丙烯腈裝置流化床反應(yīng)器化學(xué)清洗方法與實(shí)踐

田民格，姚飛飛，宋 旗，陳軍民，韋亞飛

（欣格瑞（山東）環(huán)境科技有限公司，山東 濟(jì)寧 272415）

引言

丙烯腈屬于大宗基本有機(jī)化工產(chǎn)品，是三大合成材料的基本原料。近年來，隨著丙烯腈下游產(chǎn)品ABS/SAN、丙烯酸酰胺、丁腈橡膠和己二腈等的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)丙烯腈行業(yè)發(fā)展較快，產(chǎn)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(fēng)分離器等部分組成的循環(huán)流化床式反應(yīng)器是丙烯腈生產(chǎn)中使用最廣泛的反應(yīng)器。

丙烯腈裝置反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生的大量反應(yīng)熱，由來自冷劑槽的循環(huán)飽和水帶走，飽和水在反應(yīng)器內(nèi)部經(jīng)多組U 型冷卻水管傳熱，產(chǎn)生的汽水混合物回到冷劑槽進(jìn)行汽液分離，分離后的飽和蒸汽會(huì)再次經(jīng)反應(yīng)器的U 型冷卻水管進(jìn)行過熱，產(chǎn)生的高壓蒸汽混合調(diào)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(duì)公用工程高中壓蒸汽管線進(jìn)行化學(xué)清洗的同時(shí)，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部撤熱水管線及蒸汽管線進(jìn)行化學(xué)清洗，可去除反應(yīng)器在制造、運(yùn)輸、貯存和安裝等過程中在設(shè)備及管線內(nèi)部產(chǎn)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(duì)裝置的順利開車及使用具有重要意義[4]。

1）化學(xué)清洗可去除管內(nèi)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(xù)吹掃及撤熱水系統(tǒng)沖洗所需時(shí)間，大大節(jié)省蒸汽及脫鹽水用量，具有較高的經(jīng)濟(jì)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(nèi)的較大固體雜質(zhì)沖出系統(tǒng)。在運(yùn)行使用過程中，U 型管底部彎管沉積的污垢大量沉積后會(huì)影響撤熱水流量，降低冷卻效果，影響正常生產(chǎn)；另一方面，流動(dòng)性質(zhì)的污垢會(huì)對(duì)彎管部位的金屬產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的擊打、摩擦等作用，極易損傷金屬基體。通過化學(xué)清洗可使管道內(nèi)部的污垢溶解去除，避免上述情況的產(chǎn)生。

3）撤熱水管在彎管段部位的直徑有輕微的變化，會(huì)導(dǎo)致彎管內(nèi)的壓力和流速發(fā)生變化，使彎管內(nèi)壁凹面處介質(zhì)流速降低，壓力增大。在管內(nèi)介質(zhì)為水和蒸汽的條件下，管內(nèi)氣泡極易在管內(nèi)凹面高壓區(qū)破滅，對(duì)局部撤熱水管產(chǎn)生氣蝕磨損。通過化學(xué)清洗，可去除彎管部位的表面銹蝕，減少凹凸面。

1 現(xiàn)場(chǎng)條件及設(shè)備構(gòu)造分析

在施工前，為了確保反應(yīng)器撤熱水系統(tǒng)及反應(yīng)器蒸汽系統(tǒng)化學(xué)清洗項(xiàng)目的有效開展，在參考相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求的同時(shí)，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件及設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過分析和計(jì)算，選擇合適的施工方法，編制切實(shí)可行的施工方案。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)不利施工條件

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)公用工程條件的溝通調(diào)查，有以下不利于施工的情況：

1）施工用水。化學(xué)清洗應(yīng)選用脫鹽水或軟化水，施工現(xiàn)場(chǎng)無較大脫鹽水接口，最大接口僅為DN100，供水量最高達(dá)100 t/h，且無法長(zhǎng)時(shí)間供應(yīng)；消防水水質(zhì)較差，氯離子含量和濁度較高，無法使用。

