CN102353282A - 基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统。入口管箱侧面与出口管箱侧面之间用翅片管束并联连接。或入口管箱侧面与中间管箱侧面之间用翅片管束并联连接，中间管箱的侧面下部布设翅片管束并联与出口管箱侧面连接。或入口管箱侧面与第一中间管箱侧面之间用翅片管束并联连接，第一中间管箱在布设翅片管束进口的侧面下部布设翅片管束并联与下一中间管箱连接，同样，最后一个中间管箱通过翅片管束并联与出口管箱侧面连接。在入口管箱上布设两个进口，在出口管箱上布设两个出口。本发明解决加氢REAC系统首管程的NH4Cl盐沉积和末管程NH4HS盐引起的多相流冲蚀，提高加氢系统安全运行周期，可推广应用于类似装置的空冷器系统。

Description

基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统
技术领域
本发明涉及一种反应流出物空冷器管束系统，具体地说是涉及一种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统。
背景技术
石油化工、煤化工行业是我国能源工业的重要支撑。加氢裂化反应流出物空冷器（Reactor Effluent Air Coolers, REAC）是劣质油清洁化、重质油轻质化的核心设备，长期处于高压、临氢工况，极易发生沉积-冲蚀等流动腐蚀引发的非计划停工事故，已成为严重影响石油化工行业、煤化工行业健康良性发展的重要障碍，因此，加氢REAC系统的流动腐蚀失效研究一直是学术界及工程界关注的焦点问题之一。
 加氢REAC系统的失效问题由来已久，自加氢工艺投用以来，国际上频频发生的REAC腐蚀引发的装置失控事故，不仅酿成了重大的经济损失，而且严重威胁人身安全，由此引发的负面影响很大。就我国而言，随着我国加入WTO，中东高硫、含氯等重质原油尽量的逐年增加，我国许多炼油企业的加氢裂化装置相继进行了高硫扩能改造，继而发生了多起REAC管束流动腐蚀泄漏失效。为此，中国石油化工集团公司、中国石油天然气集团公司分别于2006年、2010年专门针对加氢装置进行了全国调研。调研结果表明，流动腐蚀主要发生在加氢REAC系统、换热器系统，流动腐蚀类型主要为沉积和冲蚀两种形式。课题组前期研究结果表明，加氢REAC系统的流动腐蚀机理为：反应流出物富含N、S和少量Cl元素，加氢反应后生成NH4HS、NH4Cl两种铵盐，随着反应流出物的冷却，两种铵盐直接由气相冷凝成固相堵塞管束。为防止铵盐结晶沉积堵塞管束，通常在加氢反应流出物进口注水，目的是冲洗反应流出物冷却过程中结晶沉积形成的铵盐。虽然冲洗水能够有效防止铵盐堵塞管束，但也会形成较高铵盐浓度的腐蚀性溶液，问题由堵塞变为腐蚀。因此，多相流介质的流速受到极大制约，流速过高，碳钢REAC系统会发生严重腐蚀，流速过慢，则管束又易形成垢下腐蚀。2006年中石化调研的结果显示，包括茂名石化、镇海炼化及扬子石化发生了多起铵盐流动沉积垢下腐蚀和多相流冲蚀引发的非计划停工事故，严重妨碍了装置的安全、稳定、长周期运行。
为解决加氢REAC系统的流动腐蚀失效问题，六十多年来，NACE T-8委员会、UOP公司、API协会等通过多次调研，提出将流速、腐蚀因子Kp值和含硫污水浓度作为控制REAC系统腐蚀的主要控制参数。2004年前后，在API 932-B的影响下，国内外许多石化企业将REAC系统的材质升级为INCOLOY 825，以期提高加氢REAC系统的运行周期。尽管INCOLOY 825能有效提高REAC管束的耐蚀性能，但近期亦有多起材质升级后REAC管束泄漏、爆管的事故。由此可见，若不能从工艺上、结构上对加氢REAC系统进行优化研究，单纯进行材质升级并不能从根本上攻克REAC系统的流动腐蚀难题。
本课题组长期研究发现，中东高硫劣质原油加工过程中，加氢REAC系统的结构特性是影响流动腐蚀的关键因素之一。必须通过基于流动腐蚀校核，设计适用于含氯高硫高酸原油加工的加氢REAC专用管束系统，通过优化空冷器管束结构，适用于不同原料油加工、不同工艺条件、不同运行工况下的劣质原料油加工，突破目前困扰加氢REAC系统频繁泄漏的重要难关。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统，可有效解决高硫高酸含氯原料油加工过程中加氢REAC管束铵盐结晶沉积垢下腐蚀和多相流冲蚀难题，从本质上提高加氢REAC系统的整体耐蚀能力，尤其是提高首管程耐NH4Cl、末管程耐NH4HS结晶沉积垢下腐蚀和多相流冲蚀能力，可显著提高工艺冷却效果，延长加氢REAC系统的安全稳定可靠运行周期，减少非计划停工事故的失效概率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一、第一种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统：
包括两个进口、入口管箱、出口管箱、翅片管束和两个出口；入口管箱一侧面与出口管箱一侧面之间用1排翅片管束或2～3排翅片管束并联连接，在入口管箱上面或与翅片管束连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个进口，在出口管箱底面或与翅片管束连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个出口。
