釤鈷體流體處理設備在水冷器防垢處理中的應用

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。根據全廠總工藝流程的安排,催化裂化裝置副產的液化石油氣經液化氣脫硫化氫、脫硫醇后作為該裝置的原料。裝置主要生產精丙烯和丙烷,丙烯產品要求丙烯含量大于99.6%,丙烷產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太多,丙烯塔分為丙烯塔上塔和下塔串聯。脫除硫化氫和硫醇的原料液化石油氣經換熱后以泡點狀態送至脫丙烷塔,在丙烷塔內經分餾后,塔頂得到的主要是碳三以下餾分,塔底得到碳四餾分,送至MTBE裝置。塔頂餾分經泵送至脫乙烷塔進一步分餾,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品,丙烯塔下塔塔底分離得到丙烷餾分[1-3]。

1 裝置特點及存在的問題

氣體分餾裝置是利用各組分間的相對揮發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是傳質和傳熱過程,它只能根據要求保證產品的純度,而不能完全去除雜質。尤其氣體分餾裝置,對產品丙烯和丙烷產品的要求高,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了整個裝置能耗的60%以上[4-5]。

該氣分裝置為設計技術要求如下:

(1)丙烯的回收率應不小于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)丙烯經塔頂水冷冷凝器的出口溫度應不大于33 ℃。

該氣體分餾裝置2004年投產,目前已運行多年。丙烯塔頂水冷器循環水所在管程存在結垢腐蝕現象,又因為氣分丙烯塔頂冷凝器因冷卻負荷大,丙烯塔頂水冷器經長時間運行后易結垢。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行平穩,一些問題還沒有暴露出來。從上次的檢修及以前的運行情況看,每當到夏天的時候,塔頂冷凝器結垢嚴重,冷卻效果差。在每年夏天6～9月份氣溫較高時,因水冷器管內結垢后換熱效果差,冷凝器丙烯產品出口溫度冷卻不下來,經常運行在36 ℃以上,最高達到了40 ℃,高于設計值6～10 ℃。塔頂冷凝器出口的丙烯產品一部分作為丙烯塔上塔回流,回流的丙烯溫度高于設計溫度,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壓力升高。壓力升高后丙烯和丙烷的相對揮發度降低,使得丙烯和丙烷的分離困難增大,最終導致了丙烯塔的分離精度降低,為了保證丙烯和丙烷產品的高純度,丙烯塔不得不降量運行,氣體分餾裝置也得降量操作,而且產品質量很難控制,送至罐區安全性也受到影響。

氣分裝置是該石化廠的重要裝置之一,其塔頂冷凝器結垢嚴重影響冷凝器換熱效果,一直困擾著裝置生產車間,亟需解決。該石化廠因為地理位置原因,循環水屬黃河水質,水質總硬度高,水中鈣鎂硬度在1 200 mg/L以上,水質差,導致管內結垢嚴重,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常運行在36 ℃以上,最高甚至達到了40 ℃以上,導致分餾塔塔內壓力升高,使得裝置不得不減量低負荷運行,直至停車,而且產品質量和生產安全也受到影響。另一方面,因為循環水換熱器冷凝水側結垢嚴重后,外加循環水管網和循環水廠也因運行多年管線結垢較嚴重,導致循環水上水壓力由0.4 MPa降到了0.3 MPa,換熱器管內壁腐蝕結垢嚴重,經現場反饋循環水經過換熱器換完熱后進出口循環水壓力損失接近100 kPa。再加上丙烯塔塔板多塔高,使得循環水經管道輸送到塔頂換熱器時,循環水上水壓力進一步降低,導致管程循環水水流速度偏小,水流速度只有0.5 m/s左右,導致管程循環水水量降低,換熱器換熱效果變差。為防止循環水壓力過低造成冷凝器結垢影響換熱效果,氣分車間為丙烯塔頂冷凝器增加了2臺功率為90 kW的循環水增壓泵,旨在提高循環水進塔頂冷凝器塔上水壓力,夏天氣溫高冷卻負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品合格,循環水增壓泵基本需要投入連續運行,消耗電能增加了能耗同時也增加了運行成本。

