質長期使用造成熱分解，這些物質會聚集在夾套的最頂端，最終導致設備的各部分溫度分布不均勻，因此必須設置合理的不凝氣體放空管道，以防止系統溫度降低。

由于放空氣體主要成分為汽相導生，必須冷凝回收，因此，在聚酯裝置的最高點設置導生放空冷凝器。

1 故障現象

氣相導生加熱系統主要存在如下兩種故障現象。

1) 裝置存在個別設備(尤其是夾套管)溫度低

酯化物齒輪泵、酯化管道、熔體齒輪泵、熔體管道、紡絲箱體等設備溫度偏低。降液管溫度低，排液不暢，需經常排氣(絕大部分為氣相導生，不凝氣體非常少)甚至排氣閥常開來維持設備溫度。

2) 導生放空回收系統設備故障率高

空冷器運行狀態不穩定，導生冷凝液溫度波動，導生系統壓力波動，空冷器管箱和換熱管內部存在汽錘聲響，空冷器有明顯振動，空冷器出風口溫度大幅波動。

不凝氣體出口排出的是導生汽液混合物，存在安環隱患。

空冷器運行1～3個月，發現導生冷凝液出口的降液管線(材質碳鋼)有導生滲出，停機檢修，發現降液管線大面積減薄。空冷器運行大約1年，發現翅片換熱管漏導生蒸汽。停機檢查發現換熱管的不銹鋼基管內表面存在凹坑，個別處出現穿孔，導致導生外漏；同時發現管箱內壁出現大范圍麻點，嚴重處有表層金屬剝落。

2 工藝流程簡介

聚酯裝置為CP-2和CP-3提供了一個共用的排氣系統，用于根據需要抽走不冷凝氣體和低沸物。排氣系統由CP-2和CP-3的單獨的集管組成，每個集管都有來自系統高點的單獨排氣口。

CP-2與CP-3和酯化反應器的放空不凝氣體/低沸物一同進入氣液分離器2812-T05，分離出的液體進入放空收集罐2812-T03(基礎標高為6m)，氣相組分進入放空冷凝器2812-H01A/B(基礎標高為27.5 m)，氣相導生被冷凝成液體，依靠重力流入放空收集罐2812-T03，不凝氣體由2級真空噴射器抽除。流程示意圖見圖1。

放空冷凝器2812-H01A/B是導生放空系統的關鍵設備，一旦發生故障會導致生產系統升溫不到位，甚至發生導生外泄的重大安環事故。

圖1 導生放空系統流程示意圖

3 故障現象及分析

3.1 導生放空系統降液故障原因分析

1) 首先核算壓差ΔP維持的液柱高度

放空冷凝器2812-H01A/B入口導生蒸汽壓力P1為0.12MPa，出口壓力P2≤PV；導生冷凝液溫度T2為240℃，查導生廠家資料，相應溫度下的飽和蒸氣壓PV為0.08 MPa，相應溫度下的密度ρ為860 kg/m3；放空收集罐2812-T03的壓力P3為0.13 MPa。

由于放空冷凝器是在真空下操作，要使冷凝液順利進入放空收集罐2812-T03，降液管內液柱高度一定要足以克服放空收集罐內壓力與放空冷凝器內壓力之間的壓差ΔP(P3-P2)以及排液管內的阻力。

