原料油高压换热器换热效率下降原因分析及对策

刘 孝 川

(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)



原料油高压换热器换热效率下降原因分析及对策

刘 孝 川

(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

针对中海油惠州石化有限公司2 Mta焦化汽柴油加氢精制装置原料油高压换热器在运行过程中换热器换热温差出现快速下降的问题，对换热器相关操作参数和换热器结垢机理进行分析，判断为换热器壳程结垢所致。通过采取往原料油中加注阻垢剂的措施，能够有效延缓换热器壳程结垢，减缓换热效率的进一步下降；且加注阻垢剂后对反应器床层压降无明显影响，也不会影响柴油产品质量。

高压换热器 壳程 结垢 阻垢剂

在加氢装置运行过程中，原料油通过高压换热器与反应产物换热，为加氢反应提供主要热量来源，其换热效果直接影响整个装置的正常生产。随着装置运行周期的延长或原料油性质变化的影响，该换热器易出现结垢、换热效率大幅下降等问题。对于蜡油加氢、渣油加氢等重油加工装置，一般均设置有原料油阻垢剂加注设施[1]。汽柴油加氢装置由于原料油高压换热器热效率下降问题并不突出，因此在设计方面一般未设置原料油阻垢剂加注设施。中海油惠州石化有限公司2 Mta焦化汽柴油加氢精制装置采用中国石化工程建设公司的工艺技术，以焦化汽柴油为原料掺炼部分催化裂化柴油。该装置共有2台原料油高压换热器(换热器AB)，采用串联方式连接。原料油经高压反应进料泵升压后，与来自循环氢压缩机的混氢汇合，经换热器B、换热器A壳程与反应生成油进行换热，再经过反应加热炉加热后进入反应器；原料油在反应器进行脱硫、脱氮、脱氧、烯烃饱和、芳烃饱和等精制反应，反应产物自反应器出来经换热器A、换热器B管程冷却进入热高压分离器。该装置自2009年投产后，分别于2011年10月和2014年11月进行换剂检修，在此期间换热器AB运行情况良好，未出现换热效率大幅下降的问题。但是，自2016年3月，换热器换热温差快速下降，需要不断提高反应加热炉负荷，一旦超过加热炉设计负荷，装置将被迫停工处理。针对上述问题，对换热器相关操作参数和换热器结垢机理进行分析，并采取相应处理措施。本文主要介绍原料油高压换热器换热效率下降的原因及对策。

1 高压换热器换热温度

2 换热器B换热效率下降的原因分析

查阅相关资料，导致原料油高压换热器热效率下降的主要原因可能是换热器结垢，换热器结垢有两种可能：管程结垢和壳程结垢。

2.1 换热器B管程结垢

由于原料油中含有氯，装置所用氢气为重整氢也携带有少量氯，在加氢反应过程中生成HCl，HCl与反应生产的NH3反应生成NH4Cl，NH4Cl在低温部位析出，堵塞物料通道[2]。NH4Cl结晶温度为180～200 ℃[3]。通过对换热器B管壳程出入口温度分析，换热器B管程入口温度280 ℃左右，出口温度180 ℃左右，理论上存在NH4Cl结晶的可能性。

表1 高压换热器AB的换热温度

表1 高压换热器AB的换热温度

日 期换热器B的管程温度∕℃换热器B的壳程温度∕℃入口出口换热温差入口出口换热温差换热器A的壳程出口温度∕℃装置处理量∕(t·h-1)2015-10-01280.0175.7104.461.6190.8129.2290.4259.42015-11-01278.6174.3104.358.0188.2130.3289.6261.32015-12-01281.7175.2106.558.6189.8131.3292.6249.12016-01-01279.8175.4104.458.3188.7130.4291.8239.92016-02-01282.4178.9103.657.2184.0126.8287.1259.22016-03-01281.7175.7106.059.5186.2126.7285.1259.62016-03-15282.6177.7104.960.1186.2126.2286.0260.12016-04-15279.9179.3100.661.6182.3120.6285.1240.22016-05-15277.8182.995.063.2175.7112.5280.8249.82016-06-15273.1183.689.563.0168.3105.3274.4249.7

表2 高压换热器AB的换热因子

表2 高压换热器AB的换热因子

日期换热因子,%换热器A换热器B2016-03-1562532016-03-2564522016-04-0564522016-04-1565502016-04-2564492016-05-0565492016-05-1565482016-05-2564472016-06-056545