2）熱源。由于該項(xiàng)目為新建項(xiàng)目，裝置區(qū)域內(nèi)無蒸汽引入，排除蒸汽加熱；該新建裝置為擴(kuò)建項(xiàng)目，廠區(qū)內(nèi)已有其他裝置正在運(yùn)行，不具備采用燃燒方式進(jìn)行加熱。

3）電源。施工區(qū)域附近僅有施工臨時(shí)電源可供使用，用電負(fù)荷不宜過大。

4）排污。裝置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置有4 個(gè)污水池，設(shè)計(jì)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(jìn)度不同，暫時(shí)未能接通，僅能暫時(shí)存放于污水池中。

在清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)、介質(zhì)選擇和工藝設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了上述不利因素，采取了針對(duì)性措施，保證了項(xiàng)目順利實(shí)施。

1.2 設(shè)備構(gòu)造分析

經(jīng)過圖紙分析、現(xiàn)場(chǎng)觀察和溝通，該流化床反應(yīng)器內(nèi)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(tǒng)為多金屬材質(zhì)。

現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)反應(yīng)器并列布置。每個(gè)反應(yīng)器的撤熱水系統(tǒng)與蒸汽系統(tǒng)劃分為N 個(gè)象限，每個(gè)象限由數(shù)根撤熱水管組成，并聯(lián)設(shè)置，每根撤熱水管均安裝有閥門。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 泵選型

反應(yīng)器每個(gè)象限單獨(dú)建立循環(huán)。根據(jù)流速計(jì)算進(jìn)行清洗泵選型，流速計(jì)算表見表1。

表1 流速計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，以反應(yīng)器的一個(gè)象限的撤熱水管為獨(dú)立的清洗回路，可選用50 m3/h～127 m3/h的清洗泵，結(jié)合我公司設(shè)備型號(hào)，可選用2 m3/h×100 m3/h清洗平臺(tái)、2 m3/h×75 m3/h清洗平臺(tái)。其中2 m3/h×100 m3/h清洗平臺(tái)的功率為18.5 kW，揚(yáng)程為40 m；2 m3/h×75 m3/h清洗平臺(tái)的用電功率為4 kW，揚(yáng)程為85 m。兩種泵站均可在施工現(xiàn)場(chǎng)找到合適的臨時(shí)電源接口。經(jīng)查閱設(shè)計(jì)資料，查明反應(yīng)器撤熱水系統(tǒng)冷卻水管內(nèi)設(shè)計(jì)壓力，兩種泵站的揚(yáng)程均符合要求。

由于反應(yīng)器內(nèi)U 型管的特殊結(jié)構(gòu)，在管內(nèi)的氣體前有動(dòng)力泵提供的液體推動(dòng)，后有液體壓阻，極易產(chǎn)生氣塞。在選用揚(yáng)程較高泵站的情況下，提高管內(nèi)氣體前的推動(dòng)力，可有效避免氣塞的產(chǎn)生。綜合考慮上述條件，擬選用2 m3/h×75 m3/h 清洗平臺(tái)，該泵站揚(yáng)程可達(dá)85 m，可有效避免反應(yīng)器U 型管在清洗期間產(chǎn)生氣塞。同時(shí)在清洗過程中，嚴(yán)格控制清洗箱中的液位，避免外界氣體吸入泵體，進(jìn)入管路系統(tǒng)。

2.2 工藝設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)場(chǎng)熱源受限，應(yīng)選用在常溫條件下具有優(yōu)異清洗效果的清洗劑。通過比較，確定使用具有絡(luò)合作用的復(fù)合清洗劑和亞硝酸鈉加鈍化促進(jìn)劑進(jìn)行化學(xué)清洗和鈍化。該清洗劑對(duì)溫度無特殊要求，常溫即可使用，適用于系統(tǒng)金屬材質(zhì)。該清洗劑具有較強(qiáng)的絡(luò)合能力，可避免清洗剝離下的污垢沉積在冷卻管內(nèi)部；亞硝酸鈉加鈍化促進(jìn)劑可在常溫下達(dá)到較好的鈍化效果。

