轻汽油醚化装置塔底重沸器换热效果下降原因分析

摘 要：某炼厂轻汽油醚化装置醚化蒸馏塔底重沸器自开工起换热效果逐渐下降，进而影响了装置的生产运行，对该换热器打开检查后发现管束外壁有结垢物附着。本文研究了重沸器换热效率下降的现象和过程，综合了换热器检修现场情况和对结垢物质进行组成化验测试的结果，分析了重沸器结垢的原因，并提出了防范措施。

关键词： 换热器；换热效果；结垢

1 前言

化工生产装置中换热设备约占全部设备金属总重的40%，直接影响着石化行业生产过程中能效的高低[1]。结垢是一种极为普遍的现象， 它存在于自然界、日常生活和各种工业生产过程。由于换热器的结垢，给工业生产带来了巨大的损失，主要表现为换热器的热阻显著增大，导致传热效率显著降低；降低流体的流通截面积，导致设备堵塞[2]。某公司轻汽油醚化装置由原料水洗、反应、甲醇回收三个单元组成，以汽油加氢脱硫装置的轻汽油为原料，主要功能是使轻汽油中活性烯烃最大程度地与甲醇进行反应，生产高辛烷值、低蒸汽压汽油产品。醚化装置与汽油加氢装置进行热联合，醚化蒸馏塔底重沸器管程采用汽油加氢装置分馏塔底循环热油作为热源。该醚化装置于2017年5月开工后，重沸器换热效率持续下降，影响了该单元的正常操作。2018年4月，对醚化蒸馏塔底重沸器进行打开检修作业，寻找换热效率下降原因，并制定应对策略。

2 换热效率下降的现象及操作调整

2.1 换热效率下降的现象

轻汽油醚化装置以催化汽油加氢脱硫装置的轻汽油产品作为原料，经水洗后的轻汽油与甲醇混合后进入第一醚化反应器发生醚化反应，反应产物随后进入醚化蒸馏塔。醚化催化剂反应的基本原理是轻汽油中活性烯烃与甲醇发生加成反应，生成相应的醚类化合物，而轻汽油的活性烯烃中醚化反应活性最高的是C5活性烯烃。为了最大限度地消耗甲醇，生成尽可能多的醚化产物，应该严格控制活性烯烃的损失。而控制活性烯烃从醚化产品中跑损是主要的控制手段之一，其方法是合理控制醚化蒸馏塔底温度，保证活性烯烃尽可能地不出现在塔底。醚化蒸馏塔底重沸器管程采用了汽油加氢装置分馏塔底的热油作为热源，从开工运行起，重沸器管程热油用量就在持续增大，同时换热温差和换热量降低。至2018年3月，重沸器管程热油用量由开工初期的600 t/h逐步升高，达到875t/h，换热温差由70℃逐步降至20℃以下。换热量由20MW逐步降至14MW，换热量是由出入口热油的流量和换热前后温差计算得来。醚化蒸馏塔底温度降至128℃，最低达到122℃，醚化产品中C5活性烯烃含量达到0.9%左右，最高达到2.3%，这说明醚化蒸馏塔底重沸器换热效率的下降已经影响了塔底温度，进而导致了活性烯烃跑损严重，影响了活性烯烃的转化率。

2.2、换热器基本情况

换热器规格型号：BIU1400-4.0-680-6/19-2Ⅰ，材质（管/壳）：10#/Q345R，管束规格：Φ19*2*6000，工作压力MPa（管/壳）：1.36/0.35，操作温度℃（管/壳）：207-171.1/133-133.6，介质（管/壳）：汽油/TAME。

3 原因分析

3.1 打开检查情况

2018年4月对该重沸器进行打开检查，发现问题换热器管束外表面结垢严重。可以看出导致换热效率下降的主要问题是由于换热器壳程一侧结垢，减小了壳程流体的流道截面，并且使重沸器传热面的传热系数变小，从而导致了重沸器的换热能力的下降。并且换热器管束上部结垢严重程度要远大于下部，说明结垢情况的发生与温度有着密切的关系。

3.2化验分析

根据能谱和扫描电镜分析结果，可以得到如下结论：

（1）从表1中可以看出，结垢物的能谱分析H、C元素的质量百分比约为1：5，而催化剂树脂，即苯乙烯和二乙烯苯聚合物，H/C为1：12，并且催化剂树脂是苯乙烯和二乙烯苯按一定比例混合的交联聚合产物，在300℃以下不会呈现熔融状态，可以确定结垢物质主要不是催化剂树脂。

（2）醚化蒸馏塔会定期注入胺液来中和掉落塔底的催化劑，防止醚化反应逆反应的发生。根据结垢物中N元素的含量可以判断，N元素应该是来自装置定期向塔底注入的胺液（甲基二乙醇胺水溶液）。

（3）结垢物中的S元素来自催化剂上的磺酸根，通过对比结垢物中S元素的质量含量与催化剂上S元素的理论质量含量，可以判断脱落在重沸器内的催化剂树脂脱离了重沸器，但磺酸根残留在了重沸器中。

3.3 结垢原因分析

目前对汽油结垢过程研究较为广泛，主流观点认为导致换热器内结垢的主要原因为二烯烃聚合[3]。结合本文以上分析可以得出，结垢物就应该是由壳程轻汽油中的烯烃或二烯烃聚合而来，烯烃或二烯烃与磺酸根和胺反应生成了聚合物。虽然壳程的轻汽油原料中的二烯烃含量能够满足工艺设计要求，但是在催化剂的存在下，烯烃或二烯烃会与催化剂中的磺酸根发生反应生成聚合物，然后附着到重沸器管束外壁和管隙之间，进而影响重沸器的传热效率。

4 结论

通过观察醚化蒸馏塔底重沸器打开的内部情况，可以确定重沸器换热效率下降的直接原因是重沸器结垢，结垢物质附着在重沸器管束外壁和管隙之间，减小了壳程流体的流道截面，并且使重沸器传热面的传热系数变小，从而导致了重沸器的换热能力的下降。重沸器内的结垢物质是烯烃或二烯烃的聚合物，重沸器结垢的原因是在催化剂的存在下，烯烃或二烯烃与催化剂中的磺酸根发生反应生成聚合物，聚合物附着到重沸器管束外壁进而导致结垢。为了避免重沸器发生结垢，可以采用的措施一是控制醚化轻汽油原料中的二烯烃含量，最大程度的避免二烯烃在重沸器管束表面发生聚合反应，二是保证醚化反应器出口过滤网的完好性，避免催化剂在系统内的跑损。

参考文献：

[1] 付承祥.采用微气泡强化技术提高列管换热器壳程的传热效率[J].石油和化工设备，2016，07：86-88.

[2] 李富华.换热器结垢与除垢的研究进展[J].盐科学与化工，2017，06：22-25.

[3] 王春雷.焦化汽柴油加氢装置换热器结垢影响因素分析[J].2018，8：1633-1636.

作者简介：

于冠华（1990-），男，助理工程师，工学学士，2013年6月毕业于大连理工大学，现在大连石化公司从事加氢设备管理工作.