丙烯腈裝置流化床反應器化學清洗方法與實踐

田民格，姚飛飛，宋 旗，陳軍民，韋亞飛

（欣格瑞（山東）環境科技有限公司，山東 濟寧 272415）

引言

丙烯腈屬于大宗基本有機化工產品，是三大合成材料的基本原料。近年來，隨著丙烯腈下游產品ABS/SAN、丙烯酸酰胺、丁腈橡膠和己二腈等的廣泛應用，國內丙烯腈行業發展較快，產能迅速增加[1]。其中，由空氣分布板、丙烯和氨混合氣體分配管、U 形冷卻管和旋風分離器等部分組成的循環流化床式反應器是丙烯腈生產中使用最廣泛的反應器。

丙烯腈裝置反應器內部產生的大量反應熱，由來自冷劑槽的循環飽和水帶走，飽和水在反應器內部經多組U 型冷卻水管傳熱，產生的汽水混合物回到冷劑槽進行汽液分離，分離后的飽和蒸汽會再次經反應器的U 型冷卻水管進行過熱，產生的高壓蒸汽混合調溫后至空壓制冷單元作為透平用蒸汽[2-3]。

在裝置開車前，在對公用工程高中壓蒸汽管線進行化學清洗的同時，對反應器內部撤熱水管線及蒸汽管線進行化學清洗，可去除反應器在制造、運輸、貯存和安裝等過程中在設備及管線內部產生和存在的鐵銹、焊渣、軋制鱗皮、油脂氧化物、浮塵及砂石等污垢，對裝置的順利開車及使用具有重要意義[4]。

1）化學清洗可去除管內的鐵銹等污垢，使金屬表面清潔度提高，可大幅度縮減蒸汽管線后續吹掃及撤熱水系統沖洗所需時間，大大節省蒸汽及脫鹽水用量，具有較高的經濟效益。

2）僅通過水沖洗或吹掃不易將沉積在撤熱水管和蒸汽管內的較大固體雜質沖出系統。在運行使用過程中，U 型管底部彎管沉積的污垢大量沉積后會影響撤熱水流量，降低冷卻效果，影響正常生產；另一方面，流動性質的污垢會對彎管部位的金屬產生長時間的擊打、摩擦等作用，極易損傷金屬基體。通過化學清洗可使管道內部的污垢溶解去除，避免上述情況的產生。

3）撤熱水管在彎管段部位的直徑有輕微的變化，會導致彎管內的壓力和流速發生變化，使彎管內壁凹面處介質流速降低，壓力增大。在管內介質為水和蒸汽的條件下，管內氣泡極易在管內凹面高壓區破滅，對局部撤熱水管產生氣蝕磨損。通過化學清洗，可去除彎管部位的表面銹蝕，減少凹凸面。

1 現場條件及設備構造分析

在施工前，為了確保反應器撤熱水系統及反應器蒸汽系統化學清洗項目的有效開展，在參考相應標準及規范要求的同時，需結合現場施工條件及設備結構特點，通過分析和計算，選擇合適的施工方法，編制切實可行的施工方案。

1.1 現場不利施工條件

經過對現場公用工程條件的溝通調查，有以下不利于施工的情況：

1）施工用水。化學清洗應選用脫鹽水或軟化水，施工現場無較大脫鹽水接口，最大接口僅為DN100，供水量最高達100 t/h，且無法長時間供應；消防水水質較差，氯離子含量和濁度較高，無法使用。

