氨制冷系統(tǒng)精餾塔的相關(guān)問題研究

馬高強(qiáng)

（神馬尼龍化工有限責(zé)任公司 河南平頂山 467013）

氨是一種天然的制冷工質(zhì)，具有較大蒸發(fā)潛熱性、適中壓力、良好熱力性質(zhì)，其ODP 與GWP 都是0，環(huán)保特性十分良好。來自國際能源署熱泵中心報(bào)告表示，從經(jīng)濟(jì)與環(huán)境角度看，通過對氨的有效利用，可以解決對大氣環(huán)境具有較大不良影響的GWP制冷劑問題，由此看來，氨水吸收式制冷系統(tǒng)對持續(xù)健康發(fā)展的道路具有重大意義，同時(shí)，有利于合理利用我國資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

1 精餾塔在氨水制冷中作用

研究表明，水分含量是制冷劑中最重要因素之一，它對制冷系統(tǒng)運(yùn)行情況、氨水制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有決定性影響。由此看來，對于氨水制冷系統(tǒng)而言，想要將高純度氨氣提取出來，必須應(yīng)用精餾法，進(jìn)而促進(jìn)此系統(tǒng)運(yùn)行功能的提高。精餾塔是分離氨水的重要設(shè)備之一。精餾塔可以達(dá)到交換上升高溫氣體與下降低溫液體的目的，進(jìn)而增高上升液體中的氨濃度，使提純氨氣目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。通過研究氨水制冷精餾塔中熱質(zhì)交換過程可知，制冷劑中水分不僅危害氨水制冷系統(tǒng)，氨蒸汽中殘留水分同樣影響系統(tǒng)，此研究以氨水吸收制冷精餾塔全冷凝器為基礎(chǔ)，為精餾段效率與提餾段效率賦值為0～1，應(yīng)用定量分析法，分析精餾段與提餾段對精餾效果與系統(tǒng)COP的影響［1-2］。

2 構(gòu)建氨制冷系統(tǒng)

此系統(tǒng)的重要構(gòu)成部件包括精餾塔、過濾器、冷凝器、蒸發(fā)器、過冷器、溶液熱交換器、吸收器、節(jié)流閥、溶液泵。制冷劑循環(huán)與溶液循環(huán)是整個(gè)制冷循環(huán)的兩個(gè)重要部分。氨蒸汽與水蒸氣混合物經(jīng)過精餾塔頂出口后通過部分回流到達(dá)冷凝器，在冷凝作用下形成氨液，通過冷器、節(jié)流閥到達(dá)蒸發(fā)器中，在受到冷卻對象的吸熱蒸發(fā)作用后，氨液形成氨蒸汽，促進(jìn)冷量產(chǎn)生，使制冷得以實(shí)現(xiàn)；氨蒸汽產(chǎn)生后，通過冷器到達(dá)吸收器，被流經(jīng)溶液熱交換器的精餾塔底稀溶液吸收，促進(jìn)濃氨水溶液的形成，進(jìn)入溶液泵到達(dá)溶液熱交換器后，與精餾塔底部稀溶液換熱，升高溫度，通過精餾塔進(jìn)料口到達(dá)精餾塔，實(shí)施提餾段與精餾段操作后，使精餾提純工作得以完成，促進(jìn)氨蒸汽的重新產(chǎn)生，進(jìn)而使整個(gè)循環(huán)過程得以實(shí)現(xiàn)（見圖1）。

圖1 氨制冷系統(tǒng)

3 簡述工藝流程

一些源于脫氨、碳回收、空分中的氣氨匯聚起來后，共同進(jìn)入氨吸收制冷裝置，經(jīng)過過冷器管程后，交換殼程中液氨熱量，升高溫度達(dá)到24℃時(shí)到達(dá)吸收器殼程，然后被冷凝器中稀氨水吸收，稀氨水吸收氣氨后，促進(jìn)濃氨水的形成，大量被釋放出來的反應(yīng)熱被吸收器管程循環(huán)水帶走。從吸收器中出來的濃氨水受到重力作用影響，流入濃氨水儲(chǔ)槽中，然后通過氨水泵加壓到達(dá)1.8MPa，傳輸溶液換熱器殼程，交換精餾塔內(nèi)稀氨水熱量，濃氨水溫度升高達(dá)到110℃后，到達(dá)氨精餾塔中部開展精餾工作。