2.2 换热器B的壳程结垢

加氢装置原料油高压换热器的壳程结垢机理较复杂，结垢主要可分为无机化合物和有机化合物垢层，无机化合物垢层主要来源于原料油中盐类物质的析出和杂质颗粒的沉积，壳程混氢油侧的污垢主要由无机微粒的沉积和沥青质等有机微粒的黏附和沉积形成，这是导致高压换热器传热系数下降的主要因素[4]。

对装置滤后原料油常规项目进行分析，结果见表3。从表3可以看出，2016年1—6月，原料油中总氯含量和氮含量变化不大，并未发现滤后混合原料油常规分析项目各项主要参数有明显异常。但受分析条件的限制，未对原料油中胶质、沥青质等项目进行分析。

表3 混合原料油的主要性质

由于受全厂轻污油回炼压力的影响，焦化装置从2016年1月开始逐渐回炼全厂轻污油。2015年5月到2016年8月换热器B的管程、壳程温差及焦化装置回炼轻污油量的变化见图1。从图1可以看出：①焦化装置从2016年1月开始逐步间断回炼轻污油，从2016年3月轻污油回炼量逐步加大至20 th；②焦化装置轻污油回炼量的走势与换热器B换热温差降低的走势非常一致。由于轻污油性质较差未经任何处理直接进入焦化分馏塔，分离出焦化汽柴油后进入焦化汽柴油加氢装置，且2016年以前焦化装置并未回炼轻污油，未发现换热器B换热效率有明显的下降。因此认为焦化装置回炼轻污油造成焦化汽柴油原料性质变化是导致换热器B结垢的主要原因，只是受分析条件的限制未能准确反映出焦化汽柴油原料性质出现的变化。

通过关联分析装置前两个周期运行时换热器B的管程、壳程出入口温度变化情况，若是换热器B的管程出现NH4Cl结晶，在相近操作条件下，前两个运行周期也应该会出现，但是装置前两个运行周期并未发现换热器B的换热温度明显异常。因此初步判断换热器B的热效率快速下降的主要原因不是管程结垢，而是壳程结垢。

图1 换热器B的管程、壳程差及焦化装置回炼轻污油量的变化 —换热器B壳程温差; —换热器B管程温差; —焦化装置回炼轻污油量

3 混合原料油中加注阻垢剂效果分析

随着换热器B的换热效率下降，反应加热炉负荷不断增大，一旦超过加热炉设计负荷，装置将很快被迫停工对换热器B进行拆清。按照停工对换热器B拆清需检修时间15天计算，在整个企业高负荷运转时，装置停工检修处理换热器B将为企业带来巨大的经济损失[5]。因此必须采取有效措施减缓换热器B热效率下降的速率，保证装置的长周期运转。

通过研究分析，主要采取两种措施：①优化上游原料油，焦化装置停止回炼轻污油；②往混合原料油中加注阻垢剂[6]。阻垢剂的主要防垢机理是通过自身吸附于金属和非油溶性的固体离子表面形成覆盖膜，阻止沉积物黏附在金属表面及固体离子之间，并通过少量表面活性剂，使胶质和非溶性物质产生亲油基因，增溶于油中达到防止结垢的目的。因全厂轻污油量大，而催化裂化装置掺炼轻污油量有限，导致轻污油必须送至焦化装置回炼，因此，采取往混合原料油中加注阻垢剂的方法。

3.1 加注阻垢剂

由于换热器B结垢造成换热效率下降是不可逆的，不能在线清洗，只能通过采取措施延缓其换热效率的下降速率，有效的解决措施之一是往混合原料油添加阻垢剂。为尽快减缓换热器B换热效率的下降速率，决定使用蜡油加氢裂化装置使用的某厂生产的加氢裂化原料油阻垢剂NS-163A。由于装置未设计有阻垢剂加注设施，故新增临时加注设施往滤后原料油缓冲罐入口加注阻垢剂。装置从2016年7月7日开始加注阻垢剂，根据换热器B的管程、壳程温差情况，加注量逐渐由150 μgg下调至50 μgg。