2）熱源。由于該項目為新建項目，裝置區域內無蒸汽引入，排除蒸汽加熱；該新建裝置為擴建項目，廠區內已有其他裝置正在運行，不具備采用燃燒方式進行加熱。

3）電源。施工區域附近僅有施工臨時電源可供使用，用電負荷不宜過大。

4）排污。裝置現場設置有4 個污水池，設計有正式管線可輸送廢液至老廠的污水處理廠，但由于施工進度不同，暫時未能接通，僅能暫時存放于污水池中。

在清洗系統設計、介質選擇和工藝設計時充分考慮了上述不利因素，采取了針對性措施，保證了項目順利實施。

1.2 設備構造分析

經過圖紙分析、現場觀察和溝通，該流化床反應器內部撤熱水管和蒸汽管均為U 型管，單根撤熱水管由多根U 型管組焊而成。該系統為多金屬材質。

現場兩臺反應器并列布置。每個反應器的撤熱水系統與蒸汽系統劃分為N 個象限，每個象限由數根撤熱水管組成，并聯設置，每根撤熱水管均安裝有閥門。

2 方案設計

2.1 泵選型

反應器每個象限單獨建立循環。根據流速計算進行清洗泵選型，流速計算表見表1。

表1 流速計算表

根據計算結果可以看出，以反應器的一個象限的撤熱水管為獨立的清洗回路，可選用50 m3/h～127 m3/h的清洗泵，結合我公司設備型號，可選用2 m3/h×100 m3/h清洗平臺、2 m3/h×75 m3/h清洗平臺。其中2 m3/h×100 m3/h清洗平臺的功率為18.5 kW，揚程為40 m；2 m3/h×75 m3/h清洗平臺的用電功率為4 kW，揚程為85 m。兩種泵站均可在施工現場找到合適的臨時電源接口。經查閱設計資料，查明反應器撤熱水系統冷卻水管內設計壓力，兩種泵站的揚程均符合要求。

由于反應器內U 型管的特殊結構，在管內的氣體前有動力泵提供的液體推動，后有液體壓阻，極易產生氣塞。在選用揚程較高泵站的情況下，提高管內氣體前的推動力，可有效避免氣塞的產生。綜合考慮上述條件，擬選用2 m3/h×75 m3/h 清洗平臺，該泵站揚程可達85 m，可有效避免反應器U 型管在清洗期間產生氣塞。同時在清洗過程中，嚴格控制清洗箱中的液位，避免外界氣體吸入泵體，進入管路系統。

2.2 工藝設計

由于現場熱源受限，應選用在常溫條件下具有優異清洗效果的清洗劑。通過比較，確定使用具有絡合作用的復合清洗劑和亞硝酸鈉加鈍化促進劑進行化學清洗和鈍化。該清洗劑對溫度無特殊要求，常溫即可使用，適用于系統金屬材質。該清洗劑具有較強的絡合能力，可避免清洗剝離下的污垢沉積在冷卻管內部；亞硝酸鈉加鈍化促進劑可在常溫下達到較好的鈍化效果。

由于排污池內污水無法短時間內排出，受限于排污池容量，在酸洗完成后采用堿性轉換液頂排酸洗液，可使酸洗后的金屬表面快速脫離敏化狀態，并減少脫鹽水用水量及污水排放量。在堿性轉換完成后，快速加入亞硝酸鈉和鈍化促進劑進行鈍化處理，可使金屬表面進入鈍化狀態。

2.3 系統設計

根據所選用的泵站型號，對清洗流速進行核算，核算結果見表2。

表2 清洗流速核算

根據上述計算結果，在化學清洗期間以一個象限的撤熱水管為獨立的一個循環回路即可達到化學清洗0.2 m/s 的流速要求。在切換循環回路時，首先關閉1 根～2 根撤熱水管，再開啟下一個循環回路的1 根～2 根撤熱水管，依次類推，可使切換清洗循環過程的清洗流速稍大于循環清洗過程的清洗流速，避免先開后關引起的氣塞。

在酸洗前的水沖洗過程中，將待清洗反應器的N個象限進一步劃分，設計為12 個沖洗回路，以每3 根撤熱水管為一個獨立的沖洗回路，以較大的壓力和沖洗流速，將系統內的固體污垢沖出系統，并且可以將管內氣體沖出系統。在切換沖洗回路時，首先關閉沖洗回路的一個撤熱水管，然后再開啟下一沖洗回路的一個撤熱水管，以此類推。按照此方式切換沖洗回路可切換沖洗過程的沖洗流速稍大于沖洗過程的沖洗流速，避免產生氣塞的同時，也可借助短時間更大流速的沖洗，將管內污垢進一步沖出系統。

