溶劑再生塔重沸器失效原因分析與應對措施

宋維強，劉超華

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

1 裝置概況

芳烴抽提聯合裝置是中海油惠州石化有限公司(惠州石化)煉油二期配套裝置之一。本裝置來料為乙烯裂解汽油加氫裝置的裂解加氫汽油和重整裝置的脫戊烷油。兩股原料分別進入A列和B列脫庚烷塔進行分離，頂部C6～C7分別送至A列抽提單元合B列抽提單元分離非芳烴和混合芳烴，兩系列混合芳烴合并后送至苯甲苯塔生產苯甲苯產品。該裝置工藝路線原則流程圖如圖1所示。

圖1 兩頭一尾工藝流程簡圖Fig.1 Process flow diagram of two ends and one end

2 再生塔重沸器運行工況

2.1 再生塔重沸器工藝條件

芳烴抽提裝置中溶劑再生塔是靠塔底再沸、真空度和汽提蒸汽三者結合來除去循環溶劑中的降解產物和雜質，以保證循環溶劑的質量。塔底降解物不流動是一個物料的富集過程，該塔內腐蝕性介質主要有正常生產環丁砜劣化產生的磺酸鹽類物質和正常生產時重整脫戊烷油帶來的氯離子經循環溶劑攜帶入再生塔并在塔底富集[1]。此外由于環丁砜沸點高在操作溫度下不容易汽化需要汽提蒸汽相結合，由于汽提蒸汽進入塔底分配器前管線存在閃蒸，該段管線振動較大。故溶劑再生塔底重沸器運行工藝條件既有腐蝕性介質的富集又受管線振動的影響，運行工況較差容易發生再沸器泄漏。

2.2 再生塔重沸器泄漏及更換記錄

B列抽提單元于2017年10月1日開工正常，該再沸器屬于內插式再沸器在正常生產期間發現汽提蒸汽入口管線存在較大振動、再沸器在塔內有類似打“液擊”的聲音且偶爾能聽到換熱管束和支撐導軌金屬摩擦聲音。開工后該換熱器更換及維修情況由表1所示。

表1 再生塔重沸器泄漏及更換記錄Table 1 Leakage and replacement records of reboiler in regeneration tower

表1給出從2017年10月至2020年3月該換熱器維修及更換記錄，根據每次檢修時對該換熱器失效原因進行分析可知前兩次換熱器失效都是由于汽提蒸汽管線振動導致換熱器與支撐導軌之間磨損導致管束減薄，最后一次換熱器失效原因為介質腐蝕。無論是管束磨損還是介質腐蝕失效后，該換熱器都存在整體減薄的情況，維修投用后使用周期不足2個月。

3 原因分析

抽提單元溶劑再生塔汽提蒸汽線屬于兩相流管線，管內介質為飽和蒸汽溶劑再生塔為微負壓操作飽和蒸汽進入塔內發生閃蒸引起管線和分配器的振動。該內插式換熱器長期處于劣化環丁砜環境中其磺酸鹽和氯離子在此處富集濃度均較高[2]，存在腐蝕情況。全國與催化重整配套的抽提蒸餾工藝大部分溶劑再生塔底再沸器都存在泄漏情況，該部位為抽提裝置長周期平穩操作的難點，結合該熱熱器檢修、設計條件、工藝介質分析對比其他在運行抽提裝置工況對可能引起換熱器失效的原因逐一分析。

3.1 分配器與再沸器設計問題

該換熱器首次失效檢修時，換熱器支撐導軌受振動脫落，緊固螺栓被振動磨斷。溶劑再生塔為防止塔內介質局部受熱分解，需汽提蒸汽從底部進入起到均勻攪拌的作用。查閱惠州石化三套再生塔汽提設計圖紙，其中A列再生塔和惠州石化一期再生塔再沸器與分配器直接有一定的夾角，這樣保證大部分汽提蒸汽進入到塔內只對溶劑產生攪動，而對換熱器的攪動小。而B列再生塔再沸器制造圖紙，分配器與換熱器在同一水平面，這樣汽提蒸汽進塔后向上攪動時直接作用在換熱器上引起換熱器的振動導致磨損泄漏，故分配器與換熱器設計夾角也是影響再沸器泄漏的因素之一，且換熱器與支撐導軌之間只是搭接沒有固定點也加劇了這一影響。

