腐蚀完整性管理在芳烃抽提装置中的应用

2022-11-11夏康哲垢野张颢骞李晓鹏苏靖智

辽宁化工 2022年10期

夏康哲，垢野，张颢骞，李晓鹏，苏靖智

（沈阳鼓风机集团测控技术有限公司，辽宁沈阳 110869）

采用环丁砜萃取工艺提取轻芳烃是工业上生产苯、甲苯以及混合二甲苯的常用方法。环丁砜对芳烃组分的选择性较高，是一种良好的有机溶剂，但其劣化腐蚀问题却不容忽视，环丁砜性能的稳定性，将会直接影响芳烃抽提装置的运行安全，更会对芳烃抽提有效性造成影响[1]。腐蚀完整性管理是指对腐蚀管理的完整性进行审核、定期监测并在投产后评估效果的整个过程。运用完整性管理对装置进行评估，可以有效的预防和监控腐蚀情况的发生。

1 芳烃抽提工艺

工业上常用的芳烃抽提工艺分为两类，即液液抽提技术和抽提蒸馏技术。液液抽提技术的原理是利用溶剂对芳烃和非芳烃的溶解度不同而改变其在两相中的分配，从而实现将芳烃分离的一种工艺。而抽提蒸馏技术与液液抽提技术不同，它是通过加入溶剂改变组分间的相对挥发度，从而在抽提精馏塔内实现芳烃和非芳烃的分离［2］。在近几年的抽提装置中，抽提蒸馏装置的应用明显要多于液液抽提装置［3］。目前国内常用的抽提蒸馏工艺有sulfolane工艺、GT-BTX 工艺以及SED 工艺。尽管每种工艺在流程上都不尽相同，但是基本原理都是采用环丁砜作为溶剂对芳烃组分进行萃取，其腐蚀机理及部分大致相同，本文以sulfolane 工艺为例进行阐述。

环丁砜作为溶剂在抽提蒸馏塔内将芳烃组分萃取后，由塔底输送至溶剂回收塔，塔顶得到非芳烃组分，即抽余油。在溶剂回收塔中利用芳烃和环丁砜的沸点差异将两者分离，塔顶得到目的产品芳烃组分，塔底采出的大部分环丁砜被回收热量后作为循环溶剂返回至抽提蒸馏塔，小部分通过溶剂再生塔去除溶剂降解产生的杂质后返回溶剂回收塔。纯净的环丁砜凝点较高，因此在运输及使用过程中通常添加一定量水用于降低其凝点。同时水在萃取过程中可以有效的提高环丁砜的选择性，因此在装置运行过程中需间断注水。由于环丁砜在高温下会产生降解，因此溶剂回收塔通常在负压下操作，以便塔内组分在相对较低的温度下可以更好的分离。

2 腐蚀完整性管理

腐蚀的完整性管理是指对腐蚀管理进行审核、检测及效果评估的完整性过程。具体来说就是依据装置存在的不同腐蚀机理绘制出腐蚀回路图，通过基于风险的检验（RBI）提出完整性操作窗口（IOW），并对运行数据进行监测并不断反馈回腐蚀控制方案，整个过程形成闭环。近些年来，完整性管理正逐步成为各大石化企业进行设备单元安全管理的重要方法［4］。通过前瞻性、科学化的腐蚀管理，可以降低设备的腐蚀问题发生率，延长维修周期，提高工作效率，降低腐蚀成本［5］。

2.1 腐蚀回路图

依据装置介质、工况及腐蚀机理的不同绘制出装置的腐蚀回路图。腐蚀回路图中除了包含腐蚀回路的划分及腐蚀机理外，还将装置工艺参数、腐蚀监测点、重点腐蚀部位的完整性操作窗口等腐蚀相关的要素展示其中，便于管理人员和操作人员查阅。当发生腐蚀问题时，可在图中查到对应位置的腐蚀机理，同时举一反三，对同一腐蚀回路相似位置的其他设备，及时采取有效的检测，做到防患于未然。

2.2 基于风险的检验（RBI）

RBI 是在追求系统安全性与经济性统一的理念基础上建立起来的一种优化检验策略的方法［6］。目的是保障设备的安全、提高企业的管理水平、提高技术人员的技术水平、优化检验策略。RBI 技术很好的将腐蚀机理融入到检验分析计划中，使装置风险的评估具有了前瞻性。

如图1所示，RBI 技术由失效概率和失效后果两部分组成，在5×5 的风险矩阵上，将评估结果通过数据排列。在位置上可以看出，位于风险矩阵右上角的设备风险最高，将最有可能先进行检验。同理，位于风险矩阵左下角的项目风险最低，其检验优先级往往较低。通过RBI 技术，可以更为准确及时的识别预测到设备存在的故障风险以及故障发生的概率，从而减少事故的发生［7］。

2.3 完整性操作窗口（IOW）

一个完整的RBI 程序需要依靠完整性操作窗口（IOW）的建立和实施来避免事故的发生。由API RP 584 可知，完整性操作窗口是装置工艺运行参数界限的一个子集，其目的是将可能影响设备完整性或可靠性的任何变量都得到有效的控制。如果缺乏有效的基于完整性操作窗口的工艺控制，为了找出因缺乏工艺控制而带来可能产生的问题，操作人员往往需要进行经常性的检验。而由于这种检验是基于猜想进行的，因此这样的检验缺乏安全性和经济性。完整性操作窗口建立后，需要进行有效的数据搜集，包括监测仪表的显示和报警以及取样样品的分析报告，从而逐步建立起IOW 数据库。通过数据库反馈回腐蚀回路图中，不断地更新、修正完整性操作窗口，从而使整个完整性管理能够更加贴近生产实际，这样就完成了整个完整性管理的全过程。