由于排污池內(nèi)污水無法短時(shí)間內(nèi)排出，受限于排污池容量，在酸洗完成后采用堿性轉(zhuǎn)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(tài)，并減少脫鹽水用水量及污水排放量。在堿性轉(zhuǎn)換完成后，快速加入亞硝酸鈉和鈍化促進(jìn)劑進(jìn)行鈍化處理，可使金屬表面進(jìn)入鈍化狀態(tài)。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)所選用的泵站型號(hào)，對(duì)清洗流速進(jìn)行核算，核算結(jié)果見表2。

表2 清洗流速核算

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在化學(xué)清洗期間以一個(gè)象限的撤熱水管為獨(dú)立的一個(gè)循環(huán)回路即可達(dá)到化學(xué)清洗0.2 m/s 的流速要求。在切換循環(huán)回路時(shí)，首先關(guān)閉1 根～2 根撤熱水管，再開啟下一個(gè)循環(huán)回路的1 根～2 根撤熱水管，依次類推，可使切換清洗循環(huán)過程的清洗流速稍大于循環(huán)清洗過程的清洗流速，避免先開后關(guān)引起的氣塞。

在酸洗前的水沖洗過程中，將待清洗反應(yīng)器的N個(gè)象限進(jìn)一步劃分，設(shè)計(jì)為12 個(gè)沖洗回路，以每3 根撤熱水管為一個(gè)獨(dú)立的沖洗回路，以較大的壓力和沖洗流速，將系統(tǒng)內(nèi)的固體污垢沖出系統(tǒng)，并且可以將管內(nèi)氣體沖出系統(tǒng)。在切換沖洗回路時(shí)，首先關(guān)閉沖洗回路的一個(gè)撤熱水管，然后再開啟下一沖洗回路的一個(gè)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(chǎn)生氣塞的同時(shí)，也可借助短時(shí)間更大流速的沖洗，將管內(nèi)污垢進(jìn)一步?jīng)_出系統(tǒng)。

3 清洗過程

清洗過程主要包括以下環(huán)節(jié)：正式系統(tǒng)隔離檢查及正式系統(tǒng)閥門狀態(tài)檢查調(diào)整→上水沖洗查漏→酸洗前開始沖洗→預(yù)緩蝕→酸洗→頂排酸液→鈍化。

在上水前，對(duì)系統(tǒng)水容積及各獨(dú)立清洗循環(huán)系統(tǒng)容積進(jìn)行核算，單臺(tái)反應(yīng)器及其外圈管線的清洗水容積約在25 m3，整個(gè)系統(tǒng)清洗水容積以60 m3計(jì)。

3.1 系統(tǒng)檢查

在正式上水沖洗前，對(duì)正式系統(tǒng)所有相關(guān)閥門狀態(tài)及隔離措施進(jìn)行檢查，確認(rèn)不參加化學(xué)清洗的系統(tǒng)已與系統(tǒng)可靠隔離，系統(tǒng)內(nèi)的流量計(jì)已采用臨時(shí)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(guān)閉，二次閥門開啟，在操作時(shí)，僅對(duì)一次閥門進(jìn)行操作。

3.2 上水沖洗查漏

在首次上水時(shí)，對(duì)所有臨時(shí)系統(tǒng)的焊口、法蘭等連接部位進(jìn)行檢查和緊固，對(duì)于泄漏嚴(yán)重的部位進(jìn)行停機(jī)消缺。

