轉(zhuǎn)化器泄漏的原因分析

王 凱，蘇警鐘，代福建

（青島海晶化工集團(tuán)有限公司，山東 青島 266042）

轉(zhuǎn)化器是一種大型的列管式換熱設(shè)備，列管內(nèi)裝滿以活性炭為載體的氯化汞催化劑。在列管內(nèi)，乙炔與氯化氫在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)生成氯乙烯。該反應(yīng)為強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，反應(yīng)帶的中心溫度最高可達(dá)200℃左右。轉(zhuǎn)化器的泄漏會嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，降低轉(zhuǎn)化器腐蝕泄漏的頻率以及有效利用合成反應(yīng)釋放的熱量是節(jié)能降耗、提高企業(yè)競爭力的關(guān)鍵。由于生產(chǎn)方法不同、工藝技術(shù)差異、轉(zhuǎn)化器制造廠家選擇和日常管理與維護(hù)的偏差，各廠家的使用狀況也不盡相同，轉(zhuǎn)化器泄漏的原因錯綜復(fù)雜。根據(jù)國內(nèi)電石法PVC成本估算表，在電石法PVC成本構(gòu)成中，電石、氯化氫和制造成本3部分所占比例達(dá)到80%～90%[1]，要降低聚氯乙烯的生產(chǎn)成本，不僅要在原材料消耗上下功夫，也應(yīng)該在降低轉(zhuǎn)化器泄漏的幾率，減少設(shè)備成本上采取措施。

1 氯乙烯合成工藝簡述

海晶集團(tuán)經(jīng)過混冷器、深冷器、旋風(fēng)分離器、酸霧捕集器等一系列混合脫酸設(shè)備后，干燥的乙炔和氯化氫混合氣進(jìn)入預(yù)熱器，在升溫至80℃以上后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器。在轉(zhuǎn)化器列管內(nèi)的氯化汞觸媒的催化作用下，乙炔和氯化氫反應(yīng)生成粗氯乙烯氣體，經(jīng)過總管匯集后進(jìn)入凈化系統(tǒng)。在合成反應(yīng)過程中釋放的熱量由94℃左右的熱水帶走，并且在廢熱鍋爐內(nèi)采集大量的蒸汽供溴化鋰制冷裝置和熱水槽升溫使用。

2 影響轉(zhuǎn)化器列管腐蝕泄漏的因素

2.1 循環(huán)水質(zhì)對轉(zhuǎn)化器的影響

循環(huán)熱水的水質(zhì)指標(biāo)較多，影響轉(zhuǎn)化器列管電化學(xué)腐蝕的因素主要有pH值、溶解氧和Cl-的含量。當(dāng)循環(huán)水的pH值小于4時，陰極的反應(yīng)為氫的去極化反應(yīng)，增加了對鋼的腐蝕速度；當(dāng)pH值大于13時，由于腐蝕產(chǎn)物變?yōu)榭扇苄訦FeO-2，使腐蝕速度加快；當(dāng)循環(huán)水呈弱堿性時，腐蝕速度下降，但緩蝕率很低，不能有效抑制列管的電化學(xué)腐蝕。

循環(huán)水的氧濃度增加，直接導(dǎo)致陰極的氧去極化反應(yīng)，加速了電化學(xué)腐蝕。

活性陰離子Cl-具有特性吸附和誘導(dǎo)作用，其存在會加速局部腐蝕，促進(jìn)局部腐蝕的自催化。因而，是影響轉(zhuǎn)化器循環(huán)冷卻水電化學(xué)腐蝕最重要的因素之一。目前，海晶集團(tuán)使用無離子水給熱水槽補(bǔ)充水，避免Cl-富集，一般控制其含量在25×10-6以下。

2.2 轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度不均勻?qū)D(zhuǎn)化器的影響

合成反應(yīng)是在內(nèi)徑57 mm的列管內(nèi)進(jìn)行的，在觸媒的作用下，反應(yīng)溫度很不均勻。列管外的傳熱介質(zhì)為準(zhǔn)沸騰狀態(tài)的水，當(dāng)列管內(nèi)反應(yīng)溫度過高或熱負(fù)荷較大時，列管外的水在上升過程中汽化相當(dāng)強(qiáng)烈。在汽泡湮滅的瞬間，作用在列管上的應(yīng)力高達(dá)104 MPa，對列管產(chǎn)生較大的沖擊，從而加速列管的腐蝕。目前，海晶集團(tuán)將轉(zhuǎn)化器溫度控制為92～165℃。