3 应用分析

3.1 腐蚀机理

芳烃抽提装置的腐蚀主要源自于环丁砜高温氧化和水解，部位多集中于高温循环溶剂系统中。环丁砜在高温含氧条件下会分解为丁二烯和SO2，丁二烯聚合成高分子有机物会堵塞设备及管线，而SO2被氧化生成硫酸造成设备的腐蚀。环丁砜水解会形成磺酸化合物，由于水在运行过程中是不可或缺的，因此环丁砜的水解几乎使不可避免的。同时水中聚集的微量氯离子、酸类物质，为金属发生电化学腐蚀提供了所需的溶液环境［8］，水含量的增加会加速环丁砜对碳钢材料的腐蚀。当水的质量分数超过3%时，环丁砜急剧劣化，环丁砜溶液的腐蚀性显著增强［9］。另外环丁砜中夹带的环丁烯砜也易分解成酸性物质造成腐蚀。装置内设置溶剂再生塔的目的便是能够及时的将环丁砜的降解产物排除，通常溶剂再生塔的清理周期为3～6 个月。

由于上游重整装置需要在系统中注氯，因此芳烃抽提原料中几乎不可避免会携带氯离子。氯离子在溶剂循环系统聚集，易造成点蚀或应力腐蚀开裂。另外由于雨水、蒸汽伴热管线的泄露以及循环水中夹带的离子、微生物等也会使装置出现不同程度的保温层下腐蚀和循环水系统腐蚀。

3.2 工艺防腐方案

在循环溶剂系统中设置在线监测系统可以有效的监控装置的腐蚀状况，目前常用的两种监测手段是腐蚀探针和在线测厚系统。腐蚀探针是采用监测部位相同材质、规格的探针插入工艺介质中，通过测量探针在工艺介质中腐蚀时的电阻值的变化，推算金属在工艺介质中的腐蚀速度，从而间接的反应处被测部位设备壁厚的变化。这种监测方式灵敏度高，但不易在线维修更换，不适合在高腐蚀工况下使用。在线测厚系统是通过计算超声波在被测物体表面产生表面回波信号的时间差来精准测量金属材料的厚度。监测系统可在线安装在设备外表面，无需停工，易维修和更换。监测系统推荐的安装位置为贫溶剂、富溶剂以及再生溶剂管线。

腐蚀回路图（见图2）中标注了工艺防腐的控制指标，即IOW。上游原料重整油中夹带的S、O、Cl 等微量离子会在循环溶剂中累积，因此严格控制原料油中杂质的含量。溶剂在循环过程中不可避免会存在一定量的损失，因此需不定时的对系统补充新鲜溶剂。补充溶剂存储在常压储罐中，储罐应处于氮封状态，严格杜绝空气进入，定期对补充溶剂的pH 值、氧含量等指标进行监控，避免溶剂降解。

另外，为了避免溶剂降解，循环溶剂系统的温度一般控制在180 ℃以下，装置再沸器热源通常使用由4.0 MPa 蒸汽减温减压后得到的2.2 MPa 蒸汽，蒸汽的温度控制在220 ℃以下。在设备设计选型时一般选用插入式再沸器，即再沸器管束整体插入嵌入到塔体内，这样可以使介质更好的转热，避免局部溶剂受热造成降解。同时需确保负压系统的密闭性，防止外界氧气进入，可减缓环丁砜溶剂的氧化分解［10］。

循环溶剂的水质量分数一般控制在1.0%以下，这样既可以在工艺上提高溶剂的选择性、提高芳烃纯度，又可以避免由于水含量过高带来的溶剂降解。溶剂系统中pH 值一般通过添加单乙醇胺来控制，需要注意的是过量的单乙醇胺会在系统中形成新的胺盐沉淀物，造成新的腐蚀，因此循环系统的pH值往往控制在6.0～8.0。

贫溶剂过滤器设置在循环溶剂进入抽提蒸馏塔入口处，其目的是除去溶剂中的杂质和胶质。常用的过滤器形式一般有烧结网式和棉线缠绕式。由于前者可以频繁的切除清理，因此从装置运行成本考虑推荐使用，尤其是在溶剂系统刚刚投入使用时。虽然清理溶剂过滤器在一定程度上造成溶剂的损失，但可以有效的提高溶剂运行质量。建议在装置运行初期提高清理过滤器频率，以达到净化循环溶剂的目的。

目前环丁砜溶剂在线净化技术已经在芳烃抽提装置上得到了一定程度上的应用。在多种在线净化技术中，阴离子交换树脂法的效果最佳。其原理是利用阴离子交换树脂来脱除环丁砜溶剂中的酸性物质，并通过碱再生树脂达到连续脱除酸性物质和氯离子的目的。工业上使用的结果表明，系统中环丁砜溶剂的pH 值上升，颜色变淡，芳烃抽提装置的性能得到有效提升［11］。

升级设备材质也是工业上进行腐蚀防护的常用方法。在含水的循环溶剂系统中，304 不锈钢和316L不锈钢比20 号碳钢更耐腐蚀，因此将与溶剂相关的换热器管线部位改用不锈钢材质也可以有效的减缓腐蚀［12］。

通过使用RBI 技术分析，芳烃抽提装置除溶剂循环系统外的其他部位腐蚀情况均不严重，因此不必投入过多的力量进行监控管理。装置内涉及到的蒸汽系统、循环水系统及保温层下存在的腐蚀的防护方法与其他装置类似。