超聲波除垢技術在脫乙烷塔頂冷凝器上的應用

厲 勇，鄭 娥

(中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471012)

由脫乙烷塔進料泵送來的物料，經脫乙烷塔進料加熱器加熱后進入脫乙烷塔。塔頂碳二、碳三氣體經脫乙烷塔頂冷凝器部分冷凝后，進入脫乙烷塔頂回流罐。不凝氣自脫乙烷塔回流罐頂經壓控閥送至2 號催化裂化裝置或燃料氣管網，冷凝液用脫乙烷塔回流泵送回塔頂全部作為回流，脫乙烷塔底物。

1 設備結垢現狀及影響

脫乙烷塔頂冷凝器從以前的使用經驗看，主要產生水垢，結垢速度可以達到1～2mm/a，這是由于循環水中有鈣鎂離子的存在，同時，運行過程中隨著循環水濃縮倍數的提高，水中成垢鹽類及腐蝕性離子也成倍增加，給整個系統帶來嚴重的結垢腐蝕問題，影響生產裝置的平穩運行。從以前檢查維修記錄來看，該換熱設備兩年左右結垢2～3 mm，導致換熱設備換熱效率已開始大幅度下降，塔壓過高，壓控閥頻繁自動開啟。脫乙烷塔頂冷凝器管板涂層不完整，入口管程有臟物堵塞(見圖1);管箱內黏泥較多，存在較重的垢下腐蝕，最大凹坑深達3 mm(見圖2)，腐蝕較為嚴重。

圖1 管板結垢形貌Fig.1 Tube plate Fouling

(1)降低了產量:結垢導致換熱效果降低，脫乙烷塔頂氣相冷凝效果變差，使得塔壓過高。為了保證塔壓平衡，車間一般采取卸壓的方法，排出的回流罐氣相中丙烯的含量高達80%，使丙烯產量下降。

(2)增加了循環水消耗:該換熱設備結垢導致換熱效率降低，脫乙烷塔頂氣相冷凝效果變差，回流罐冷凝液液位下降。為了維持脫乙烷回流罐內的液位在一定的高度，需要增大循環水消耗以保證碳二、碳三的冷凝效果。

(3)造成垢下腐蝕，縮短設備使用壽命。該組換熱設備由于結垢，造成垢下腐蝕，平均5～6 a會更換一次芯子，增加了投資成本。

從以前檢查維修記錄來看，該換熱設備2 a左右結垢2～3 mm，兩年清洗1 次。換熱設備換熱效率大幅度下降后，會導致塔壓過高，壓控閥頻繁自動開啟。

2 設備結垢原因分析

循環水系統中的腐蝕主要是由循環水中溶解的鹽、氣體、有機化合物及微生物造成的。冷卻水腐蝕可以導致不同形式的損傷，包括均勻腐蝕、點蝕、微生物腐蝕、應力腐蝕開裂和垢下腐蝕等。為了減少腐蝕，換熱器芯子采用了防腐涂層，循環水加入緩蝕劑、殺菌劑等，以期減少腐蝕，但檢查發現效果不佳，為確定具體腐蝕類型，針對水冷器水側結垢且存在較重的垢下腐蝕問題，選取了管箱垢物進行了采樣分析，見表1。

圖2 管箱腐蝕形貌Fig.2 Corrosion for Tube-case

表1 垢樣分析結果Table 1 Analysis result of fouling w，%

從表1 垢物分析結果可看出，管箱垢樣成分主要由氧化鐵、550 ℃灼減(代表垢樣中生物黏泥含量)為主，表明垢樣中含有較多的微生物黏泥和泥沙物質(分別以550 ℃灼減和SiO2含量表示)，以鐵的腐蝕產物為主，存在一定的垢下腐蝕。從分析結果看，微生物導致的腐蝕占有重要地位，并直接和間接促進了其他類型腐蝕的產生、發展。

