影響降膜管使用壽命的原因分析

任曉佳，梁繪曾

（新疆中泰化學(xué)阜康能源有限公司，新疆 烏魯木齊831500）

新疆中泰化學(xué)阜康能源有限公司蒸發(fā)固堿裝置設(shè)計(jì)能力為60 萬(wàn)t/a，蒸發(fā)裝置設(shè)計(jì)為4 條平行生產(chǎn)線，單套生產(chǎn)能力為15 萬(wàn)t/a（98.5%NaOH）；固堿裝置設(shè)計(jì)為8 條平行生產(chǎn)線，單套生產(chǎn)能力為7.5 萬(wàn)t/a（98.5%NaOH）。裝置引進(jìn)的是瑞士博特的蒸發(fā)、濃縮工藝，一期裝置于2012 年9 月7 日開車，二期裝置于2012 年10 月22 日開車。

1 蒸發(fā)固堿工藝描述

離子膜來(lái)的32%原料堿分別經(jīng)過蒸發(fā)工序后濃縮至48%的液堿，48%堿進(jìn)入預(yù)濃縮器被最終濃縮器產(chǎn)生的二次汽濃縮至約62%濃度的液堿。與濃縮器出來(lái)的的62%堿由泵送往由熔鹽加熱的最終濃縮器。一次性經(jīng)過最終濃縮器，堿濃度由62%升高至約98.3%，熔融堿通過最終濃縮器下游節(jié)流孔板，壓力降低，從而形成閃蒸，以使最終物料濃縮達(dá)到98.5%。在閃蒸器中，閃蒸產(chǎn)生的二次汽和熔融堿分離開來(lái)，98.5%熔融堿靠重力流入分配器V-2312，經(jīng)手動(dòng)操作流至片堿機(jī)冷卻制片。在片堿機(jī)內(nèi)，冷卻的轉(zhuǎn)鼓表面會(huì)卷起熔融態(tài)燒堿，在轉(zhuǎn)鼓表面形成一層堿膜。通過刮刀刮下凝固的堿膜從而形成片堿，片堿通過料倉(cāng)去自動(dòng)包裝秤均勻給料。稱量好的袋裝片堿由輸送帶送至縫袋機(jī)進(jìn)行縫袋密封，碼垛，送至倉(cāng)庫(kù)，蒸發(fā)固堿流程示意圖見圖1。

圖1 蒸發(fā)固堿流程示意圖

1.1 固堿生產(chǎn)現(xiàn)狀描述

固堿裝置共有8 條生產(chǎn)線，其中一期裝置的生產(chǎn)線名稱為11 線、12 線、21 線、22 線；二期裝置的生產(chǎn)線名稱為31 線、32 線、41 線、42 線。現(xiàn)有的生產(chǎn)情況是12 線、21 線、32 線、41 線4 條生產(chǎn)線是燃燒天然氣加熱熔鹽，另外4 條生產(chǎn)線是利用燃燒清潔煤氣來(lái)加熱熔鹽。2 種燃?xì)饩善渌a(chǎn)廠區(qū)提供。而現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)煤氣壓力供應(yīng)不足的情況，導(dǎo)致固堿裝置頻繁停車。僅統(tǒng)計(jì)2014 年因燃料氣供應(yīng)中斷導(dǎo)致的停車次數(shù)就達(dá)到92 次。 頻繁的開停車對(duì)裝置能源消耗以及設(shè)備使用壽命影響很大。

1.2 最終濃縮器結(jié)構(gòu)及工作原理

在熔鹽作載熱體的降膜法制固堿的工藝流程中，降膜蒸發(fā)器是最主要的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)是由14 根降膜管、汽液分離室、降膜管外部蒸汽伴熱管等組件組成。其工作原理是料液由管子頂部經(jīng)液體分配器均勻進(jìn)入，料液在加熱管內(nèi)成膜狀流動(dòng)并與管外載熱體進(jìn)行對(duì)流換熱，液堿中的水份被蒸發(fā)，產(chǎn)生二次蒸汽與濃縮后的物料一齊向下流動(dòng)，在底部流入汽液分離室。濃縮液經(jīng)分離器底部排出，二次蒸汽由二次蒸汽管道排出將作為與濃縮器的加熱源，降膜管的工作原理示意圖見圖2。

圖2 降膜管工作原理示意圖

2 降膜管運(yùn)行現(xiàn)狀及泄漏原因分析

固堿裝置共8 臺(tái)最終濃縮器，112 根降膜管，自2012 年開車以來(lái)已經(jīng)有8 根降膜管發(fā)生泄漏，分別是11 線1 根，12 線5 根，21 線1 根，22 線1 根。目前，降膜管泄漏主要發(fā)生在一期裝置，各條生產(chǎn)線降膜管泄漏率見圖3。

