淺談常減壓蒸餾裝置的工藝設計

常 錚,李克景

(青島伊科思技術工程有限公司，山東 青島 266042)

作為石油精煉的“龍頭裝置”，常減壓蒸餾裝置利用蒸餾的方法將原油分割成不同餾分，既可直接提供部分油品，又能為后續的二次加工裝置提供原料。因此，常減壓蒸餾在石油煉制的全過程中具有舉足輕重的地位。

本文從常減壓蒸餾裝置的典型工藝流程入手，結合自身的工作經驗，從工藝設計的角度出發，重點關注以下幾個方面：(1)腐蝕識別、控制與材料選擇；(2)換熱網絡優化；(3)單元操作設計的優化。

1 常減壓蒸餾裝置工藝流程

1.1 傳統工藝流程

常減壓蒸餾流程主要包括三個工序：原油脫鹽；常壓蒸餾；減壓蒸餾。傳統的常減壓蒸餾工藝如圖1所示。

圖1 常、減壓蒸餾傳統工藝

1.2 改進工藝流程

在傳統流程的基礎上，在常壓加熱爐上游增設一“閃蒸罐”(或初餾塔)，即可得到改進的常減壓工藝流程，見圖2。

圖2 常、減壓蒸餾改進工藝

改進的常減壓工藝流程和傳統流程相比，具有以下優點：

(1)可以降低原油在預熱系統和常壓加熱爐中的壓力降。

(2)可以降低下游預熱系統以及常壓加熱爐的設計壓力。

(3)可以降低常壓加熱爐的熱負荷，實現節能降耗。

(4) 可以降低常壓塔的負荷或者改善常壓塔的氣、液負荷分布。

目前，新建常減壓蒸餾裝置基本上都選用改進的工藝流程，特別是對于以下情況，更應該采用改進的工藝流程。

(1)輕質餾分含量較高的原油。

(2)含硫、含鹽都較高的原油。

(3)含砷量高的原油，且用于生產重整原料。

(4)傳統流程裝置的擴能改造。

2 腐蝕識別、控制與材料選擇

由于原油中含有無機鹽、硫化物、有機酸、氧氣、二氧化碳和水分等，這些雜質含量雖然不高，但其危害性卻很大，會造成設備和管線的腐蝕，對于作為石油煉制第一工序的常減壓裝置來說尤為嚴重[1]。它不僅會帶來巨大的經濟損失，而且會影響裝置的正常生產，此外，當腐蝕嚴重發生泄露時，會導致火災或爆炸事故，甚至危及人的生命安全。因此，對常減壓蒸餾裝置中的腐蝕類型進行識別，從而可以采取有效工藝措施控制腐蝕，選擇合適的設備、管道材料以及相應的腐蝕余量，也就能在工藝設計階段將腐蝕的危害降到最低，以實現裝置的長周期安全生產。

2.1 常壓塔頂的H2S-HCl-H2O低溫腐蝕

原油在加熱過程中生成HCl和H2S，隨著輕組分揮發至塔頂，它們以氣態形式存在時幾乎沒有腐蝕性，但是在低于漏點溫度的冷凝區出現液體水后，便形成H2S-HCl-H2O強腐蝕環境，主要以HCl的腐蝕為主[2]。

此種腐蝕屬于電化學腐蝕，針對其特性，控制此腐蝕以工藝措施為主，主要包括：

(1)設置高效穩定的原油脫鹽系統，盡可能降低脫后原油含鹽量，至少要確保脫后原油含鹽量小于3mg/L。

(2)在常壓塔頂出口管線中進行“三注”，即：注氨，注水和注高效緩蝕劑。其中，水的注入量應不低于塔頂氣體質量流量的5%，可考慮將脫硫后的酸水作為此處注水，以節約用水；氨的注入量以調節塔頂油汽凝結水的pH值=7～8.5為宜；氨的注入位置應在水的漏點以前。

