甲醇制烯烃装置衬里磨损分析及优化措施.pdf

收稿日期:.作者简介:高婷,女,年毕业于兰州大学汉语言文学专业,主要从事煤化工方面的技术管理工作,助理工程师.E m a i l:q q c o m.甲醇制烯烃装置衬里磨损分析及优化措施高婷(国能新疆化工有限公司,新疆 乌鲁木齐 )摘要:现有甲醇制烯烃(MTO)装置衬里设备和管道运行过程中器壁热点、衬里脱落、器壁被磨穿和催化剂泄漏等故障时有发生,测温监测和处理难度很大.从设备和管道内部床层分布状态、介质运行情况进行分析,发现反再系统不同床层催化剂浓度和粒径对衬里和内件的磨损不同.基于床层结构进行优化设计,将内件改为采用内外侧双衬里结构,可以有效减缓内件磨损.同时比较了不同的开停工升降温时间,找出了设备运行中导致衬里损坏的另一个主要因素,对于预防衬里损坏、失效和延长衬里使用寿命具有积极作用.关键词:甲醇制烯烃衬里床层分布磨损优化设计d o i:/j i s s n 在甲醇制烯烃(MTO)装置中,带衬里的设备和管道是确保工业装置长周期运行的核心,但在装置运行过程中,流入设备或管道的催化剂颗粒不可避免地会对衬里造成冲刷;长周期冲刷会造成衬里磨损,甚至导致衬里失效,严重时还可能威胁设备安全运行.失效脱落的衬里块会在设备和管道的变径、死角等部位堆积,导致催化剂输送不畅,迫使装置降低生产负荷甚至停工.目前主要通过人工定期和不定期的测温巡检进行检查,当出现器壁热点或器壁磨穿催化剂泄漏的情况时,主要采用带压堵漏的方式进行处理,待装置停工检修时才能完成内部衬里的修补和盒具的拆除工作.这种检查处理方式较被动,且无法提前预防和处理【】.系统常见衬里缺陷表面冲刷磨损甲醇制烯烃装置衬里设备损坏形式主要表现为衬里表面的冲刷磨损.这些冲刷磨损主要发生在催化剂线速较高和设备结构突变部位.磨损后的衬里会逐渐减薄并露出锚固钉.锚固钉也会不断被磨损.随着衬里的磨损减薄,设备器壁出现热点,严重时还会出现衬里被掏空甚至器壁被磨穿的情况,导致反应气和催化剂泄漏,如图所示.反应器和再生器内部的构件也会因为系统内的催化剂流化被冲刷磨损,磨损后的构件表面减薄或被磨穿,如图所示.图待生立管内部衬里磨损图内部构件外表面被磨穿鼓包开裂和起皮脱落衬里的鼓包和起皮主要发生在衬里表面,当衬里表面出现裂纹后,介质中的不饱和碳氢化合物会渗透到裂纹和衬里与金属器壁的缝隙中,并腐蚀与防护石油化工设备技术,()P e t r o c h e m i c a lE q u i p m e n tT e c h n o l o g y在裂纹和缝隙中逐渐累积,导致衬里鼓包或脱落.衬里表面起皮脱落会造成衬里整体减薄,同时由于衬里表面脱落后新的衬里表面粗糙度比原表面粗糙度大得多,会使新的衬里表面强度降低,使得衬里更易被磨损,如图所示.图衬里脱落和表面起皮蒸汽冲刷腐蚀甲醇制烯烃工艺通过向反应器注入低压蒸汽提升和维持旋风分离器线速,在三级旋风分离器出口设置喷水设施,通过喷入冷却水降低产品气温度.反再系统的部分催化剂的提升和输送也采用低压蒸汽,在蒸汽喷嘴出口的背向易存在低温区,低温区的蒸汽冷凝后积在衬里表面,导致衬里表面的材料的结构劣化,使衬里变得松散进而损坏.在向衬里管道或设备中喷入冷却水进行降温时,若冷却水的流量控制不合理,就会导致过多的冷却水进入管道或设备后无法快速被汽化并随产品气进入后续系统,会使管道或设备内部出现积液或汽液夹带现象;液滴附着在衬里表面,使衬里表面逐渐被软化和泥,随着混合产品气的冲刷慢慢减薄直至失效,如图所示.图衬里表面和泥反应产物积碳和锚固钉碳化对衬里的破坏甲醇制烯烃工艺反应产物中的不饱和碳氢化合物会在反应器内形成结焦碳化物.大部分生成的结焦碳化物会堆积在反应器稀相段旋风分离器顶部和吊架上部,还有一部分结焦碳化物会渗入衬里和衬里与器壁及锚固钉金属之间的空隙中,亦可通过衬里上的裂纹进入衬里与锚固钉之间以及衬里和器壁金属之间.进入到上述间隙的结焦碳化物会逐渐积累,导致衬里鼓包开裂、衬里与金属器壁剥离以及锚固钉碳化损坏,加速衬里失效损坏,进而降低衬里使用寿命,如图所示.图锚固钉碳化损坏原因分析与讨论表面冲刷磨损原因分析与讨论催化剂线速不合理甲醇制烯烃装置一二级旋风分离器、待生和再生催化剂输送管及脱气管线在正常生产中,必须控制一定的催化剂分离和输送线速,以保证正常的分离和输送效果.装置低负荷生产工况下,待生立管催化剂输送量较低,用于催化剂提升和输送的汽提介质用量少,催化剂输送线速较低,对待生立管内部衬里的磨损较轻微.