3萬t/a乙二醛反應器的故障原因分析和解決途徑

李楠

上海華誼（集團）公司 （上海 200025）

工作研究

3萬t/a乙二醛反應器的故障原因分析和解決途徑

李楠

上海華誼（集團）公司 （上海 200025）

經換熱管成分、材質和裂紋分析，3萬t/a乙二醛氧化反應器換熱列管損壞的根本原因是換熱器較高的軸向熱應力和液面腐蝕的交互作用。經重新設計并更換后，氧化器換熱段徑向溫度分布均勻，解決了水蒸氣冷凝的問題，達到了反應氣激冷和能量回收利用的目的。

乙二醛 反應器 熱應力

乙二醛是一種用途較為廣泛的精細化工產品，主要用于醫藥、造紙、香料、涂料、粘合劑等領域[1]。3萬t/a乙二醛裝置是世界上最大的乙二醛生產裝置，其核心設備——氧化反應器具有反應、換熱一體化結構，直徑達3500mm。某工廠3萬t/a乙二醛裝置投產后，產能和產品質量都達到設計指標，但運行20個月后，發生產品酸度突然升高、產量降低、系統尾氣漏氧等現象。經過對氧化反應器設備進行檢查發現，換熱列管泄漏是影響產品產量和質量的直接原因。在多次檢修和開停車后，換熱段列管出現大面積損壞泄露現象，嚴重影響生產。本文通過分析反應器換熱段的損壞原因，明確修復改造反應器換熱段的最佳方案。

1 反應器損壞情況及其原因分析

1.1 氧化反應器的結構

3萬t/a乙二醛氧化反應器為反應換熱一體化結構，上部為催化氧化反應段，原料乙二醇汽化后和空氣預熱至220℃，進入反應器催化床進行氧化反應生成乙二醛。540℃的反應氣進入換熱段激冷降溫至200℃左右，然后在吸收塔經過噴淋和吸收得到最終成品。氧化反應器換熱段殼層進口為60℃空氣、循環氣和130℃蒸汽的混合氣，其換熱后溫度達到370℃，然后再與導熱油換熱降溫后，與汽化的乙二醇混合進入反應器。

因此，換熱段主要起到兩個作用：一是能夠激冷反應氣，防止產物聚合，并使之達到吸收的溫度條件；二是回收利用反應熱，節約能源。

為了提高換熱效率，在換熱段內加入氣體分布器，通過分布器可使冷卻介質從換熱段底部四周進入，折流板采用盤環式結構。

1.2 反應器損壞情況

裝置投產至反應器損壞前，催化反應穩定，產品產量和質量正常。但之后多次出現的產品產量和質量問題都與換熱列管泄漏密切相關。先后對換熱器進行3次檢修，更換列管共計979根，堵管223根，其中損壞列管主要分布為：軸向在殼層進口處（底部），具體斷裂位置全部處于接近下管板大約100 mm左右的位置，裂紋呈周向分布（見圖1）；徑向在反應器外圈，尤其在靠近循環氣進口一側最為明顯。

圖1 氧化器換熱列管損壞情況

1.3 損壞原因分析

1.3.1 換熱管成分、材質及裂紋分析

對換熱管進行化學成分分析，材料成分符合304不銹鋼技術要求[2]，具體見表1。

在遠離失效換熱管位置取樣進行常規拉伸試驗，換熱管的力學性能基本符合技術要求，拉伸試驗見圖2。

表1 換熱管化學成分分析結果 %

圖2 換熱管拉伸試驗

換熱管的材質為304不銹鋼，組織為熱軋退火組織，材質正常。

對損壞的換熱管裂紋宏觀形貌進行分析，裂紋全部起源于換熱管的外表面，逐步向內壁擴展，除少數裂紋穿透外，大部分網狀裂紋的深度在0.5～2 mm之間。主斷口宏觀沒有明顯的塑性變形，呈脆性。脆性斷口往往由應力腐蝕和疲勞等因素引起。網狀裂紋由熱疲勞、晶間腐蝕等原因引起。

對換熱管的化學成分、力學性能、裂紋的宏觀分析表明，換熱管的失效是熱應力導致的熱疲勞破壞，液面腐蝕和氯離子腐蝕引起的應力腐蝕加速了換熱管的開裂泄漏。

1.3.2 熱應力的來源

換熱器的管內外操作壓力小于0.05MPa，可以忽略工作壓力引起的應力。熱應力導致的熱疲勞破壞，其來源主要是換熱器的結構設計所帶來的問題。在正常工作條件下，進口冷氣體經氣體分布器，進入換熱器外圈的管子中下部位的溫度比中間部位的管子低。圓盤型折流板在氣體分布器均勻分配氣體時，折流板中間部分會出現惰流死區，因此中間部分管子換熱效率差，溫度高出很多。在換熱段下部增設3個測溫點，分別為進氣口、中心、對面三點部位，觀察同一截面溫度分布狀況（見圖3），進氣口和中心部位同一截面溫度差接近300℃。

