冷凍站裝置板式換熱器內漏技術改造

楊會明

(云南解化清潔能源開發有限公司解化化工分公司, 云南開遠 661600)

1 冷凍站裝置工藝流程

二甲醚廠冷凍站裝置為低溫甲醇洗裝置提供冷量,采用吸收制冷和壓縮制冷相結合的混合制冷流程。該流程的特點是用氨壓縮機給-40 ℃級的氣氨提壓,經過吸收、精餾、冷凝產出合格的液氨。冷凍站裝置工藝流程見圖1。由低溫甲醇洗氨蒸發器來的氣氨經氨壓機壓縮冷卻后,進入吸收器被稀氨水吸收,吸收過程產生的熱量由循環冷卻水帶走;濃氨水(質量分數為37%,循環體積流量為240 m3/h)由氨水泵送往溶液換熱器(管殼式換熱器),被高溫稀氨水加熱到105 ℃后送入精餾塔中部進行精餾,塔頂精餾出的氨氣體積分數大于99.8%,溫度為55 ℃,進入氨冷凝器后被冷卻水冷凝為液氨,一股做回流送精餾塔,一股送低溫甲醇洗氨蒸發器(液氨體積流量為45 m3/h);發生器底部出口的稀氨水經溶液換熱器及溶液冷卻器冷卻送吸收器作為氨吸收液。

圖1 冷凍站裝置工藝流程圖

2 存在的問題及原因分析

冷凍站裝置自投產以來,每產1 m3液氨需要消耗低壓蒸汽750 kg,消耗較大,主要原因為溶液換熱器換熱面積不足,濃氨水進精餾塔的溫度偏低,只有98 ℃。2019年5月采用緊湊、高效且技術成熟的板式換熱器代替原管殼式換熱器[1],換熱效率大幅提高,取得較好的效果：進精餾塔濃氨水溫度由105 ℃提高到120 ℃,發生器蒸汽用量大幅減少,每產1 m3液氨節約低壓蒸汽74.36 kg,節能降耗效果明顯;同時,進溶液冷卻器稀氨水溫度由80 ℃下降至55 ℃左右,循環水用量大幅減少,體積流量由900 m3/h減少到500 m3/h。

但是,該板式換熱器在運行中存在短時間內漏的問題：在正常生產運行中板式換熱器于2020年4月開始出現內漏。2020年5月更換板式換熱器后,2021年5月再次出現內漏。每臺板式換熱器的運行時間不超過1 a,嚴重影響了冷凍站裝置的長周期穩定運行。

2.1 設備概況

第1臺全焊式板式換熱器換熱面積為420 m2,換熱板片材質為S30408,板片厚度為0.8 mm,兩側設計壓差<1.0 MPa;第2臺全焊式板式換熱器換熱面積為505 m2,換熱板片材質為S30408,板片厚度為1 mm,兩側設計壓差<1.0 MPa。板式換熱器其他主要工藝參數見表1。

表1 板式換熱器主要工藝參數

2.2 內漏原因分析

拆解2臺板式換熱器發現,內漏主要發生在濃氨水出口端,并且內漏面積較大(見圖2)。從內漏部位看,裂紋、孔洞非常明顯,且有規律,板片明顯減薄,是磨損腐蝕造成的。通過分析,板片磨蝕的主要原因如下：

(a) 板式換熱器入口端破損孔洞

(b) 板式換熱器入口端裂紋

(1) 原設計中濃氨水質量分數為37%,溫度為105 ℃,壓力為1.7 MPa,為泡點進料進入精餾塔。改造后,溫度達到120 ℃,通過ASPEN HYSYS模擬得知,此時濃氨水的氣相分率已達8.3%,由于大量液體汽化,體積大幅增加,導致流速加大,形成磨損腐蝕[2]。

(2) 冷凍站裝置在運行中加入重鉻酸鉀陽極型緩蝕劑,在金屬表面生成薄的氧化膜,把金屬和腐蝕介質氨水隔離開來。隨著濃氨水通過換熱逐漸提高溫度至超過泡點溫度,在氣液兩相流里,存在氣泡的產生、破裂,使材料的表面受到沖擊,破壞金屬表面的氧化膜,從而使磨損腐蝕加劇[3]。

3 改進措施

(1) 板式換熱器由于流通通道較小,不適用于氣液兩相流介質的換熱。從工藝角度考慮,需要保證板式換熱器的換熱介質溫度在泡點溫度以下,才能延長板式換熱器的使用壽命。因此,在板式換熱器之前,增加1臺管殼式換熱器先進行換熱。由于管殼式換熱器殼程流通通道大,濃氨水走殼程,氨水部分汽化對列管的磨損腐蝕較小。管殼式換熱器需要足夠的換熱面積將出管殼式換熱器的高溫介質稀氨水溫度降低到115 ℃,從而使板式換熱器濃氨水的溫度不超過泡點溫度(105 ℃),避免板式換熱器出現兩相流。改造后冷凍站裝置工藝流程見圖3。

圖3 改造后冷凍站裝置工藝流程

(2) 氨水具有一定的腐蝕性,將板式換熱器的板片材質由S30408換成316 L。由于316 L不銹鋼添加Mo,故其耐蝕性和高溫強度特別好,可在苛酷的條件下使用[4]。

4 改造效果

2021年6月按圖3流程完成冷凍站裝置的改造,板式換熱器出口濃氨水溫度只有101 ℃,確保了板式換熱器不會出現兩相流。通過管殼式換熱器換熱后,進精餾塔濃氨水溫度可達125 ℃,相對于只有板式換熱器時,每產1 m3液氨可節約低壓蒸汽7.6 kg,每年可節約低壓蒸汽費用約30萬元。板式換熱器運行至今已達2 a,未出現內漏,延長了設備的使用壽命。

5 結語

板式換熱器是技術較成熟且運用廣泛的換熱設備,是石化生產裝置的重要設備之一[5],板式換熱器的內漏有多種因素,應從實際出發查找原因,對癥下藥,不能直接更換設備。本文從降低進板式換熱器的介質溫度和改進板片材質2個方面著手解決設備內漏問題,裝置運行至今,未發現泄漏,效果明顯。