氣氨與蒸汽從氨精餾塔中被蒸出后，一部分上升到塔頂，通過塔頂回流器后，一些回流，大部分出塔頂后的氣氨與蒸汽進(jìn)入冷凝器殼程，交換管程中一次水熱量后冷卻，形成液氨，進(jìn)而到達(dá)液氨儲(chǔ)罐。受到自身壓力影響，經(jīng)過底部液氨管道進(jìn)入冷凝器殼程的濃氨儲(chǔ)槽內(nèi)液氨，交換外來氣氨熱量，在溫度下降到10℃時(shí)向用戶輸送。

塔底虹吸式再沸器將熱量提供給氨精餾塔，借助再肺器殼程，可以加熱塔底氨水的低壓蒸汽，有大量氣氨存在氨水中，這就造成較高揮發(fā)率，進(jìn)而上升氨水中氣氨，一些經(jīng)過精餾塔冷凝作用后，促進(jìn)自回流的形成，其他部分流出氨精餾塔頂部后，在冷凝器作用下，形成液氨的冷凝。借助溶液冷凝器，出塔后的塔底稀氨水通過利用溶液冷凝器實(shí)現(xiàn)換熱目的，如果溫度在43℃時(shí)，能夠?qū)⒂脩羲蛠淼臍獍蔽眨?-5］。

4 氨精餾塔冷凝器腐蝕原因與預(yù)防改進(jìn)策略

自從投入使用氨精餾塔之后，塔頂冷凝器頻繁發(fā)生泄漏情況，最初并不明確泄漏原因，僅僅將堵漏處理措施應(yīng)用于泄漏部位，然而，短時(shí)間內(nèi)再次出現(xiàn)泄漏，對整個(gè)按制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行造成不良影響，不僅大幅度增加液氮消耗，還導(dǎo)致了檢修工作量的增加。這是固定管板式的冷凝器，在選擇材質(zhì)方面，選用16MnRⅢ的筒體、16Mn 的管板、20#換熱管、1.5MPa 的設(shè)計(jì)壓力，循環(huán)水是此冷凝器殼程介質(zhì)，液氮是管程介質(zhì)。投入使用氨精餾塔之后，運(yùn)行一段時(shí)間之后，有內(nèi)漏情況出現(xiàn)在塔頂冷凝器中，進(jìn)而逐漸提高塔頂溫度，由于有氨存在于冷凝器循環(huán)水出口水中，逐漸擴(kuò)大泄漏量，不斷升高循環(huán)水中氨含量，明顯增加氨消耗。

4.1 研究腐蝕泄露原因與預(yù)防對策

拆檢冷凝器之后，以冷凝器腐蝕情況為依據(jù)，能夠判斷出點(diǎn)腐蝕與應(yīng)力腐蝕是主要腐蝕類型。

4.1.1 點(diǎn)腐蝕

比較典型的點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象是有腐蝕坑存在于換熱管表面，點(diǎn)腐蝕比較容易發(fā)生于CI-環(huán)境中，究其原因，主要是CI-很容易吸附在換熱管表面某個(gè)點(diǎn)上，進(jìn)而破壞此處鈍化膜，根據(jù)金屬腐蝕機(jī)理可知，CI-具有良好活性，發(fā)生小孔腐蝕的概率比較大，因此，必須嚴(yán)格控制循環(huán)水中的CI-。

4.1.2 應(yīng)力腐蝕

在拉力與腐蝕共同作用之下，金屬材料發(fā)生脆性斷裂被稱為應(yīng)力腐蝕斷裂，變換工段將熱負(fù)荷提供給氨精餾塔，那么改變變換工段的工況后，熱負(fù)荷也會(huì)產(chǎn)生變化，考慮循環(huán)冷卻水具有恒定溫度，較小溫度調(diào)節(jié)空間，一旦有波動(dòng)出現(xiàn)在熱負(fù)荷中，在溫度差影響下，塔頂冷凝器會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力拉伸，塔頂冷凝器具有較高頂部壓力和溫度，如果對正常換熱要求冷凝器不能進(jìn)行滿足，就會(huì)逐漸積聚熱量，慢慢加劇冷凝器的溫差膨脹，最終拉裂熱管與管板之間焊縫。由此看來，生產(chǎn)過程中必須保持平穩(wěn)操作，防止大幅度調(diào)整，避免發(fā)生塔頂超溫情況。

