解決內(nèi)盤管泄露的10立方氯化銨搪瓷反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)改進(jìn)*

陸 惠

(江蘇富淼科技股份有限公司，江蘇張家港 215613)

0 引言

用于氯化工藝的反應(yīng)釜按照其制造結(jié)構(gòu)可分為開式平蓋式反應(yīng)釜、開式對焊法蘭式反應(yīng)釜和閉式反應(yīng)釜三大類。反應(yīng)釜按材質(zhì)及用途可分為不銹鋼［1］反應(yīng)釜，搪瓷反應(yīng)釜。每一種結(jié)構(gòu)都有它的適用范圍和優(yōu)缺點。搪瓷反應(yīng)釜(反應(yīng)罐)因其罐體是鋼制可以確保具有較大的承壓能力，罐內(nèi)涂搪的玻璃襯里又使其具有可靠的耐腐蝕性能，這種耐腐蝕性和高承壓能力結(jié)合于一體的獨特性能極大地擴(kuò)展了設(shè)備的適用范圍，被應(yīng)用于化工、石油化工、農(nóng)藥、醫(yī)藥、冶金、食品等各個部門。

考慮到搪瓷反應(yīng)釜優(yōu)良的耐腐蝕性能，江蘇飛翔化工股份有限公司在2012年建成了10立方氯化銨生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)能力為5 000 t/年，主要用于DADMAC－60和DADMAC－65等產(chǎn)品。生產(chǎn)的主要原料之一是氯丙烯，氯丙烯具有極高的腐蝕性，而且屬于國家安監(jiān)局重點控制的15種危險工藝之一。因此在保證正常生產(chǎn)的同時，安全問題也是重中之重，要警鐘長鳴。

1 搪瓷反應(yīng)釜的特點

搪瓷反應(yīng)釜是將含高二氧化硅的玻璃，襯在鋼制容器的內(nèi)表面，經(jīng)高溫灼燒而牢固地密著于金屬表面上成為復(fù)合材料制品。因此搪瓷反應(yīng)釜具有玻璃的穩(wěn)定性和金屬強(qiáng)度的雙重優(yōu)點，是一種優(yōu)良的耐腐蝕設(shè)備。

10立方搪瓷反應(yīng)釜的技術(shù)規(guī)范如下:

(1) 使用壓力:0.2 ～0.8 MPa。

(2)耐酸性:對各種有機(jī)酸、無機(jī)酸、有機(jī)溶劑均有較好的抗蝕性。

(3)耐堿性:搪玻璃對堿性溶液抗蝕性較酸溶液差。但將我廠搪玻璃試樣置于1N氫氧化鈉溶液腐蝕，試驗溫度80℃，時間48 h。

(4)操作溫度:搪玻璃設(shè)備加熱和冷卻時，應(yīng)緩慢進(jìn)行。使用溫度為－20～200℃，耐溫急變性≥200℃。

(5)瓷層厚度:玻璃設(shè)備的瓷層厚度0.8～2.3 mm，搪玻璃設(shè)備附件的瓷層厚度0.6～1.8 mm。

(6)耐壓電:搪玻璃具有良好的絕緣性，當(dāng)搪玻璃在規(guī)定厚度內(nèi)用20 kV高頻電火花檢查瓷層時，高頻電火花不能擊穿瓷層。

(7)耐沖擊性:玻璃層的內(nèi)應(yīng)力越小，彈性越好，硬度越大，抗彎抗壓強(qiáng)度越高，則耐沖擊就越好。

主要適用于下列介質(zhì)或物料:①任何濃度和溫度的氫氟酸及含有氟離子的介質(zhì)或物料;②濃度大于30%，溫度高于180℃的磷酸介質(zhì)或物料;③PH值大于12且溫度高于80℃的堿性介質(zhì)或物料;④酸堿物料交替進(jìn)行的反應(yīng)過程。

2 存在的問題及原因分析

2.1 存在的問題

2012年，該企業(yè)10立方反應(yīng)釜建立，為搪玻璃設(shè)備，初期設(shè)備內(nèi)盤管的接口設(shè)計成在釜內(nèi)法蘭連接，冷凍鹽水的進(jìn)出管由釜蓋進(jìn)入釜內(nèi)，并與內(nèi)盤管通過法蘭連接。冷凍鹽水的進(jìn)出口在釜蓋上成對稱分布(如圖1)。這樣的設(shè)計分布在間接上也起到固定內(nèi)盤管的作用。

