污水气提装置汽提塔底重沸器换热效率低问题分析

李洪涛 荆瑞静（天津石化装备研究院）

1 现状

某炼油厂1#污水气提装置中的汽提塔底重沸器（E—3409）的作用是将150℃、0.6 MPa的酸性水用1.0 MPa蒸汽加热至161℃后汽提进入主汽提塔（T—3401）的第一层塔盘，该重沸器位于主汽提塔（T—3401）塔底。在近期的生产运行中，该重沸器换热量明显不足，需换热的酸性污水由161℃下降到153℃。该设备换热效率低下的问题已经开始对工艺操作产生影响。

1#污水气提装置中的重沸器为热虹吸式卧式重沸器，形式为封头管箱无隔板分离钩圈式浮头，其中壳程外径1600 mm，入口管线直径400 mm，壳程物料为80 t/h的含硫污水，设计换热面积905 m2。管程物料为1.0 MPa水蒸汽，管束为直径25 mm壁厚2.5 mm的碳钢光管，管长6000 mm，管间距32 mm。该重沸器工作时，含硫污水从壳体底部中间位置进入重沸器，分左右两路与管程中的水蒸气换热，并分别从设备上部两侧流出。管程侧的管箱上部为热流体入口，下部为出口。

2 分析原因

以下两种情况可能会导致重沸器换热量不足：一是重沸器壳程入口下弯管阻塞使得进重沸器物料量减少导致换热效果下降；二是重沸器管束结垢导致导致换热效果下降[1]。

2.1 应用红外热成像技术判断重沸器入口是否阻塞

应用红外热像仪对重沸器壳程入口下弯管进行检测，依据该管道形成的红外热成像图像的不同的温度的区分度来判断该管道是否阻塞[2]，图1是红外热成像图片。管道内物料实际温度在150℃左右。

重沸器壳程入口直管段红外热成像结果显示该段管线温度均匀，在142℃左右，接近管道内物料实际温度。

重沸器壳程入口管下弯管红外热成像图的分析结果显示，该段管线最下部温度为98.9℃，上部温度在144.7℃左右，温度从管道上部向底部逐渐递减，在弯管下部139℃温区骤减至132℃，并逐渐递减到底部的98.9℃，说明132℃温区开始管壁上有污泥挂壁，弯管底部有沉积物。但由于沉积物只存在于重沸器壳程入口管下弯管底部，且所占体积不大，因而对进重沸器壳程物料流速影响很小。

通过对重沸器壳程入口管下弯管红外热成像图进行分析，可以排除重沸器壳程入口下弯管阻塞使得进重沸器物料量减少导致换热效果下降。

2.2 应用aspen EDR对该重沸器进行性能核算

通过aspen EDR对重沸器进行性能核算，计算分两种工况：重沸器正常工况及重沸器管束结垢导致导致换热效果下降时的运行工况，见表1、表2。

从计算结果看，壳程出口温度在161℃左右时，该温度下重沸器的计算换热面积接近实际换热面积，设备处于正常工作状态下。而当壳程出口温度在153℃时，重沸器的计算换热面积仅为30.77m2，远小于实际换热面积，而且其换热效率仅为正常工作时的1/4。

图1 进重沸器管道下弯头及直管段红外热成像

表1 重沸器操作条件表

表2 重沸器性能核算结果表

由模拟计算结果可见，重沸器内部管束表面结垢导致该重沸器换热量不足，使得重沸器壳程内的酸性水温度由问题前的161℃下降到153℃。

该炼油厂1#污水气提装置车间根据模拟计算结果的判断，对该重沸器进行开盖检修。检修时发现该重沸器管束外表面覆盖有一层硬垢，经过化学清洗去掉硬垢后，该重沸器恢复正常，即经重沸器入汽提塔第一层塔盘酸性水温度恢复为161℃，满足工艺要求。

3 重沸器的清污时间点的确定

当该重沸器在一个完整的运行周期下运行时，分别对该重沸器下面五种工况（壳程物料出口温度为161、160、159、158、154℃）进行性能核算，得到该重沸器的换热量、当前温度下计算换热面积、换热效率、污垢热阻（表3），以及各温度下的流体温度分布图（图2～图6）。

重沸器五种工况（壳程出口温度为161、160、159、158、154℃）的分析计算结果及该重沸器管壳程冷热物流的变化趋势图表明：

表3 性能核算

图2 壳程出口温度161℃时

图3 壳程出口温度160℃时

图4 壳程出口温度159℃时

图5 壳程出口温度158℃时

图6 壳程出口温度154℃时

1）该重沸器的污垢热阻由1.79×10-4上升到4.5×10-4时，壳程出口温度由161℃下降至153℃，同时实际换热效率仅为原换热效率的四分之一、传热单元数等数值也大幅下降。

2）该重沸器壳体底部中间位置为冷流体（图中SSBulk）入口，上部两侧为冷流体出口，管箱上部为热流体入口，下部为出口。重沸器工作正常时（图2），热流体和冷流体在434 K（161℃）时交汇，此时冷流体在入口两侧各500 mm处迅速上升到432 K（159℃），并保持平稳；但当重沸器壳程内污垢增多后，冷流体出口温度不断降低[3]，当冷流体出口温度为159℃时（图4），冷、热流体交汇点分开，此时换热趋势仍与冷流体出口温度161℃时相似，但当冷流体出口温度为158℃时（图5），换热趋势产生变化，换热量大幅下降。由此可见重沸器壳程温度159℃是个值得关注的温度点，低于该温度，重沸器就会出现明显的换热不均，就应重点关注，或进行清污处理。

导致这种现象出现的原因是壳程中的两相流的相分离导致物料分层流动，引起壳程物料的轻重组分积聚，从而降低传热效果[4]。

4 结论

从以上分析可以看出，导致重沸器换热效果下降的一个主要原因就是设备运行过程中污垢热阻的增大导致可实际换热面积减小[5]。

重沸器的结垢严重影响了其热交换效果，还可能引发生产事故，影响生产设备的寿命。为提高设备的换热效率和运行寿命，对重沸器的设备管理上应着重关注以下几点：一是确定重沸器的清污时间点，使得该重沸器在出现结垢倾向时就对其进行关注；二是及时采用有效的阻垢、除垢措施以保证重沸器的换热效果，如采取短时间内以较高流速反向冲刷污水管除垢等措施以此来保证重沸器的正常运行[6]；三是在重沸器上游加装过滤装置，以使得水中的沉积物尽量被滤除。

重沸器做为冷换设备的一种形式，因此对于重沸器的设备管理同样适用于水冷器等冷换设备，如在水冷器的设备管理上同样需关注的清污时间点、水冷器阻垢措施、水冷器管束防腐涂层以及提升循环水品质等。