圖3 反應器換熱段截面溫度分布情況

換熱器殼體采用帶膨脹節的結構，只能協調所有換熱管均勻膨脹引起的變形，而對中間管子和外圈管子存在的溫差產生的變形無能為力，最終協調變形的結果是外圈管子整體受到較大的拉伸應力，而中間管子受到一定的壓縮應力，這就是熱應力的來源。而每次開停車都會產生很大的交變拉伸應力，冷卻介質流量、流速的變化都會產生的交變熱應力，是造成大部分損壞列管分布在外環的原因。

1.3.3 液面腐蝕和氯離子腐蝕引起的應力腐蝕來源

換熱器管外的冷卻介質為空氣、循環氣和蒸汽的混合物，蒸汽為飽和蒸汽，溫度約130℃，流量約6 t/h，而空氣、循環氣進口溫度在60℃左右，流量約為13000m3/h。循環氣中有乙二醛介質，不含氯離子，而蒸汽介質中氯離子的含量較低，應力不高時，產生應力腐蝕的可能性較小。蒸汽進口管騎垮在循環氣進口管子上，一起進入換熱器的進口。蒸汽從換熱器的進口進入的好處是換熱效率高，但是與大量的冷氣體混合，必然有冷凝水進入換熱器的進口底部，然后再被汽化。因此在換熱器的進口下部會產生液面腐蝕，呈梯度變化。這就是造成大部分損壞列管分布在進口，斷裂的位置全部處于接近下管板大約100mm左右位置的原因。

因此，換熱列管的損壞根本上是由換熱器較高的軸向熱應力和液面腐蝕的交互作用造成的。

2 改進措施

針對換熱列管損壞的兩個根本原因，采取了針對性的措施。

將蒸汽進口位置從換熱器的進口改到第二塊折流板的進口。換熱器的進口溫度約60℃，第二塊折流板的進口溫度約120℃。改動后，在換熱器下管板放液口中基本無液體放出，說明蒸汽冷凝液的生成大大減少。該項措施有效地防止了液面腐蝕對換熱列管的損壞。

但蒸汽進口改到第二塊折流板的進口后，對換熱器換熱效率有所影響，換熱后出口溫度下降90℃左右。換熱后出口溫度的下降使得油換熱的熱量不足，油加熱的用電每小時多消耗400 kW。

為了徹底消除換熱器換熱管軸向存在的高溫差、高熱應力及其引起的能量損耗和管子損壞，一并考慮蒸汽進口移位后的換熱效率不足，需要重新設計換熱器結構。根據流場建模試驗，新設計換熱器結構采用弓型折流板的換熱器，軸向溫差小（＜60℃）。殼體的膨脹節能協調換熱管比較均勻膨脹引起的變形。蒸汽進口仍選在第二塊折流板的進口處，經過重新設計，換熱面積和換熱效率完全能達到要求。

3 換熱器更新后的效果

更新的換熱器投入使用后，換熱器軸向溫差、換熱溫度、能耗指標等都達到了理想的目標。

3.1 新氧化器下部溫度分布情況

如圖4所示，新氧化器換熱段底部截面溫度分布均勻性較舊換熱器有很大提高。

圖4 新氧化器換熱段底部截面溫度分布情況

本次改造前氧化器換熱段出口溫度為280℃左右，改造后溫度可達370℃左右，符合工藝參數要求。氧化器出口的循環氣用于加熱導熱油，溫度在280℃時需開電加熱維持導熱油溫度，而循環氣達到370℃時無需開電加熱，節能效果顯現。

3.2 能耗情況

乙二醛產品全流程電耗（包括反應和后處理單元）對比情況如下：

改造前電耗：393(kW·h)/t；改造后電耗：281(kW·h)/t。實現每噸產品節約電能超過100 kW·h，直接降低了生產成本。

3.3 蒸汽凝液狀況

舊氧化器加裝了排液管后，2～3 d打開一次閥門，有一定量凝液排出。

新氧化器設計時增設了排液口，2～3 d打開一次閥門，基本沒有凝液排出，說明蒸汽進口位置與管束熱交換作用能達到預期效果。

4 結論

經換熱管成分、材質和裂紋分析，氧化反應器換熱列管損壞的根本原因是換熱器較高的軸向熱應力和液面腐蝕的交互作用。經重新設計并更換后，氧化器換熱段徑向溫度分布均勻，解決了水蒸氣冷凝的問題，達到了反應氣激冷和能量回收利用的目的。

[1]李玉芳,李明.乙二醛的生產技術概述及市場前景[J].中國石油和化工經濟分析,2007(3):42-45.

[2]王瓊琦,王正東,涂善東.乙二醛換熱段換熱管斷裂原因分析[J].壓力容器,2009，26(3):49-53.

Failure Cause Analysis and Solutions of Glyoxal Reactor with Annual Output 30000 Tons

Li Nan

By component analysis,material analysis and crack analysis,discussed the failure causes of heat exchanger tubes of a glyoxal reactorwith annual output30000 tons,and the fundamental causewas the interaction of high axial heat stress of heat exchanger and corrosion caused by liquid surface.Through the redesign and replacement,the radial temperature of heat exchanger was uniform distributed,which solved the problem of water steam condensation,and also achieved the purposes of reaction gas chilling and energy recycling.

Glyoxal;Reactor;Heat stress

TQ 052.5

2013年11月

李楠 男 1981年生 碩士2006年畢業于華東理工大學工業催化專業 目前從事化工生產工藝管理工作