气体分馏装置湿式空冷器运行优化改造与建议

李廷(中国石油四川石化有限责任公司，四川 成都 611930)

0 引言

中国石油四川石化有限责任公司60万吨/年气体分馏装置，以催化裂化装置所产液化气为原料，通过精馏塔、重沸器、空冷器及后冷器等，分离出目标产品。装置自2014年建成投入运行以来，塔顶湿式空冷效率成为装置安全平稳运行的瓶颈问题。气分装置脱丙烷塔、丙烯精馏塔、脱异丁烷塔分别配置3台、8台、4台塔顶湿式空冷，3个塔系统各配置一个总上水调节阀，水箱内的除盐水通过管道泵输出，再通过管道泵出口分布的多个雾化喷头将除盐水雾化后，喷洒至塔顶气相翅片上进行冷却降温。开工后，逐渐暴露出喷头频繁堵塞、水箱内锈渣沉积、水质变差、防腐层脱落、夏季滋生大量蚊虫以及管道泵抽空和水箱溢水外流等问题。频繁清理调整，不仅工作量十分繁重，而且造成塔系统压力大幅度波动、操作紊乱，导致产品质量和收率变差，而且压力的大幅度波动给装置运行造成了极大的安全隐患。

1 湿式空冷运行问题

气体分馏装置15台湿式空冷主要用作冷却各塔顶气相，冷却负荷能力需求很高。塔顶气相先进入湿式空冷波纹翅片，利用雾化水汽对气相介质进行冷却，之后混合气液相再进入后冷器利用循环水进行冷却进入回流罐内。湿式空冷在气体分馏装置塔顶物料冷却方面起到了关键性作用，降温幅度多达十多度，单靠后冷器根本无法满足生产亦或需要设计配备更大的冷却器[1]。

装置建成运行7年以来，除空冷效果干扰外，气分装置运行十分平稳。由于炼厂结构优化，在增设了甲基叔丁基醚装置后，脱丙烷塔底的混合碳四直接技改外送至后续装置，所以脱异丁烷塔系统处于停用状态。根据脱丙烷塔、丙烯精馏塔实际生产数据分析，在50 t/h处理量下，综合各种因素影响及长期以来的运行数据统计，塔顶空冷器在其中的冷却能力可以通过如表1所示。

表1 脱丙烷塔、丙烯精馏塔顶空冷器运行能力效果参数

从表1可以看出，脱丙烷塔顶操作温度空冷器前后的温降达9.1 ℃，丙烯精馏塔顶操作温度空冷器前后的温降达5.9 ℃，所以可以看出塔顶空冷器在顶气相冷却能力中起着非常重要的作用。

1.1 管道泵入口位置过低，清理任务繁重

通过长期观察总结，发现空冷水箱底层一般在10 d左右就会沉积约1～2 cm厚的泥沙锈渣，而且水箱水面上也漂浮着各种防腐脱落层、蚊虫尸体等杂质。而空冷管道泵入口位置设计在水箱底层，入口没有设置任何过滤装置，直接造成管道泵将水箱内最底层的泥沙锈渣送至各喷头位置。空冷喷头采用的是不锈钢螺旋式雾化喷头，孔径只有5 mm左右，由于孔径较细，所以导致喷头经常性堵塞无法喷水，造成空冷效果变差，塔系统压力持续上升。

装置2014年首次开工期间，作为辅助设备在正式引料前空冷就全部投入运行，经过实际运行发现，一台空冷运行3～4 d，喷头就会出现堵塞情况，而且堵塞率高达70%，成为装置首次开车过程中遇到的最大困难。所以频繁清理空冷就成了装置安全平稳运行的第一要务，工作量十分繁重。清理一台空冷，最快都需要1.5 h，尤其是进入炎热夏季，空冷的冷却能力直接决定装置各塔的运行状况良好与否。

1.2 水箱内杂物堆积，水质变差

气分装置的空冷翅片上部设计为直接喷水雾化冷却翅片内的工艺气相介质，上部没有设计类似百叶窗等设施，加上风机抽力的作用，很容易将空气中漂浮的杂物吸附在空冷翅片上，再经过水流的作用最终流入水箱。其次，一方面由于空冷所用的水为除盐水，虽然经过去除各种结垢性化合物，但是总管的材质还是有锈蚀的情况，所以锈渣最终流入水箱内。水箱的设计都是涂刷的防腐层，但是长期运行中发现防腐层也容易脱落，而且脱落后形成的杂质有大有小，造成水箱的严重污染。

除冬季以外，在进入春夏秋季，由于气温适宜，加之除盐水上水的温度在32～37 ℃之间，所以成为了昆虫繁殖滋生的温床。大量的蚊虫滋生，导致大面积昆虫尸体漂浮在水面上，同样会导致进入管道泵，进而堵塞喷头。经过实际操作得出，在夏季用水量最大的情况下，气分空冷的除盐水平均流量大约40 m3/h，而进入冬季后，用水平均流量大约15 m3/h，这相当于每小时所要消耗的除盐水量，而且都通过蒸发散在大气中。在这样的情况下，通过对水箱内的水质分析，pH值显示均值为6.5，而除盐水的pH值为8.6。由于除蒸发外的水，其余都是通过管道泵循环使用，与空气的不断接触导致水质的变化，对空冷翅片极为不利。

