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        氨制冷系統(tǒng)精餾塔的相關(guān)問題研究

        2022-09-01 07:45:06馬高強(qiáng)
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2022年11期
        關(guān)鍵詞:殼程液氨精餾塔

        馬高強(qiáng)

        (神馬尼龍化工有限責(zé)任公司 河南平頂山 467013)

        氨是一種天然的制冷工質(zhì),具有較大蒸發(fā)潛熱性、適中壓力、良好熱力性質(zhì),其ODP 與GWP 都是0,環(huán)保特性十分良好。來自國際能源署熱泵中心報告表示,從經(jīng)濟(jì)與環(huán)境角度看,通過對氨的有效利用,可以解決對大氣環(huán)境具有較大不良影響的GWP制冷劑問題,由此看來,氨水吸收式制冷系統(tǒng)對持續(xù)健康發(fā)展的道路具有重大意義,同時,有利于合理利用我國資源,實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。

        1 精餾塔在氨水制冷中作用

        研究表明,水分含量是制冷劑中最重要因素之一,它對制冷系統(tǒng)運(yùn)行情況、氨水制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有決定性影響。由此看來,對于氨水制冷系統(tǒng)而言,想要將高純度氨氣提取出來,必須應(yīng)用精餾法,進(jìn)而促進(jìn)此系統(tǒng)運(yùn)行功能的提高。精餾塔是分離氨水的重要設(shè)備之一。精餾塔可以達(dá)到交換上升高溫氣體與下降低溫液體的目的,進(jìn)而增高上升液體中的氨濃度,使提純氨氣目標(biāo)得以實現(xiàn)。通過研究氨水制冷精餾塔中熱質(zhì)交換過程可知,制冷劑中水分不僅危害氨水制冷系統(tǒng),氨蒸汽中殘留水分同樣影響系統(tǒng),此研究以氨水吸收制冷精餾塔全冷凝器為基礎(chǔ),為精餾段效率與提餾段效率賦值為0~1,應(yīng)用定量分析法,分析精餾段與提餾段對精餾效果與系統(tǒng)COP的影響[1-2]。

        2 構(gòu)建氨制冷系統(tǒng)

        此系統(tǒng)的重要構(gòu)成部件包括精餾塔、過濾器、冷凝器、蒸發(fā)器、過冷器、溶液熱交換器、吸收器、節(jié)流閥、溶液泵。制冷劑循環(huán)與溶液循環(huán)是整個制冷循環(huán)的兩個重要部分。氨蒸汽與水蒸氣混合物經(jīng)過精餾塔頂出口后通過部分回流到達(dá)冷凝器,在冷凝作用下形成氨液,通過冷器、節(jié)流閥到達(dá)蒸發(fā)器中,在受到冷卻對象的吸熱蒸發(fā)作用后,氨液形成氨蒸汽,促進(jìn)冷量產(chǎn)生,使制冷得以實現(xiàn);氨蒸汽產(chǎn)生后,通過冷器到達(dá)吸收器,被流經(jīng)溶液熱交換器的精餾塔底稀溶液吸收,促進(jìn)濃氨水溶液的形成,進(jìn)入溶液泵到達(dá)溶液熱交換器后,與精餾塔底部稀溶液換熱,升高溫度,通過精餾塔進(jìn)料口到達(dá)精餾塔,實施提餾段與精餾段操作后,使精餾提純工作得以完成,促進(jìn)氨蒸汽的重新產(chǎn)生,進(jìn)而使整個循環(huán)過程得以實現(xiàn)(見圖1)。

        圖1 氨制冷系統(tǒng)

        3 簡述工藝流程

        一些源于脫氨、碳回收、空分中的氣氨匯聚起來后,共同進(jìn)入氨吸收制冷裝置,經(jīng)過過冷器管程后,交換殼程中液氨熱量,升高溫度達(dá)到24℃時到達(dá)吸收器殼程,然后被冷凝器中稀氨水吸收,稀氨水吸收氣氨后,促進(jìn)濃氨水的形成,大量被釋放出來的反應(yīng)熱被吸收器管程循環(huán)水帶走。從吸收器中出來的濃氨水受到重力作用影響,流入濃氨水儲槽中,然后通過氨水泵加壓到達(dá)1.8MPa,傳輸溶液換熱器殼程,交換精餾塔內(nèi)稀氨水熱量,濃氨水溫度升高達(dá)到110℃后,到達(dá)氨精餾塔中部開展精餾工作。