圖3 各條生產(chǎn)線降膜管泄漏率

2.1 降膜管泄漏原因分析

2.1.1 開停車次數(shù)頻繁

鎳材在與燒堿溶液接觸時(shí)，其表面產(chǎn)生一層氧化鎳鈍化層， 可以保護(hù)鎳材本體免受進(jìn)一步的腐蝕，但每次開停車都將消耗濃縮單元的壽命。其一是由于氧化鎳鈍化層的脫落，其二是因?yàn)榻的す転樘坠苁浇Y(jié)構(gòu)， 夾套走熔鹽， 一般控制熔鹽溫度在415～425 ℃，如出現(xiàn)斷堿情況，則降膜管因溫差太大而產(chǎn)生的熱應(yīng)力腐蝕更大。剛開車后，片堿中鎳元素的增量20×10-6～30×10-6，開車數(shù)小時(shí)后，片堿中鎳元素的增量只是0.5×10-6～2×10-6。統(tǒng)計(jì)2014 年燒堿車間全年各條線最終濃縮器的停車次數(shù)總共為183 次，見表1。

表1 2014年固堿裝置8條生產(chǎn)線停車次數(shù)時(shí)間

由以上數(shù)據(jù)得出，一期裝置的4 條生產(chǎn)線的停車次數(shù)較多，對(duì)應(yīng)降膜管發(fā)生的泄漏率也較二期生產(chǎn)線大，因此頻繁的開停車對(duì)終濃縮器的降膜管使用壽命有影響。

2.1.2 裝置操作負(fù)荷過低

進(jìn)最終濃縮器的62%堿液流量應(yīng)不低于生產(chǎn)滿負(fù)荷的50%，堿液流量過低，蒸發(fā)器中的列管不能形成完整的液膜，局部會(huì)出現(xiàn)“干壁”情況，造成降膜管內(nèi)壁氧化鎳的鈍化層被破壞，也會(huì)造成該部位由于過熱會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力的變化，造成列管彎曲變形，導(dǎo)致了設(shè)備使用壽命的降低。統(tǒng)計(jì)固堿裝置2014 年全年8 條生產(chǎn)線半負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間見表2。

表2 2014年固堿裝置8條生產(chǎn)線負(fù)荷低于50%運(yùn)行時(shí)間

由以上數(shù)據(jù)得出，一期裝置的4 條生產(chǎn)線在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間多于二期生產(chǎn)線低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，其降膜管發(fā)生泄漏的情況也比二期更嚴(yán)重，因此長(zhǎng)時(shí)間的低負(fù)荷運(yùn)行是影響降膜管使用壽命的一個(gè)決定因素。

2.1.3 氯酸鹽含量超標(biāo)

在片堿生產(chǎn)中，高溫濃堿對(duì)鎳制設(shè)備有一定的腐蝕性，腐蝕的原因主要是堿液中所含的氯酸鹽在250 ℃以上逐步分解，放出新生態(tài)氧與鎳材發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鎳層。 氧化鎳易溶于濃堿中被帶走，此過程在濃堿蒸發(fā)中反復(fù)進(jìn)行， 將導(dǎo)致鎳設(shè)備的腐蝕損壞， 腐蝕速率主要取決于32%左右液堿內(nèi)氯酸鹽含量。 連續(xù)6 個(gè)月跟蹤分析離子膜6 臺(tái)電解槽32%堿中氯酸鹽的含量， 取每月的平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 2014年7月到12月離子膜電解槽32%堿的氯酸鹽含量統(tǒng)計(jì)表

由以上數(shù)據(jù)得出，離子膜電解槽32%堿的氯酸鹽含量最高僅為0.000 7%，而32%液堿氯酸鹽的含量指標(biāo)是≤20×10-6，折0.002%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子膜電解槽32%堿中氯酸鹽含量，故原料中氯酸鹽的含量并不是造成降膜管腐蝕的因素。

2.1.4 加糖量不正確

為了降低氯酸鹽對(duì)鎳管的腐蝕速率，常用的方法是在48%液堿中加入蔗糖溶液，加糖的反應(yīng)機(jī)理為：

加糖的確定取決于氯酸鹽在原料堿中的含量，48%堿中鎳元素的含量，及在產(chǎn)品中的鎳元素的含量。連續(xù)1 年分析48%液堿中鎳含量約為0.14×10-6，98.5%成品中鎳含量的理論值計(jì)算如下：