所述的连接于相邻管箱之间的翅片管束称为一个管程，自入口管箱至出口管箱的管箱数量为2个，管程数量为1个。
二、第二种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统：
包括两个进口、入口管箱、出口管箱、中间管箱、翅片管束和两个出口；入口管箱一侧面与中间管箱一侧面之间用1排或2～3排翅片管束并联连接，中间管箱在布设1排或2～3排翅片管束进口的侧面下部布设1排或2～3排翅片管束并联与出口管箱一侧面连接；入口管箱上面或与翅片管束连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个进口，出口管箱底面或翅片管束连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个出口。
所述的连接于相邻管箱之间的翅片管束称为一个管程，自入口管箱至出口管箱的管箱数量为3个，管程数量为2个。
三、第三种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统：
包括两个进口、入口管箱、出口管箱、2～4个中间管箱、翅片管束和两个出口；入口管箱一侧面与第一中间管箱一侧面之间用1排或2～3排翅片管束并联连接，所述第一中间管箱在布设1排或2～3排翅片管束进口的侧面下部布设1排或2～3排翅片管束并联与下一中间管箱连接，同样，最后一个中间管箱通过1排或2～3排翅片管束并联与出口管箱一侧面连接，入口管箱上面或与翅片管束连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个进口，出口管箱底面或翅片管束连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个出口。
所述的连接于相邻管箱之间的翅片管束称为一个管程，自入口管箱至出口管箱的管箱数量为4～6个，管程数量为3～5个。
本发明具有的有益效果是：
本发明是根据原料油加工情况设计的专用加氢REAC管束系统结构，为防止第一管程管束NH4Cl结晶沉积，第一排管束可采用耐蚀性能较高的材质，且采用数量较少的管束，可有效提高管排流速，防止因流速过慢引起NH4Cl结晶沉积堵塞管束；最后一个管程为防止NH4HS引起冲蚀，在满足工艺冷却的基础上，适当增加管束数量，达到降低管排流速的效果。上述措施可有效解决加氢REAC系统铵盐沉积和多相流冲蚀问题，可切实提高加氢REAC系统的安全运行周期，预计可达到的经济效益显著，提出的专用空冷器管束系统同时可推广应用于诸多炼油企业的加氢REAC系统或类似装置的空冷器系统。
附图说明
图1是本发明的第一个实施例结构示意图。
图2是本发明的第二个实施例结构示意图。
图3是本发明的第三个实施例结构示意图。
图4是本发明的第四个实施例结构示意图。
图5是本发明的第五个实施例结构示意图。
图中：1、1’. 两个进口，2. 入口管箱，3、3’. 两个出口，4. 出口管箱，5. 翅片管束，6. 中间管箱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，为本发明的第一个实施例结构示意图。本发明包括两个进口1、1’、入口管箱2、出口管箱4、翅片管束5和两个出口3、3’；入口管箱2一侧面与出口管箱一侧面之间用1排翅片管束或2～3排翅片管束并联连接，在入口管箱2上面或与翅片管束5连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个进口1、1’，在出口管箱4底面或与翅片管束5连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个出口3、3’。图1中入口管箱2右侧面布置了1排翅片管束，1排管束中管束规格相同，即管束直径、壁厚、翅片规格均相同。其具体工作过程是：多相流工艺介质经两个进口1、1’进入到入口管箱2，然后再经入口管箱2右侧面布置的一排相同规格的翅片管束5进入到出口管箱4，最后经出口管箱4底面或与翅片管束5连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布置的两个出口3和3’流出，完成一个工艺流程。本结构中共包括两个管箱，即入口管箱2和出口管箱4，定义两个管箱之间的翅片管束称之为一个管程，本发明中自入口管箱至出口管箱4之间的管箱数量为2个，管程数量为1个。此种结构流动腐蚀的校核原则是根据散热面积和流速分别进行校核，要求管束散热面积达到工艺冷却要求，流速要满足既不发生冲蚀，又不发生堵塞的流速范围，在此基础上设计1排或多排管束数量。为防止铵盐结晶沉积堵塞管束，通常要求流速要高于现有流速，即假设现役加氢空冷器管束系统多相流工艺介质流量为                                                
Figure 485046DEST_PATH_IMAGE001
，假设管束数量为1排，单根管束直径为
Figure 2011102457427100002DEST_PATH_IMAGE002
，规定的流速大于4m/s，则可推算出现役管束数量
Figure 721861DEST_PATH_IMAGE003
的约束关系式为：
