高溫合成反應(yīng)釜的改造應(yīng)用探討

薛為亮

(射陽經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，江蘇鹽城 224302)

射陽經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)天源化工公司合成裝置技改項(xiàng)目，自2017-03試車投產(chǎn)以來，高溫合成反應(yīng)釜在使用過程中經(jīng)常發(fā)生故障，導(dǎo)致非計(jì)劃停車檢修，影響正常生產(chǎn)，成為生產(chǎn)的瓶頸之一。為解決該問題，文章對(duì)高溫合成反應(yīng)釜的故障原因進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施。

1 概述

1.1 工藝流程

如圖1所示，高溫合成反應(yīng)釜接受前道工序的物料后，再攪拌，開中壓蒸汽升溫，在一定的真空條件下，進(jìn)行反應(yīng)，成品經(jīng)高溫合成反應(yīng)釜釜頂冷凝器和全凝器冷凝后采出，反應(yīng)釜內(nèi)物料返回前道工序。

1.2 設(shè)備概況

高溫合成反應(yīng)釜為不銹鋼制15 m3，釜內(nèi)有加熱盤管、62 r/min框式攪拌器，鍋上附有Ф800×2 300填料塔，釜頂有90 m2換熱面積的冷凝器。同時(shí)，還配備了換熱面積為30 m2全凝器和一個(gè)體積為2 m3的合成儲(chǔ)罐。

圖1 工藝流程示意圖Fig.1 Process flow chart

1.3 存在的問題

高溫合成反應(yīng)釜在使用中出現(xiàn)的問題：(1) 在合成反應(yīng)過程中，發(fā)現(xiàn)釜頂冷凝器內(nèi)漏，經(jīng)對(duì)拆下的冷凝器宏觀檢查后發(fā)現(xiàn)冷凝器下管板焊縫幾乎消失，呈現(xiàn)馬蹄形凹槽，在下管板六個(gè)方位抽取六根列管進(jìn)行超生波測(cè)厚，換熱管自與下管板焊縫處向上10 cm段呈現(xiàn)腐蝕減薄，管壁厚度范圍0.2 mm～2.5 mm，減薄量逐漸減小,至15 cm處，換熱管壁厚幾乎沒有變化，部分列管爛通穿孔，列管下部有白色晶體附著(經(jīng)分析白色晶體為鹽酸鹽)；(2) 釜內(nèi)物料凝結(jié)，經(jīng)常堵塞出料管，凝結(jié)的物料硬如石頭，難以處理，只能更換整段被堵塞的管道。

2 原因分析

2.1 釜頂冷凝器泄露

(1)實(shí)驗(yàn)室模擬高溫合成反應(yīng)釜條件對(duì)高溫合成反應(yīng)釜釜內(nèi)物料做受熱分解試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示氯離子含量可達(dá)220 mg/kg。引起釜頂冷凝器內(nèi)漏的原因是氯離子的含量較高，加上較高的溫度條件(高溫合成反應(yīng)釜釜頂溫度通常在200 ℃)，只要有微量的水存在，氯離子對(duì)不銹鋼的材質(zhì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和晶格腐蝕。

(2)高溫合成反應(yīng)釜釜頂冷凝器是在負(fù)壓狀態(tài)下(絕壓60 kPa～70 kPa)進(jìn)行的，釜內(nèi)物料經(jīng)蒸發(fā)高速?zèng)_向釜頂冷凝器，在離釜頂冷凝器下管板少許的部位，正好是流體從管徑大轉(zhuǎn)到管徑小的過度區(qū)間，介質(zhì)流速急劇增大，此處便形成了湍流。當(dāng)流體進(jìn)入列管后很快又恢復(fù)為層流，層流對(duì)金屬的腐蝕并不明顯，湍流則腐蝕嚴(yán)重。原因在于湍流附加了一個(gè)流體對(duì)金屬表面的切應(yīng)力，這個(gè)高切應(yīng)力能夠把已經(jīng)形成的腐蝕產(chǎn)物剝離并讓流體帶走，如果流體中含有氣泡或固體顆粒，還會(huì)使切應(yīng)力的力矩得到增強(qiáng)，使金屬表面磨損腐蝕更加嚴(yán)重[1]。遭到湍流腐蝕的金屬表面常常呈現(xiàn)深谷或馬蹄形的凹槽。比對(duì)損壞的高溫合成反應(yīng)釜釜頂冷凝器，發(fā)現(xiàn)符合局部湍流腐蝕特征。