壓差ΔP維持的液柱高度可按下式估算：

ΔP=P3-P2=ρgH×10-6

式中ρ為液體密度，取860 kg/m3；g為常數，取9.8 N/kg；P3=0.13 MPa；P2≈PV=0.08 MPa；H為液柱高度，單位m。

帶入上式得：H=5.93 m

降液管高度約為27.5-6=21.5 m

降液管高度大于壓差ΔP維持的液柱高度，導生冷凝液能夠順利進入放空收集罐2812-T03，不會倒流進入放空冷凝器2812-H01A/B。

2) 氣液逆向流動致使導生冷凝器倒流進入放空冷凝器2812-H01A/B

經放空冷凝器冷凝后的飽和冷凝液溫度較高，放空冷凝器降液管中壓力P2小于導生冷凝液對應溫度下的飽和蒸汽壓PV時，冷凝液發生閃蒸汽化并產生小汽泡，越靠近放空冷凝器2812-H01A/B的位置，管道截面內氣泡數量越多，小汽泡不連續地分布在連續的液體流中。冷凝液中的汽泡具有很大的可壓縮性，導致流體質量密度變化很大。汽泡在浮力的作用下向上運動，冷凝液在重力的作用下向下運動，這時在降液管內是汽液兩相逆向流動工況。水平流動與垂直流動的氣液兩相流的流型見圖2。

圖2 水平流動與垂直流動的氣液兩相流的流型

越靠近放空冷凝器2812-H01A/B的地方，汽泡在管道內上升過程中所受阻力越小，同時冷凝液汽化產生的汽泡數量越多，汽相流量越大。同時氣泡在上升過程中不斷碰撞聚結長大，直至大汽泡的直徑接近管徑形成氣塞。當降液管內某一位置的汽相流量達到一定程度時，降液管內此點以上的冷凝液會部分甚至全部被帶入放空冷凝器2812-H01A/B中。放空冷凝器2812-H01A/B中滯留大量冷凝液，冷凝液被持續冷卻至較低溫度，同時降液管內不斷有汽泡進入放空冷凝器2812-H01A/B，汽泡與低溫冷凝液接觸迅速凝結、破裂，對流道表面材料產生汽蝕破壞作用。

隨著降液管內冷凝液不斷蒸發減少，汽相流量逐漸減小，小到一定流量時，較低溫度冷凝液開始回流進入降液管和放空收集罐2812-T03中。

同時未經充分冷卻的冷凝液開始流入降液管，降液管內逐漸積聚高溫冷凝液，冷凝液汽化產生的汽泡數量不斷增加，汽相流量不斷增加，開始重復發生上述過程。

由于放空冷凝器2812-H01A/B存在設計缺陷，導致導生冷凝液溫度過高(>244℃)，在放空冷凝器和降液管內的冷凝液氣化并產生汽泡，發生汽液混流進而形成汽塞，是導致導生放空冷凝回收系統運行不穩定的主要原因。

3.2 設備運行溫度低原因分析

氣相導生傳熱采用自然循環方式，利用降液管與上升管之間流體的重度差作為自然循環的推動力來克服整個循環回路的壓力降，從而實現導生在蒸發器與用戶(反應設備、熔體夾套管、紡絲箱體)之間的自然循環。

由于導生特有的溫度高蒸汽壓低的特性，使得蒸發器和用戶之間在很小的壓差下操作，因此在設計中，聯苯蒸發器應盡可能靠近用戶，并且采用較大的管徑，以降低系統阻力[1]。合理地設計循環回路壓力降，是導生實現自然循環的關鍵。

導生凝液在從設備中排出經管道回收的流動過程中，不可避免的存在壓力損失，壓力降至飽和蒸氣壓以下時，冷凝液會在管道內發生閃蒸。冷凝液中含有的汽泡具有很大的可壓縮性，導致流體質量密度變化很大，降低導生自然循環的推動力，致使導生循環流量減少且循環流速下降，甚至在管道發生氣塞，導生循環失去熱補償能力。

4 放空系統技術改造及工藝優化

4.1 放空系統技術改造

為了降低冷凝液溫度，防止冷凝液閃蒸汽化，我們對放空冷凝器實施增加冷卻流程技術改造。

放空冷凝器2812-H01A/B采用翅片管式空冷器，采用鼓風強制對流冷卻。熱流體在管束內流動，空氣在管束外吹過，達到換熱目的。為強化空冷器的傳熱效果，可在進口空氣中噴水增濕同時使用鑲嵌式裝配，這樣既降低了空氣溫度，又增大了傳熱系數。

