丁烯水合进料泵在运行中效率衰减的原因分析及解决措施

司希河，靳南南，李忠义

（中海石油中捷石化有限公司，河北 沧州 061101）

甲乙酮（MEK），又称2-丁酮、甲基乙基酮，具有优良的溶解性，常用作低沸点有机溶剂和中间体，是一种重要的精细化工原料，广泛应用于炼油、化工中间体、润滑油脱蜡、涂料和粘合剂等行业[1,2]。

中海石油中捷石化有限公司（中捷石化）3万吨/年甲乙酮装置[3,4]于2005年投产。2012年以来，该装置的丁烯水合进料泵（P-101泵）在运行过程中常出现工作电流升高，压力、流量下降的情况，导致机泵效率急剧衰减。经对该泵拆解检修发现，结垢是造成此问题的主要原因，故需定期停车除垢，进而严重影响了装置的正常运行。

本文回顾了前期丁烯水合进料泵拆解检修和水力试验过程，并进一步结合工艺流程，对该泵流道垢样的组成及来源进行分析，确定结垢的根本原因。在此基础上，对该泵进口脱丁烯塔回流罐V-102实施改造，以期彻底解决该瓶颈问题。

1 进料泵效率衰减直接原因

1.1 进料泵所在工段

甲乙酮装置采用丁烯水合法制仲丁醇（SBA），再由SBA气相脱氢制MEK。生产流程由丁烯提浓、丁烯水合、SBA精制和MEK合成与精制4个工段组成。其中丁烯水合为核心工段，其工艺流程如图1所示。

图1 水合工段工艺流程Fig. 1 Process flow of hydration section

反应器烃进料是由来自丁烯提浓工段的新鲜丁烯与来自脱丁烯塔回流罐V-102的循环丁烯混合后去丁烯水合进料泵P-101。P-101泵送出的物料经换热器换热、加热器加热至反应温度进入水合反应器R-101。高转速、高压力的P-101泵作为水合反应器反应介质的动力来源[5,6]，其设备参数如表1所示。水路循环是由工艺水处理装置将反应后水的电导率处理到10 μs/cm以下，经水进料泵P-102加压到反应压力，经换热器换热、加热器加热至反应温度后分成4段分别从反应器各催化剂床层的下部进入。原料丁烯和工艺水两股物料向上流过催化剂床层，在各床层中混合后进行水合反应生成SBA。

表1 丁烯水合进料泵P-101设备参数Table 1 Parameters of butene hydration feed pump P-101

1.2 进料泵结垢

为了寻找P-101泵在运行过程中出现效率衰减的原因，解决MEK装置的瓶颈问题，委托该设备生产厂商对该泵拆解检修并进行前后水力试验对比。在水力试验过程中发现，该泵电机转速升至2200 r/min时，扭矩、功率严重超载，泵扬程较设计扬程相差甚大。为了比较泵效率，将泵电机转速降至1900 r/min，额定流量下泵效率仅有30.4%，远低于设计效率51.2%。

性能试验完成后对该泵进行拆解，发现过流部件（叶轮、诱导轮和导叶扩压器等）的介质流经表面沉积大量的灰黑色鳞状物，运行时间越长积聚越厚，如图2所示。这导致流道表面粗糙度急剧增加，高速转子部件动平衡也受到严重影响，进而造成泵振动加剧、噪音加大、效率急剧衰减和轴功率增加等非正常情况。

图2 泵叶轮表面沉积的物质Fig. 2 Material deposited on surface of pump impeller

对清理后的P-101泵再次进行水力试验，结果如表2所示。由表2可知，相同工况下，清理后泵的工作效率提高到了50.2%。随后，该泵安装投用后即可满足装置的生产需要，表明流道结垢是该泵效率衰减的直接原因。然而，正常运行一段时间后，又出现了该泵效率下降的情况，故需要定期开展维修除垢。该过程不仅维修时间长、清理费用高，还严重影响装置的正常运行。