3.2 汽提蒸汽流速與配管問題

溶劑再生塔汽提蒸汽線屬于兩相流管線，介質為飽和態的汽提蒸汽。專利技術要求該管線盡量短且彎頭數要盡量小以降低壓差和管道存液。由于設備布置和管線應力核算問題現場實際配管情況看該管線彎頭多達11個且管線長度也較長，在生產過程中飽和態的汽提蒸汽容易冷凝并積存在底部彎頭處形成汽帶液的情況導致汽提管線振動及再生塔內存在類似打“液擊”的聲音。汽提蒸汽進料分配器流速慢將加劇汽提氣在管道內彎頭的積液情況進一步影響管線的振動專利要求汽提蒸汽分配器流速較大，三套在運行抽提裝置汽提蒸汽分配器處流速如表2所示。

表2 三套抽提裝置汽提蒸汽管線流速對比Table 2 Comparison of flow velocities of three set aromatics extraction unit in stripping steam pipelines

由表2計算可知A列抽提再生塔和一期芳烴抽提再生塔實際運總汽提蒸汽入口分配器處流速都接近20 m/s生產期間未發生再沸器處振動磨損情況。B列抽提單元再生塔分配器處流速只有15.57 m/s明顯較其他2個低，管道流速低也容易導致飽和汽冷凝積存在管道彎頭處故分配器流速過低也是引起管線振動的原因之一。

3.3 介質中氯的影響

表3 溶劑再生塔系統中氯離子含量分析Table 3 Analysis of chlorine ion content in solvent regeneration tower system

該換熱器最后一次失效的現象是，系統中的水含量突然急劇增加溶劑回收塔操作紊亂。只能將溶劑再生塔切出系統，檢修時發現該換熱器管束屬于整體爆裂且周圍減薄嚴重，屬于介質腐蝕減薄。溶劑系統中氯離子來源主要是進料重整脫戊烷油，芳烴抽提溶劑系統是閉路系統，帶入的氯離子不斷在系統中積累[3]，氯離子的存在加速環丁砜的講解，變成酸性介質，使系統成酸性，又會進一步加劇環丁砜劣化分解成酸性物質[4]，溶劑再生塔是氯離子富集最嚴重的地方且該介質中含有水非常容易形成酸性介質腐蝕設備，故該換熱器的選型應考慮抗氯腐蝕。下表是溶劑再生塔排渣時對塔底物料中氯離子濃度和pH的分析。

抽提溶劑pH至控制時從循環溶劑中采樣的，而再生塔底是劣化溶劑富集的過程，故該處溶劑質量為整個系統內最差的。從表3中可知，溶劑再生塔底物料的pH值約在5.1～7.3之間呈弱酸性，與該裝置溶劑系pH>8.5相差較大，且貧溶劑中氯離子分析在最高時在374.1 mg/L該濃度遠高于該循環溶劑中氯離子的平均濃度，故溶劑的氯腐蝕是導致換熱器失效的原因之一，由于溶劑中的氯離子累積也會加速環丁砜劣化再生塔底應考慮工藝措施控制氯離子濃度，減緩設備腐蝕。

3.4 劣化化環丁砜的影響

抽提裝置腐蝕主要歸納為兩類，即硫腐蝕和氯腐蝕。硫腐蝕主要是因為環丁砜受高溫、氧氣、水和環丁烯砜的影響。環丁砜在高溫下易分解產生二氧化硫和丁二烯，二氧化硫與系統中的水、氧發生反應生成硫酸，一方面使抽提系統的pH值下降，進一步加速環丁砜劣化[5]。另一方面劣化的環丁砜在系統助劑中和下形成磺酸鹽或是黏稠狀的降解物富集在溶劑再生塔底，加速設備腐蝕。

環丁砜在有氧情況下容易開環并形成二氧化硫，然后二氧化硫再與不飽和醛發生可逆反應形成腐蝕性較強的酸，同時還有可能生成硫醇、硫醚、及硫化氫等腐蝕介質，在有氧存在的條件下，二氧化硫的釋放量要比無氧時多，pH值下降也更為明顯，氧的存在大大加速環丁砜的劣化[6], 因此要切斷環丁砜抽提裝置氧的來源, 避免氧被帶入環丁砜抽提。氧主要來源于原料中攜帶的溶解氧和真空系統運行不好漏入的空氣，和生產作業過程中過濾器清理、再生塔清理等作業置換不徹底帶入系統，建議現有裝置是重整直供料且開工后負壓系統維持較好。故氧氣的帶人更多是來自生產作業置換不徹底。

