輕汽油醚化裝置塔底重沸器換熱效果下降原因分析

摘 要：某煉廠輕汽油醚化裝置醚化蒸餾塔底重沸器自開工起換熱效果逐漸下降，進而影響了裝置的生產運行，對該換熱器打開檢查后發現管束外壁有結垢物附著。本文研究了重沸器換熱效率下降的現象和過程，綜合了換熱器檢修現場情況和對結垢物質進行組成化驗測試的結果，分析了重沸器結垢的原因，并提出了防范措施。

關鍵詞： 換熱器；換熱效果；結垢

1 前言

化工生產裝置中換熱設備約占全部設備金屬總重的40%，直接影響著石化行業生產過程中能效的高低[1]。結垢是一種極為普遍的現象， 它存在于自然界、日常生活和各種工業生產過程。由于換熱器的結垢，給工業生產帶來了巨大的損失，主要表現為換熱器的熱阻顯著增大，導致傳熱效率顯著降低；降低流體的流通截面積，導致設備堵塞[2]。某公司輕汽油醚化裝置由原料水洗、反應、甲醇回收三個單元組成，以汽油加氫脫硫裝置的輕汽油為原料，主要功能是使輕汽油中活性烯烴最大程度地與甲醇進行反應，生產高辛烷值、低蒸汽壓汽油產品。醚化裝置與汽油加氫裝置進行熱聯合，醚化蒸餾塔底重沸器管程采用汽油加氫裝置分餾塔底循環熱油作為熱源。該醚化裝置于2017年5月開工后，重沸器換熱效率持續下降，影響了該單元的正常操作。2018年4月，對醚化蒸餾塔底重沸器進行打開檢修作業，尋找換熱效率下降原因，并制定應對策略。

2 換熱效率下降的現象及操作調整

2.1 換熱效率下降的現象

輕汽油醚化裝置以催化汽油加氫脫硫裝置的輕汽油產品作為原料，經水洗后的輕汽油與甲醇混合后進入第一醚化反應器發生醚化反應，反應產物隨后進入醚化蒸餾塔。醚化催化劑反應的基本原理是輕汽油中活性烯烴與甲醇發生加成反應，生成相應的醚類化合物，而輕汽油的活性烯烴中醚化反應活性最高的是C5活性烯烴。為了最大限度地消耗甲醇，生成盡可能多的醚化產物，應該嚴格控制活性烯烴的損失。而控制活性烯烴從醚化產品中跑損是主要的控制手段之一，其方法是合理控制醚化蒸餾塔底溫度，保證活性烯烴盡可能地不出現在塔底。醚化蒸餾塔底重沸器管程采用了汽油加氫裝置分餾塔底的熱油作為熱源，從開工運行起，重沸器管程熱油用量就在持續增大，同時換熱溫差和換熱量降低。至2018年3月，重沸器管程熱油用量由開工初期的600 t/h逐步升高，達到875t/h，換熱溫差由70℃逐步降至20℃以下。換熱量由20MW逐步降至14MW，換熱量是由出入口熱油的流量和換熱前后溫差計算得來。醚化蒸餾塔底溫度降至128℃，最低達到122℃，醚化產品中C5活性烯烴含量達到0.9%左右，最高達到2.3%，這說明醚化蒸餾塔底重沸器換熱效率的下降已經影響了塔底溫度，進而導致了活性烯烴跑損嚴重，影響了活性烯烴的轉化率。

2.2、換熱器基本情況

換熱器規格型號：BIU1400-4.0-680-6/19-2Ⅰ，材質（管/殼）：10#/Q345R，管束規格：Φ19*2*6000，工作壓力MPa（管/殼）：1.36/0.35，操作溫度℃（管/殼）：207-171.1/133-133.6，介質（管/殼）：汽油/TAME。

3 原因分析

3.1 打開檢查情況

2018年4月對該重沸器進行打開檢查，發現問題換熱器管束外表面結垢嚴重。可以看出導致換熱效率下降的主要問題是由于換熱器殼程一側結垢，減小了殼程流體的流道截面，并且使重沸器傳熱面的傳熱系數變小，從而導致了重沸器的換熱能力的下降。并且換熱器管束上部結垢嚴重程度要遠大于下部，說明結垢情況的發生與溫度有著密切的關系。

3.2化驗分析

根據能譜和掃描電鏡分析結果，可以得到如下結論：

（1）從表1中可以看出，結垢物的能譜分析H、C元素的質量百分比約為1：5，而催化劑樹脂，即苯乙烯和二乙烯苯聚合物，H/C為1：12，并且催化劑樹脂是苯乙烯和二乙烯苯按一定比例混合的交聯聚合產物，在300℃以下不會呈現熔融狀態，可以確定結垢物質主要不是催化劑樹脂。

（2）醚化蒸餾塔會定期注入胺液來中和掉落塔底的催化劑，防止醚化反應逆反應的發生。根據結垢物中N元素的含量可以判斷，N元素應該是來自裝置定期向塔底注入的胺液（甲基二乙醇胺水溶液）。

（3）結垢物中的S元素來自催化劑上的磺酸根，通過對比結垢物中S元素的質量含量與催化劑上S元素的理論質量含量，可以判斷脫落在重沸器內的催化劑樹脂脫離了重沸器，但磺酸根殘留在了重沸器中。

3.3 結垢原因分析

目前對汽油結垢過程研究較為廣泛，主流觀點認為導致換熱器內結垢的主要原因為二烯烴聚合[3]。結合本文以上分析可以得出，結垢物就應該是由殼程輕汽油中的烯烴或二烯烴聚合而來，烯烴或二烯烴與磺酸根和胺反應生成了聚合物。雖然殼程的輕汽油原料中的二烯烴含量能夠滿足工藝設計要求，但是在催化劑的存在下，烯烴或二烯烴會與催化劑中的磺酸根發生反應生成聚合物，然后附著到重沸器管束外壁和管隙之間，進而影響重沸器的傳熱效率。

4 結論

通過觀察醚化蒸餾塔底重沸器打開的內部情況，可以確定重沸器換熱效率下降的直接原因是重沸器結垢，結垢物質附著在重沸器管束外壁和管隙之間，減小了殼程流體的流道截面，并且使重沸器傳熱面的傳熱系數變小，從而導致了重沸器的換熱能力的下降。重沸器內的結垢物質是烯烴或二烯烴的聚合物，重沸器結垢的原因是在催化劑的存在下，烯烴或二烯烴與催化劑中的磺酸根發生反應生成聚合物，聚合物附著到重沸器管束外壁進而導致結垢。為了避免重沸器發生結垢，可以采用的措施一是控制醚化輕汽油原料中的二烯烴含量，最大程度的避免二烯烴在重沸器管束表面發生聚合反應，二是保證醚化反應器出口過濾網的完好性，避免催化劑在系統內的跑損。

參考文獻：

[1] 付承祥.采用微氣泡強化技術提高列管換熱器殼程的傳熱效率[J].石油和化工設備，2016，07：86-88.

[2] 李富華.換熱器結垢與除垢的研究進展[J].鹽科學與化工，2017，06：22-25.

[3] 王春雷.焦化汽柴油加氫裝置換熱器結垢影響因素分析[J].2018，8：1633-1636.

作者簡介：

于冠華（1990-），男，助理工程師，工學學士，2013年6月畢業于大連理工大學，現在大連石化公司從事加氫設備管理工作.