污水氣提裝置汽提塔底重沸器換熱效率低問題分析

李洪濤 荊瑞靜（天津石化裝備研究院）

1 現狀

某煉油廠1#污水氣提裝置中的汽提塔底重沸器（E—3409）的作用是將150℃、0.6 MPa的酸性水用1.0 MPa蒸汽加熱至161℃后汽提進入主汽提塔（T—3401）的第一層塔盤，該重沸器位于主汽提塔（T—3401）塔底。在近期的生產運行中，該重沸器換熱量明顯不足，需換熱的酸性污水由161℃下降到153℃。該設備換熱效率低下的問題已經開始對工藝操作產生影響。

1#污水氣提裝置中的重沸器為熱虹吸式臥式重沸器，形式為封頭管箱無隔板分離鉤圈式浮頭，其中殼程外徑1600 mm，入口管線直徑400 mm，殼程物料為80 t/h的含硫污水，設計換熱面積905 m2。管程物料為1.0 MPa水蒸汽，管束為直徑25 mm壁厚2.5 mm的碳鋼光管，管長6000 mm，管間距32 mm。該重沸器工作時，含硫污水從殼體底部中間位置進入重沸器，分左右兩路與管程中的水蒸氣換熱，并分別從設備上部兩側流出。管程側的管箱上部為熱流體入口，下部為出口。

2 分析原因

以下兩種情況可能會導致重沸器換熱量不足：一是重沸器殼程入口下彎管阻塞使得進重沸器物料量減少導致換熱效果下降；二是重沸器管束結垢導致導致換熱效果下降[1]。

2.1 應用紅外熱成像技術判斷重沸器入口是否阻塞

應用紅外熱像儀對重沸器殼程入口下彎管進行檢測，依據該管道形成的紅外熱成像圖像的不同的溫度的區分度來判斷該管道是否阻塞[2]，圖1是紅外熱成像圖片。管道內物料實際溫度在150℃左右。

重沸器殼程入口直管段紅外熱成像結果顯示該段管線溫度均勻，在142℃左右，接近管道內物料實際溫度。

重沸器殼程入口管下彎管紅外熱成像圖的分析結果顯示，該段管線最下部溫度為98.9℃，上部溫度在144.7℃左右，溫度從管道上部向底部逐漸遞減，在彎管下部139℃溫區驟減至132℃，并逐漸遞減到底部的98.9℃，說明132℃溫區開始管壁上有污泥掛壁，彎管底部有沉積物。但由于沉積物只存在于重沸器殼程入口管下彎管底部，且所占體積不大，因而對進重沸器殼程物料流速影響很小。

通過對重沸器殼程入口管下彎管紅外熱成像圖進行分析，可以排除重沸器殼程入口下彎管阻塞使得進重沸器物料量減少導致換熱效果下降。

2.2 應用aspen EDR對該重沸器進行性能核算

通過aspen EDR對重沸器進行性能核算，計算分兩種工況：重沸器正常工況及重沸器管束結垢導致導致換熱效果下降時的運行工況，見表1、表2。

從計算結果看，殼程出口溫度在161℃左右時，該溫度下重沸器的計算換熱面積接近實際換熱面積，設備處于正常工作狀態下。而當殼程出口溫度在153℃時，重沸器的計算換熱面積僅為30.77m2，遠小于實際換熱面積，而且其換熱效率僅為正常工作時的1/4。

圖1 進重沸器管道下彎頭及直管段紅外熱成像

表1 重沸器操作條件表

表2 重沸器性能核算結果表

由模擬計算結果可見，重沸器內部管束表面結垢導致該重沸器換熱量不足，使得重沸器殼程內的酸性水溫度由問題前的161℃下降到153℃。

該煉油廠1#污水氣提裝置車間根據模擬計算結果的判斷，對該重沸器進行開蓋檢修。檢修時發現該重沸器管束外表面覆蓋有一層硬垢，經過化學清洗去掉硬垢后，該重沸器恢復正常，即經重沸器入汽提塔第一層塔盤酸性水溫度恢復為161℃，滿足工藝要求。

3 重沸器的清污時間點的確定

當該重沸器在一個完整的運行周期下運行時，分別對該重沸器下面五種工況（殼程物料出口溫度為161、160、159、158、154℃）進行性能核算，得到該重沸器的換熱量、當前溫度下計算換熱面積、換熱效率、污垢熱阻（表3），以及各溫度下的流體溫度分布圖（圖2～圖6）。

重沸器五種工況（殼程出口溫度為161、160、159、158、154℃）的分析計算結果及該重沸器管殼程冷熱物流的變化趨勢圖表明：

表3 性能核算

圖2 殼程出口溫度161℃時

圖3 殼程出口溫度160℃時

圖4 殼程出口溫度159℃時

圖5 殼程出口溫度158℃時

圖6 殼程出口溫度154℃時

1）該重沸器的污垢熱阻由1.79×10-4上升到4.5×10-4時，殼程出口溫度由161℃下降至153℃，同時實際換熱效率僅為原換熱效率的四分之一、傳熱單元數等數值也大幅下降。

2）該重沸器殼體底部中間位置為冷流體（圖中SSBulk）入口，上部兩側為冷流體出口，管箱上部為熱流體入口，下部為出口。重沸器工作正常時（圖2），熱流體和冷流體在434 K（161℃）時交匯，此時冷流體在入口兩側各500 mm處迅速上升到432 K（159℃），并保持平穩；但當重沸器殼程內污垢增多后，冷流體出口溫度不斷降低[3]，當冷流體出口溫度為159℃時（圖4），冷、熱流體交匯點分開，此時換熱趨勢仍與冷流體出口溫度161℃時相似，但當冷流體出口溫度為158℃時（圖5），換熱趨勢產生變化，換熱量大幅下降。由此可見重沸器殼程溫度159℃是個值得關注的溫度點，低于該溫度，重沸器就會出現明顯的換熱不均，就應重點關注，或進行清污處理。

導致這種現象出現的原因是殼程中的兩相流的相分離導致物料分層流動，引起殼程物料的輕重組分積聚，從而降低傳熱效果[4]。

4 結論

從以上分析可以看出，導致重沸器換熱效果下降的一個主要原因就是設備運行過程中污垢熱阻的增大導致可實際換熱面積減小[5]。

重沸器的結垢嚴重影響了其熱交換效果，還可能引發生產事故，影響生產設備的壽命。為提高設備的換熱效率和運行壽命，對重沸器的設備管理上應著重關注以下幾點：一是確定重沸器的清污時間點，使得該重沸器在出現結垢傾向時就對其進行關注；二是及時采用有效的阻垢、除垢措施以保證重沸器的換熱效果，如采取短時間內以較高流速反向沖刷污水管除垢等措施以此來保證重沸器的正常運行[6]；三是在重沸器上游加裝過濾裝置，以使得水中的沉積物盡量被濾除。

重沸器做為冷換設備的一種形式，因此對于重沸器的設備管理同樣適用于水冷器等冷換設備，如在水冷器的設備管理上同樣需關注的清污時間點、水冷器阻垢措施、水冷器管束防腐涂層以及提升循環水品質等。