搪瓷反應(yīng)釜的搪瓷用的金屬材料主要有:鑄鐵、鋁材、鋼材、銅材和不銹鋼［2］。搪瓷用鋼材(主要是鋼板)一般是指低碳鋼鋼板，即含碳量較低的鋼板(一般≤0.08%)，這也是用于容積式熱水器內(nèi)膽的主要材料。

在經(jīng)過1年多時間的使用后，發(fā)現(xiàn)有冷凍液在成品中存在，影響到了成品的質(zhì)量和品質(zhì)?，F(xiàn)場排查原因認(rèn)為初步認(rèn)定是內(nèi)盤管破損泄露造成，決定進(jìn)釜檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)盤管完好無損。接下來排查盤管的水壓，發(fā)現(xiàn)泄露點位于內(nèi)盤管與冷凍鹽水管連接的法蘭處(圖1中A、B處)。

圖1 10立方反應(yīng)釜冷凍水管進(jìn)出口

2.2 原因分析

(1)考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)本身的緣故。搪瓷反應(yīng)釜中的搪瓷材料是化學(xué)組成成分，其表面狀況、力學(xué)性能及內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)(金相結(jié)構(gòu))對搪瓷的質(zhì)量起著重要的作用［3］。

(2)考慮反應(yīng)工藝過程和參數(shù)控制。氯化反應(yīng)是一個放熱過程，尤其在較高溫度下進(jìn)行氯化，反應(yīng)更為劇烈，速度快，放熱量較大;生成的氯化氫氣體遇水后腐蝕性強(qiáng);常用的氯化劑氯氣本身為劇毒化學(xué)品，氧化性強(qiáng)，儲存壓力較高，這些都對管道造成極大的壓力，尤其隨著時間的推移，管壁腐蝕越來越厲害，壁厚越來越薄，氯氣中的雜質(zhì)，如水、氫氣、氧氣、三氯化氮等，在使用中易發(fā)生危險，特別是三氯化氮積累后，容易引發(fā)爆炸危險;氯化反應(yīng)尾氣可能形成爆炸性混合物。

(3)考慮最終的產(chǎn)品。在生產(chǎn)特種工程塑料時，搪瓷反應(yīng)釜價格較高，目前常采用的方法為先制備低聚物，用改進(jìn)技術(shù)將低聚物固相增粘，但高溫尼龍和液晶等在將低聚物制成合適尺寸進(jìn)行固相增粘時會產(chǎn)生大量的小尺寸的粉粒，由于通常轉(zhuǎn)鼓采用抽真空增粘，因而這些小尺寸的粉粒加入到轉(zhuǎn)鼓中固相增粘時常常會和生成的低分子一起被高真空抽出，含雜著低聚物的小尺寸的粉粒會沉積在抽真空管的管道中，造成管道阻塞，無法進(jìn)一步增粘，同時會造成物料顏色變黃。

綜合考慮，認(rèn)為從設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)最合理。考慮到內(nèi)盤管的材質(zhì)為TA2，質(zhì)量較輕，強(qiáng)度和剛度不高。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為了增加剛度，建議對兩個進(jìn)出法蘭接口進(jìn)行受力分析，克服其不利因素，讓其起到固定作用。在實際生產(chǎn)使用過程中，內(nèi)盤管內(nèi)充滿了流動的冷凍液，其自身的重力和流動壓力給整個內(nèi)盤管產(chǎn)生了一個很大的壓力。這個壓力一部分轉(zhuǎn)移到了法蘭連接處，形成了一個較大的拉伸應(yīng)力。法蘭的連接螺栓經(jīng)過長時間受力，和內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，尤其氯化反應(yīng)的高腐蝕性，溫度冷熱交替施壓，導(dǎo)致螺栓與螺母之間有了一定松動。再加上在攪拌裝置工作的過程中，流動的物料也對內(nèi)盤管產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)力，這個力比較復(fù)雜，呈現(xiàn)周期性和交變性，可以分解為沿著法蘭的軸向和切向的分力，這三個力的合成力不斷傳遞到兩個法蘭的結(jié)合連接處，使螺栓斷裂，從而連接處出現(xiàn)開裂，導(dǎo)致冷凍液從法蘭連接處泄露出來，進(jìn)入到產(chǎn)品當(dāng)中去，污染了產(chǎn)品，從而直接影響最終成品的質(zhì)量和品質(zhì)。