(3)控制常壓塔頂出口管線操作溫度至少高于其漏點溫度15℃。

此外，在工藝設計中，要從選材上來降低腐蝕可能帶來的危害，基于此種腐蝕的特性，關于材料的選擇做如下考慮：由于常壓塔頂腐蝕環境中具有較高的氯離子濃度，考慮到氯離子易使大多數不銹鋼材料發生局部腐蝕，如：點蝕和縫隙腐蝕等，而雙相不銹鋼耐氯離子腐蝕，建議塔頂的空冷器、管殼式換熱器選用雙相不銹鋼材料，此選材是基于考慮塔頂冷換設備的腐蝕尤為嚴重。綜合考慮材料性能和經濟等因素，建議常壓塔上部采用"碳鋼+合金襯里的復合材料"，而塔頂產品及回流罐和塔頂所有管道選用碳鋼材料，考慮到其強腐蝕環境，碳鋼材料的腐蝕余量應取大一些，建議設置腐蝕余量為6mm。

2.2 高溫部分的環烷酸及硫化物腐蝕

原油中所含的有機酸大部分是環烷酸，其酸性比碳酸還強，它在高溫下能夠與鐵直接反應生成溶油性的環烷酸亞鐵；另外，在高溫下，H2S會分解成H2和高活性的S，S 與Fe反應生成FeS，特別是在環烷酸存在的情況下，會加劇硫化物的腐蝕[2]。高溫環烷酸和硫化物的腐蝕屬于化學腐蝕，主要集中在常壓加熱爐及其出口轉油線、常壓塔的塔釜系統、減壓加熱爐及其出口轉油線，以及減壓塔的塔釜系統等部位。

針對此種腐蝕的特性，控制腐蝕的主要措施是選用耐高溫環烷酸和硫化物腐蝕的材料。對于工藝設計中的選材，建議如下：常、減加熱壓爐以及它們的出口轉油線，以及常、減壓塔釜輸送泵、管道選用317L不銹鋼材料，也可以選用Mo含量不低于2.5%的316L不銹鋼，并要考慮一定的腐蝕余量(0.5～1mm)；常、減壓塔的底部采用"碳鋼+317L襯里的復合材料"。除此之外，限制介質流速也可以減緩腐蝕，還可以考慮注入高溫緩蝕劑。

上述兩種高低溫腐蝕在常減壓裝置中是最常見的，為了最大限度地減小腐蝕帶來的危害，在進行工藝設計時，應避免流體的靜滯(如：死角或盲腸)，減小流體沖刷對管道或設備表面的影響。管線盡量直向走線、少拐彎，尤其要避免拐急彎。設計中采用斜坡導流，設置防沖擋板，選擇合理經濟流速等。此外，工藝設計中，要在腐蝕易發部位設置在線腐蝕監測，如腐蝕探針、在線pH計等。

3 換熱網絡優化

常減壓蒸餾裝置是煉油廠中能耗最高的裝置，其能耗約為煉廠總能耗的30%[3]。因此，降低常減壓裝置的能耗可改善整個煉廠的綜合能耗，會顯著提高煉廠的經濟效益。

原油預熱系統是常減壓蒸餾裝置的重要組成部分。原油預熱需要大量的熱量，而蒸餾塔采出的熱產品又需要冷卻，合理匹配冷熱負荷，用較高溫度的產品去加熱較低溫度的原油，既可以有效回收熱能，又節省了額外的冷能。由于常減壓蒸餾裝置的上述特點，因此它具有一套復雜而又龐大的換熱網絡。

理論上講，可以組成無限多個換熱網絡，因此，在設計換熱方案時涉及到最優化的問題。選擇最優化方案的依據是：在滿足生產方案和產品質量的前提下，能最大限度地節約投資和操作費用。一個最優的換熱網絡應當具有以下特點：對不同生產方案具有較好的適應能力；充分利用了各種余熱(包括低溫位熱源的有效利用)，使原油預熱溫度較高而且合理；換熱器的換熱強度較大，達到換熱要求所需的換熱面積較小；原油在整個預熱流路中的壓降較小；并且要操作可靠、檢修方便。換熱網絡優化可采用的方法有：數學規劃法、人工智能法、夾點分析法[3-4]。其中，夾點分析法在國內外工程公司中得到了較為廣泛的應用。換熱網絡的計算工作量很大，目前，可借助計算機軟件來完成對換熱網絡的夾點分析，以獲得優化的換熱網絡。無論新建裝置還是舊裝置改造，換熱網絡的優化都是工藝設計中非常重要的一環，在設計中應給予足夠的重視。

4 單元操作設計的優化

4.1 原油脫鹽

原油脫鹽是常減壓裝置的第一道工序，目前應用最廣泛的技術是兩級電脫鹽。脫鹽預處理既能防止下游設備腐蝕，又能為下游裝置提供優質原料，此外，還能節能降耗。工藝設計中，電脫鹽的優化方向如下：

