乙烯裝置汽油分餾塔急冷泵氣蝕致氣蝕的分析

乙烯裝置汽油分餾塔急冷泵氣蝕致氣蝕的分析

一、急冷油泵出現(xiàn)北京燕山化工公司化工勘探廠的汽油裝置采用壓裂油擠出塔框架的快速冷泵。在下層塔的自聚合過程中，由于材料的自聚合，制造困難，20世紀(jì)90年代10月底，由于水泵數(shù)量不足，出現(xiàn)了安全隱患，生產(chǎn)波動(dòng)，導(dǎo)致油壓機(jī)操作惡化，這成為冬季苯基停車的原因。關(guān)于急冷油泵出現(xiàn)的問題,由于現(xiàn)象復(fù)雜,對(duì)生產(chǎn)影響嚴(yán)重,有必要將其原因搞清楚。我曾經(jīng)歷事故始末,通過調(diào)查研究和理論分析,認(rèn)為急冷油泵出現(xiàn)的問題有以下3個(gè)因素:(1)急冷油泵出現(xiàn)的4次不上量異常是泵的氣蝕所致,而不是塔釜抽空;(2)急冷油泵產(chǎn)生氣蝕最大的誘發(fā)因素是水,而不可能是塔操作液泛;(3)汽油分餾塔第二層塔填料堵塞,塔填料中氣液傳熱傳質(zhì)狀況惡化,回流汽油瞬時(shí)帶水,且過冷回流汽油冷激塔頂氣相,使之冷凝產(chǎn)生的水有可能抵達(dá)塔釜,導(dǎo)致暴釜和急冷油泵氣蝕。為了進(jìn)一步弄清事故真相,提高乙烯生產(chǎn)技術(shù)水平,本文對(duì)急冷油泵氣蝕原因進(jìn)行探討。二、天然氣侵蝕的開始和結(jié)束1.vc的采出液急冷油泵(設(shè)備位號(hào)GA-102A、B、C)是乙烯裝置中十分重要的大型運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備,共有三臺(tái),正常生產(chǎn)時(shí)兩運(yùn)行一備用。單臺(tái)泵流量880—1300m3/h,揚(yáng)程104米,驅(qū)動(dòng)功率570千瓦,為14×23HVC一級(jí)離心式。急冷油泵的作用是將汽油分餾塔塔釜的急冷油采出并送往三個(gè)方向:其一是送燃料油汽提塔,經(jīng)汽提后從塔釜采出作為乙烯焦油(重質(zhì)燃料油)產(chǎn)品送罐區(qū),這部分急冷油流量約占急冷油泵總采出量的1%左右;其二是經(jīng)稀釋蒸汽發(fā)生器(EA-124)回收熱量后,去裂解爐區(qū)的急冷器,用于裂解氣的進(jìn)一步冷卻,然后與裂解氣一起返回汽油分餾塔,這部分急冷油流量約占急冷油泵總采出量的45%左右;其三是經(jīng)稀釋蒸汽發(fā)生器(EA-124)回收熱量后,去原料輕柴油預(yù)熱器(EA-120)進(jìn)一步回收熱量后返回汽油分餾塔中部(篩板下部、折流板上部),這部分急冷油流量約占急冷油泵總采出量的54%左右。流程簡(jiǎn)圖如圖1。2.急冷油泵不上量現(xiàn)象的出現(xiàn)1989年下半年,燕化公司化工一廠乙烯裝置汽油分餾塔因第二層塔填料內(nèi)有自聚物生成并堵塞氣液通道,塔的操作壓力降開始逐步升高,1990年大檢修前已達(dá)到了14.0kPa,超出正常操作值(6.0kPa)一倍多,大檢修期間經(jīng)簡(jiǎn)單處理后再開車,已降至9.5kPa。以后,很快又以每月增加2.0kPa的速度上升,1990年10月下旬,最高已達(dá)19.5kPa。正當(dāng)汽油分餾塔的操作壓力不正常而危及乙烯生產(chǎn)的情況下,1990年10月25日,兩臺(tái)正在運(yùn)行的急冷油泵A和C突然出現(xiàn)出口壓力急劇下降,急冷油泵不上量,泵體發(fā)出陣陣喘鳴,泵出口管線劇烈振動(dòng),塔釜液面波動(dòng)。