        氣氨與蒸汽從氨精餾塔中被蒸出后,一部分上升到塔頂,通過塔頂回流器后,一些回流,大部分出塔頂后的氣氨與蒸汽進(jìn)入冷凝器殼程,交換管程中一次水熱量后冷卻,形成液氨,進(jìn)而到達(dá)液氨儲罐。受到自身壓力影響,經(jīng)過底部液氨管道進(jìn)入冷凝器殼程的濃氨儲槽內(nèi)液氨,交換外來氣氨熱量,在溫度下降到10℃時向用戶輸送。

        塔底虹吸式再沸器將熱量提供給氨精餾塔,借助再肺器殼程,可以加熱塔底氨水的低壓蒸汽,有大量氣氨存在氨水中,這就造成較高揮發(fā)率,進(jìn)而上升氨水中氣氨,一些經(jīng)過精餾塔冷凝作用后,促進(jìn)自回流的形成,其他部分流出氨精餾塔頂部后,在冷凝器作用下,形成液氨的冷凝。借助溶液冷凝器,出塔后的塔底稀氨水通過利用溶液冷凝器實現(xiàn)換熱目的,如果溫度在43℃時,能夠?qū)⒂脩羲蛠淼臍獍蔽眨?-5]。

        4 氨精餾塔冷凝器腐蝕原因與預(yù)防改進(jìn)策略

        自從投入使用氨精餾塔之后,塔頂冷凝器頻繁發(fā)生泄漏情況,最初并不明確泄漏原因,僅僅將堵漏處理措施應(yīng)用于泄漏部位,然而,短時間內(nèi)再次出現(xiàn)泄漏,對整個按制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行造成不良影響,不僅大幅度增加液氮消耗,還導(dǎo)致了檢修工作量的增加。這是固定管板式的冷凝器,在選擇材質(zhì)方面,選用16MnRⅢ的筒體、16Mn 的管板、20#換熱管、1.5MPa 的設(shè)計壓力,循環(huán)水是此冷凝器殼程介質(zhì),液氮是管程介質(zhì)。投入使用氨精餾塔之后,運(yùn)行一段時間之后,有內(nèi)漏情況出現(xiàn)在塔頂冷凝器中,進(jìn)而逐漸提高塔頂溫度,由于有氨存在于冷凝器循環(huán)水出口水中,逐漸擴(kuò)大泄漏量,不斷升高循環(huán)水中氨含量,明顯增加氨消耗。

        4.1 研究腐蝕泄露原因與預(yù)防對策

        拆檢冷凝器之后,以冷凝器腐蝕情況為依據(jù),能夠判斷出點(diǎn)腐蝕與應(yīng)力腐蝕是主要腐蝕類型。

        4.1.1 點(diǎn)腐蝕

        比較典型的點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象是有腐蝕坑存在于換熱管表面,點(diǎn)腐蝕比較容易發(fā)生于CI-環(huán)境中,究其原因,主要是CI-很容易吸附在換熱管表面某個點(diǎn)上,進(jìn)而破壞此處鈍化膜,根據(jù)金屬腐蝕機(jī)理可知,CI-具有良好活性,發(fā)生小孔腐蝕的概率比較大,因此,必須嚴(yán)格控制循環(huán)水中的CI-。

        4.1.2 應(yīng)力腐蝕

        在拉力與腐蝕共同作用之下,金屬材料發(fā)生脆性斷裂被稱為應(yīng)力腐蝕斷裂,變換工段將熱負(fù)荷提供給氨精餾塔,那么改變變換工段的工況后,熱負(fù)荷也會產(chǎn)生變化,考慮循環(huán)冷卻水具有恒定溫度,較小溫度調(diào)節(jié)空間,一旦有波動出現(xiàn)在熱負(fù)荷中,在溫度差影響下,塔頂冷凝器會產(chǎn)生熱應(yīng)力拉伸,塔頂冷凝器具有較高頂部壓力和溫度,如果對正常換熱要求冷凝器不能進(jìn)行滿足,就會逐漸積聚熱量,慢慢加劇冷凝器的溫差膨脹,最終拉裂熱管與管板之間焊縫。由此看來,生產(chǎn)過程中必須保持平穩(wěn)操作,防止大幅度調(diào)整,避免發(fā)生塔頂超溫情況。

