冷高分加氫空冷器流動腐蝕預測

詹劍良，王寬心

(1.紹興市質量技術監(jiān)督檢測院，浙江 紹興 312000;2.浙江理工大學，浙江 杭州 310018)

加氫裂化裝置是煉油企業(yè)重要的二次加工手段，其目的是將重質油轉化為輕質油［1］。在石化裝置國產化、大型化、原油劣質化的發(fā)展過程中，國內高硫原油加工企業(yè)因流動腐蝕引起了普遍性的非計劃停工，嚴重影響了加氫裝置安全、穩(wěn)定運行［2-3］。目前，裝置的失效研究主要集中在腐蝕、材料劣質化、復雜載荷的應力分析以及運行環(huán)境的影響等領域［4］。通過收集YZ 煉油廠冷高分加氫裂化裝置的工藝流程、工藝參數(shù)等對其進行流動腐蝕預測研究，分析其可能出現(xiàn)的失效風險，為其后續(xù)開展優(yōu)化運行提供指導。

1 裝置流程與設計條件

1.1 工藝流程

某煉油廠2 Mt/a 加氫裂化裝置反應系統(tǒng)分為兩個系列，其工藝流程如圖1 所示。兩系列的原料油經反應進料泵升壓后，與新氫和循環(huán)氫混合，在換熱器中與反應產物換熱。然后，經反應進料加熱爐加熱至反應溫度，依次進入加氫精制反應器和加氫裂化反應器，混氫原料油在催化劑作用下，進行脫硫、脫氮、脫氧及裂化等反應。兩系列反應流出物經過換熱器和空冷器冷卻后進入共同的高壓分離器(FA103)，分離為循環(huán)氫、高分油以及含硫污水三股物流。

1.2 高壓空冷器設計參數(shù)

空冷器管束材質為RSt35.8Ⅲ，且管束端入口襯200 mm Monel 合金;系列一的進口溫度150 ℃，出口溫度45 ℃，系列二的進口溫度110 ℃，出口溫度45 ℃，操作壓力15.8 MPa;設計腐蝕系數(shù)為0.3，入口介質平均流速為3.09 m/s。

圖1 兩系列反應及分離工藝流程

2 空冷器風險預測

2.1 裝置現(xiàn)役狀況

2011 年6 月巡檢過程中發(fā)現(xiàn)系列二的EC102 空冷器內六組管束均有不同程度的局部變形。管束變形形貌見圖2。較嚴重的是EC102-2，EC102-3 和EC102-4 部分管束。進而發(fā)現(xiàn)EC101部分管束也存在不同程度的變形，其嚴重程度較EC102 低，故重點研究EC102 空冷器。

圖2 管束變形形貌

2.2 流動腐蝕預測

2.2.1 多相流腐蝕性分析

空冷系統(tǒng)是典型的油-氣-水多相流，利用HYSYS 的數(shù)據分析工具，得到水相流量、油相流量及氣相流量隨溫度的變化曲線見圖3。

圖3 油-氣-水相流量隨溫度的變化曲線

由圖3 可以看出，空冷器在入口溫度(約110 ℃)已經存在油-氣-水三相且水相流量隨管束溫度的降低逐漸增大，水相流量較低且在空冷器入口位置(110 ℃)已經存在9 t/h 左右的液態(tài)水相，可以判斷空冷器內發(fā)生露點腐蝕的可能性不大。

物流的腐蝕強弱與H2S，NH3等腐蝕性介質在氣-液兩相中的平衡分布直接相關，運用HYSYS 對REAC 系統(tǒng)中進行工藝流程模擬，在此基礎上進行數(shù)據分析可得到氣-液兩相中H2S和NH3的摩爾分率隨管程溫度的變化曲線見圖4-5。

由圖4，5 可以看出隨物流溫度的降低液相中H2S 和NH3的摩爾分率不斷增加，說明液相的腐蝕性不斷增強。隨溫度的降低，氣相中的NH3在水中的溶解度增大，使H2S 不斷地溶解于水相中的NH3在水相中發(fā)生反應生成硫氫化銨溶液。綜上所述:空冷管束溫度在不斷降低的同時多相流的腐蝕性反而逐漸增強，一旦管束內物流的流速在管束內達到較大值則有可能誘發(fā)腐蝕產物保護膜被沖破，發(fā)生管束沖蝕破裂現(xiàn)象。

圖4 氣-液兩相H2S 摩爾分率隨溫度的變化

圖5 氣-液兩相NH3摩爾分率隨溫度的變化

2.2.2 銨鹽結晶預測

計算物流物性參數(shù)，得到空冷器內隨溫度變化NH3分壓的變化曲線與H2S 分壓的變化曲線。由Kp=P(NH3)×P(H2S)從而可得到空冷器內隨溫度變化Kp 的變化曲線，結合NH4HS 的沉積曲線數(shù)據可得到圖6。

圖6 NH4HS 沉積溫度曲線

由圖6 可見，當溫度約為63 ℃結晶反應平衡常數(shù)K 值與REAC 系統(tǒng)中實際的Kp 值相等;當溫度低于該值時，Kp 值大于K 值，就會發(fā)生NH4HS 結晶反應。因此空冷器的結晶點在多相流溫度約為63 ℃位置處，空冷器管束中將出現(xiàn)硫氫化氨的沉積堵塞現(xiàn)象。

根據空冷器設備結構及相關工藝參數(shù)，利用HTRI 軟件進行換熱計算，獲得管束溫度隨距離分布數(shù)據。為了更準確的預測NH4HS 固體顆粒產生的具體位置，將第一管程HTRI 計算所得的前10 個監(jiān)測點的溫度數(shù)據進行作圖，如圖7所示。

由圖7 可以看出，在第一管程各排管距空冷器入口10.4～11.8 m 處的溫度正好處于結晶點，是開始出現(xiàn)銨鹽結晶的位置，若產生的銨鹽顆粒不斷地沉積到管道中就會出現(xiàn)堵管及垢下腐蝕失效現(xiàn)象。

圖7 第一管程溫度分布

2.2.3 紅外熱成像儀分析

紅外熱成像儀通過探測目標物體的紅外輻射，并通過光電轉換、信號處理等手段，將目標物體的溫度分布轉換成視頻圖像(見圖8)。

圖8 EC102-1 第一段熱成像檢測圖

從熱成像檢測圖中可以看出，空冷器上排管束已存在不同程度的失效現(xiàn)象，部分管束的溫度已很低，表明這些管束基本被銨鹽堵塞，與預測結果吻合。堵塞的管束內多相流流速將變大，多相流沖蝕風險增大。

3 結束語

優(yōu)化進料組成并適當控制原料硫、氮含量，在工藝允許的范圍內適當增加二系列的注水量，并考慮暫時停用1200 號單元凈化水，改善水質，有助于降低空冷器流動腐蝕風險。

［1］中國石油化工設備管理協(xié)會.石油化工裝置設備腐蝕與防護手冊［M］.北京:中國石化出版社，1996:1-5.

［2］劉晉，楊巍，范紅梅，等.重油催化裂化裝置表面蒸發(fā)空冷器的緩蝕阻垢研究與應用［J］.石油化工設備，2009，38(5):73-76.

［3］吳東山.連續(xù)重整裝置空冷器管束泄漏解決辦法［J］.腐蝕與防護，2008，29(3):164-166.

［4］偶國富.加氫裂化空冷器管束多相流模擬與沖蝕破壞預測研究［D］.杭州:浙江大學，2004.