2.2 釜內(nèi)物料凝結(jié)，經(jīng)常堵塞出料管

在合成反應(yīng)過程中，需要加入原料碳酸鉀顆粒，通過攪拌系統(tǒng)，使碳酸鉀顆粒能達(dá)到全部懸浮并處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且均勻地分布于液相中。碳酸鉀顆粒處于這種懸浮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，這與液相流體的粘度、密度，攪拌系統(tǒng)的形式及轉(zhuǎn)速，固體顆粒尺寸等因素密切相關(guān)[2]。當(dāng)碳酸鉀的堆積密度接近液體密度時(shí)，在攪拌器的作用下，能夠達(dá)到較好的懸浮運(yùn)動(dòng)效果。經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)攪拌系統(tǒng)引起的液相流體密度與碳酸鉀的堆積密度之間差距較大，且檢測(cè)發(fā)現(xiàn)原料碳酸鉀顆粒的堆積密度偏高，致使碳酸鉀顆粒沒有充分懸浮，碳酸鉀顆粒沉積從而引起高溫合成反應(yīng)釜出料管堵塞。

3 改進(jìn)措施

3.1.1 更改列管管徑

把高溫合成反應(yīng)釜釜頂冷凝器列管的管徑由Φ25×2.5改成Φ32×3.5，可以大大降低蒸發(fā)氣流進(jìn)入冷凝器列管的速率。減小湍流腐蝕的影響。氣流進(jìn)入Φ32×3.5的列管時(shí)速率與進(jìn)入Φ25×2.5的列管時(shí)的速率比是

降低汽流流速，可以減緩沖刷腐蝕的效果。

3.1.2 更換列管材質(zhì)

由于釜內(nèi)物料中不可避免的存在一定量的氯離子，根據(jù)氯離子的腐蝕特點(diǎn)，在材料選擇上，列管材質(zhì)由原來的304改為316L，因?yàn)?0Cr17Ni14Mo2(316L)鋼比304鋼含更多的鎳,鎳對(duì)提高不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕開裂性能的作用非常大，因此，含鎳量高的316L鋼，其抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力比含鎳量低的304鋼更強(qiáng)；另外316L鋼含鉬,304鋼不含鉬，在一定濃度的氯離子溶液中，鉬可以提高不銹鋼的耐小孔腐蝕性能,特別是能提高不銹鋼在含氯離子介質(zhì)中的抗孔蝕能力；同時(shí)，304鋼含有更高的碳,碳在一定條件下與鉻形成Cr23C6,容易引起晶間腐蝕,降低鋼的耐腐蝕性能[3]。

3.1.3 對(duì)列管進(jìn)行后處理

當(dāng)釜頂冷凝器制作完成后，對(duì)列管進(jìn)行后處理。根據(jù)已損壞的冷凝器列管下10 cm段，腐蝕最為嚴(yán)重，故在列管下端15 cm段以及下管板表面做復(fù)合陶瓷涂層。陶瓷涂層厚度≥50 μm具有良好的傳導(dǎo)性能，不影響冷凝器換熱效果。復(fù)合陶瓷涂層耐酸堿、耐磨、耐高溫880 ℃，表面硬度1 100 HV～1 300 HV。該涂層耐酸堿、耐磨是304不銹鋼的10倍～20倍。

3.2 調(diào)整攪拌系統(tǒng)速率和嚴(yán)控堆積密度

過高或過低的轉(zhuǎn)速都會(huì)引起碳酸鉀顆粒不均勻地分布于液相中，當(dāng)堆積密度接近液相流體密度時(shí)，在攪拌器的作用下，能夠達(dá)到較好的懸浮運(yùn)動(dòng)效果。經(jīng)過摸索將攪拌系統(tǒng)的電機(jī)功率由7.5 kW調(diào)整為11 kW，攪拌速率由62 r/min提高到86 r/min。通過適當(dāng)提高攪拌轉(zhuǎn)速且嚴(yán)格控制碳酸鉀顆粒的堆積密度，從而保證碳酸鉀顆粒達(dá)到全部懸浮并處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且均勻地分布于液相中，這樣能有利于反應(yīng)且有效地阻止了碳酸鉀顆粒沉積。

4 結(jié)論

通過上述改進(jìn)措施，高溫合成反應(yīng)釜由改進(jìn)前的平均每半個(gè)月檢修一次且非計(jì)劃檢修時(shí)物料易泄露、污染環(huán)境、產(chǎn)生的廢水較難處理，再到改進(jìn)后，其能穩(wěn)定運(yùn)行半年以上，直接經(jīng)濟(jì)效益顯著，同時(shí)也為安全生產(chǎn)提供了有力保障。