3.2 加注阻垢剂效果

3.2.1 阻垢剂加注后换热器B的管程、壳程温差加注阻垢剂后换热器B的管程、壳程差及焦化装置回炼轻污油量的变化见图2。从图2可以看出，加注阻垢剂后，通过6个月左右的观察，换热器B的管程温差维持在90 ℃左右，壳程温差维持在106 ℃左右，不再呈大幅下降趋势。表明在原料油中加注阻垢剂能够降低换热器B的壳程结垢速率，延缓其热效率的降低，保证装置长周期运行。

3.2.2 阻垢剂加注后反应器一床层压降 加注阻垢剂后反应器一床层压降的变化见图3。从图3可以看出，加注阻垢剂后反应器一床层压降维持在50～65 kPa，压降平稳未见明显上涨，表明加注该阻垢剂不会引起反应器床层压降升高。

图2 加注阻垢剂后换热器B的管程、壳程温差及焦化装置回炼轻污油量的变化 —换热器B壳程温差; —换热器B管程温差; —焦化装置回炼轻污油量

3.2.3 阻垢剂加注后对柴油产品质量的影响 加注阻垢剂后柴油产品质量分析数据见表4。从表4可以看出：加注阻垢后，柴油产品的主要控制指标闭口闪点大于57 ℃，密度(20 ℃)小于845 kgm3，硫质量分数小于13 μgg，十六烷值大于49，与阻垢剂加注前相比未发现明显异常；其它各项指标也均正常。表明加注该阻垢剂后不会影响柴油产品的质量。

图3 加注阻垢剂后反应器一床层压降的变化

项 目2016-06-202016-06-272016-07-042016-07-112016-07-182016-07-25闪点(闭口)∕℃71676966727295%馏出温度∕℃359356.8355.2359.4344.9354.4密度(20℃)∕(kg·m-3)839.4837.2842.7832.4836.3838.3凝点∕℃-9-8-14-9-10-5w(硫)∕(μg·g-1)7.512.210.911.58.110.4十六烷值52.052.551.850.952.152.8w(氮)∕(μg·g-1)589371785562铜片腐蚀∕级1a1a1a1a1a1a

4 结 论

由于焦化装置回炼轻污油导致焦化汽柴油加氢装置原料油高压换热器壳程结垢，造成换热器换热效率大幅下降。采取往原料油中加注阻垢剂的方法，能够有效延缓换热器壳程结垢，换热器B的管程温差维持在90 ℃左右，壳程温差维持在106 ℃左右，换热温差维持平稳，减缓了换热效率的进一步下降；加注阻垢剂后反应器一床层压降维持在50～65 kPa，并未影响反应器床层压降的升高；加注阻垢剂后柴油产品的各项指标均正常，未影响柴油产品质量。有效地解决了原料油高压换热器B由于壳程结垢而导致换热效率大幅下降的问题。

[1] 姚立松，戴天林.煤油加氢反应产物换热器结垢分析[J].炼油技术与工程，2014，44(9)：44-46

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[3] 金德浩，刘建晖，申涛.加氢裂化技术问答[M].北京：中国石化出版社，2006：136-137

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[5] 金爱军，卫建军.延缓高压换热器结垢的措施与分析[J].炼油技术与工程，2010，40(4)：37-41

[6] 张飞，杨俊华，杨俊凤.JAF-2阻垢剂在加氢装置中的应用[J].石油化工腐蚀与防护，2015，32(2)：57-60

REASON ANALYSIS OF EFFICIENCY DECLINE OF HIGH PRESSURE HEAT EXCHANGER AND COUNTMEASURES

Liu Xiaochuan

(CNOOCHuizhouPetrochemicalCo.Ltd.，Huizhou，Guangdong516086)

The problem of rapid efficiency decrease of the high pressure heat exchanger for product and raw material in the coking gasoline/diesel hydrotreating unit in CNOOC Huizhou Petrochemical Co.Ltd.was analyzed based on the operation parameters and heat exchanger fouling mechanism.It is thought that the problem is caused by fouling in shell-side of the heat exchanger B and can be solved by adding scaling inhibitor into raw materials，which effectively delays the scaling and slows down further the decline of the heat transfer efficiency.Long-term operation shows that the inhibitor has no obvious effect on the pressure drop of the catalyst bed and does not affect the quality of the diesel product.

high pressure heat exchanger； shell-side； scaling； scale inhibitor

2017-01-22； 修改稿收到日期： 2017-02-20。

刘孝川，工程师，主要从事加氢方面的生产技术工作。

刘孝川，E-mail：liuxch14@cnooc.com.cn。