3 內(nèi)盤管結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施及工藝控制

在實際的生產(chǎn)中，搪玻璃設(shè)備的這種缺陷是難以避免的，在今年的產(chǎn)能擴(kuò)產(chǎn)時，提出改進(jìn)措施如下:反應(yīng)釜采用復(fù)合鈦材質(zhì)，冷凍鹽水的進(jìn)口可以從反應(yīng)釜的筒體偏上方進(jìn)入釜內(nèi)，法蘭連接處設(shè)置在釜體外部，盤管的進(jìn)口管路與釜壁固定。因為金屬材質(zhì)可以焊接，所以，在釜內(nèi)又可做固定裝置。而且，為了防止內(nèi)盤管產(chǎn)生較大的撓性和塑性變形，由原來的整體結(jié)構(gòu)改為12組等換熱面積的盤管組(如圖2)。改動后，單根盤管的剛性大大增加，在物料運(yùn)行過程中，不易變形、松動、脫離，克服了原來結(jié)構(gòu)作為一個整體帶來的缺陷。

圖2 改進(jìn)后的10立方反應(yīng)釜盤管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

配合更改后的結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要從工藝參數(shù)上進(jìn)行加強(qiáng)和控制，為保證安全生產(chǎn)，響應(yīng)國家安監(jiān)局的號召，實際生產(chǎn)中要重點監(jiān)控工藝參數(shù)如下:氯化反應(yīng)釜溫度和壓力;氯化反應(yīng)釜攪拌速率;反應(yīng)物料的配比;氯化劑進(jìn)料流量;冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)的溫度、壓力、流量等;氯氣雜質(zhì)含量(水、氫氣、氧氣、三氯化氮等);氯化反應(yīng)尾氣組成等。

安全控制的基本要求有:反應(yīng)釜溫度和壓力的報警和聯(lián)鎖;反應(yīng)物料的比例控制和聯(lián)鎖;攪拌的穩(wěn)定控制;進(jìn)料緩沖器;緊急進(jìn)料切斷系統(tǒng);緊急冷卻系統(tǒng);安全泄放系統(tǒng);事故狀態(tài)下氯氣吸收中和系統(tǒng);可燃和有毒氣體檢測報警裝置等。

宜采用的控制方式有:將氯化反應(yīng)釜內(nèi)溫度、壓力與釜內(nèi)攪拌、氯化劑流量、氯化反應(yīng)釜夾套冷卻水進(jìn)水閥形成聯(lián)鎖關(guān)系，設(shè)立緊急停車系統(tǒng)。安全設(shè)施，包括安全閥、高壓閥、緊急放空閥、液位計、單向閥及緊急切斷裝置等。

4 結(jié)語

通過這次結(jié)構(gòu)上的改造和加強(qiáng)工藝參數(shù)的控制，徹底解決了冷凍鹽水泄露到成品中的難題，改進(jìn)結(jié)構(gòu)后實施到現(xiàn)在，10立方反應(yīng)釜設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和品質(zhì);同時，整體內(nèi)盤管改成等同換熱面積的內(nèi)盤管組，成組小盤管的剛性遠(yuǎn)大于整體內(nèi)盤管，該措施大大降低了內(nèi)盤管法蘭破損的風(fēng)險，提高了設(shè)備的使用壽命。

［1］ 章 海，陳 勝.船用高壓不銹鋼卡套低溫硫碳氮共滲研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2011(5):109－110+112.

［2］ 趙小月，張德海，劉慧靜.某冰箱門體端部翹曲的有限元分析及改進(jìn)設(shè)計［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2011(5):78－79+82.

［3］ 張德海，崔國英，白代萍，等.用于先進(jìn)材料的先進(jìn)檢測技術(shù)研究［J］.鍛壓技術(shù)，2013，38(5):1－7.