由于去裂解爐區(qū)急冷器的急冷油量減少,造成進(jìn)入汽油分餾塔的裂解氣溫度上升,繼而導(dǎo)致整個(gè)塔內(nèi)溫度自下而上迅速升高,進(jìn)料溫度最高達(dá)276℃(正常操作值約為220℃左右),塔釜溫度最高達(dá)257℃(正常操作值為190℃左右),塔頂溫度最高達(dá)138℃(正常操作值為109℃左右)。在此緊急情況下,采取的措施見表1。這些措施采取后,經(jīng)過一段相持時(shí)間,塔操作進(jìn)入良性循環(huán),逐步恢復(fù)正常操作。此后不足一周的時(shí)間內(nèi),急冷油泵以相同的現(xiàn)象又反復(fù)出現(xiàn)過3次泵不上量,10月31日的最后一次竟然將A泵出口管線上的一個(gè)放空閥門振開,為了避免可能擴(kuò)大事態(tài),乙烯裝置后系統(tǒng)采取了緊急措施,乙烯產(chǎn)品曾停產(chǎn)4小時(shí)。綜合來看,急冷油泵的4次不上量現(xiàn)象的出現(xiàn),都首先是泵出口壓力低報(bào)警,泵喘鳴,出口管線振動(dòng),隨后塔內(nèi)溫度上升;CENTUM操作計(jì)算機(jī)記錄的塔釜溫度趨勢(shì)曲線,在泵不上量前都出現(xiàn)過低谷。三、氣蝕原因分析1.乙烯裝置停車關(guān)閉后,泵不上量,振動(dòng)原因分析圍繞著急冷油泵的4次出現(xiàn)的不上量問題,在塔內(nèi)狀況尚不明朗而急冷油粘度又不高時(shí),人們根據(jù)當(dāng)時(shí)的調(diào)查結(jié)果,對(duì)原因作出了各種推測(cè),歸納起來主要有以下3條:(1)可能是塔釜液面計(jì)偏差較大或失靈,(2)可能是塔釜泵吸入口堵塞,(3)可能是塔二段填料堵塞產(chǎn)生的不明故障。1990年11月5日,乙烯裝置被迫臨時(shí)停車搶修汽油分餾塔,更換了第二段塔填料,并對(duì)塔釜進(jìn)行了檢查,結(jié)果表明,液面計(jì)完好,泵吸入口無(wú)異物,急冷油泵過濾器也沒堵,因此排除了塔釜液面計(jì)有問題和泵吸入口堵塞的推測(cè)。這樣,導(dǎo)致泵不上量并產(chǎn)生振動(dòng)的原因在上述第3條的基礎(chǔ)上又產(chǎn)生了新的不同推測(cè),歸納起來大致有以下4條:(1)可能是塔內(nèi)第二層填料液泛,導(dǎo)致塔釜空塔;(2)可能是泵的流量大,在非正常操作區(qū);(3)可能是輕組份進(jìn)入泵內(nèi);(4)水進(jìn)入汽油分餾塔塔釜引起“暴釜”。筆者以為,第一條推測(cè)無(wú)法解釋塔操作液泛時(shí)塔壓差應(yīng)急劇上升這一特征在此并未出現(xiàn)的事實(shí);由于急冷油泵不上量的現(xiàn)象是在正常操作情況下出現(xiàn)的,第二條推測(cè)顯然也站不住腳;第三條推測(cè)忽略了輕、重油品是彼此互溶的,該泵每年大檢修前采出的調(diào)質(zhì)油本身就是低粘度、低沸點(diǎn)油品;只有第四條是有道理的,水引起塔釜“暴釜”,繼而有少量被抽進(jìn)了急冷油泵發(fā)生急劇汽化,導(dǎo)致泵氣蝕,是急冷油泵4次不上量的原因。四、急冷油泵氣蝕通過分析急冷油泵不上量事故前后的很多現(xiàn)象與操作記錄,同各班操作人員進(jìn)行的廣泛調(diào)查,以及征求了一些專家和教授的意見,就汽油分餾塔中水的來源和作用提出了以下推論和個(gè)人看法。