Figure 2011102457427100002DEST_PATH_IMAGE004
在满足流速的基础上，同时要考虑散热面积，假设现役达到加氢空冷器管束系统的冷却温度的单根翅片管束散热面积为，管束数量为，则总的换热面积可表达为
Figure 883032DEST_PATH_IMAGE007
，则在管束流速达到大于4.6m/s的情况下，管束数量减少为
Figure 167383DEST_PATH_IMAGE003
，故单根管束的散热面积则需要相应作出改变，即：
Figure 2011102457427100002DEST_PATH_IMAGE008
需要特别说明的是上式中
Figure 642227DEST_PATH_IMAGE009
为综合考虑换热系数、环境因素、管束内外温度场、风机等影响因素下的修正系数。
该结构中采用单管程管束的形式，在提高管束流速的情况下，管束数量势必减少，故散热面积达不到工艺要求，因此在减少管束数量时，必须增加单根管束的散热面积，开大位于空冷器底部的风机，以提高工艺冷却效果。
如图2、图3所示，分别为本发明的两个实施例结构示意图。图2和图3中，包括两个进口1和1’、入口管箱2、出口管箱4、中间管箱6、翅片管束5和两个出口3和3’；入口管箱2一侧面与中间管箱6一侧面之间用1排或2～3排翅片管束并联连接，中间管箱6布设1排或2～3排翅片管束进口的侧面下部布设一排或2～3排翅片管束并联与出口管箱4一侧面连接；入口管箱2上面或与翅片管束5连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个进口1、1’，出口管箱4底面或翅片管束5连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个出口3、3’。图2和图3所描述的结构中共三个管箱，即入口管箱2、中间管箱6和出口管箱4；图2中入口管箱2和中间管箱之间用2排翅片管束并联连接，中间管箱与出口管箱用1排翅片管束连接；图3中入口管箱2和中间管箱采用3排翅片管束并联连接，中间管箱与出口管箱用1排翅片管束连接。针对图2和图3两种结构，入口管箱和中间管箱之间的翅片管束称之为第一管程，中间管箱和出口管箱之间的翅片管束称之为第二管程。为防止加氢空冷器管束系统铵盐结晶沉积堵塞，第一管程管束的管束材质采用耐蚀性能较好的Incoloy 825或2205，第二管程管束由于已经存在足够的液态水，可采用性能较低的碳钢材质。假设的第一管程管排数为
Figure 2011102457427100002DEST_PATH_IMAGE010
，图2中=2，图3中
Figure 993471DEST_PATH_IMAGE010
=3，加氢空冷器管束系统的流量为
Figure 245460DEST_PATH_IMAGE001
，单根管束直径为
Figure 145283DEST_PATH_IMAGE002
，则第一管程一排管束的数量
Figure 524443DEST_PATH_IMAGE011
约束条件为：
Figure 2011102457427100002DEST_PATH_IMAGE012
同理，对于最后一管程管束，其管束排数为1排，假设管束数量为
Figure 888428DEST_PATH_IMAGE013
，限定其流速为了防止NH4HS引起多相流冲蚀，其流速满足：
Figure 2011102457427100002DEST_PATH_IMAGE014
在管束满足流速的基础上，考虑管束散热面积，假设现役达到加氢空冷器管束系统的冷却温度的单根翅片管束散热面积为
Figure 249003DEST_PATH_IMAGE005
，管束数量为
Figure 947706DEST_PATH_IMAGE006
，则总的换热面积可表达为
Figure 317508DEST_PATH_IMAGE007
，则在满足流速的条件下，一排管束数量为
Figure 270420DEST_PATH_IMAGE011
，故单根管束的散热面积则需作出相应改变，即：
上式中
Figure 489360DEST_PATH_IMAGE009
为综合考虑换热系数、环境因素、管束内外温度场、风机等影响因素下的修正系数，需特别说明的是各管程管束的管束数量和直径可以不同，图2和图3中，选择的管束直径均为
Figure 662852DEST_PATH_IMAGE002
。
如图4、图5所示，为本发明提出的另外两种实施例结构示意图。包括两个进口1和1’、入口管箱2、出口管箱4、2～4个中间管箱6、翅片管束5和两个出口3、3’；入口管箱2一侧面与第一中间管箱6一侧面之间用1排或2～3排翅片管束并联连接，所述第一中间管箱6布设1排或2～3排翅片管束进口的侧面下部布设1排或2～3排翅片管束并联与下一中间管箱连接，同样，最后一个中间管箱通过1排或2～3排翅片管束并联与出口管箱4一侧面连接，入口管箱2上面或与翅片管束5连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个进口1、1’，出口管箱4底面或翅片管束5连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个出口3、3’。所述的连接于相邻管箱之间的翅片管束称之为一个管程，图4中包括入口管箱2、出口管箱4和两个中间管箱，共4个管箱，分为3个管程；图5中包括入口管箱2、出口管箱4和四个中间管箱，共六个管箱，分为5个管程。