48%×98.5%/48%+Ni 增量

說(shuō)明：如果鎳元素的增量在正常范圍內(nèi)（0.5×10-6～2.0×10-6）并且產(chǎn)品中無(wú)氯酸鹽檢出，這時(shí)加糖量最佳。

98.5 %產(chǎn)品中含量最小值為：0.14×98.5%/48%+0.5=0.79×10-6

98.5 %產(chǎn)品中含量最大值為：0.14×98.5%/48%+2.0=2.29×10-6

統(tǒng)計(jì)裝置內(nèi)2014 年8-12 月的鎳含量，見表4。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，得出雖然一二期各條生產(chǎn)線產(chǎn)品的鎳含量均有低于理論計(jì)算值的情況，但一期的4 條線鎳含量偏低的情況更多，而過量加糖會(huì)導(dǎo)致糖液高溫發(fā)生碳化生成黑色渣子沉降在降膜管的內(nèi)壁上，造成液堿布膜不均，出現(xiàn)“干壁”或過熱點(diǎn)，所以加糖量過量對(duì)降膜管使用壽命也有影響。根據(jù)數(shù)據(jù)表中還得出，成品中鎳含量最大值沒有超出計(jì)算值2.29×10-6，說(shuō)明沒有因?yàn)榧犹橇坎蛔阍斐陕人猁}的含量超標(biāo)而最終影響降膜管的使用壽命。

表4 2014年固堿裝置8條生產(chǎn)線片堿鎳含量分析表

2.1.5 裝置設(shè)備的密封性

降膜管在安裝過程中可能存在封頭密封不嚴(yán)，鎳管與空氣中氧氣接觸，同時(shí)降膜管在堿液的不斷沖刷下加快了腐蝕速度，所以設(shè)備在安裝過程中密封不嚴(yán)也是造成降膜管泄漏的一個(gè)影響因素。

3 延長(zhǎng)降膜管使用壽命的有效方法

（1）減少開停車次數(shù)，保證裝置長(zhǎng)周期滿負(fù)荷運(yùn)行。與上游供氣裝置及時(shí)溝通，減少因氣源造成的停車，做好設(shè)備及管線的預(yù)防性檢修。

（2）嚴(yán)格監(jiān)控堿液氯酸鹽含量，規(guī)范加糖操作。在苛性鈉濃縮裝置中，糖作為腐蝕抑制劑，燒堿中最重要的腐蝕劑的來(lái)源是氯酸鹽，為了不損壞設(shè)備及管道，糖的用量必須在一定的范圍內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)表明，即使在完全不存在氯酸鹽的條件下，80 g/tNaOH100%的用量仍然能對(duì)鎳設(shè)備的使用壽命有積極的影響，加糖量超過200 g/t NaOH100%會(huì)導(dǎo)致糖液發(fā)生分解產(chǎn)生氣體進(jìn)而形成泡沫，出現(xiàn)泡沫性的苛性堿而不是形成光滑的苛性堿薄膜，則會(huì)造成鎳管表面出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)蝕。

因此，必須繼續(xù)監(jiān)控32%堿液中氯酸鹽含量，按照加糖量和氯酸鹽含量的線性關(guān)系規(guī)范加糖操作。

（3）裝置密封性。定期設(shè)備清洗時(shí)，認(rèn)真檢查密封墊子腐蝕情況，安裝時(shí)緊固松緊適度。防止出現(xiàn)螺栓緊固不均的情形。停車檢修時(shí)必須全面檢查，巡檢檢查泄漏點(diǎn)。

（4）再分配器位置高度的調(diào)整時(shí)間。 按照要求半年調(diào)整一次再分配器高度， 防止長(zhǎng)時(shí)間不調(diào)整葉片使堿液長(zhǎng)期沖刷同一位置造成局部腐蝕導(dǎo)致泄漏。

圖4 糖量和氯酸鹽含量的線性關(guān)系

4 小結(jié)

通過對(duì)最終濃縮器中降膜管使用壽命的原因分析，得出理想狀態(tài)下保持設(shè)備長(zhǎng)周期滿負(fù)荷運(yùn)行是保護(hù)設(shè)備最主要的基礎(chǔ)條件，同時(shí)做好定期檢修、巡檢以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)控，規(guī)范加糖操作等工作是能保證降膜管的使用壽命得到延長(zhǎng)。

［1］黃薔蕾，呼世斌.無(wú)機(jī)及分析化學(xué).北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2004：129－132.

［2］程殿彬，陳伯森，施孝奎，等.離子膜法制堿生產(chǎn)技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998：420－422.

［3］王書芳.氯堿化工生產(chǎn)工藝.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995：92－96.