管束是空冷器的核心部件，管束主要由翅片管、管箱及框架組成。管箱的側面與翅片管相連，一方面把由入口管輸送來的液體均勻分配給翅片管，同時又把從翅片管流出的液體匯集起來，經出口排出冷卻器，結構示意圖見圖3。

放空冷凝器2812-H01A/B采用半圓管式管箱，管箱豎直安裝，翅片管水平布置。管箱、換熱基管及進出口均采用0Cr18Ni9不銹鋼材質；導生空冷器用采用雙金屬軋片式翅片管，是將鋁管緊套在鋼管上，而后在鋁管上軋出翅片，以增加傳熱面積。

圖3 導生空冷器結構示意圖A：蒸汽進口；B1，B2，B3：冷凝液出口；V1：不凝氣體出口1：翅片換熱管；2：管箱；3：冷卻風扇；4：折流板

放空冷凝器2812-H01A/B結構設計上存在以下缺陷：

1) 只能發揮冷凝功能，不能發揮冷卻功能，每一管程都有冷凝液出口，冷凝液冷卻不充分，致使導生冷凝液溫度高。

2) 部分導生蒸汽未經冷凝直接被抽出，路徑為：A→B1→B3→V1。

3) 部分導生蒸汽會由A→B1→B2進入第2管程。

針對以上缺陷，對放空冷凝器2812-H01A/B結構做如下技術改造：

1) 改變安裝方式，管束與管箱均水平安裝(見圖4)，為了防止冷凝液停留在管中，管子應有3°或10/1 000 mm的傾斜。

2) 放空冷凝器增加冷卻流程。

3) 改變管口布置，避免流體短路。

圖4 改造后的放空冷凝器

同時調整放空冷凝器安裝位置，將降液管由DN80加大為DN100，縮短水平降液管長度6 m，減少90°彎頭2只，盡可能降低系統阻力。

通過以上技術改造，在不增加換熱面積的情況下，改進了冷凝液的冷卻效果，冷凝液溫度由240℃降至220℃。由于溫度降低，降低了冷凝液的閃蒸率。

4.2 工藝流程優化

在對設備進行技術改造的同時，對工藝流程進行如下優化。

1) 將2812-J01由連續操作改為定期操作(1次/年)

放空冷凝器2812-H01A/B不凝氣體出口V1與二級真空噴射器2812-J01直接相接，二級真空噴射器2812-J01被用來抽除導生系統的不凝氣體。

優化后帶來兩個效果:一是提高了放空冷凝器降液管壓力P2，避免冷凝液發生閃蒸汽化。表現在冷凝器及降液管振動消失，冷凝器及降液管穩定運行超過3年，未發生汽蝕破壞。二是減少了進入放空冷凝器2812-H01A/B的導生蒸汽量，降低了冷凝器工作負荷，降低冷凝液溫度。

2) 優化酯化反應工藝，降低導生蒸汽消耗

我公司酯化反應器采用氣相導生加熱，通過改變催化劑添加位置，將酯化反應溫度由286℃降至276℃，降低了聚酯裝置的導生需求量。同時降低了導生蒸汽的放空總量，降低了冷凝器工作負荷，降低冷凝液溫度。

3) 優化導生加熱系統工藝，減少導生蒸汽排放量

將主工藝導生放空系統由連續放空改為定期放空或根據溫度變化放空，減少整套裝置的導生放空量。

5 運行效果評價

經過放空冷凝器的技術改造與工藝優化，導生加熱系統溫度、壓力控制穩定，導生放空冷凝液溫度穩定在200℃，降液管處于冷凝液單相流。CP2/3聚酯裝置已經安全、可靠運行4年。

氣相導生加熱系統必須合理設置冷凝液管線，以防系統壓降過大，始終保持循環回路總推動力大于回路總摩擦壓力降是氣相導生實現自然循環的關鍵。

降液管產生氣液兩相流動會導致管道發生振動，影響系統正常運行。