装置高负荷运行工况下,随着催化剂输送量的增加,催化剂输送线速随着提升和输送介质用量的增加而增大,在待生立管的弯头和水平段,当催化剂线速较小时,催化剂分层流动,互不混合,此状态下的管壁磨损程度是相同的;随着催化剂流速逐渐增大,催化剂的流线开始出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅随催化剂线速的增加而增大,此状态下会对管内部分衬里产生磨损,但不集中于处;当催化剂线速增加到很大时,流线不再清晰可辨,层流状态被破坏,管道上部和弯头靠近外弯处出现许多小漩涡,这些气体夹杂着催化剂的漩涡就会导致待生立管内部衬里的严重磨损(如图所示,待生立管水平段衬里存在高低不平波浪形的磨损,脱气线弯头处衬里被掏空、管壁被磨穿)【】.内构件磨损受反应器床层分布位置影响反应器和再生器根据工艺介质流通的不同结构部位和各部位的不同作用,分为密相段、过渡段和稀相段,其中,在密相段,气相甲醇和催化剂反石油化工设备技术 年应生产烯烃混合气和水蒸气并释放出大量热;在过渡段,烯烃混合气和水蒸气携带着催化剂向上运动,运动过程中随着壳体直径逐渐增大,分压不断降低,更加便于气固两相向上运动进行分离;稀相段是一二级旋风分离器分布的主要场所,烯烃混合气夹带着催化剂进入旋风分离器进行气固分离,分离后的烯烃气进入集气室,分离下来的催化剂则通过旋风分离器的灰斗和料腿返回到密相段.甲醇制烯烃工艺反应器和再生器属于流化床反应器,参考文献【】得知,流化床催化剂密度沿径向呈现“中心稀、边壁浓”的特征,同时密相床层中存在着大量气泡,气泡夹带着的催化剂比正常流化反应的催化剂运动得更猛烈.通过观察对比密相段其他构件的磨损情况发现,密相段构件比同一反应器或再生器内过渡段和稀相段构件的磨损更为严重.如图所示,同一规格构件在密相段比在过渡段磨损减薄更为严重.图同一规格构件在密相段和过渡段的磨损情况待生催化剂至再生器弯头、再生催化剂立管分支处衬里的损坏和维修频次最高.提升和输送媒介携带着高速流动的催化剂对上述弯头和分支产生冲刷,导致衬里出现不规则的凹凸不平的沟槽、减薄和掏空.待生立管弯头和再生催化剂立管分支处衬里结构宜选用隔热耐磨双层衬里,锚固钉宜选用侧拉圆环型,也可选用新型的笼形锚固钉.这种锚固钉可以很好地吸收衬里层因温度变化而发生的形变、增强衬里材料的稳定性.鼓包开裂和起皮脱落原因分析与讨论衬里施工和修补质量的影响衬里的施工质量直接影响后期的使用寿命.锚固钉漏焊、焊肉不饱满、锚固钉方向焊接错误等质量问题存在时,在烘衬和正常运行过程中,会造成锚固钉的抓紧力不足、锚固钉与衬里材料之间的热膨胀应力不平衡,导致锚固钉脱开和局部应力集中,进而导致锚固钉损坏和衬里开裂的情况出现.衬里材料喷涂、浇筑和涂抹的过程中,衬里材料的配合比、搅拌速度和均匀度、施工缝搭接、养护等不到位也会产生质量缺陷,有助于鼓包和裂纹的形成.需要注意的是:在衬里模具拆除或衬里施工结束后,对衬里表面进行抹光修复会为衬里使用中起皮脱落埋下隐患;此外,在衬里修补过程中,有时凿露的锚固钉数量和修补断面不符合要求,对其进行表面涂抹修复时会出现新旧衬里连接固定不牢固的情况,烘衬或运行后就会出现鼓包脱皮现象【】.新做衬里的烘衬质量的好坏,对后期衬里的使用至关重要.在甲醇制烯烃工艺装置烘衬期间,脱除表面游离水和 脱除结晶水的两个阶段要严格按照衬里烘衬曲线缓慢升温,控制好升温速度和恒温时间,如果烘干速度过快、恒温时间不够长,就很容易造成衬里的鼓包、开裂和损坏.合理的烘衬升、降温速度和时间如表所示【】.表反再系统烘衬温度和时间控制温度区间/升、降温速度/(h)所需时间/h常温 开停工及正常操作温度的影响收集甲醇制烯烃装置次开停工期间的反再系统升、降温速度曲线表和衬里检查数据进行对比发现,在反再系统升温阶段,升、降温速度过快,恒温时间不足,同一部位衬里起皮、鼓包和开裂损坏的程度明显高于按正常温升曲线升、降温时的损坏程度.另外,装置的平稳运行也是影响衬里质量的重要因素,若反再系统经常出现温度波动或急开急停工,就会使衬里遭受急热、急冷的考验,造成裂纹和鼓包扩大.第 卷第期高婷甲醇制烯烃装置衬里磨损分析及优化措施蒸汽冲刷腐蚀原因分析与讨论随着甲醇制烯烃工艺操作的不断优化,目前MTO装置反应气三级旋风分离器出口设置的喷水降温设施已被拆除、不再使用,喷入冷却水降低产品气温度而导致衬里和泥的因素已不存在.采用低压蒸汽进行催化剂提升和输送的管线,当喷嘴位置设置不合理或蒸汽量过大时,高速喷出的蒸汽会携带催化剂颗粒对喷嘴对向位置的管壁产生冲刷,导致衬里减薄和失效.反应产物积碳和锚固钉碳化对衬里的破坏原因分析与讨论锚固钉的碳化有两方面因素,其一是锚固钉的材质选择不合理.反再系统的最高运行温度可以达到甚至超过 ,若锚固钉和钢纤维的材质选择不当,会使锚固钉脱碳失去原有的强度和抓力,从而导致锚固钉与衬里材料分离,使得衬里材料不能很好地与器壁贴合,进而导致裂纹和鼓包的产生.其二是反应生成产品气的过程中同时还生成了复杂的结焦碳氢化合物.