正常使用的轉(zhuǎn)化器，管程進(jìn)行反應(yīng)的溫度約為130℃左右，殼程循環(huán)水的溫度為91～97℃。溫差的存在使管板和列管產(chǎn)生不等量變形，要求列管的伸長量大于管板的變形量。于是，列管變形量受到約束而承受壓應(yīng)力，這種變化隨溫度的改變而改變，當(dāng)焊接或脹接應(yīng)力不足以達(dá)到管板與列管的最小拉脫應(yīng)力時，就會造成泄漏。

生產(chǎn)流量的波動以及頻繁的開停車都會使轉(zhuǎn)化器管程內(nèi)溫度在較短的時間內(nèi)變化劇烈，從而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。另外，在設(shè)備泄漏時，均采用將漏管兩端用電焊堵死，這樣不可避免地對漏管周圍的列管產(chǎn)生熱影響，以致修復(fù)不久，堵管的周圍又泄漏。

2.3 混合氣體中水分對轉(zhuǎn)化器的影響

乙炔、氯化氫原料氣中含有一定的水分，與氯化氫形成鹽酸，從而引起酸性腐蝕。目前，該公司采用混冷器、深冷器、旋風(fēng)分離器、酸霧捕集器等一系列混合脫酸設(shè)備，最低脫水溫度可達(dá)-15～18℃。保證混合氣中的水分含量為0.03%以下。

2.4 轉(zhuǎn)化器加工質(zhì)量及其結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)化器的影響

由于轉(zhuǎn)化器的特殊使用環(huán)境，對其加工也提出了特殊要求。在焊接過程中，咬邊、夾渣、氣孔、焊縫開裂、焊縫腰高不足等是常見的易泄漏缺陷。轉(zhuǎn)化器上部出水管與花板之間存在氣相空間，可能產(chǎn)生滯流狀態(tài)，使列管產(chǎn)生氣蝕破壞。在轉(zhuǎn)化器下部的進(jìn)水管與下花板之間存在湍流區(qū)，容易積聚腐蝕物，從而產(chǎn)生局部電化學(xué)腐蝕，加速列管的腐蝕破壞。制造廠家應(yīng)提高轉(zhuǎn)化器列管與管板之間焊縫金屬的耐腐蝕性，可以嘗試在轉(zhuǎn)化器列管與管板之間的焊縫金屬表面涂刷一層酚醛樹脂或其他防腐層。因?yàn)檗D(zhuǎn)化器工作介質(zhì)之間的熱交換主要集中在列管管壁，所以，此方案對轉(zhuǎn)化器的換熱性能影響不大。

2006年10月至11月，該公司對轉(zhuǎn)化器進(jìn)行了改進(jìn)。（1）使用無離子水給熱水槽補(bǔ)充水，避免Cl-富集，一般控制其含量在 25×10-6以下；（2）經(jīng)常分析循環(huán)水的pH值，使其穩(wěn)定在8～10；（3）嚴(yán)格控制原料氣中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.03%以下；（4）加高轉(zhuǎn)化器上部的出水管，消除氣相區(qū)。經(jīng)過這一系列的改進(jìn)，取得了較好的效果。轉(zhuǎn)化器列管泄漏的頻率明顯下降，但是泄漏的情況仍然存在。

因此，解決轉(zhuǎn)化器泄漏的原因還須從源頭抓起，選擇有經(jīng)驗(yàn)的廠家進(jìn)行制造加工。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，對不同規(guī)格的轉(zhuǎn)化器進(jìn)行比較選擇，在加工制造過程中，派技術(shù)過硬、責(zé)任心強(qiáng)的工程技術(shù)人員赴廠家進(jìn)行監(jiān)督，有效保證轉(zhuǎn)化器的加工質(zhì)量。

2.5 廢熱鍋爐對轉(zhuǎn)化器的影響

從節(jié)能降耗、降低成本的角度來講，采用廢熱鍋爐是非常必要的，可以將合成反應(yīng)釋放出大量的熱量進(jìn)行綜合利用。按1 mol乙炔反應(yīng)生成1 mol氯乙烯，釋放出124.8 kJ的熱量來計(jì)算，12萬t/a PVC需要氯乙烯的量為240 kmol/h，這樣，每小時就要釋放出2.99×107kJ的熱量，這些熱量絕大部分都被循環(huán)熱水帶回?zé)崴?，造成熱水的蒸發(fā)量大，同時，大量的熱量流失現(xiàn)象發(fā)生。因此，更有必要采用廢熱鍋爐將大量的熱量進(jìn)行綜合利用，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