3 現有換熱器結垢的治理措施

以前換熱器結垢嚴重后，采取在線清洗或抽芯高壓水槍清洗的方式。人工高壓水槍法致命的弱點是不能防止結垢，即使剛剛清除完垢，一旦設備開機運行，結垢就繼續，直到結垢嚴重到威脅正常生產或安全時，再進行一次檢修除垢，如此重復循環，實質上設備在運行期間始終處于帶垢作業狀態，能源浪費、生產效率降低、垢下腐蝕等問題一直在生產過程中持續;目前的機械除垢，對換熱器有損害，同時消耗水和電消耗;加大緩蝕劑，殺菌劑加入量后氣分裝置塔頂冷卻器結垢問題已經較嚴重地影響正常生產工藝，換熱設備由于結垢，造成垢下腐蝕，平均5～6 a 更換一次芯子，增加了投資成本，帶來了巨大經濟損失。為此，采用了防除垢徹底、范圍不受限制的防除垢技術，基本避免了設備生產過程中帶垢狀態作業而導致換熱效率下降的問題。超聲波防垢、除垢技術是一種能使設備不停機、不停產、不腐蝕設備無環境污染、無水資源浪費、運行成本低不需人工操作的防除垢技術。

4 除垢原理及特征

超聲波防垢、除垢裝置利用超聲波在金屬介質和與其直接接觸介質中傳播產生的一系列相關物理效應來防垢、除垢。當超聲波-脈沖防垢、除垢裝置換能器發出的超聲波-脈沖振蕩波在換熱器傳熱面的金屬管、板壁傳播時，由于在高加速度振蕩波的沖擊作用下，使之金屬和液體界面上的液體產生高速微渦，這一高速微渦阻礙了結垢、結晶和積垢等物質的附著，對金屬界面起到了清理作用，防止了結垢、結晶和積垢。同時可去除金屬管、板壁上的硬垢和軟垢。超聲波-脈沖防除垢系統有如下特征:

(1)工作頻率可調，不會與設備產生共振;

(2)超聲波-脈沖防除垢裝置所發射出的振蕩波為彈性波，作用在金屬表面所產生的應力為10 N/m2左右，一般在金屬疲勞極限的10%左右，工作過程中對原有設備不會產生任何金屬損傷;

(3)由于超聲波-脈沖防垢除垢裝置所發射出的振蕩波在金屬中的傳播速度較快，約為3 500～5 000 m/s，在金屬表面不會產生局部應力集中而損傷原有設備的問題。

5 應用效果

由于換熱器冷卻效果影響因素眾多，包括塔頂溫度，循環水溫度，閥門開度等，生產單位不能全部一一掌控，難以對具體冷卻效果量化處理，從兩年的使用情況看，夏季溫度較高時冷卻能力不足的情況有所好轉，壓控閥開啟次數大為減少，由于上游裝置加強了碳二和循環水廠指標的控制，換熱器冷卻能力下降速度亦比以前有所好轉。夏季調節閥開度從以前的95%～100%，降到現在的90%～100%，顯示了一定的效果。運行兩年三個月后拆解檢查，發現換熱器內部結垢依然較多，見圖3。

圖3 超聲波除垢后管板結垢形貌Fig.3 Tube plate Fouling after two years

從現場檢查情況看，結垢基本為軟垢，硬垢較少，顯示了超聲波除垢的一定效果。

6 結束語

從使用結果看，超聲波除垢技術應用在脫乙烷塔頂冷凝器時有一定的效果，但距離長周期運行還有差距，主要問題是存在軟垢。應進一步采取相應優化措施，有效地避免硬垢和軟垢，使換熱設備實現不帶垢運行，減少水和藥劑的損耗。長期目標爭取實現在線的防垢和除垢，不再需要停產除垢，節約清洗費用，減少經濟損失;避免由于結垢造成的垢下腐蝕，延長設備的使用壽命。