现阶段生成结焦碳氢化合物的机理还不是很清楚,但是可以确定的是,这些结焦碳氢化合物起初对衬里质量影响不是很大,只有当衬里出现裂纹或者缺陷时,才会逐渐侵入到衬里内部,对衬里的破坏起到加速辅助作用.结果与讨论本文通过对甲醇制烯烃装置衬里设备磨损的情况进行分析讨论,找出了导致磨损的原因,并针对上述原因提出了根据床层分布情况对设备内件位置及结构型式进行合理设计布局、在原始衬里施工养护方面严格管理、在开停工及操作方面合理控制升、降温速度等措施,具体如下:)根据床层位置合理设计衬里结构.在密相床层布置分布器或其他内部件时,要充分考虑床层催化剂浓稀分布的影响,在密相和密稀相过渡段位置对内件材质进行升级,或在内件外表面设计衬里结构,如采用V形或S形单层耐磨衬里.)强化衬里施工质量管控,衬里施工质量的好坏直接决定了其后期是否能够长寿命运行.)开停工过程中是否按照适宜的升、降温曲线进行操作对衬里的质量影响很大.运行数据表明,在装置开停工过程中,宜按照衬里烘衬曲线进行升、降温操作,这有利于不同膨胀系数的锚固件和衬里材料的温和膨胀,防止膨胀或收缩过快使衬里产生裂纹.目前,对催化裂化装置衬里磨损和预防措施的研究已比较成熟,而对MTO工艺装置衬里磨损的研究相对较少,虽然两种工艺装置衬里设备有很多相近之处,但在催化剂性质、反应产物组成和工艺参数控制上还是存在很大差别的.对于MTO装置来说,在采用常规的优化设计和预防措施后,还要摸索不同床层催化剂浓度和粒径对内件和衬里磨损的影响,此外,对于反应产物中的碳氢化合物结焦与衬里损坏之间关系的研究还需要进行进一步的讨论和试验论证.参考文献:马伯文催化裂化装置技术问答M 版北京:中国石化出版社,杨家兵重油催化裂化装置外取热器管束、衬里损坏原因分析及处理对策J石油化工设备技术,():孙富伟,张永民,卢春喜,等催化裂化外取热器传热与流动特性的大型冷模试验J石油学报(石油加工),():付春辉催化裂化装置衬里损坏情况分析及对策J石油化工技术设备,():,何超辉,王亮催化装置反再系统衬里常见问题及控制措施J全面腐蚀控制,():闫爱忠重油催化裂化装置设备衬里运行状况及质量控制J石油化工技术设备,():周伟权催化裂化设备衬里损坏原因分析及改进措施J石油化工技术与经济,():欢迎在 石油化工设备技术 上投稿石油化工设备技术 年L I N I N GW E A RA N A L Y S I SO FM E T H A N O L T O O L E F I NP L A N TA N DO P T I M I Z A T I O N M E A S U R E S G a oT i n g(CHN E n e r g y X i n j i a n g C h e m i c a lC o,L t d,U r u m q i,X i n j i a n g,)A b s t r a c t:D u r i n g t h e o p e r a t i o n o f t h e l i n i n g e q u i p m e n ta n dp i p e l i n e o f t h e e x i s t i n gM T Op l a n t,f a i l u r e s s u c h a sh o ts p o t so nt h ee q u i p m e n t w a l l,s h e d d i n go ft h el i n i n g,w e a r o u to f t h ee q u i p m e n tw a l l a n dl e a k a g eo ft h ec a t a l y s to c c u rf r o mt i m et ot i m e,s oi ti sv e r yd i f f i c u l t t om o n i t o ra n dh a n d l e t h e t e m p e r a t u r e B a s e do n t h e a n a l y s i so f t h ed i s t r i b u t i o no f t h eb e d l a y e ra n dt h eo p e r a t i o no ft h e m e d i u mi nt h ee q u i p m e n ta n dp i p e l i n e,i tw a sf o u n dt h a t t h ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o na n dp a r t i c l e s i z eo f t h ec