3.3 酸洗前水沖洗

系統(tǒng)消缺完成后，按照設(shè)計(jì)進(jìn)行大流量開式?jīng)_洗。在實(shí)際操作中，沖洗工序從距離反應(yīng)器外圍管圈入口最遠(yuǎn)處的撤熱水管及蒸汽管開始，第一回路沖洗時(shí)間較長(zhǎng)，排水明顯比較渾濁。在后續(xù)切換沖洗系統(tǒng)時(shí)，每一路系統(tǒng)在切換完成后約5 min～8 min 即可排放出渾濁污水，持續(xù)沖洗約1 min即可比較清澈。兩個(gè)反應(yīng)器沖洗總用時(shí)近5 h，沖洗水清澈，無明顯雜質(zhì)時(shí)完成沖洗。

3.4 預(yù)緩蝕

沖洗完成后，以最后一路沖洗回路所在的反應(yīng)器象限為第一循環(huán)回路建立循環(huán)，并根據(jù)該系統(tǒng)水容積加入0.3%SGR0405 緩蝕劑進(jìn)行預(yù)緩蝕。緩蝕劑會(huì)使脫鹽水的pH 升高，顯示堿性，在檢測(cè)到循環(huán)回水出現(xiàn)堿性后，繼續(xù)循環(huán)5 min～10 min即可切換至下一循環(huán)回路。依照此步驟對(duì)兩個(gè)反應(yīng)器的所有撤熱水管和蒸汽管進(jìn)行了預(yù)緩蝕。

3.5 酸洗

預(yù)緩蝕完成后，按照每個(gè)小循環(huán)清洗系統(tǒng)的容積，加入清洗劑，在回水清洗藥劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%后即可切換循環(huán)清洗系統(tǒng)。反應(yīng)器外圍管圈、撤熱水母管和蒸汽母管的綜合水容積遠(yuǎn)大于反應(yīng)器內(nèi)撤熱水管和蒸汽管容積，其內(nèi)部的藥劑在切換清洗循環(huán)時(shí)，會(huì)快速補(bǔ)入反應(yīng)器內(nèi)管線，穩(wěn)定反應(yīng)器內(nèi)的藥劑濃度。整體加藥完成后，再次由第一個(gè)清洗循環(huán)開始進(jìn)行切換，每個(gè)清洗循環(huán)回路持續(xù)進(jìn)行10 min～20 min的強(qiáng)制循環(huán)清洗，然后按照方案設(shè)計(jì)進(jìn)行切換操作。經(jīng)過對(duì)藥劑濃度的跟蹤化驗(yàn)，藥劑濃度趨于穩(wěn)定時(shí)判定清洗終點(diǎn)，實(shí)測(cè)終點(diǎn)殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhuǎn)換液頂排酸洗液。

3.7 鈍化

頂排結(jié)束后，按照3.5 酸洗的步驟和方式，首先加入氨水調(diào)節(jié)循環(huán)介質(zhì)pH＞8，然后加入亞硝酸鈉和鈍化促進(jìn)劑，循環(huán)時(shí)間參考酸洗循環(huán)時(shí)間，依次對(duì)清洗系統(tǒng)進(jìn)行切換。

4 質(zhì)量檢查及評(píng)定

化學(xué)清洗結(jié)束后，對(duì)清洗效果進(jìn)行檢查。清洗箱內(nèi)監(jiān)視樣管金屬表面清潔、無殘留氧化物、無二次浮銹、無過洗現(xiàn)象；系統(tǒng)開口處金屬表面呈現(xiàn)氧化性銀灰色，無殘留氧化物、無二次浮銹和焊渣、無過洗現(xiàn)象。平均腐蝕速率和腐蝕量均符合相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目通過在化學(xué)清洗前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工條件和設(shè)備、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，科學(xué)設(shè)計(jì)，精心組織，嚴(yán)格執(zhí)行，克服了多種不利因素，順利實(shí)施。全系統(tǒng)化學(xué)清洗結(jié)束后即進(jìn)行了蒸汽吹掃打靶和水沖洗，快速實(shí)現(xiàn)了投料試生產(chǎn)，達(dá)到了理想的效果，保障了裝置順利開車，并為項(xiàng)目提前投產(chǎn)爭(zhēng)取了時(shí)間，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。