4.2 改進(jìn)對策

碳鋼材質(zhì)的換熱管具有較差耐腐蝕性能，較小自由伸縮度，改進(jìn)對策是更換熱管材質(zhì)，即使用304代替碳鋼，不改變規(guī)格，為了使耐腐蝕性能得以增強(qiáng)，將管板材質(zhì)改為16MnⅢ+304，同時(shí)，將304 堆焊層增加到換熱管焊接面。

5 研究筒體腐蝕原因與預(yù)防改進(jìn)對策

氨精餾塔筒體材質(zhì)、壁厚分別是16MnR、22mm，304 為塔內(nèi)件材質(zhì)。通過仔細(xì)檢查腐蝕點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)被腐蝕的塔壁呈現(xiàn)溝槽形狀，觀察材質(zhì)劣化與腐蝕形貌，存在酸液、沖刷腐蝕等狀況。

5.1 研究筒體腐蝕原因

5.1.1 冷凝液腐蝕與垢下腐蝕

氨的冷凝溫度在1.4MPa時(shí)的溫度是36℃，這時(shí)會(huì)有冷凝氨液形成于冷凝器管壁上，并且沿塔壁向下方流。因?yàn)槿丝孜恢镁哂休^差保溫性能，導(dǎo)致有氨液析出，人孔底部會(huì)逐漸聚積后液氨，促進(jìn)積液的形成。氨液與積液中氨、介質(zhì)中H2S、硫代硫酸根、硫酸根等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，促進(jìn)（NH4）2SO4、NH4HS等的產(chǎn)生，遇到水之后，就會(huì)水解成酸性腐蝕物質(zhì)，最終使酸液腐蝕與垢下腐蝕得以形成。

5.1.2 NH4HS沖刷腐蝕

氣態(tài)氨中H2S 與NH3反應(yīng)后，促進(jìn)NH4HS的生成，在120℃左右析出NH4HS結(jié)晶，因此，有NH4HS結(jié)晶存在于塔體上部介質(zhì)中，并且逐漸在塔上部凝結(jié)NH4HS氨液，在重力作用下流向下方，接觸高速逆流的氨氣后，就會(huì)有沖刷腐蝕形成于塔壁。

5.2 預(yù)防和改進(jìn)對策

第一，有效控制原料，嚴(yán)格控制氨液中H2S與其他雜質(zhì)含量，使其處于工藝指標(biāo)范圍，并且將短接、人工孔位置等保溫工作做好，進(jìn)而防止低溫液氨冷凝鹽形成。

第二，加強(qiáng)跟蹤腐蝕介質(zhì)，將進(jìn)出料位置的各點(diǎn)采樣分析工作做好，對Fe3+、硫酸鹽、硝酸鹽、Na2S2O3、H2S等有害物質(zhì)進(jìn)行重點(diǎn)分析，進(jìn)而對各位置腐蝕介質(zhì)的具體分布狀況進(jìn)行全面了解和掌握。并且對氨精餾塔污水中含有NH4HS 質(zhì)量濃度進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，如果NH4HS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，必須第一時(shí)間實(shí)施置換處理操作。

第三，從整體上改造和更換設(shè)備，將內(nèi)襯增加到筒體部位，材質(zhì)是304，厚度是3mm，有利于徹底根除腐蝕問題［6-7］。

6 結(jié)語

綜上所述，借助分析氨精餾塔腐蝕原因，能夠?qū)τ嘘P(guān)問題進(jìn)行全面了解和掌握，進(jìn)而將具有較強(qiáng)針對性的預(yù)防與改進(jìn)對策制定出來，有利于將指導(dǎo)依據(jù)提供出來，更好地解決和改善精餾塔腐蝕問題。氨制冷的最重要設(shè)備就是氨精餾塔。解決腐蝕問題之后，能夠有利于保障此設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高氨制冷設(shè)備運(yùn)行效率和質(zhì)量，幫助化工企業(yè)獲取最大化的收益。