(1)溫度是重要的工藝參數，溫度的適當提高有利于原油破乳以及水滴聚結。目前，電脫鹽溫度一般在120～140℃，另外需要注意的是：性質不同的原油具有不同的適宜脫鹽溫度，可以通過試驗的方法來確定其最佳脫鹽溫度。此外，為適應加工原油性質以及方案的變化，可考慮將進脫鹽罐前最后一組換熱器設計為熱旁路流程，以實現對脫鹽溫度的較好控制。

(2)針對原油特性，選擇合適的破乳劑。破乳劑通過隔離油和水，起到破乳化作用。破乳劑要從注水點的上游注入，同時要做到注入量的準備計量，一般選用計量泵。

(3)原油脫鹽前需要注入水，水的注入有利于原油脫鹽。 注水量通常設計為原油量的5%-8%。注水點的設計原則為：易乳化原油注水點設置在預熱系統下游，即混合閥前；而對于高含鹽原油，為防止無機鹽在預熱系統中結垢，應將注水點設置在原油泵出口，即預熱系統的上游。另外，設計中可將脫硫后的酸水作為二級電脫鹽注水，同時應將二級電脫鹽排水作為一級電脫鹽的注水，通過水的回用以實現節約用水。

4.2 加熱爐

常減壓蒸餾裝置中，蒸餾過程所需的大量熱量來自加熱爐，常、減壓加熱爐能耗約占全裝置能耗的80%-90%[1]，因此，加熱爐的優化設計是有效降低裝置能耗的途徑。

4.2.1 降低排煙氣溫度

減小末端溫差可降低排煙溫度，綜合考慮一次投資和運行費用，設計中加熱爐的末端溫差一般約為50℃；設置空氣預熱器，即用煙氣預熱空氣也可降低排煙溫度，但空氣預熱溫度不宜過高，最好不要超過300℃，否則會導致燃燒產物中氮氧化物增加，對環境不利。此外，工藝設計中需要注意的是：排煙溫度必須高于其漏點溫度，否則會引起設備的漏點腐蝕。另一方面可以通過選擇耐腐蝕材料或凈化燃料，來預防設備腐蝕。

4.2.2 降低過剩空氣系數

適度的空氣過剩可使燃料燃燒充分，但是過剩空氣系數不能太大，否則會導致排煙熱損失增加。在設計中，建議選擇如下的過剩空氣系數：氣體燃料取1.1，液體燃料取1.2。

4.2.3 選用高效燃燒器

高效燃燒器不僅能夠有效降低過剩空氣系數，而且還能強化燃燒、提高傳熱能力。此外，對于燃料油，還要考慮選用高效的霧化噴嘴。

4.3 減壓塔抽真空系統

抽真空系統是減壓蒸餾的關鍵部件，它對減壓操作狀況和產品質量有著直接的影響。蒸汽噴射器或液環真空泵是兩種常見的真空設備，其中，蒸汽噴射器在早期的減壓蒸餾裝置中得到了廣泛應用，液環真空泵是后來發展的技術。二者各有優缺點：蒸汽噴射器無運轉部件具有使用可靠的優點，同時具有蒸汽消耗量大、污水排放量大的缺點；液環真空泵具有效率高、污水排放量小的顯著優點，但其使用可靠性不如蒸汽噴射器。目前，國內新上的大型煉油裝置基本上都是選用的復合真空系統(二級蒸汽噴射器+液環真空泵)， 此復合真空系統既可確保高真空又能減少蒸汽消耗。此外，考慮到系統中H2S的腐蝕，應使用316L不銹鋼材料作為液環真空泵裝置的流通部件。

5 結論

在常減壓蒸餾裝置的設計中，應優先考慮采用改進工藝流程；針對常減壓裝置中不同的腐蝕體系，在設計中通過采取必要的工藝措施和選擇合適的設備及管道材料，可以防止腐蝕帶來的危害；常減壓裝置中換熱網絡的優化是工藝設計中非常重要的一環，有許多工作值得工藝設計者去做；對常減壓裝置中電脫鹽、加熱爐和抽真空等單元進行工藝設計的優化，可以降低裝置的能耗，實現裝置的長周期安全生產。