2 釤鈷體設備技術特點

2.1 釤鈷體設備除垢原理

釤鉆體流體處理設備是某設備公司專門針對石油化工企業循環水系統水冷裝置結垢問題開發的一種高技術含量除垢、防垢設備,是國家專利產品[6-7]。利用經特殊處理后的釤鈷體設備中的二維高能量磁場,當含有Ca2+,Mg2+等雜質離子的循環水通過該設備時,在不改變原有水化學成分的條件下,使水中礦物質的物理結構發生變化,水的偶極分子發生定向極化,電子云發生變化,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,并被循環水帶走,從而達到防垢的目的[6-7]。磁化水中自由化的單個水分子的數量增多,水的滲透性增強,正電性氫離子被負電性管道吸引,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、達到除垢目的。

釤鈷體流體處理設備除垢防垢防腐蝕簡介釤鉆體流體處理設備具有二維磁場結構,因其特殊的結構設計及其影鉆高能磁材的應用,具有較好的熱穩定性,能滿足更為復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:當帶電粒子如鈣、鎂離子及碳酸根離子經過二維磁場時,增加了其碰撞幾率,在進入換熱裝置之前,就形成了碳酸鈣晶粒,并處于高速旋轉:同時,水分子形成的大分子團經過二維磁場時,其分子之間的締合鍵就會被切斷,形成極性很強的單個水分子,這些單個的極性水分子就會將高速旋轉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:當水通過二維磁場時,大分子團變成了單個的水分子,在不改變原有水化學成分的條件下,偶極分子水的電子云發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,正電性氫離子被負電性管道吸引,向垢層漫滲,產生微放電效應。在持續的放電作用下,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,產生的微小電子流促使紅銹 轉化成穩定的 Fe3O4,在負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,負電性的氧被負電性的管道排斥而隔離,從而達到防腐緩蝕目的。

2.2 釤鈷體設備除垢的特點

釤鈷體流體處理設備技術特點及參數利用鉆高能磁材進行特殊設計加工所產生的二維磁場,在換熱裝置上對循環水進行處理,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。與水處理劑的化學法相比,具有使用方便、運行費用低、無毒、無二次污染、適用范圍廣等優點:與其他磁處理方法相比,具有磁場均布性好、磁場強度高、效果更好的優點。其主要特性參數有:

(1)磁單元漏磁感應強度 B 值≤2 MT,不對周圍的儀器、設備產生任何影響;

(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)適用介質溫度:0～250 ℃;

(5)承受壓力:≦2.5 MPa。

從釤鈷體設備防垢和除垢的原理可知,該釤鈷體設備技術具有以下優勢。(1)釤鈷體流體處理設備本身不消耗任何能源,也不需要任何能源驅動該設備;(2)由于釤鈷體流體處理設備具有強大的設備除垢防垢作用,在循環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,可以適當降低循環水的壓力;(3)環保作用明顯。釤鈷體流體處理設備及技術是一個物理作用過程,無毒、無二次污染,自身不會產生污染物,對周邊環境十分友好。與其他除垢(如化學清洗、物理除垢等[1])相比,既沒有污水外排,又沒有噪音的困擾,其環保作用十分明顯;(4)從釤鈷體設備的主要特性和適用的溫度、壓力場合、流速應用在循環水冷卻器十分適合;(5)釤鈷體設備尺寸小,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,運行過程中無需人員進行操作和維護,運營成本低。

3 改造方案

針對裝置目前運行存在的問題,又由于裝置已建造運行多年,現場設備布置緊湊,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。通過調研相關除垢技術與相關廠家交流,在精丙烯塔頂冷凝器循環水側增設釤鈷體除垢設備,從循環水管網來的循環水從現在的進入冷凝器管程改至先經釤鈷體設備進行防垢和除垢,經處理后的循環水送至精丙烯塔頂冷凝器管程冷卻工藝介質丙烯。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,降低了工藝介質出口溫度。

4 改造效果

該氣分裝置增上鈷體流體處理設備后,經現場標定,改造前后運行精丙烯塔頂冷凝器運行參數見下表1。

表1 改造前后運行參數對比

由表1改造前后丙烯塔頂冷凝器改造前后操作參數對比可知,增設釧鈷體除垢設備后,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月份可以停止運行目前的丙烯塔頂循環水上水增壓泵,節約電耗,也降低了裝置運行維護成本。經估算,年節約電量259 200 kWh。

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

5 結論

在氣分裝置的丙烯塔頂水冷器循環水側增設了一臺釤鈷體防垢除垢設備,實施改造后,現場運行結果表明,改造后循環水側管子內壁結垢現象減弱,換熱器管側循環水結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,殼程工藝介質的出口溫度比改造前降低了約3 ℃,裝置的操作負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水上水增壓泵,降低了裝置能耗,經濟效益明顯,年節約259 200 kWh電量。