1.3 水箱水位难以控制

装置水箱的液位控制，也是该装置的缺陷之一。如图1所示。脱丙烷塔的上水控制为一个总上水调节阀，之后分出3路作为3个水箱的上水，每个支路上都有一个需要人为手动调节操作的手阀，且只有在空冷A水箱设置了远传液位，与调节阀形成控制回路，也就是此调节阀只能控制水箱A的液位情况，至于水箱B、C的液位几乎完全依靠操作员不断进行现场调整才能保证其液位不空也不外溢流。同理，脱异丁烷塔也是同样的设置，而且多了一个水箱，总共为4个；丙烯精馏塔有8个水箱，控制支路设计越多，越难控制各水箱的水位，所以经常发生管道泵因为水箱液位底而抽空的现象和水箱液位过高导致大面积水外溢流落至地面。

图1 湿式空冷现场流程结构

同样如图1显示，设计之初加设了高液位溢流线(Φ40 mm)和15台水箱连通平衡线(Φ80 mm)，按照设计的原理不会存在水箱缺水或者溢流的问题，但是实际运行中溢流线、连通平衡线却没有起到溢流和平衡的作用。首先，溢流线设置的位置过高，高于水箱水槽与斜坡连接的位置，由于连接位置采用螺栓紧固的方式，所以一旦水位高于连接处就会发生漏水的现象；其次，由于平衡线相当于连在一起的15个U型弯，平衡线的位置又过高，加上管径较小，所以在实际运行中起到的作用完全不够平衡15个水箱的液位，而且平衡线没有排凝设计，导致大U型弯整个底部水平段极容易沉积铁锈泥渣，无形中又再次削弱了平衡线的作用。

2 技措技改措施

对于上述提到的空冷运行过程中出现的各类问题，实施了各项精准技改。目的就是要通过各种技措技改，确保湿式空冷能够达到装置冷却效果要求，进而保证气体分馏装置能够平稳安全生产。

2.1 抬高管道泵入口管位置，并增加滤网、滤箱

首先针对管道泵入口位置的设计，进行了一系列的技改。将水泵入口管线加长至2.5 m，并同时抬高管线高度约15 cm，采用多孔式分布入口不锈钢管线，并在管线上包敷3层20目的过滤网。为更进一步降低杂物进入管道泵堵塞喷头，又在入口管线上增加一个1 m长、36目的过滤箱，相当于共有4层过滤网来保证进入管道泵入口的除盐水尽量降低杂质携带，以防堵塞喷头，从而进一步保证空冷的喷淋冷却效果。

如图2所示。经过对水箱管道泵入口的改造后，空冷清理喷头频次从1 d/次减少到7 d/次，空冷水箱清理频次从7 d/次减少到12 d/次，虽然清理频次均有所降低，但还是没有彻底解决空冷喷头堵塞问题。

图2 水箱内部管道泵入口技改后现场图

2.2 定期换水、喷涂防腐材料、更换喷头

空冷管道泵入口问题改善后，缓解了装置运行空冷清理工作量，但当进入炎热夏季，仍然会因频繁清理空冷而导致操作紊乱。因为清理空冷水箱时间较长，这样造成在清理过程中对应塔系统经常性发生压力超出控制指标范围，整个塔操作紊乱，很难达到组分分割要求。

经过多家同类装置考察，利用冬季气温低，各塔系统对空冷器依赖较低的空白期，决定更换试行孔径为0.8 mm的螺旋式雾化喷头。在试验过程中，发现更换后的喷头不论是喷水雾化效果，还是喷头堵塞都较原设计喷头有了非常明显的改善。装置空冷器逐步推进对所有空冷喷头进行更换，效果十分明显。由于喷头的孔径的增加，相对应将管道泵入口管线上包敷的3层20目的过滤网减少到1层，经过这样优化后，统计1整年结果显示，气分在运的11台空冷水箱(脱异丁烷塔系统停运)一共清理水箱2次，清理喷头6次，较往年清理频次至少降低了95%以上，给装置安全平稳运行打下了坚实的基础。

同时，针对水箱水质的变化，制定了定期采样分析，定期换水的要求，确保水质的pH值在正常范围内。利用冬季气温低，部分空冷停用期间，实行全部空冷水箱内部涂刷材料等级更高的防腐层，减少了防腐层脱落现象。

2.3 增加液位控制浮球阀

水箱液位难以控制问题，装置早期也进行了相关探索研究，因为丙烯塔空冷器后面7个水箱液位无法检测，且距离较远，于是在末端空冷器增设了一个水箱液位远传显示，这样能够很好的反应水箱内整体水位情况，调整水箱液位的频次有所降低。但是由于每个水箱上水阀的开度难以调整一致，所以管道泵入口管水位低限和水箱液位满溢流情况依然存在。

目前，通过上水口处增设一固定液位控制浮球阀试验，实际运行中完全可以实现单独水箱液位控制，能够完全消除水箱液位低限或者溢流的情况。如果单独每个水箱增加调节阀控制，增加液位远传，需要增加12组，按照每组10万元计算，就需要120万元，通过这样切合实际的技改，确保效益的同时又节省了成本。

3 结论与建议

依据气体分馏装置湿式空冷实际运行过程中凸显出来的瓶颈问题，造成装置操作不稳定不安全的综合因素，通过对湿式空冷器水箱管道泵入口管线的抬高与延长，并增加一个大过滤箱，基本解决了管道泵入口吸入杂质的问题。其次通过更换孔径较大的空冷喷头，对水箱进行定期换水操作，保持水箱内除盐水pH值，防止空冷翅片腐蚀，与定期喷涂防腐材料等多项综合措施，解决了装置长期运行以来的难题，扫清障碍。同时也大大减少了清理频次，大幅降低了工作强度，节省了近百万元的检维修费用，在节能节水降耗方面起到了积极作用，旨在提高装置“安稳长满优”运行能力[2]。