丙烯腈成品塔冷凝器結垢問題的分析及處理

陳麗，孫純國，胡紅旗，欒國顏

(1.吉林化工學院化工與材料工程學院，吉林132022；2.中國石油吉林石化公司丙烯腈廠，吉林132022)

丙烯腈成品塔冷凝器結垢問題的分析及處理

陳麗1，孫純國1，胡紅旗2，欒國顏1

(1.吉林化工學院化工與材料工程學院，吉林132022；2.中國石油吉林石化公司丙烯腈廠，吉林132022)

本文通過對丙烯腈生產的關鍵設備成品塔冷凝器殼程結垢嚴重原因的分析，采用以波壁紋管取代直壁管的解決方案。通過生產運行實踐，取得了很好的效果，建議在生產運行中廣為采用。

冷凝器；結垢；丙烯腈；波壁紋管

某廠丙烯腈裝置始建于20世紀90年代，由美國BP化學公司設計，采用丙烯氨氧化法生產技術。丙烯腈裝置丙烯腈成品塔冷凝器在實際生產中由于換熱效果不好，導致產品中過氧化物、pH值以及酸度等不合格，嚴重影響著產品質量；另一方面由于丙烯腈容易聚合，換熱能力的下降，造成成品塔釜溫升高，加快了丙烯腈在成品塔內的聚合，縮短了成品塔的運行周期，增加了裝置的檢修次數，大大降低了丙烯腈產品的質量，增加原料的消耗。改進冷凝器的換熱效果對丙烯腈的生產具有十分重要的意義。

1 冷凝器基本概況

1.1 設備概況

成品冷凝器為臥式固定管板式換熱器，該換熱器的規格為殼徑450mm×2500 mm，換熱面積F=27.2m2，管徑 19 mm×2.5 mm，管數 188 根，殼程數為 1，管程數為4，殼程擋板間距為105 mm；設備材質為碳鋼；重量為1276kg；換熱器工作溫度殼程為30～35℃，管程為52～38℃，換熱器操作壓力殼程為450KPa，管程為150KPa；工作介質殼程為工業用水，管程為丙烯腈。

1.2 原因分析

成品冷凝器殼程結垢嚴重并且在列管壁面上的沉積是導致換熱能力下降最根本的原因，如圖1所示。殼程中使用的工業用水含有鹽類、機械雜質及有機物雜質等[1]。從結垢的形成原因分析如下：

a.此介質中的某些鹽類在溫度升高時會析出并附著于換熱管表面形成水垢；通常冷卻水中加有聚磷酸鹽類緩沖劑，當水的pH值較高時也可導致水垢析出。初期形成的水垢比較松軟，但隨著圬垢層的生成傳熱條件惡化，水垢中的結晶水逐漸失去，垢層變硬并牢固地附著于換熱管表面上。

b.如同水垢一樣，當流體所含的機械雜質、有機物較多并且流體的流速又較小時，部分機械雜質及有機物也會在換熱器內沉積，形成疏松、多孔或膠狀污垢，污垢層的存在將顯著增大列管內外熱量傳遞的阻力。

c.污垢長時間在管壁上的沉積會逐漸對列管產生腐蝕，除了對設備造成損壞之外，檢修維護時也將大大增加污垢清理的難度。

2 問題的處理

結垢現象客觀存在幾乎無法避免，只要能夠盡量阻止污垢在管壁上的沉積就可以有效防止換熱能力的下降。通常對結垢的處理有手工機械法、沖洗法和化學除垢法等，這也是目前工程中普遍采用的方法[2]，屬于被動的措施，往往清洗干凈的換熱器再度投入使用后會很快重新結垢、沉積，并且清洗周期越來越短，遠遠滿足不了實際生產的要求。

2.1 處理的方案

為了從根本上解決這個嚴重困擾生產的問題，換一種思路，采用防止結垢物之間的粘結以及防止其在換熱表面上的沉積方法。為此，提出以具有流體力學性能較好的壁波紋管來取代原來的直壁管的方案。

2.2 理論依據

為了論證該方法合理有效，通過應用商用流體力學計算軟件Fluent[3]對兩種管路的壁面剪切應力的分布狀況進行數值模擬，結果如圖2和圖3所示，各種顏色代表大小不同的剪切應力值。由直壁管的結果圖2可知，顏色不同的區域在圓周各處的軸向（Z方向）上呈均勻分布狀態，這意味著直壁管表面各處的剪切應力不隨軸向位置發生變化，污垢在一段時間的聚積后較容易附著在上面。而壁波紋管的結果圖3則截然不同，可以看出剪切應力除了沿軸向不斷發生變化之外，還隨著各處管徑的變化而變化。

這種時刻發生變化的剪切狀態，將使得污垢的沉積和附著變得非常困難，能夠有效地抑制殼程結垢問題的發生。

2.3 處理效果

提高換熱效率，節約能源。冷凝器傳熱效果明顯增加，減少了工業用水的用量；換熱能力的升高，成品塔的塔釜溫降低，降低了塔底再沸器中蒸汽的使用量。

延長設備使用壽命。冷凝器結垢速度明顯降低，清洗周期數倍延長，只是在每年裝置大檢修時清理結垢即可。對成品冷凝塔換熱器改用壁波紋管后已經三四年了，再未因它出現結垢而切換維護。

提高生產效率和產品質量。換熱器的操作彈性顯著增大，整個裝置都可以在較高的負荷下生產；換熱效率高，使得成品塔的塔釜溫降低，減少了丙烯腈在成品塔內的聚合，提高了丙烯腈產品的質量。

減少經濟損失。傳熱效果的改善，減少了原料的消耗量。

3 結束語

改造后的丙烯腈成品塔冷凝器，改善了工藝狀況，滿足了丙烯腈生產的技術要求，節約了生產成本，提高了產品質量和生產能力，實現了節能降耗，保證了設備長周期運行，為工廠創造了顯著的經濟效益。

［1］周本省.工業冷卻水處理的物理方法及工程應用[M].北京:化學工業出版社,2008:30-49.

［2］毛希瀾.換熱器設計[M].上海:上海科學技術出版社,2008:5-25.

［3］田文德,王曉紅.化工過程計算機應用基礎[M].北京:化學工業出版社,2007:51-60.

Analysis and treatment for the scaling problem of the condenser of finished products tower in acrylonitrile unit

CHEN Li1,SUN Chuo-guo1,HU Hong-qi2,LUAN Guo-yan1
(1.School of Chemical&Materials Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin City 132022,China;2 Acrylonitrile Factory of Jilin Petrochemical Company，Ltd．，PetroChina，Jilin City 132021，China)

In the paper,the writer Analysis the Key Equipments of acrylonitrile production,the condenser of finished products tower which scaling in Shell Side is serious.The writer Justify a solution which a wavy-walled tube displaced a straight-walled tube.The techniques have been operated by plant．A wavy-walled tube technique should be used in old plant reforming or new plant．

condenser；scaling；acrylonitrile；wavy-walled tube

10.3969/j.issn.1008-1267.2012.05.016

TQ051.6+1

B

1008-1267（2012）05-0046-03

2012-04-12

陳麗（1970.7～）,女，碩士，副教授，從事化工系統工程的研究。