        4.2 改進(jìn)對策

        碳鋼材質(zhì)的換熱管具有較差耐腐蝕性能,較小自由伸縮度,改進(jìn)對策是更換熱管材質(zhì),即使用304代替碳鋼,不改變規(guī)格,為了使耐腐蝕性能得以增強(qiáng),將管板材質(zhì)改為16MnⅢ+304,同時,將304 堆焊層增加到換熱管焊接面。

        5 研究筒體腐蝕原因與預(yù)防改進(jìn)對策

        氨精餾塔筒體材質(zhì)、壁厚分別是16MnR、22mm,304 為塔內(nèi)件材質(zhì)。通過仔細(xì)檢查腐蝕點(diǎn),發(fā)現(xiàn)被腐蝕的塔壁呈現(xiàn)溝槽形狀,觀察材質(zhì)劣化與腐蝕形貌,存在酸液、沖刷腐蝕等狀況。

        5.1 研究筒體腐蝕原因

        5.1.1 冷凝液腐蝕與垢下腐蝕

        氨的冷凝溫度在1.4MPa時的溫度是36℃,這時會有冷凝氨液形成于冷凝器管壁上,并且沿塔壁向下方流。因為人孔位置具有較差保溫性能,導(dǎo)致有氨液析出,人孔底部會逐漸聚積后液氨,促進(jìn)積液的形成。氨液與積液中氨、介質(zhì)中H2S、硫代硫酸根、硫酸根等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后,促進(jìn)(NH4)2SO4、NH4HS等的產(chǎn)生,遇到水之后,就會水解成酸性腐蝕物質(zhì),最終使酸液腐蝕與垢下腐蝕得以形成。

        5.1.2 NH4HS沖刷腐蝕

        氣態(tài)氨中H2S 與NH3反應(yīng)后,促進(jìn)NH4HS的生成,在120℃左右析出NH4HS結(jié)晶,因此,有NH4HS結(jié)晶存在于塔體上部介質(zhì)中,并且逐漸在塔上部凝結(jié)NH4HS氨液,在重力作用下流向下方,接觸高速逆流的氨氣后,就會有沖刷腐蝕形成于塔壁。

        5.2 預(yù)防和改進(jìn)對策

        第一,有效控制原料,嚴(yán)格控制氨液中H2S與其他雜質(zhì)含量,使其處于工藝指標(biāo)范圍,并且將短接、人工孔位置等保溫工作做好,進(jìn)而防止低溫液氨冷凝鹽形成。

        第二,加強(qiáng)跟蹤腐蝕介質(zhì),將進(jìn)出料位置的各點(diǎn)采樣分析工作做好,對Fe3+、硫酸鹽、硝酸鹽、Na2S2O3、H2S等有害物質(zhì)進(jìn)行重點(diǎn)分析,進(jìn)而對各位置腐蝕介質(zhì)的具體分布狀況進(jìn)行全面了解和掌握。并且對氨精餾塔污水中含有NH4HS 質(zhì)量濃度進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測,如果NH4HS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時,必須第一時間實施置換處理操作。

        第三,從整體上改造和更換設(shè)備,將內(nèi)襯增加到筒體部位,材質(zhì)是304,厚度是3mm,有利于徹底根除腐蝕問題[6-7]。

        6 結(jié)語

        綜上所述,借助分析氨精餾塔腐蝕原因,能夠?qū)τ嘘P(guān)問題進(jìn)行全面了解和掌握,進(jìn)而將具有較強(qiáng)針對性的預(yù)防與改進(jìn)對策制定出來,有利于將指導(dǎo)依據(jù)提供出來,更好地解決和改善精餾塔腐蝕問題。氨制冷的最重要設(shè)備就是氨精餾塔。解決腐蝕問題之后,能夠有利于保障此設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行,提高氨制冷設(shè)備運(yùn)行效率和質(zhì)量,幫助化工企業(yè)獲取最大化的收益。

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