急冷油泵入口急冷油的溫度一般為190℃左右,比重>0.95,根據(jù)全塔物料狀況看,低沸點(diǎn)物質(zhì)只有兩類:一是輕質(zhì)油,二是水。前已述及,輕質(zhì)油與急冷油是互溶的,且輕質(zhì)油比重也小,乙烯裝置急冷油泵尚有用裂解汽油作為沖洗油和密封油的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn),所以輕質(zhì)油即使有也不會(huì)造成急冷油泵氣蝕抽空。這樣,所剩的唯一懷疑對(duì)象就只有水了。水的沸點(diǎn)低,比重大,汽化潛熱高,可以造成急冷油泵氣蝕。由表2可見,汽油分餾塔的平均操作數(shù)據(jù)1990年10月與1988年10月比較,塔頂溫度下降了2℃,塔釜溫度下降了7℃,進(jìn)料溫度下降了30℃。六、汽油分餾塔內(nèi)的水的存3·急冷油泵氣蝕發(fā)生后,去爐區(qū)急冷器的急冷油量銳減,導(dǎo)致裂解氣溫度升高,整個(gè)汽油分餾塔溫度升高,促進(jìn)了塔釜中水的汽化。4·在處理急冷油泵氣蝕過程中,由于加大了汽油分餾塔的回流汽油量,急冷水沉降槽中裂解汽油側(cè)的液面迅速降低,消除了回流汽油中帶水的問題,加上其它補(bǔ)救措施,氣蝕現(xiàn)象消除,生產(chǎn)漸趨良性循環(huán)。1990年11月13日后,乙烯裝置開車運(yùn)行,汽油分餾塔通過搶修更換了第二層塔填料,消除了生產(chǎn)隱患,塔釜溫度記錄曲線無(wú)波動(dòng)現(xiàn)象,證明新填料良好的傳熱傳質(zhì)性能已阻擋了水的下降。全塔的各項(xiàng)操作參數(shù)已基本恢復(fù)原狀。1.造成急冷油泵氣蝕的最大禍?zhǔn)卓赡苁撬?。塔釜有液面又發(fā)生了氣蝕的原因有兩種可能性:一是泵入口阻力大,二是低沸點(diǎn)物質(zhì)進(jìn)入了泵內(nèi)。入口阻力大的可能性通過當(dāng)時(shí)的操作記錄、塔釜開人孔查檢和過濾器的檢查證明是不存在的;這樣,就只有一個(gè)可能性——低沸點(diǎn)物質(zhì)進(jìn)入了泵內(nèi)。2.汽油分餾塔中的液態(tài)水來源于上升裂解氣中凝結(jié)和回流汽油挾帶。認(rèn)真分析進(jìn)入汽油分餾塔各股物料的情況,可幫助我們尋找水源。進(jìn)入該塔的氣相物料都是帶水蒸汽的,但數(shù)量以裂解氣進(jìn)料最大,“8+1”(8臺(tái)輕柴油裂解爐和1臺(tái)乙烷裂解爐)生產(chǎn)時(shí),水蒸汽入塔量達(dá)105t/h。根據(jù)該塔原設(shè)計(jì)的正常操作狀態(tài),是不會(huì)有水從塔頂凝出的,但是,乙烯裝置1984年的一項(xiàng)技術(shù)改造,使回流的裂解汽油通過原料輕柴油預(yù)熱器(EA-119)進(jìn)一步冷卻,回流溫度比原來降低了28℃左右,這樣,進(jìn)塔的回流汽油溫度不足60℃,盡管表面上看塔頂氣相溫度110℃左右,然而,查閱水蒸汽的焓熵圖可知,氣相中50%以上水蒸汽,在此操作壓力下,90℃時(shí)就會(huì)冷凝出液態(tài)水,何況回流溫度低于60℃。這樣,在汽油分餾塔的第一層塔填料的上部,上升的裂解氣冷凝出的液體是含水的,不過,當(dāng)汽油分餾塔內(nèi)的汽液兩相傳質(zhì)情況良好時(shí),冷凝出來的少量水下降到一定程度就又汽化了,如圖2A;當(dāng)汽油分餾塔內(nèi)的汽液兩相傳質(zhì)情況不好時(shí),水的下降程度就難確定了,如圖2B。