3 清洗過程

清洗過程主要包括以下環節：正式系統隔離檢查及正式系統閥門狀態檢查調整→上水沖洗查漏→酸洗前開始沖洗→預緩蝕→酸洗→頂排酸液→鈍化。

在上水前，對系統水容積及各獨立清洗循環系統容積進行核算，單臺反應器及其外圈管線的清洗水容積約在25 m3，整個系統清洗水容積以60 m3計。

3.1 系統檢查

在正式上水沖洗前，對正式系統所有相關閥門狀態及隔離措施進行檢查，確認不參加化學清洗的系統已與系統可靠隔離，系統內的流量計已采用臨時管道短接。由于撤熱水管較多，為避免誤操作，需先將所有撤熱水管一次閥門關閉，二次閥門開啟，在操作時，僅對一次閥門進行操作。

3.2 上水沖洗查漏

在首次上水時，對所有臨時系統的焊口、法蘭等連接部位進行檢查和緊固，對于泄漏嚴重的部位進行停機消缺。

3.3 酸洗前水沖洗

系統消缺完成后，按照設計進行大流量開式沖洗。在實際操作中，沖洗工序從距離反應器外圍管圈入口最遠處的撤熱水管及蒸汽管開始，第一回路沖洗時間較長，排水明顯比較渾濁。在后續切換沖洗系統時，每一路系統在切換完成后約5 min～8 min 即可排放出渾濁污水，持續沖洗約1 min即可比較清澈。兩個反應器沖洗總用時近5 h，沖洗水清澈，無明顯雜質時完成沖洗。

3.4 預緩蝕

沖洗完成后，以最后一路沖洗回路所在的反應器象限為第一循環回路建立循環，并根據該系統水容積加入0.3%SGR0405 緩蝕劑進行預緩蝕。緩蝕劑會使脫鹽水的pH 升高，顯示堿性，在檢測到循環回水出現堿性后，繼續循環5 min～10 min即可切換至下一循環回路。依照此步驟對兩個反應器的所有撤熱水管和蒸汽管進行了預緩蝕。

3.5 酸洗

預緩蝕完成后，按照每個小循環清洗系統的容積，加入清洗劑，在回水清洗藥劑質量分數大于1%后即可切換循環清洗系統。反應器外圍管圈、撤熱水母管和蒸汽母管的綜合水容積遠大于反應器內撤熱水管和蒸汽管容積，其內部的藥劑在切換清洗循環時，會快速補入反應器內管線，穩定反應器內的藥劑濃度。整體加藥完成后，再次由第一個清洗循環開始進行切換，每個清洗循環回路持續進行10 min～20 min的強制循環清洗，然后按照方案設計進行切換操作。經過對藥劑濃度的跟蹤化驗，藥劑濃度趨于穩定時判定清洗終點，實測終點殘余質量分數在2%±0.3%。

3.6 頂排酸洗液

酸洗完成后，按照3.3 水沖洗的步驟和方式，采用堿性轉換液頂排酸洗液。

3.7 鈍化

頂排結束后，按照3.5 酸洗的步驟和方式，首先加入氨水調節循環介質pH＞8，然后加入亞硝酸鈉和鈍化促進劑，循環時間參考酸洗循環時間，依次對清洗系統進行切換。

4 質量檢查及評定

化學清洗結束后，對清洗效果進行檢查。清洗箱內監視樣管金屬表面清潔、無殘留氧化物、無二次浮銹、無過洗現象；系統開口處金屬表面呈現氧化性銀灰色，無殘留氧化物、無二次浮銹和焊渣、無過洗現象。平均腐蝕速率和腐蝕量均符合相關規范要求。

5 結語

本項目通過在化學清洗前對現場施工條件和設備、系統結構的分析，科學設計，精心組織，嚴格執行，克服了多種不利因素，順利實施。全系統化學清洗結束后即進行了蒸汽吹掃打靶和水沖洗，快速實現了投料試生產，達到了理想的效果，保障了裝置順利開車，并為項目提前投產爭取了時間，具有較高的經濟效益。