3萬t/a乙二醛反應(yīng)器的故障原因分析和解決途徑

李楠

上海華誼（集團(tuán)）公司 （上海 200025）

工作研究

3萬t/a乙二醛反應(yīng)器的故障原因分析和解決途徑

李楠

上海華誼（集團(tuán)）公司 （上海 200025）

經(jīng)換熱管成分、材質(zhì)和裂紋分析，3萬t/a乙二醛氧化反應(yīng)器換熱列管損壞的根本原因是換熱器較高的軸向熱應(yīng)力和液面腐蝕的交互作用。經(jīng)重新設(shè)計(jì)并更換后，氧化器換熱段徑向溫度分布均勻，解決了水蒸氣冷凝的問題，達(dá)到了反應(yīng)氣激冷和能量回收利用的目的。

乙二醛 反應(yīng)器 熱應(yīng)力

乙二醛是一種用途較為廣泛的精細(xì)化工產(chǎn)品，主要用于醫(yī)藥、造紙、香料、涂料、粘合劑等領(lǐng)域[1]。3萬t/a乙二醛裝置是世界上最大的乙二醛生產(chǎn)裝置，其核心設(shè)備——氧化反應(yīng)器具有反應(yīng)、換熱一體化結(jié)構(gòu)，直徑達(dá)3500mm。某工廠3萬t/a乙二醛裝置投產(chǎn)后，產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量都達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，但運(yùn)行20個(gè)月后，發(fā)生產(chǎn)品酸度突然升高、產(chǎn)量降低、系統(tǒng)尾氣漏氧等現(xiàn)象。經(jīng)過對(duì)氧化反應(yīng)器設(shè)備進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，換熱列管泄漏是影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的直接原因。在多次檢修和開停車后，換熱段列管出現(xiàn)大面積損壞泄露現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。本文通過分析反應(yīng)器換熱段的損壞原因，明確修復(fù)改造反應(yīng)器換熱段的最佳方案。

1 反應(yīng)器損壞情況及其原因分析

1.1 氧化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

3萬t/a乙二醛氧化反應(yīng)器為反應(yīng)換熱一體化結(jié)構(gòu)，上部為催化氧化反應(yīng)段，原料乙二醇汽化后和空氣預(yù)熱至220℃，進(jìn)入反應(yīng)器催化床進(jìn)行氧化反應(yīng)生成乙二醛。540℃的反應(yīng)氣進(jìn)入換熱段激冷降溫至200℃左右，然后在吸收塔經(jīng)過噴淋和吸收得到最終成品。氧化反應(yīng)器換熱段殼層進(jìn)口為60℃空氣、循環(huán)氣和130℃蒸汽的混合氣，其換熱后溫度達(dá)到370℃，然后再與導(dǎo)熱油換熱降溫后，與汽化的乙二醇混合進(jìn)入反應(yīng)器。

因此，換熱段主要起到兩個(gè)作用：一是能夠激冷反應(yīng)氣，防止產(chǎn)物聚合，并使之達(dá)到吸收的溫度條件；二是回收利用反應(yīng)熱，節(jié)約能源。

為了提高換熱效率，在換熱段內(nèi)加入氣體分布器，通過分布器可使冷卻介質(zhì)從換熱段底部四周進(jìn)入，折流板采用盤環(huán)式結(jié)構(gòu)。

1.2 反應(yīng)器損壞情況

裝置投產(chǎn)至反應(yīng)器損壞前，催化反應(yīng)穩(wěn)定，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量正常。但之后多次出現(xiàn)的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量問題都與換熱列管泄漏密切相關(guān)。先后對(duì)換熱器進(jìn)行3次檢修，更換列管共計(jì)979根，堵管223根，其中損壞列管主要分布為：軸向在殼層進(jìn)口處（底部），具體斷裂位置全部處于接近下管板大約100 mm左右的位置，裂紋呈周向分布（見圖1）；徑向在反應(yīng)器外圈，尤其在靠近循環(huán)氣進(jìn)口一側(cè)最為明顯。

圖1 氧化器換熱列管損壞情況

1.3 損壞原因分析

1.3.1 換熱管成分、材質(zhì)及裂紋分析

對(duì)換熱管進(jìn)行化學(xué)成分分析，材料成分符合304不銹鋼技術(shù)要求[2]，具體見表1。

在遠(yuǎn)離失效換熱管位置取樣進(jìn)行常規(guī)拉伸試驗(yàn)，換熱管的力學(xué)性能基本符合技術(shù)要求，拉伸試驗(yàn)見圖2。

