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(xiàn)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(jìn)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(chǎn)運(yùn)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(shè)備換熱效率低下的問題已經(jīng)開始對工藝操作產(chǎn)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(shè)計(jì)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(shí)，含硫污水從殼體底部中間位置進(jìn)入重沸器，分左右兩路與管程中的水蒸氣換熱，并分別從設(shè)備上部兩側(cè)流出。管程側(cè)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(huì)導(dǎo)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(jìn)重沸器物料量減少導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降；二是重沸器管束結(jié)垢導(dǎo)致導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降[1]。

2.1 應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)判斷重沸器入口是否阻塞

應(yīng)用紅外熱像儀對重沸器殼程入口下彎管進(jìn)行檢測，依據(jù)該管道形成的紅外熱成像圖像的不同的溫度的區(qū)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(nèi)物料實(shí)際溫度在150℃左右。

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

重沸器殼程入口管下彎管紅外熱成像圖的分析結(jié)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(qū)驟減至132℃，并逐漸遞減到底部的98.9℃，說明132℃溫區(qū)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(jìn)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(jìn)行分析，可以排除重沸器殼程入口下彎管阻塞使得進(jìn)重沸器物料量減少導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降。

2.2 應(yīng)用aspen EDR對該重沸器進(jìn)行性能核算

通過aspen EDR對重沸器進(jìn)行性能核算，計(jì)算分兩種工況：重沸器正常工況及重沸器管束結(jié)垢導(dǎo)致導(dǎo)致?lián)Q熱效果下降時(shí)的運(yùn)行工況，見表1、表2。

從計(jì)算結(jié)果看，殼程出口溫度在161℃左右時(shí)，該溫度下重沸器的計(jì)算換熱面積接近實(shí)際換熱面積，設(shè)備處于正常工作狀態(tài)下。而當(dāng)殼程出口溫度在153℃時(shí)，重沸器的計(jì)算換熱面積僅為30.77m2，遠(yuǎn)小于實(shí)際換熱面積，而且其換熱效率僅為正常工作時(shí)的1/4。

圖1 進(jìn)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(jié)果表

由模擬計(jì)算結(jié)果可見，重沸器內(nèi)部管束表面結(jié)垢導(dǎo)致該重沸器換熱量不足，使得重沸器殼程內(nèi)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(jù)模擬計(jì)算結(jié)果的判斷，對該重沸器進(jìn)行開蓋檢修。檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)該重沸器管束外表面覆蓋有一層硬垢，經(jīng)過化學(xué)清洗去掉硬垢后，該重沸器恢復(fù)正常，即經(jīng)重沸器入汽提塔第一層塔盤酸性水溫度恢復(fù)為161℃，滿足工藝要求。

3 重沸器的清污時(shí)間點(diǎn)的確定

當(dāng)該重沸器在一個(gè)完整的運(yùn)行周期下運(yùn)行時(shí)，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(jìn)行性能核算，得到該重沸器的換熱量、當(dāng)前溫度下計(jì)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(jì)算結(jié)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(shí)

圖3 殼程出口溫度160℃時(shí)

圖4 殼程出口溫度159℃時(shí)

圖5 殼程出口溫度158℃時(shí)

圖6 殼程出口溫度154℃時(shí)

1）該重沸器的污垢熱阻由1.79×10-4上升到4.5×10-4時(shí)，殼程出口溫度由161℃下降至153℃，同時(shí)實(shí)際換熱效率僅為原換熱效率的四分之一、傳熱單元數(shù)等數(shù)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(cè)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(shí)（圖2），熱流體和冷流體在434 K（161℃）時(shí)交匯，此時(shí)冷流體在入口兩側(cè)各500 mm處迅速上升到432 K（159℃），并保持平穩(wěn)；但當(dāng)重沸器殼程內(nèi)污垢增多后，冷流體出口溫度不斷降低[3]，當(dāng)冷流體出口溫度為159℃時(shí)（圖4），冷、熱流體交匯點(diǎn)分開，此時(shí)換熱趨勢仍與冷流體出口溫度161℃時(shí)相似，但當(dāng)冷流體出口溫度為158℃時(shí)（圖5），換熱趨勢產(chǎn)生變化，換熱量大幅下降。由此可見重沸器殼程溫度159℃是個(gè)值得關(guān)注的溫度點(diǎn)，低于該溫度，重沸器就會(huì)出現(xiàn)明顯的換熱不均，就應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，或進(jìn)行清污處理。

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

4 結(jié)論

從以上分析可以看出，導(dǎo)致重沸器換熱效果下降的一個(gè)主要原因就是設(shè)備運(yùn)行過程中污垢熱阻的增大導(dǎo)致可實(shí)際換熱面積減小[5]。

重沸器的結(jié)垢嚴(yán)重影響了其熱交換效果，還可能引發(fā)生產(chǎn)事故，影響生產(chǎn)設(shè)備的壽命。為提高設(shè)備的換熱效率和運(yùn)行壽命，對重沸器的設(shè)備管理上應(yīng)著重關(guān)注以下幾點(diǎn)：一是確定重沸器的清污時(shí)間點(diǎn)，使得該重沸器在出現(xiàn)結(jié)垢傾向時(shí)就對其進(jìn)行關(guān)注；二是及時(shí)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(shí)間內(nèi)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(yùn)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(shè)備的一種形式，因此對于重沸器的設(shè)備管理同樣適用于水冷器等冷換設(shè)備，如在水冷器的設(shè)備管理上同樣需關(guān)注的清污時(shí)間點(diǎn)、水冷器阻垢措施、水冷器管束防腐涂層以及提升循環(huán)水品質(zhì)等。