歧化過濾器內(nèi)筒鼓包事故分析與處理

倪玉峰 王慧豐 張洪月 吳子涵 楊金華

(金浦新材料股份有限公司，江蘇 南京 210047)

歧化松香鉀皂以歧化松香為原料加工而成，主要用作合成橡膠的乳化劑，是一種重要的松香深加工產(chǎn)品。在液體松香歧化工段使用的Pd-C催化劑由于價格昂貴，需進(jìn)行過濾回收利用。為提高鉀皂裝置工業(yè)生產(chǎn)過程中貴金屬鈀的回收率，降低歧化松香鉀皂產(chǎn)品加工成本，某企業(yè)采用密閉過濾器回收Pd-C催化劑，過濾器采用的熱媒介質(zhì)分別為低壓蒸汽和導(dǎo)熱油。但近年來，共發(fā)生兩起歧化過濾器內(nèi)筒鼓包事故，造成Pd-C催化劑過濾回收難以安全高效進(jìn)行。文章分析兩起事故原因，采取合理有效措施，消除設(shè)備隱患，保障安全生產(chǎn)。

1 歧化過濾器工作流程及基本參數(shù)

1.1 工作流程

某企業(yè)歧化過濾器的工作流程為：歧化松香與催化劑混合物通過過濾器后，催化劑被截留在過濾器濾芯外側(cè)，經(jīng)過濾后的歧化松香進(jìn)入計(jì)量罐準(zhǔn)備皂化反應(yīng)。過濾器設(shè)置為一用一備，根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷不同，主過濾器一般連續(xù)使用一周后需切換至備用過濾器，并對主過濾器進(jìn)行浸泡沖洗。將堿水注入過濾器，在80～90 ℃溫度下浸泡24 h，間歇通入氮?dú)猓呐輸噭蛹铀贋V餅層松動，最后在堿水的流動沖洗作用下帶出催化劑進(jìn)入回收網(wǎng)。

在上述浸泡過程中，向過濾器夾套內(nèi)通入熱媒介質(zhì)維持堿水溫度在80～90 ℃，熱媒介質(zhì)為0.4 MPa低壓蒸汽或?qū)嵊停瑑煞N熱媒介質(zhì)對應(yīng)的流程分別見圖1～2。

圖1 熱媒介質(zhì)為蒸汽的過濾器流程

圖2 熱媒介質(zhì)為導(dǎo)熱油的過濾器流程

1.2 歧化過濾器基本參數(shù)

歧化過濾器為立式過濾器，又名精密過濾器，設(shè)備執(zhí)行GB/T 150.1～150.4—2011標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)筒容積與夾套容積分別為0.35 m3、0.09 m3，換熱面積為18 m2；筒體(球殼)的材質(zhì)為S30408，厚度為8 mm；封頭的材質(zhì)為S30408/Q345R，厚度為8/6 mm;夾套的材質(zhì)為Q345R,厚度為6 mm，設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa,設(shè)計(jì)溫度為310 ℃；內(nèi)筒的設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa,設(shè)計(jì)溫度為300 ℃。

2 事故情況及原因分析

歧化過濾器夾套熱媒介質(zhì)最先使用的是0.4 MPa低壓蒸汽，但在檢修時發(fā)現(xiàn)過濾器夾套內(nèi)壁存在鼓包，嚴(yán)重影響過濾工段的生產(chǎn)安全，隨即停用。由于該車間生產(chǎn)過程使用的熱媒介質(zhì)基本是導(dǎo)熱油，因此，車間在辦理變更手續(xù)時，將歧化過濾器夾套熱媒介質(zhì)也變更為導(dǎo)熱油，但在第一次過濾后便發(fā)現(xiàn)歧化過濾器夾套內(nèi)壁還是出現(xiàn)鼓包。

2.1 使用導(dǎo)熱油為熱媒時的事故原因

由于熱媒介質(zhì)僅用于堿水的浸泡保溫，在高溫(280 ℃左右)歧化松香的過濾環(huán)節(jié)，由于高溫液體連續(xù)通過，且過濾器設(shè)置了巖棉隔熱層，無需熱媒介質(zhì)加熱。在使用導(dǎo)熱油為熱媒介質(zhì)完成對堿水的浸泡保溫后，關(guān)閉過濾器夾套熱媒進(jìn)出口閥門，導(dǎo)致過濾器夾套形成一個封閉系統(tǒng)。在過濾歧化松香時，280 ℃的高溫液體歧化松香連續(xù)通過歧化過濾器，夾套內(nèi)封閉的導(dǎo)熱油持續(xù)受熱。夾套內(nèi)的媒介系統(tǒng)封閉、內(nèi)筒壁溫度高而強(qiáng)度降低，是誘發(fā)內(nèi)筒鼓包失效的重要因素[1-2]。已知導(dǎo)熱油膨脹系數(shù)α約為6.7×10-4K-1，取最小傳熱溫差20 K，按液體膨脹量計(jì)算公式估算，過濾器夾套內(nèi)導(dǎo)熱油的最大體積膨脹量約0.009 6 m3，導(dǎo)致夾套向內(nèi)鼓包。