a t a l y s t i nt h eb e d l a y e ro f t h ea n t i r e g e n e r a t o rs y s t e mh a v ed i f f e r e n tw e a ro nl i n i n ga n d t h e i n t e r n a l s B a s e do n t h e b e d s t r u c t u r e,t h e i n n e rp a r t s a n d t h e l i n i n g s t r u c t u r ew e r e o p t i m i z e d T h e i n n e rp a r t su s i n g t h e i n n e ra n do u t e rd o u b l e l i n i n gs t r u c t u r ec a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e w e a ro ft h ei n n e rp a r t s M e a n w h i l e,b y c o m p a r i n g t h e d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e r i s ea n dt e m p e r a t u r er e d u c t i o nt i m ed u r i n gs t a r t u pa n ds h u t d o w n,a n o t h e rm a i nf a c t o ro f l i n i n gd a m a g ew a sf o u n do u t,w h i c hh a sp o s i t i v ee f f e c to np r e v e n t i n gl i n i n gd a m a g e a n d f a i l u r e a n dp r o l o n g i n g i t s s e r v i c e l i f e K e y w o r d s:m e t h a n o l t o o l e f i n/MTO;l i n i n g;b e dd i s t r i b u t i o n;a b r a s i o n;o p t i m i z a t i o nd e s i g nD E V E L O PME N TO FR E S I D U A LL I Q U I DP U R G I N GD E V I C EF O RC O I L E DT U B I N G G a oS e n,W e i L i a n g,Y a n gJ i a n(C h a n g q i n gD o w n h o l e T e c h n o l o g y O p e r a t i n g C o m p a n y o f C N P CC h u a n q i n gD r i l l i n gE n g i n e e r i n gC o m p a n yL i m i t e d,X i a n y a n g,S h a a n x i,)A b s t r a c t:S a f ea n de f f i c i e n tp u r g i n go f r e s i d u a l f l u i di nc o i l e d t u b i n gc a ne f f e c t i v e l yr e d u c e t h e l o a do f t h ev e h i c l e b o r n er o l l e ra f t e rt h ec o m p l e t i o no fac o i l e dt u b i n go p e r a t i o na n dr e d u c et h er i s k sd u r i n gl o n g d i s t a n 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h em a j o ro v e r h a u l i n ,A B S T R A C T SP E T R O CHEM I C A LE QU I PME NTT E CHNO L OG YS t a r t e dP u b l i c a t i o n i n B i m o n t h l y N o v V o l N o