4 應對措施

根據上述原因分析初步認定為兩相流汽提蒸汽管線過長且彎頭過多在管線彎頭低點存液形成“液擊”，管線及分配器處振動大導致換熱器磨損失效。裝置汽提蒸汽實際流速比設計偏低和分配器與換熱器布置不合理加劇了這一影響。再生塔底氯離子和劣化溶劑富集的腐蝕作用是導致該換熱器腐蝕泄漏的主要原因，溶劑再生塔底換熱器頻繁泄漏是由設備振動和工藝介質協同作用的結果。

4.1 換熱器優化選型

如前所述, 由于管子的振動,使管子在管子與管板、管子與支持板結合部位產生周期性振動及摩擦，引起換熱器的失效，問題產生的根源是汽提蒸汽的沖擊導致的周期性振動。在現有條件下可以通過增加換熱器折流板密度降低振動的影響，另外提高制造精度減少換熱器與管板之間的縫隙避免產生縫隙腐蝕，同時做好換熱器支撐梁的固定防止支撐梁脫落導致換熱器懸空，最大可能降低振動對換熱器影響延長使用壽命。

針對該除腐蝕介質情況建議換熱器材質升級一般認為普通不銹鋼304及316L材質不能在高溫且含有氯離子的體系中使用在該處運行時間長也會發生腐蝕[7]，建議材質升級為抗腐蝕強的雙相鋼。

4.2 分配器開口及流速優化

由于汽提蒸汽流速偏低通過減少分配器的開孔面積可以提高汽提蒸汽管道流速達到設計值，減少管線低點存液情況。經過計算將分配器開孔面積縮小至0.11 m2，解決了管道流速偏低的問題。除解決流速問題外還需解決分配器與換熱器角度問題，由于設備制造是換熱器和分配器在塔體開孔方位已無法改變，只能通過改變汽提蒸汽分配器開孔方向。原設計分配器在底部及120 ℃夾角處分別開有3處長條形孔，條形孔容易形成較大的汽包對換熱器沖擊較大，經分析討論將分配器條形孔該為均勻分布的小圓形孔以減少對換熱器的沖擊力，同時開孔方向朝塔底和塔壁盡量減少對換熱器的沖擊。同時結合管線振動情況優化了外部管道的支撐，減少管線振動的傳遞。

4.3 工藝條件優化

如上所述再生塔底介質既存在氯離子的富集也存在劣化環丁砜的富集，運行工況惡劣尤其是運行時間長該處腐蝕現象嚴重。從源頭上降低重整生成油氯的攜帶很有必要，上游脫氯劑穿透或是催化劑到使用到末期時持氯能力下降，均會導致抽提單元原料中氯離子增加，故需上游設置脫氯效果好的脫氯并制定合適的監控方式。對于攜帶到抽提裝置的微量氯工藝上的手段可以通過增加再生塔排渣次數，置換再生塔底物料降低腐蝕介質富集的濃度。但是該工藝操作將會造成溶劑消耗量大工業危廢產生量的。也可以通過環丁砜樹脂凈化方法保證系統內溶劑持續小量的凈化，解決溶劑系統氯離子富集的問題。此外再正常工藝作業過濾器清理、再生塔清理中應氮氣充分置換合格后在并入系統，防止死角處氧未置換合格并系統帶來的氧腐蝕。

5 結 論

溶劑再生塔底再沸器的失效是管道震動、設備選型和腐蝕介質協同作用的結果，原因復雜。在設計階段應充分考慮該換熱器運行工況的特性。可采取材質升級抵抗介質腐蝕；增加換熱器折流板、減少換熱器管束與管板縫隙等手段降低振動周期性振動的影響；此外管道設計時可考慮減少管道彎頭和長度減少管道積液防止管線振動，對已產生的振動通過優化管道支撐來減緩振動的傳遞。

工藝操作時應控制原料中氯離子增加再生塔底排渣防止規范過濾器和再生塔清理等作業防止環丁砜劣化，避免高濃度腐蝕介質在再生塔底富集，有條件的可以增加樹脂脫氯設施凈化溶劑保證裝置的長周期運行。