高溫合成反應釜的改造應用探討

薛為亮

(射陽經濟開發區，江蘇鹽城 224302)

射陽經濟開發區天源化工公司合成裝置技改項目，自2017-03試車投產以來，高溫合成反應釜在使用過程中經常發生故障，導致非計劃停車檢修，影響正常生產，成為生產的瓶頸之一。為解決該問題，文章對高溫合成反應釜的故障原因進行了分析，并提出了改進措施。

1 概述

1.1 工藝流程

如圖1所示，高溫合成反應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，進行反應，成品經高溫合成反應釜釜頂冷凝器和全凝器冷凝后采出，反應釜內物料返回前道工序。

1.2 設備概況

高溫合成反應釜為不銹鋼制15 m3，釜內有加熱盤管、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，還配備了換熱面積為30 m2全凝器和一個體積為2 m3的合成儲罐。

圖1 工藝流程示意圖Fig.1 Process flow chart

1.3 存在的問題

高溫合成反應釜在使用中出現的問題：(1) 在合成反應過程中，發現釜頂冷凝器內漏，經對拆下的冷凝器宏觀檢查后發現冷凝器下管板焊縫幾乎消失，呈現馬蹄形凹槽，在下管板六個方位抽取六根列管進行超生波測厚，換熱管自與下管板焊縫處向上10 cm段呈現腐蝕減薄，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(經分析白色晶體為鹽酸鹽)；(2) 釜內物料凝結，經常堵塞出料管，凝結的物料硬如石頭，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)實驗室模擬高溫合成反應釜條件對高溫合成反應釜釜內物料做受熱分解試驗，實驗結果顯示氯離子含量可達220 mg/kg。引起釜頂冷凝器內漏的原因是氯離子的含量較高，加上較高的溫度條件(高溫合成反應釜釜頂溫度通常在200 ℃)，只要有微量的水存在，氯離子對不銹鋼的材質產生應力腐蝕和晶格腐蝕。

(2)高溫合成反應釜釜頂冷凝器是在負壓狀態下(絕壓60 kPa～70 kPa)進行的，釜內物料經蒸發高速沖向釜頂冷凝器，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到管徑小的過度區間，介質流速急劇增大，此處便形成了湍流。當流體進入列管后很快又恢復為層流，層流對金屬的腐蝕并不明顯，湍流則腐蝕嚴重。原因在于湍流附加了一個流體對金屬表面的切應力，這個高切應力能夠把已經形成的腐蝕產物剝離并讓流體帶走，如果流體中含有氣泡或固體顆粒，還會使切應力的力矩得到增強，使金屬表面磨損腐蝕更加嚴重[1]。遭到湍流腐蝕的金屬表面常常呈現深谷或馬蹄形的凹槽。比對損壞的高溫合成反應釜釜頂冷凝器，發現符合局部湍流腐蝕特征。

2.2 釜內物料凝結，經常堵塞出料管

在合成反應過程中，需要加入原料碳酸鉀顆粒，通過攪拌系統，使碳酸鉀顆粒能達到全部懸浮并處于運動狀態，且均勻地分布于液相中。碳酸鉀顆粒處于這種懸浮運動狀態下，這與液相流體的粘度、密度，攪拌系統的形式及轉速，固體顆粒尺寸等因素密切相關[2]。當碳酸鉀的堆積密度接近液體密度時，在攪拌器的作用下，能夠達到較好的懸浮運動效果。經過排查發現攪拌系統引起的液相流體密度與碳酸鉀的堆積密度之間差距較大，且檢測發現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釜出料管堵塞。

3 改進措施

3.1.1 更改列管管徑

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

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

由于釜內物料中不可避免的存在一定量的氯離子，根據氯離子的腐蝕特點，在材料選擇上，列管材質由原來的304改為316L，因為00Cr17Ni14Mo2(316L)鋼比304鋼含更多的鎳,鎳對提高不銹鋼耐應力腐蝕開裂性能的作用非常大，因此，含鎳量高的316L鋼，其抗應力腐蝕開裂的能力比含鎳量低的304鋼更強；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中的抗孔蝕能力；同時，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 對列管進行后處理

當釜頂冷凝器制作完成后，對列管進行后處理。根據已損壞的冷凝器列管下10 cm段，腐蝕最為嚴重，故在列管下端15 cm段以及下管板表面做復合陶瓷涂層。陶瓷涂層厚度≥50 μm具有良好的傳導性能，不影響冷凝器換熱效果。復合陶瓷涂層耐酸堿、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 調整攪拌系統速率和嚴控堆積密度

過高或過低的轉速都會引起碳酸鉀顆粒不均勻地分布于液相中，當堆積密度接近液相流體密度時，在攪拌器的作用下，能夠達到較好的懸浮運動效果。經過摸索將攪拌系統的電機功率由7.5 kW調整為11 kW，攪拌速率由62 r/min提高到86 r/min。通過適當提高攪拌轉速且嚴格控制碳酸鉀顆粒的堆積密度，從而保證碳酸鉀顆粒達到全部懸浮并處于運動狀態，且均勻地分布于液相中，這樣能有利于反應且有效地阻止了碳酸鉀顆粒沉積。

4 結論

通過上述改進措施，高溫合成反應釜由改進前的平均每半個月檢修一次且非計劃檢修時物料易泄露、污染環境、產生的廢水較難處理，再到改進后，其能穩定運行半年以上，直接經濟效益顯著，同時也為安全生產提供了有力保障。