3.汽油分餾塔中液態(tài)水的確存在。認(rèn)真分析離開汽油分餾塔各股物料的情況,可幫助我們認(rèn)識(shí)水的存在。離開該塔的液相物料有3股,都是油品:從兩層塔填料之間采出的是輕質(zhì)燃料油,第二層填料下部采出的是循環(huán)熱油,塔釜采出和返回的是急冷油。(1)輕質(zhì)燃料油中有水,該油采出后存于FB-704罐作為蒸汽過熱爐的燃料。調(diào)查結(jié)果表明,本次汽油分餾塔搶修前,該罐切水量明顯較大,某操作人員曾將切水倒淋閥開了近十扣,排水達(dá)數(shù)分鐘;同是此人在該塔拆換塔填料搶修結(jié)束,正常開車后再切水時(shí),僅開兩扣,約排一分鐘就完了。(2)循環(huán)熱油中帶水,為了研究汽油分餾塔的結(jié)垢原因,化工一廠廠研究所10月11日取回的循環(huán)熱油因帶水,造成做蒸餾試驗(yàn)過程中燒瓶爆炸。(3)急冷油中如果有水,立即會(huì)產(chǎn)生“暴釜”(沸騰的油中進(jìn)水發(fā)生的急劇汽化現(xiàn)象),因?yàn)樗谋戎卮?汽化潛熱也大,塔釜溫度高,水急劇汽化時(shí)要吸收大量的熱量,會(huì)使系統(tǒng)溫度降低。這一點(diǎn),恰好有當(dāng)時(shí)的現(xiàn)象和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的趨勢(shì)記錄加以證明。以最后一次泵不上量為例,汽油分餾塔塔釜溫度突然由189℃下降到162℃,緊接著急冷油泵不上量,塔釜有很大響動(dòng)聲,這是十分典型的“暴釜”現(xiàn)象,非水不能扮演此角色。4.汽油分餾塔第二層塔填料內(nèi)聚合結(jié)垢堵塞,下塔折流板沖翻,失去了阻水的最后屏障。若塔填料完好,塔內(nèi)的汽液兩相傳質(zhì)情況良好時(shí),冷凝出來的少量水是不可能下降到塔釜的,如圖2A;但是,由于汽油分餾塔塔填料內(nèi)結(jié)垢堵塞,使塔內(nèi)的分離狀況大大劣化,阻擋不了水的下降,因?yàn)?(1)回流裂解汽油是過冷進(jìn)料,第一層填料上部的一部分主要作用是僅僅傳熱而不是傳熱和傳質(zhì),這樣,上升裂解氣中冷凝水的形成點(diǎn)和汽化點(diǎn)位置就下移;(2)兩層塔填料的高/徑比均在0.5左右,大大低于一般填料塔,因此,一旦出現(xiàn)氣、液短路的溝流、壁流現(xiàn)象,塔填料就沒有液體再分布能力了;(3)汽油分餾塔拆換第二層塔填料的搶修期間,進(jìn)塔檢查發(fā)現(xiàn),下塔的7層折流板有3層沖翻,如圖3所示,使可能阻水下降的最后一道屏障也失去作用。5.汽油分餾塔全塔溫度分布低,消弱了水的汽化速率。由于第二段塔填料因物料自聚堵塞,為減緩塔內(nèi)的這種自聚速率,延長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間,該塔不得不采取了降溫操作措施,“8+l”生產(chǎn)負(fù)荷的操作數(shù)據(jù)對(duì)比如表2。不難解釋,由于塔內(nèi)溫度降低,傳熱溫差減小,導(dǎo)致傳熱量減少,液態(tài)水的汽化速率亦減慢。1.綜上所述,急冷油泵不上量的原因?yàn)?回流汽油短期帶入從上升裂解氣中凝結(jié)出的水,又由于塔填料堵塞,