图4和图5所示结构中，第一管程的管束数量较少，流速较好，管束材质采用耐NH4Cl性能较好的Incoloy 825和2205；最后一个管程管束数量较多，由于该温度下管束内已有足够的液态水，采取较慢的流速，可有效防止多相流冲蚀问题。此外对于不同管程管束的数量、尺寸和散热面积的流动腐蚀校核与图1、图2、图3所示的实施例流动腐蚀校核方式基本相同，换言之，是上述三种实施例流动腐蚀校核的有效组合，设计时需根据具体的加工原料油情况、工艺温度、运行工况校核而定，而校核方法与前文所述相同。关键的一点是，需要根据工艺流程对于REAC进口和出口温度的要求，在满足流速范围要求的同时，还要求管束的换热面积与流速呈正比关系。
综上，图1、图2、图3、图4、图5五种具体实施例中的加氢空冷器管束系统同一管程不同管排的翅片管束数量相同，不同管程的翅片管束数量可以相同，也可以不同，需要根据具体的流速与工艺温度确定；同理，对于翅片管束的尺寸是随着管束数量的变化，结合传热与冲蚀因素共同确定，具体的流动腐蚀校核方法与如前所述的校核方法相同。
本发明具体工作过程：
根据本发明提出的一种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统，其工作过程是空冷器管束系统底部设置有多台并联布置的空冷风机，多相流工艺介质经入口管箱2顶部或侧面的两个流体介质进口流进到入口管箱2，然后经单排、双排或多排上下并联布置的方式流入到中间管箱6进口，中间管箱6位于进口侧下部的管箱出口经单排、双排或多排上下并联布置的方式进入出口管箱4进口，进而多相流工艺介质经出口管箱6的管箱进口对应侧面或底面的两个对称流体出口3和3’进入到下一工艺流程，完成加氢空冷器管束系统的工艺流程。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统，其特征在于：包括两个进口（1、1’）、入口管箱（2）、出口管箱（4）、翅片管束（5）和两个出口（3、3’）；入口管箱（2）一侧面与出口管箱一侧面之间用1排翅片管束或2～3排翅片管束并联连接，在入口管箱（2）上面或与翅片管束（5）连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个进口（1、1’），在出口管箱（4）底面或与翅片管束（5）连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个出口（3、3’）。
2.根据权利要求1所述的一种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统，其特征在于：所述的连接于相邻管箱之间的翅片管束称为一个管程，自入口管箱至出口管箱的管箱数量为2个，管程数量为1个。
3.一种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统，其特征在于：包括两个进口（1、1’）、入口管箱（2）、出口管箱（4）、中间管箱（6）、翅片管束（5）和两个出口（3、3’）；入口管箱（2）一侧面与中间管箱（6）一侧面之间用1排或2～3排翅片管束并联连接，中间管箱（6）在布设1排或2～3排翅片管束进口的侧面下部布设1排或2～3排翅片管束并联与出口管箱（4）一侧面连接；入口管箱（2）上面或与翅片管束（5）连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个进口（1、1’），出口管箱（4）底面或翅片管束（5）连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个出口（3、3’）。
4.根据权利要求3所述的一种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统，其特征在于：所述的连接于相邻管箱之间的翅片管束称为一个管程，自入口管箱至出口管箱的管箱数量为3个，管程数量为2个。
5.一种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统，其特征在于：包括两个进口（1、1’）、入口管箱（2）、出口管箱（4）、2～4个中间管箱（6）、翅片管束（5）和两个出口（3、3’）；入口管箱（2）一侧面与第一中间管箱（6）一侧面之间用1排或2～3排翅片管束并联连接，所述第一中间管箱（6）在布设1排或2～3排翅片管束进口的侧面下部布设1排或2～3排翅片管束并联与下一中间管箱连接，同样，最后一个中间管箱通过1排或2～3排翅片管束并联与出口管箱（4）一侧面连接，入口管箱（2）上面或与翅片管束（5）连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个进口（1、1’），出口管箱（4）底面或翅片管束（5）连接的对应侧面沿管箱长度方向垂直平分面对称布设两个出口（3、3’）。
6.根据权利要求5所述的一种基于流动腐蚀校核的专用空冷器管束系统，其特征在于：所述的连接于相邻管箱之间的翅片管束称为一个管程，自入口管箱至出口管箱的管箱数量为4～6个，管程数量为3～5个。
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