ΔV=α×V×(T2-T1)=6.7×10-4×0.09×(260-100)=0.009 6 m3

式中:ΔV為夾套內(nèi)導(dǎo)熱油的最大體積膨脹量，m3；V為過濾器夾套容積，m3；T1為堿液浸泡時的夾套溫度，℃；T2為與高溫液體歧化松香接觸時的夾套溫度，℃。

2.2 使用低壓蒸汽為熱媒時的事故原因

熱動力型圓盤式蒸汽疏水閥具備結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量低、體積小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用比較廣泛。在低壓蒸汽的情況下使用這種圓盤式蒸汽疏水閥時，必須有0.03 MPa以上的動作壓差，如果背壓是零(即疏水閥出口直通大氣)，疏水閥進(jìn)口壓力至少是0.03 MPa，隨著進(jìn)出口壓力差變小，疏水閥的排水能力也變小。使用熱動力型圓盤式蒸汽疏水閥用于排放夾層及蒸汽管內(nèi)的冷凝水，由于蒸汽管線長且不連續(xù)供汽，導(dǎo)致管道內(nèi)蒸汽冷凝產(chǎn)生較多的積水[3]。在疏水閥前的蒸汽管道上安裝帶手動閘閥(或球閥)的三通管，每次使用前打開手動閥排出積水，取得良好的應(yīng)用效果。

熱媒介質(zhì)僅用于堿水的浸泡保溫，在后續(xù)的高溫歧化松香過濾階段無需使用熱媒加熱，在80～90 ℃溫度下使用低壓蒸汽維持歧化過濾器浸泡24 h后，便將蒸汽管的切斷閥關(guān)閉。此時，過濾器夾套內(nèi)剩余蒸汽的溫度逐漸降低，產(chǎn)生的冷凝水通過疏水閥向外排放，同時夾套內(nèi)的蒸汽壓力降低，導(dǎo)致疏水閥的排水能力逐漸變小，最終使得過濾器夾套及其連接管道內(nèi)殘留一部分冷凝水。當(dāng)過濾器投入到過濾操作環(huán)節(jié)時，高溫的歧化松香連續(xù)通過過濾器內(nèi)筒，殘留的冷凝水獲取熱量產(chǎn)生蒸汽，夾套內(nèi)蒸汽壓力增加，超出夾套及內(nèi)筒的設(shè)計(jì)壓力，引起變形，形成凸向內(nèi)筒的鼓包。采用理想氣體狀態(tài)方程核算，夾套管線內(nèi)殘留積水高于246.58 g時，受熱蒸發(fā)足以超出過濾器內(nèi)筒與夾套的設(shè)計(jì)壓力。

式中：m為殘留積水的量，g；M為水的摩爾質(zhì)量，g/mol；P為過濾器內(nèi)筒與夾套的設(shè)計(jì)壓力，Pa；V為過濾器夾套容積，m3；R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為液態(tài)歧化松香溫度，K。

3 處理措施

鑒于導(dǎo)熱油作為該過濾器洗滌浸泡階段的加熱媒介時，導(dǎo)熱油進(jìn)油溫度約為260 ℃，而浸泡溫度僅需80～90 ℃，二者溫差大，操作不穩(wěn)，不易調(diào)控保溫溫度，因此提出過濾器夾套媒介采用0.4 MPa低壓蒸汽(如圖3所示)。同時，為避免關(guān)閉過濾器夾套進(jìn)口蒸汽后，夾套內(nèi)蒸汽壓力逐漸降低、疏水閥排水能力變小，導(dǎo)致夾套內(nèi)殘留部分積水無法順利排出，在進(jìn)行高溫歧化松香過濾時，夾套內(nèi)剩余積水持續(xù)受熱蒸發(fā)導(dǎo)致蒸汽壓力超出夾套及內(nèi)筒的設(shè)計(jì)壓力而引起內(nèi)筒變形。

圖3 采取防護(hù)措施的過濾器流程

建議在過濾器夾套底部疏水閥旁新增手動閘閥(或球閥)，在80～90 ℃堿水浸泡24 h后，及時打開新增的旁路閥將夾套及其連接管線內(nèi)的冷凝積水排出。

4 結(jié)語

歧化過濾器是鉀皂車間的關(guān)鍵設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到Pd-C催化劑回收、提高歧化松香產(chǎn)品品質(zhì)的效率。針對車間使用導(dǎo)熱油及低壓蒸汽做熱媒介質(zhì)時發(fā)生的過濾器內(nèi)筒鼓包事故，選擇以0.4 MPa低壓蒸汽為熱媒介的保溫方案，并在過濾器夾套底部疏水閥旁新增手動閘閥(或球閥)，可以及時排出積水，避免過濾器內(nèi)筒鼓包事故再次發(fā)生。