廢熱鍋爐的工作原理是，熱水在轉(zhuǎn)化器內(nèi)部循環(huán)的動力主要來自循環(huán)水的密度差，因?yàn)?，在轉(zhuǎn)化器內(nèi)部的水基本處于沸騰狀態(tài)，溫度要比廢熱鍋爐內(nèi)的水溫高，這樣就會造成轉(zhuǎn)化器內(nèi)部水的密度小于廢熱鍋爐內(nèi)水的密度。借助于這個密度差，鍋爐內(nèi)的水會向下流，而轉(zhuǎn)化器內(nèi)的水會向上流動，這就促進(jìn)了熱水的循環(huán)。同時，在轉(zhuǎn)化器內(nèi)部的水為沸騰狀態(tài)，會有大量的氣泡向上浮動，在一定程度上促進(jìn)了熱水的循環(huán)，雖然降低了電能的消耗，但是造成了循環(huán)水的流量和流速都很低，也導(dǎo)致了轉(zhuǎn)化器的熱水進(jìn)出口溫差較大，使向上浮動的氣泡在湮滅時的瞬間對列管也有很大的沖擊力，一般可達(dá)104 MPa。這一現(xiàn)象也加劇了轉(zhuǎn)化器的泄漏。目前，該公司廢熱鍋爐的工藝是熱水在轉(zhuǎn)化器及廢熱鍋爐內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。同時，由熱水泵不斷地向鍋爐內(nèi)補(bǔ)充熱水，多余的熱水會從溢流口流回?zé)崴郏阱仩t內(nèi)采集到的蒸汽從鍋爐上面的管路回到熱水槽，另一路送給溴化鋰。后期因轉(zhuǎn)化器泄漏的頻率較高，懷疑是循環(huán)水的循環(huán)效果不好，于是，在轉(zhuǎn)化器的進(jìn)水總管上增加了熱水泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，這樣，轉(zhuǎn)化器的泄漏頻率有所下降，但是增加了電耗，提高了產(chǎn)品的成本。

但通過這件事，也得出了結(jié)論，那就是對于現(xiàn)在的工藝情況來講，只要滿足了熱水能夠良好地循環(huán)，就可以降低轉(zhuǎn)化器泄漏的頻率。為此，只有對廢熱鍋爐進(jìn)行改造，才能做到熱水良好循環(huán)和節(jié)能降耗的雙贏。

3 廢熱鍋爐的改造設(shè)想

在廢熱鍋爐的鍋爐內(nèi)加1個隔板，該隔板不是將鍋爐徹底分開，而是與頂部留有空隙，保證鍋爐頂部的氣相空間為一體，但隔板要盡量高以保證隔板兩側(cè)的液體不會左右流串。這樣，既可將轉(zhuǎn)化器的進(jìn)水與回水徹底分開，還可以保證兩部分液體上部分空間等壓。同時，也要使第一臺鍋爐的溢流口高于回水部分的出口，以保證始終滿足轉(zhuǎn)化器的進(jìn)水液位高于回水的液位，推動熱水的循環(huán)。這個液位差成為熱水循環(huán)的主要動力，循環(huán)也是熱水進(jìn)行循環(huán)的主要方式。雖然仍存在由于溫差導(dǎo)致的熱水循環(huán)，但已不再是熱水循環(huán)的主要方式了。循環(huán)熱水的流速及流量可以通過控制進(jìn)水與回水的液位差來進(jìn)行控制。同時，也要保證為第一臺廢熱鍋爐補(bǔ)充熱水的熱水泵的流量要略高于循環(huán)水的流量，即要保證轉(zhuǎn)化器的進(jìn)水與出水始終存在恒定的液位差。這樣，就可以在滿足提高熱水循環(huán)流量和流速的前提下節(jié)約電能。另外，將轉(zhuǎn)化器的回水不直接引回?zé)崴?，而是將其作為第二臺廢熱鍋爐的進(jìn)水。在安裝廢熱鍋爐時，第二臺廢熱鍋爐的支架要低于第一臺，第一臺的回水溢流口高于第二臺廢熱鍋爐的進(jìn)水管口。其他的鍋爐也按照同樣的安裝方式即可，最后一臺鍋爐的回水口直接連接到熱水槽上。同時，將各廢熱鍋爐的上面的排氣口匯集到1根總管上供給溴化鋰和熱水槽升溫用，這就可以保證各廢熱鍋爐內(nèi)具有相同的壓力，進(jìn)而保證各廢熱鍋爐的液面更加穩(wěn)定，不會再出現(xiàn)因轉(zhuǎn)化器的溫度不同而導(dǎo)致鍋爐內(nèi)壓力不同，造成鍋爐內(nèi)液面不穩(wěn)定的情況。

［1］嚴(yán)福英.聚氯乙烯工藝學(xué).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990：326.