表2 清理前后水力试验结果Table 2 Hydraulic test results before and after cleaning

2 结垢原因分析及解决措施

2.1 结垢分析

为找到P-101泵的结垢原因，本文结合水合工段生产工艺，对结垢物质的组成与来源进行了分析。发现在烃进料路管线内的残水总呈铁红色，由于该管路均为20#碳钢管，为检验残水具体性质，在脱丁烯塔回流泵进口进行取样，对其进行了测试分析，具体结果如表3所示。由表3可知，烃进料路残水呈弱酸性，水中Fe3+和Cl-含量（质量分数，下同）偏高。结合反应器底部腐蚀的水帽（图3）可知，水合反应后循环丁烯携带的弱酸性水会对碳钢路的管线造成内部腐蚀[7,8]。此外，在叶轮背面附着褐色胶质物，推测是由于水合发生副反应生成聚合物造成的。由于C4原料中含有微量的异丁烯和高级不饱和烃丁二烯，这两者在酸性树脂催化剂作用下极易发生二聚或自聚生成C8聚合物[9,10]。这些聚合物在泵的高速运转下极易附着在叶轮流道背面。

图3 反应器底部腐蚀的水帽Fig. 3 Corroded water cap at the bottom of the reactor

表3 循环丁烯中残水的检测结果Table 3 Test results of residual water in circulating butene

不难看出泵结垢与循环丁烯中携带的弱酸性水腐蚀碳钢设备以及聚合物附着在流道表面有关。随着运行时间的延长，结垢物质不断聚集和长大，最后共同沉积在设备表面[8,9]，导致流道表面粗糙度急剧增加，从而造成泵效率衰减。为验证上述结论，对P-101泵结垢物质的组成进行了定量分析。从泵叶轮上采集垢样，进行了ICP元素分析，如表4所示。由表4可知，垢样的元素组成以非金属C、O、Si和金属Fe为主，还有少量的S、Mg、Ca、Na和微量的Ni、Cl等。这表明高速运转的P-101泵长期处于高压苛刻条件下，工况非常复杂，极易形成复杂多样的沉积物[11]。

表4 结垢样品ICP元素分析结果Table 4 ICP elemental analysis results of scaling samples

2.2 解决措施

为解决上述问题，在装置脱丁烯塔回流罐V-102处增加脱水包和隔板，以实现工艺介质和工艺水的分离；并增加自动切水装置将脱丁烯塔带出的水直接脱除，减少铁锈和聚合物进入P-101泵流道；将泵进口管线升级为06Cr19Ni10材质，降低再次生成率。改造后的脱丁烯塔回流罐V-102如图4所示。

图4 改造后脱丁烯塔回流罐V-102Fig. 4 Reconstructed reflux tank V-102 of butene removal tower

改造实施后，机泵效率衰减情况明显改善，输送流量可长期达到设计要求。取改造实施前后，反应器同期的数据进行对比，如表5所示。由表5可知，改造后泵输出流量稳定，电流上涨至最高电流周期由30天增加至90天，效率衰减速率明显减缓，在标定的3个月期间，装置产量提升，同时节约电费、维修费用约20 万元。

表5 改造实施前后运行数据对比Table 5 Operation data before and after reconstruction

3 结论

针对丁烯水合进料泵P-101在运行过程中出现的效率衰减，分析了造成该问题的直接原因与根本原因，制定了解决措施并对比分析了改造前后效果。结果表明，循环丁烯介质中携带的聚合物和弱酸性水腐蚀碳钢设备是造成效率衰减的根本原因。在高速流动过程中，结垢物质附着在P-101泵流道表面，造成叶轮增重，流道表面粗糙度增加，这是导致效率衰减的直接原因。对该泵进口的脱丁烯塔回流罐V-102实施改造后，机泵效率衰减情况得到明显改善，同时还增加了装置产量，降低了运行成本。