表1 換熱管化學(xué)成分分析結(jié)果 %

圖2 換熱管拉伸試驗(yàn)

換熱管的材質(zhì)為304不銹鋼，組織為熱軋退火組織，材質(zhì)正常。

對(duì)損壞的換熱管裂紋宏觀形貌進(jìn)行分析，裂紋全部起源于換熱管的外表面，逐步向內(nèi)壁擴(kuò)展，除少數(shù)裂紋穿透外，大部分網(wǎng)狀裂紋的深度在0.5～2 mm之間。主斷口宏觀沒有明顯的塑性變形，呈脆性。脆性斷口往往由應(yīng)力腐蝕和疲勞等因素引起。網(wǎng)狀裂紋由熱疲勞、晶間腐蝕等原因引起。

對(duì)換熱管的化學(xué)成分、力學(xué)性能、裂紋的宏觀分析表明，換熱管的失效是熱應(yīng)力導(dǎo)致的熱疲勞破壞，液面腐蝕和氯離子腐蝕引起的應(yīng)力腐蝕加速了換熱管的開裂泄漏。

1.3.2 熱應(yīng)力的來源

換熱器的管內(nèi)外操作壓力小于0.05MPa，可以忽略工作壓力引起的應(yīng)力。熱應(yīng)力導(dǎo)致的熱疲勞破壞，其來源主要是換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所帶來的問題。在正常工作條件下，進(jìn)口冷氣體經(jīng)氣體分布器，進(jìn)入換熱器外圈的管子中下部位的溫度比中間部位的管子低。圓盤型折流板在氣體分布器均勻分配氣體時(shí)，折流板中間部分會(huì)出現(xiàn)惰流死區(qū)，因此中間部分管子換熱效率差，溫度高出很多。在換熱段下部增設(shè)3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，分別為進(jìn)氣口、中心、對(duì)面三點(diǎn)部位，觀察同一截面溫度分布狀況（見圖3），進(jìn)氣口和中心部位同一截面溫度差接近300℃。

圖3 反應(yīng)器換熱段截面溫度分布情況

換熱器殼體采用帶膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)，只能協(xié)調(diào)所有換熱管均勻膨脹引起的變形，而對(duì)中間管子和外圈管子存在的溫差產(chǎn)生的變形無能為力，最終協(xié)調(diào)變形的結(jié)果是外圈管子整體受到較大的拉伸應(yīng)力，而中間管子受到一定的壓縮應(yīng)力，這就是熱應(yīng)力的來源。而每次開停車都會(huì)產(chǎn)生很大的交變拉伸應(yīng)力，冷卻介質(zhì)流量、流速的變化都會(huì)產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力，是造成大部分損壞列管分布在外環(huán)的原因。

1.3.3 液面腐蝕和氯離子腐蝕引起的應(yīng)力腐蝕來源

換熱器管外的冷卻介質(zhì)為空氣、循環(huán)氣和蒸汽的混合物，蒸汽為飽和蒸汽，溫度約130℃，流量約6 t/h，而空氣、循環(huán)氣進(jìn)口溫度在60℃左右，流量約為13000m3/h。循環(huán)氣中有乙二醛介質(zhì)，不含氯離子，而蒸汽介質(zhì)中氯離子的含量較低，應(yīng)力不高時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的可能性較小。蒸汽進(jìn)口管騎垮在循環(huán)氣進(jìn)口管子上，一起進(jìn)入換熱器的進(jìn)口。蒸汽從換熱器的進(jìn)口進(jìn)入的好處是換熱效率高，但是與大量的冷氣體混合，必然有冷凝水進(jìn)入換熱器的進(jìn)口底部，然后再被汽化。因此在換熱器的進(jìn)口下部會(huì)產(chǎn)生液面腐蝕，呈梯度變化。這就是造成大部分損壞列管分布在進(jìn)口，斷裂的位置全部處于接近下管板大約100mm左右位置的原因。

因此，換熱列管的損壞根本上是由換熱器較高的軸向熱應(yīng)力和液面腐蝕的交互作用造成的。

2 改進(jìn)措施

針對(duì)換熱列管損壞的兩個(gè)根本原因，采取了針對(duì)性的措施。

將蒸汽進(jìn)口位置從換熱器的進(jìn)口改到第二塊折流板的進(jìn)口。換熱器的進(jìn)口溫度約60℃，第二塊折流板的進(jìn)口溫度約120℃。改動(dòng)后，在換熱器下管板放液口中基本無液體放出，說明蒸汽冷凝液的生成大大減少。該項(xiàng)措施有效地防止了液面腐蝕對(duì)換熱列管的損壞。

