丙烯腈成品塔冷凝器結(jié)垢問(wèn)題的分析及處理

陳麗，孫純國(guó)，胡紅旗，欒國(guó)顏

(1.吉林化工學(xué)院化工與材料工程學(xué)院，吉林132022；2.中國(guó)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(jié)垢問(wèn)題的分析及處理

陳麗1，孫純國(guó)1，胡紅旗2，欒國(guó)顏1

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

本文通過(guò)對(duì)丙烯腈生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備成品塔冷凝器殼程結(jié)垢嚴(yán)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(guò)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐，取得了很好的效果，建議在生產(chǎn)運(yùn)行中廣為采用。

冷凝器；結(jié)垢；丙烯腈；波壁紋管

某廠丙烯腈裝置始建于20世紀(jì)90年代，由美國(guó)BP化學(xué)公司設(shè)計(jì)，采用丙烯氨氧化法生產(chǎn)技術(shù)。丙烯腈裝置丙烯腈成品塔冷凝器在實(shí)際生產(chǎn)中由于換熱效果不好，導(dǎo)致產(chǎn)品中過(guò)氧化物、pH值以及酸度等不合格，嚴(yán)重影響著產(chǎn)品質(zhì)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(nèi)的聚合，縮短了成品塔的運(yùn)行周期，增加了裝置的檢修次數(shù)，大大降低了丙烯腈產(chǎn)品的質(zhì)量，增加原料的消耗。改進(jìn)冷凝器的換熱效果對(duì)丙烯腈的生產(chǎn)具有十分重要的意義。

1 冷凝器基本概況

1.1 設(shè)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(guī)格為殼徑450mm×2500 mm，換熱面積F=27.2m2，管徑 19 mm×2.5 mm，管數(shù) 188 根，殼程數(shù)為 1，管程數(shù)為4，殼程擋板間距為105 mm；設(shè)備材質(zhì)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(zhì)殼程為工業(yè)用水，管程為丙烯腈。

1.2 原因分析

成品冷凝器殼程結(jié)垢嚴(yán)重并且在列管壁面上的沉積是導(dǎo)致?lián)Q熱能力下降最根本的原因，如圖1所示。殼程中使用的工業(yè)用水含有鹽類、機(jī)械雜質(zhì)及有機(jī)物雜質(zhì)等[1]。從結(jié)垢的形成原因分析如下：

a.此介質(zhì)中的某些鹽類在溫度升高時(shí)會(huì)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(dāng)水的pH值較高時(shí)也可導(dǎo)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(jié)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(dāng)流體所含的機(jī)械雜質(zhì)、有機(jī)物較多并且流體的流速又較小時(shí)，部分機(jī)械雜質(zhì)及有機(jī)物也會(huì)在換熱器內(nèi)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(nèi)外熱量傳遞的阻力。

c.污垢長(zhǎng)時(shí)間在管壁上的沉積會(huì)逐漸對(duì)列管產(chǎn)生腐蝕，除了對(duì)設(shè)備造成損壞之外，檢修維護(hù)時(shí)也將大大增加污垢清理的難度。

2 問(wèn)題的處理

結(jié)垢現(xiàn)象客觀存在幾乎無(wú)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(duì)結(jié)垢的處理有手工機(jī)械法、沖洗法和化學(xué)除垢法等，這也是目前工程中普遍采用的方法[2]，屬于被動(dòng)的措施，往往清洗干凈的換熱器再度投入使用后會(huì)很快重新結(jié)垢、沉積，并且清洗周期越來(lái)越短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)際生產(chǎn)的要求。

2.1 處理的方案

為了從根本上解決這個(gè)嚴(yán)重困擾生產(chǎn)的問(wèn)題，換一種思路，采用防止結(jié)垢物之間的粘結(jié)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(xué)性能較好的壁波紋管來(lái)取代原來(lái)的直壁管的方案。

2.2 理論依據(jù)

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

這種時(shí)刻發(fā)生變化的剪切狀態(tài)，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(jié)垢問(wèn)題的發(fā)生。

2.3 處理效果

提高換熱效率，節(jié)約能源。冷凝器傳熱效果明顯增加，減少了工業(yè)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(zhǎng)設(shè)備使用壽命。冷凝器結(jié)垢速度明顯降低，清洗周期數(shù)倍延長(zhǎng)，只是在每年裝置大檢修時(shí)清理結(jié)垢即可。對(duì)成品冷凝塔換熱器改用壁波紋管后已經(jīng)三四年了，再未因它出現(xiàn)結(jié)垢而切換維護(hù)。

提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。換熱器的操作彈性顯著增大，整個(gè)裝置都可以在較高的負(fù)荷下生產(chǎn)；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(nèi)的聚合，提高了丙烯腈產(chǎn)品的質(zhì)量。

減少經(jīng)濟(jì)損失。傳熱效果的改善，減少了原料的消耗量。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(chǎn)的技術(shù)要求，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，保證了設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行，為工廠創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］周本省.工業(yè)冷卻水處理的物理方法及工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:30-49.

［2］毛希瀾.換熱器設(shè)計(jì)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,2008:5-25.

［3］田文德,王曉紅.化工過(guò)程計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京:化學(xué)工業(yè)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(tǒng)工程的研究。