但蒸汽進(jìn)口改到第二塊折流板的進(jìn)口后，對(duì)換熱器換熱效率有所影響，換熱后出口溫度下降90℃左右。換熱后出口溫度的下降使得油換熱的熱量不足，油加熱的用電每小時(shí)多消耗400 kW。

為了徹底消除換熱器換熱管軸向存在的高溫差、高熱應(yīng)力及其引起的能量損耗和管子損壞，一并考慮蒸汽進(jìn)口移位后的換熱效率不足，需要重新設(shè)計(jì)換熱器結(jié)構(gòu)。根據(jù)流場(chǎng)建模試驗(yàn)，新設(shè)計(jì)換熱器結(jié)構(gòu)采用弓型折流板的換熱器，軸向溫差?。ǎ?0℃）。殼體的膨脹節(jié)能協(xié)調(diào)換熱管比較均勻膨脹引起的變形。蒸汽進(jìn)口仍選在第二塊折流板的進(jìn)口處，經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，換熱面積和換熱效率完全能達(dá)到要求。

3 換熱器更新后的效果

更新的換熱器投入使用后，換熱器軸向溫差、換熱溫度、能耗指標(biāo)等都達(dá)到了理想的目標(biāo)。

3.1 新氧化器下部溫度分布情況

如圖4所示，新氧化器換熱段底部截面溫度分布均勻性較舊換熱器有很大提高。

圖4 新氧化器換熱段底部截面溫度分布情況

本次改造前氧化器換熱段出口溫度為280℃左右，改造后溫度可達(dá)370℃左右，符合工藝參數(shù)要求。氧化器出口的循環(huán)氣用于加熱導(dǎo)熱油，溫度在280℃時(shí)需開電加熱維持導(dǎo)熱油溫度，而循環(huán)氣達(dá)到370℃時(shí)無需開電加熱，節(jié)能效果顯現(xiàn)。

3.2 能耗情況

乙二醛產(chǎn)品全流程電耗（包括反應(yīng)和后處理單元）對(duì)比情況如下：

改造前電耗：393(kW·h)/t；改造后電耗：281(kW·h)/t。實(shí)現(xiàn)每噸產(chǎn)品節(jié)約電能超過100 kW·h，直接降低了生產(chǎn)成本。

3.3 蒸汽凝液狀況

舊氧化器加裝了排液管后，2～3 d打開一次閥門，有一定量凝液排出。

新氧化器設(shè)計(jì)時(shí)增設(shè)了排液口，2～3 d打開一次閥門，基本沒有凝液排出，說明蒸汽進(jìn)口位置與管束熱交換作用能達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論

經(jīng)換熱管成分、材質(zhì)和裂紋分析，氧化反應(yīng)器換熱列管損壞的根本原因是換熱器較高的軸向熱應(yīng)力和液面腐蝕的交互作用。經(jīng)重新設(shè)計(jì)并更換后，氧化器換熱段徑向溫度分布均勻，解決了水蒸氣冷凝的問題，達(dá)到了反應(yīng)氣激冷和能量回收利用的目的。

[1]李玉芳,李明.乙二醛的生產(chǎn)技術(shù)概述及市場(chǎng)前景[J].中國石油和化工經(jīng)濟(jì)分析,2007(3):42-45.

[2]王瓊琦,王正東,涂善東.乙二醛換熱段換熱管斷裂原因分析[J].壓力容器,2009，26(3):49-53.

Failure Cause Analysis and Solutions of Glyoxal Reactor with Annual Output 30000 Tons

Li Nan

By component analysis,material analysis and crack analysis,discussed the failure causes of heat exchanger tubes of a glyoxal reactorwith annual output30000 tons,and the fundamental causewas the interaction of high axial heat stress of heat exchanger and corrosion caused by liquid surface.Through the redesign and replacement,the radial temperature of heat exchanger was uniform distributed,which solved the problem of water steam condensation,and also achieved the purposes of reaction gas chilling and energy recycling.

Glyoxal;Reactor;Heat stress

TQ 052.5

2013年11月

李楠 男 1981年生 碩士2006年畢業(yè)于華東理工大學(xué)工業(yè)催化專業(yè) 目前從事化工生產(chǎn)工藝管理工作